โนเบล 2017: การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
Nobel Prize 2017: LIGO and gravitational waves
อัปเดตล่าสุด
หนึ่งร้อยปีหลังไอน์สไตน์ทำนายคลื่นความโน้มถ่วง นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับมันได้โดยตรงเป็นครั้งแรกจากหลุมดำสองดวงที่ชนกันห่างไปกว่าพันล้านปีแสง รางวัลโนเบลปี ค.ศ. 2017 มอบให้สามผู้นำที่ทำให้ความสำเร็จนี้เกิดขึ้น
รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2017 ครึ่งหนึ่งมอบให้ ไรเนอร์ ไวส์ และอีกครึ่งหนึ่งมอบร่วมกันให้ แบร์รี บาริช และ คิป ธอร์น "สำหรับผลงานชี้ขาดต่อเครื่องตรวจวัด LIGO และการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วง"
สัญญาณที่เล็กอย่างเหลือเชื่อ
ไอน์สไตน์ทำนายในปี ค.ศ. 1916 ว่ามวลที่เคลื่อนที่เร่งจะส่งระลอกของความโค้งกาลอวกาศออกไปด้วยความเร็วแสง แต่เขาเองก็คิดว่าคงไม่มีวันวัดได้ เพราะผลของมันเล็กมาก เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่านมา ระยะห่างระหว่างวัตถุจะยืดและหดเป็นจังหวะ ด้วยสัดส่วนที่เรียกว่าความเครียด
เครื่องตรวจวัด LIGO
ในคริสต์ทศวรรษ 1970 ไวส์วิเคราะห์อย่างละเอียดว่าอินเทอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ใช้เลเซอร์สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงขนาดนี้ได้ และสัญญาณรบกวนชนิดใดบ้างที่ต้องเอาชนะ ธอร์นเป็นผู้นำทางทฤษฎีว่าแหล่งกำเนิดใดน่าจะตรวจพบได้และสัญญาณควรมีหน้าตาอย่างไร บาริชเข้ามาเป็นผู้อำนวยการโครงการในปี ค.ศ. 1994 และเปลี่ยนโครงการขนาดเล็กให้เป็นความร่วมมือระดับนานาชาติที่มีนักวิทยาศาสตร์กว่าพันคน
LIGO มีสองสถานี ที่รัฐวอชิงตันและรัฐลุยเซียนา ห่างกันราว 3,000 กิโลเมตร แต่ละแห่งมีท่อสุญญากาศยาว 4 กิโลเมตรสองท่อตั้งฉากกัน เลเซอร์สะท้อนไปมาในท่อหลายร้อยครั้ง เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่าน แขนหนึ่งยืดขณะที่อีกแขนหด ความยาวของแขนเปลี่ยนไปเพียงราว 4 × 10⁻¹⁸ เมตร
เล็กกว่าโปรตอนราวหนึ่งในสองร้อย เพื่อวัดสิ่งนี้ได้ ต้องแยกกระจกออกจากการสั่นของพื้นดิน รถที่วิ่งผ่าน และคลื่นทะเลที่ซัดชายฝั่งห่างไปหลายร้อยกิโลเมตร
GW150914
เมื่อวันที่ 14 กันยายน ค.ศ. 2015 เพียงไม่กี่วันหลังเริ่มเดินเครื่องรุ่นปรับปรุง ทั้งสองสถานีบันทึกสัญญาณเดียวกันห่างกันเจ็ดมิลลิวินาที ความถี่ของคลื่นไล่ขึ้นจากราว 35 เป็น 250 เฮิรตซ์ในเวลาไม่ถึงหนึ่งในห้าวินาที รูปแบบนี้ตรงกับหลุมดำมวลราว 36 และ 29 เท่าของดวงอาทิตย์ที่หมุนเข้าหากันแล้วรวมเป็นหลุมดำมวลราว 62 เท่า มวลส่วนต่างราวสามเท่าของดวงอาทิตย์ถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานของคลื่นความโน้มถ่วงในเสี้ยววินาที ในช่วงสูงสุดมีกำลังมากกว่าแสงจากดาวทุกดวงในเอกภพที่สังเกตได้รวมกัน เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อราว 1,300 ล้านปีก่อน
หลังจากนั้น
ปัจจุบันเครือข่าย LIGO Virgo และ KAGRA ตรวจพบการชนกันของหลุมดำและดาวนิวตรอนแล้วหลายร้อยครั้ง รวมถึงการชนกันของดาวนิวตรอนในปี ค.ศ. 2017 ที่สังเกตเห็นได้ทั้งในคลื่นความโน้มถ่วงและแสง คลื่นความโน้มถ่วงจึงกลายเป็นหน้าต่างใหม่ในการมองเอกภพ
คำศัพท์ในบทความนี้
- gravitational wavesคลื่นความโน้มถ่วง
- LIGOหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO
- Rainer Weissไรเนอร์ ไวส์
- Kip Thorneคิป ธอร์น
- Barry Barishแบร์รี บาริช
- interferometryอินเตอร์เฟอโรเมตรี
- chirp massมวลเชิร์ป
บทความที่เกี่ยวข้อง
- คลื่นความโน้มถ่วงระลอกคลื่นของกาลอวกาศจากหลุมดำหรือดาวนิวตรอนที่ชนกัน ไอน์สไตน์ทำนายไว้ในปี 1916 และตรวจพบได้จริงในปี 2015
- กิโลโนวา: เมื่อดาวนิวตรอนชนกันและสร้างทองคำในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2017 นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนสองดวงที่ชนกัน แล้วกล้องทั่วโลกก็หันไปเห็นแสงจากการชนนั้นได้ในเวลาไม่กี่ชั่วโมง เหตุการณ์ครั้งเดียวนี้ตอบคำถามที่ค้างมานานหลายข้อ รวมทั้งว่าทองคำมาจากไหน
- หลุมดำบริเวณที่แรงโน้มถ่วงรุนแรงจนแม้แต่แสงก็หนีออกมาไม่ได้ ตั้งแต่ซากดาวฤกษ์ไปจนถึงยักษ์ใจกลางดาราจักรที่มีมวลหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์
- สัมพัทธภาพทั่วไป: แรงโน้มถ่วงคือความโค้งของกาลอวกาศไอน์สไตน์ใช้เวลาสิบปีหลังสัมพัทธภาพพิเศษเพื่อหาคำอธิบายใหม่ของแรงโน้มถ่วง ผลคือทฤษฎีที่บอกว่ามวลทำให้กาลอวกาศโค้ง และวัตถุเคลื่อนที่ตามความโค้งนั้น ทฤษฎีนี้ทำนายหลุมดำ คลื่นความโน้มถ่วง และเอกภพที่ขยายตัว
- โนเบล 1993: พัลซาร์คู่ที่พิสูจน์คลื่นความโน้มถ่วงพัลซาร์ที่โคจรรอบดาวนิวตรอนอีกดวงเป็นเหมือนนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในธรรมชาติที่ถูกวางไว้ในสนามโน้มถ่วงรุนแรง การจับเวลามันนานหลายปีพบว่าวงโคจรหดเล็กลงตรงกับที่คลื่นความโน้มถ่วงควรพาพลังงานออกไปพอดี