โนเบล 1993: พัลซาร์คู่ที่พิสูจน์คลื่นความโน้มถ่วง

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1993 มอบร่วมกันให้ รัสเซลล์ ฮัลส์ และ โจเซฟ เทย์เลอร์ "สำหรับการค้นพบพัลซาร์ชนิดใหม่ ซึ่งเปิดโอกาสใหม่ในการศึกษาแรงโน้มถ่วง"

การค้นพบ

ในปี ค.ศ. 1974 ฮัลส์ ซึ่งเป็นนักศึกษาปริญญาเอกของเทย์เลอร์ ใช้กล้องวิทยุอาเรซีโบขนาด 305 เมตรในเปอร์โตริโก ค้นหาพัลซาร์ใหม่ เขาพบพัลซาร์ PSR B1913+16 ที่หมุนรอบตัวเอง 17 รอบต่อวินาที แต่คาบของพัลส์กลับเปลี่ยนไปมาอย่างเป็นจังหวะทุก 7.75 ชั่วโมง คำอธิบายคือพัลซาร์กำลังโคจรรอบวัตถุที่มองไม่เห็นอีกชิ้นหนึ่ง เมื่อพัลซาร์วิ่งเข้าหาเรา พัลส์มาถี่ขึ้นตามปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ และเมื่อวิ่งออก พัลส์ห่างขึ้น

ห้องทดลองแรงโน้มถ่วงที่สมบูรณ์แบบ

ดาวทั้งสองเป็นดาวนิวตรอนมวลราว 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ โคจรรอบกันด้วยวงโคจรที่รีมาก ระยะห่างใกล้สุดราวขนาดของดวงอาทิตย์เท่านั้น ความเร็วโคจรสูงถึงราว 0.1% ของแสง ผลของสัมพัทธภาพทั่วไปจึงใหญ่กว่าในระบบสุริยะมาก และพัลซาร์เองเป็นนาฬิกาที่แม่นยำจนจับเวลาได้ละเอียดถึงระดับไมโครวินาที เทย์เลอร์และเพื่อนร่วมงานวัดผลหลายอย่างได้ เช่น จุดใกล้ที่สุดของวงโคจรควงไปถึงราว 4.2 องศาต่อปี (เทียบกับดาวพุธซึ่งควงเพียง 43 พิลิปดาต่อศตวรรษจากผลของสัมพัทธภาพ) ทำให้หามวลของดาวทั้งสองได้อย่างแม่นยำ

วงโคจรที่หดเล็กลง

สัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าดาวสองดวงที่โคจรรอบกันจะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกไปตลอดเวลา และเสียพลังงานไป วงโคจรจึงต้องค่อย ๆ หดเล็กลงและคาบสั้นลง สำหรับระบบนี้ ทฤษฎีทำนายว่าคาบควรสั้นลงราว 76 ไมโครวินาทีต่อปี เมื่อสะสมไปหลายปี จุดที่ดาวผ่านใกล้กันที่สุดจะมาถึงเร็วขึ้นเรื่อย ๆ เป็นเส้นโค้งพาราโบลา ข้อมูลที่จับเวลามากว่าสามสิบปีตรงกับคำทำนายภายในราว 0.2%

นี่คือหลักฐานแรกที่ชัดเจนว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีอยู่จริง แม้จะเป็นหลักฐานทางอ้อม ซึ่งยืนยันได้ราวสี่สิบปีก่อนที่ LIGO จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรง ระบบดาวคู่นี้จะหมุนเข้าหากันและชนกันในอีกราว 300 ล้านปี

หลังจากนั้น

ในปี ค.ศ. 2003 มีการค้นพบระบบที่ดาวทั้งสองเป็นพัลซาร์ (PSR J0737-3039) ซึ่งให้การทดสอบที่แม่นยำยิ่งกว่า และการจับเวลาพัลซาร์มิลลิวินาทีจำนวนมากพร้อมกันทั่วท้องฟ้ากลายเป็นวิธีค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำมาก ซึ่งในปี ค.ศ. 2023 พบหลักฐานของพื้นหลังคลื่นความโน้มถ่วงแล้ว