คลื่นความโน้มถ่วง

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

ในวิชาฟิสิกส์ คลื่นความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational wave) คือความผันผวนของความโค้งในปริภูมิ-เวลาที่แผ่ออกเป็นคลื่น ที่เดินทางออกจากแหล่งกำเนิด[1] อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ทำนายไว้ใน ค.ศ. 1916[2][3] บนพื้นฐานทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา[4][5] คลื่นความโน้มถ่วงส่งพลังงานเป็นรังสีความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational radiation) การมีคลื่นความโน้มถ่วงนี้เป็นผลลัพธ์ที่เกิดได้จากความไม่แปรเปลี่ยนลอเรนซ์ (Lorentz invariance) ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพราะนำมาซึ่งมโนทัศน์ความเร็วจำกัดของการแผ่ของอันตรกิริยากายภาพ ในทางตรงข้าม คลื่นความโน้มถ่วงมีไม่ได้ในกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ซึ่งมีสัจพจน์ว่าอันตรกิริยากายภาพแผ่ด้วยความเร็วอนันต์

ก่อนการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง มีหลักฐานโดยอ้อมว่ามีคลื่นนี้อยู่ ตัวอย่างเช่น การวัดระบบดาวคู่ฮัลส์–เทย์เลอร์แนะว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นมากกว่ามโนทัศน์ทางทฤษฎี แหล่งที่เป็นไปได้อื่นของคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจหาได้มีระบบดาวคู่อันประกอบด้วยดาวแคระขาว ดาวนิวตรอนและหลุมดำ ใน ค.ศ. 2016 มีตัวตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงหลายตัวอยู่ระหว่างการก่อสร้างหรือกำลังดำเนินงาน เช่น แอดแวนซ์ไลโกซึ่งเริ่มการสังเกตในเดือนกันยายน ค.ศ. 2015[6] ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 2016 คณะแอดแวนซ์ไลโกประกาศว่าพวกเขาตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงได่้จากการชนกันของคู่หลุมดำ[7][8][9][10]

บทนำ[แก้]

ประวัติศาสตร์ของเอกภพ มีการตั้งสมมุติฐานว่าคลื่นความโน้มถ่วงเกิดจากการขยายตัวของจักรวาล (inflation) การขยายเร็วกว่าแสงพลันหลังบิกแบง (17 มีนาคม 2014)[11][12][13]

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ความโน้มถ่วงจัดเป็นปรากฏการณ์อันเกิดจากความโค้งของปริภูมิ-เวลา ความโค้งนี้เกิดจากการมีมวล โดยทั่วไป ยิ่งมีมวลบรรจุอยู่ในปริภูมิปริมาตรหนึ่งมากเท่าใด ความโค้งของปริภูมิ-เวลาจะยิ่งมากเท่านั้นที่ขอบของปริมาตรนี้[14] เมื่อวัตถุที่มีมวลเคลื่อนไปรอบในปริภูมิ-เวลา ความโค้งดังกล่าวจะเปลี่ยนเพื่อสะท้อนตำแหน่งที่เปลี่ยนของวัตถุเหล่านี้ ในบางกรณีแวดล้อม วัตถุที่มีความเร่งทำให้เกิดการเปลี่ยนความโค้งนี้ ซึ่งแผ่ออกนอกด้วยความเร็วแสงในรูปคล้ายคลื่น ปรากฏการณ์แผ่เหล่านี้เรียก "คลื่นความโน้มถ่วง"

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่านผู้สังเกตที่อยู่ไกล ผู้สังเกตนั้นจะพบว่าปริภูมิ-เวลาถูกบิดจากผลของความเครียด ระยะทางระหว่างวัตถุอิสระเพิ่มและลดเป็นจังหวะเมื่อคลื่นผ่าน ด้วยความถี่สมนัยกับคลื่นนั้น เหตุการณ์นี้เกิดแม้วัตถุอิสระเหล่านั้นไม่มีแรงไม่สมดุลกระทำ ขนาดของผลนี้ลดผกผันกับระยะทางจากแหล่งกำเนิด มีการทำนายว่าระบบดาวนิวตรอนคู่ที่เวียนก้นหอยเข้าหากัน (Inspiral) เป็นแหล่งกำเนิดทรงพลังของคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อทั้งสองรวมกัน เนื่องจากความเร่งมหาศาลของมวลทั้งสองขณะที่โคจรใกล้กันและกัน ทว่า เนื่องจากระยะทางดาราศาสตร์ถึงแหล่งกำเนิดเหล่านี้ทำให้มีการทำนายว่าเมื่อวัดผลบนโลกจะได้ค่าน้อยมาก คือ มีความเครียดน้อยกว่า 1 ส่วนใน 1020 นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามแสดงการมีอยู่ของคลื่นเหล่านี้ด้วยตัวรับที่ไวขึ้นอีก การวัดที่ไวที่สุดในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 1 ส่วนใน 5×1022 (ใน ค.ศ. 2012) ของหอดูดาวไลโกและเวอร์โก[15] หอดูดาวบนอวกาศ สายอากาศอวกาศอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์เลเซอร์ (Laser Interferometer Space Antenna) กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาโดยองค์การอวกาศยุโรป

