LIGO ขัดขวางคลื่นความโน้มถ่วงอีกชุดหนึ่ง

LIGO ขัดขวางคลื่นความโน้มถ่วงอีกชุดหนึ่ง

การสั่นสะเทือนของกาลอวกาศมาจากการชนกันของหลุมดำที่อยู่ห่างออกไป 3 พันล้านปีแสงเป็นครั้งที่สามที่นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจพบเสียงก้องกังวานเล็กๆ น้อยๆ ของกาลอวกาศ นั่นคือ คลื่นความโน้มถ่วง

หลุมดำสองแห่งทำให้เกิดการแกว่งไปมาในกาลอวกาศ 

โคจรรอบกันและกันและหมุนวนเข้าด้านในจนกระทั่งหลอมรวมเป็นหลุมดำขนาดจัมโบ้หนึ่งที่มีมวลประมาณ 49 เท่าของดวงอาทิตย์ ระลอกคลื่นจากสหภาพนั้นซึ่งเกิดขึ้นประมาณ 3 พันล้านปีแสงจากโลก ซูมข้ามจักรวาลด้วยความเร็วแสง ในที่สุดก็ไปถึงหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงขั้นสูงของเลเซอร์ LIGO ซึ่งตรวจพบเมื่อวันที่ 4 มกราคม

Michael Landry หัวหน้าหอดูดาว Hanford, Wash. ของ LIGO กล่าวว่า “นี่เป็นเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ทรงพลังที่สุดที่มนุษย์เห็น” ระหว่างการแถลงข่าวในวันที่ 31 พฤษภาคมเพื่อประกาศการค้นพบ เมื่อหลุมดำรวมตัวกัน พวกมันเปลี่ยนมวลของดวงอาทิตย์สองดวงให้เป็นพลังงาน แผ่ออกเป็นคลื่นความโน้มถ่วง 

เครื่องตรวจจับสองเครื่องของ LIGO ซึ่งตั้งอยู่ในเมืองแฮนฟอร์ดและลิฟวิงสตัน รัฐลา แต่ละเครื่องประกอบด้วยแขนคู่หนึ่งยาว 4 กิโลเมตร พวกเขาทำหน้าที่เป็นไม้บรรทัดขนาดใหญ่อย่างอุกอาจในการวัดการยืดของกาลอวกาศที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วง ตามทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุขนาดใหญ่จะโค้งงอโครงสร้างของอวกาศและสร้างระลอกคลื่นเมื่อพวกมันเร่งความเร็ว ตัวอย่างเช่น เมื่อวัตถุสองชิ้นโคจรรอบกันและกัน ระลอกคลื่นความโน้มถ่วงมีขนาดเล็ก: LIGO ได้รับการปรับแต่งเพื่อตรวจจับคลื่นที่ยืดและบีบแขนด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางหนึ่งในพันของโปรตอน การชนกันของหลุมดำเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ไม่กี่เหตุการณ์ในจักรวาลที่ร้ายแรงพอที่จะทำให้เกิดการหมุนวนของกาลอวกาศที่ใหญ่พอที่จะตรวจจับได้

หลุมดำสองแห่งที่เกิดคลื่นล่าสุดนั้นแข็งแกร่งเป็นพิเศษ โดยมีมวลประมาณ 31 และ 19 เท่าของดวงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์รายงานวันที่ 1 มิถุนายนในPhysical Review Letters การตรวจจับครั้งแรกของ LIGO ซึ่งประกาศในเดือนกุมภาพันธ์ 2559 มาจากคู่หูที่ใหญ่กว่านั้น: 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ( SN: 3/5/16, p. 6 ) นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ไม่เข้าใจว่าทำไมหลุมดำขนาดใหญ่ถึงก่อตัวขึ้นได้ แต่ตอนนี้ “ดูเหมือนว่าสิ่งเหล่านี้จะไม่ใช่เรื่องแปลก เห็นได้ชัดว่ามีวิธีการผลิตหลุมดำขนาดใหญ่เหล่านี้” นักฟิสิกส์ Clifford Will จากมหาวิทยาลัยฟลอริดาในเกนส์วิลล์กล่าว การตรวจจับครั้งที่สองของ LIGO มีหลุมดำขนาดเล็กกว่าสองหลุมซึ่งมีมวล 14 และแปดเท่าของดวงอาทิตย์ ( SN: 7/9/16, p. 8 )