คลื่นความโน้มถ่วงมีขั้วเส้นตรง

คลื่นความโน้มถ่วงควรทะลุทะลวงบริเวณของปริภูมิที่คลื่นไฟฟ้าแม่เหล็กผ่านไม่ได้ มีการตั้งสมมุติฐานว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะสามารถให้สารสนเทศเกี่ยวกับหลุมดำและวัตถุประหลาดอื่นในเอกภพห่างไกลแก่ผู้สังเกตบนโลกได้ ระบบเช่นนี้ไม่สามารถสังเกตได้ด้วยวิธีดั้งเดิมอย่างกล้องโทรทรรศน์แสงหรือกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ฉะนั้น ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงจึงให้การรับรู้ใหม่ต่อการทำงานของเอกภพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คลื่นความโน้มถ่วงอาจเป็นที่สนใจของนักจักรวาลวิทยาเพราะให้หนทางที่เป็นไปได้ในการสังเกตเอกภพช่วงต้นมากได้ สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ในดาราศาสตร์ดั้งเดิม เพราะก่อนการรวมประจุ (recombination) เอกภพทึบต่อรังสีไฟฟ้าแม่เหล็ก[16] การวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่แม่นจะยังให้นักวิทยาศาสตร์ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ทะลุปรุโปร่งมากขึ้นด้วย

ในหลักการ คลื่นความโน้มถ่วงอาจมีอยู่ได้ในทุกความถี่ ทว่า คลื่นความถี่ต่ำมากจะไม่สามารถตรวจหาได้และไม่มีแหล่งที่น่าเชื่อถือของคลื่นความถี่สูงที่ตรวจหาได้ สตีเฟน ฮอว์คิงและเวอร์เนอร์ อิสราเอลแสดงรายการแถบความถี่ต่าง ๆ สำหรับคลื่นความโน้มถ่วงที่สามารถตรวจหาได้ มีพิสัยตั้งแต่ 10−7 เฮิรตซ์จนถึง 1011 เฮิรตซ[17]

อ้างอิง[แก้]

  1. Overbye, Dennis (12 February 2016). "Physicists Detect Gravitational Waves, Proving Einstein Right". New York Times. สืบค้นเมื่อ 12 February 2016. 
  2. Einstein, A (June 1916). "Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 688–696. 
  3. Einstein, A (1918). "Über Gravitationswellen". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 154–167. 
  4. Finley, Dave. "Einstein's gravity theory passes toughest test yet: Bizarre binary star system pushes study of relativity to new limits.". Phys.Org. 
  5. The Detection of Gravitational Waves using LIGO, B. Barish
  6. "The Newest Search for Gravitational Waves has Begun". LIGO Caltech. LIGO. 18 September 2015. สืบค้นเมื่อ 29 November 2015. 
  7. Clark, Stuart (2016-02-11). "Gravitational waves: scientists announce 'we did it!' – live". the Guardian. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11. 
  8. Castelvecchi, Davide; Witze, Witze (February 11, 2016). "Einstein's gravitational waves found at last". Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11. 
  9. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Physical Review Letters 116 (6). doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102. 
  10. "Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction | NSF - National Science Foundation". www.nsf.gov. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11. 
  11. Staff (17 March 2014). "BICEP2 2014 Results Release". National Science Foundation. สืบค้นเมื่อ 18 March 2014. 
  12. Clavin, Whitney (17 March 2014). "NASA Technology Views Birth of the Universe". NASA. สืบค้นเมื่อ 17 March 2014. 
  13. Overbye, Dennis (17 March 2014). "Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang". New York Times. สืบค้นเมื่อ 17 March 2014. 
  14. แม่แบบ:Cite serial
  15. LIGO Scientific Collaboration; Virgo Collaboration (2012). "Search for Gravitational Waves from Low Mass Compact Binary Coalescence in LIGO's Sixth Science Run and Virgo's Science Runs 2 and 3". Physical Review D 85: 082002. arXiv:1111.7314. Bibcode:2012PhRvD..85h2002A. doi:10.1103/PhysRevD.85.082002. 
  16. Krauss, LM; Dodelson, S; Meyer, S (2010). "Primordial Gravitational Waves and Cosmology". Science 328 (5981): 989–992. arXiv:1004.2504. Bibcode:2010Sci...328..989K. doi:10.1126/science.1179541. PMID 20489015. 
  17. Hawking, S. W.; Israel, W. (1979). General Relativity: An Einstein Centenary Survey. Cambridge: Cambridge University Press. p. 98. ISBN 0-521-22285-0. 

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]