หลุมดำที่มีน้ำหนักมากนั้นอธิบายได้ยาก เพราะดาวที่ยุบตัวเป็นดาวนั้นต้องมีมวลมากกว่า โดยปกติ ลมของดาวฤกษ์จะพัดมวลออกไปอย่างต่อเนื่องเมื่ออายุของดาวฤกษ์ นำไปสู่หลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่า แต่ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ลมเหล่านั้นอาจอ่อนแรง ตัวอย่างเช่น หากดาวมีองค์ประกอบที่หนักกว่าฮีเลียมเพียงเล็กน้อยหรือมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรง ( SN Online: 12/12/16 ) หลุมดำจำนวนมากของ LIGO บ่งชี้ว่าก่อตัวในสภาพแวดล้อมดังกล่าว

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่เห็นด้วยว่าหลุมดำเป็นพันธมิตรกันอย่างไร 

ทฤษฎีหนึ่งคือดาวฤกษ์ข้างเคียงสองดวงระเบิดและเกิดหลุมดำสองดวงซึ่งจะหมุนวนเข้าด้านใน อีกประการหนึ่งคือหลุมดำพบกันภายในกระจุกดาวหนาแน่น ขณะที่หลุมดำมวลสูงจมลงสู่ใจกลางกระจุก ( SN Online: 6/19/16 )

การตรวจจับใหม่ให้การสนับสนุนทฤษฎีกระจุกดาว: รูปแบบของคลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO สังเกตพบบอกเป็นนัยว่าหนึ่งในหลุมดำอาจหมุนไปในทิศทางตรงกันข้ามจากวงโคจรของมัน เช่นเดียวกับจักรวาล do-si-do หลุมดำแต่ละหลุมเป็นคู่หมุนวนบนแกนของตัวเองขณะที่หมุนเข้าด้านใน หลุมดำที่จับคู่กันเป็นดาวมีแนวโน้มว่าสปินของพวกมันจะอยู่ในแนวเดียวกับวงโคจรของพวกมัน แต่ถ้าหลุมดำพบกันในความโกลาหลของกระจุกดาว พวกมันจะหมุนไปทางไหนก็ได้ หลุมดำที่มีแนวโน้มว่าจะไม่ตรงแนวที่ LIGO สังเกตเห็นค่อนข้างจะเอื้ออำนวยต่อสถานการณ์ของกระจุกดาว Avi Loeb นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าว

นักฟิสิกส์ Emanuele Berti จากมหาวิทยาลัยมิสซิสซิปปี้ในอ็อกซ์ฟอร์ดกล่าวว่านักวิทยาศาสตร์จะต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อแยกแยะว่าหลุมดำก่อตัวอย่างไร “บางทีความจริงอาจอยู่ระหว่างนั้น” กระบวนการต่างๆ อาจนำไปสู่การก่อตัวของหลุมดำคู่หนึ่งได้ Berti กล่าว

เช่นเดียวกับการตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงครั้งก่อน นักวิทยาศาสตร์ใช้การวัดเพื่อทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ตัวอย่างเช่น ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง ทฤษฎีทางเลือกบางอย่างของแรงโน้มถ่วงทำนายว่าคลื่นความโน้มถ่วงของพลังงานต่างกันเดินทางด้วยความเร็วต่างกัน นักวิทยาศาสตร์ของ LIGO ไม่พบหลักฐานของผลกระทบดังกล่าว เป็นการพิสูจน์ให้เห็นถึงไอน์สไตน์อีกครั้ง

ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังตั้งตารออนาคตที่การตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงกลายเป็นกิจวัตร ยิ่งนักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นโน้มถ่วงได้มากเท่าไร ก็ยิ่งสามารถทดสอบทฤษฎีของตนได้ดีเท่านั้น “มีเรื่องเซอร์ไพรส์อยู่แล้วที่ทำให้ผู้คนหยุดและทบทวนความคิดเก่าๆ” วิลล์กล่าว “สำหรับฉันนั่นน่าตื่นเต้นมาก”