LIGO VIRGO ประกาศตรวจจับดาวนิวตรอนชนกันได้ครั้งแรก

หลังจากปี 2016 ที่ LIGO ประกาศออกมาว่าสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำชนกันได้เป้นครั้งแรกของโลกทำให้สามารถพิสูจน์ได้ว่าทฤษฎีสัมพันธภาพของไอสไตน์เป็นความจริงและถูกต้อง LIGO ก็เป็นที่จับตามองของผู้คนทั่วโลก

ในปีนี้ Professor Kip Thorne , Professor Rainer Weiss , Professor Barry Barish จากทีม LIGO ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ซึ่งถือว่าเป็นการประกาศชื่อจากผลงานใหม่ที่สุดและรวดเร็วที่สุดตั้งแต่มีการประกาศชื่อรางวัลโนเบลมา

และในปีนี้ได้มีการเปิดตัวเครื่อง Interferometer เครื่องใหม่ของโลกที่อิตาลีชื่อว่า VIRGO โดยขาทั้งสองของ VIRGO นั้นยาวเพียง 3 กิโลเมตร ซึ่งสั้นกว่าของ LIGO ที่ยาวถึง 5 กิโลเมตร ถึงจะไม่สามารถได้ยินได้ไกลเท่าแต่เท่านี้ก็เพียงพอแล้ว

คลื่นความโน้มถ่วงชื่อ GW170814 ได้ตำแหน่งจุดตัดที่นักวิทยาศาสตร์คาดคะเนจากข้อมูลที่ได้รับจาก LIGO สองเครื่องเพียงอย่างเดียว (วงสีน้ำเงิน) ตำแหน่งจุดตัดใหม่ที่วิเคราะห์เมื่อเพิ่มข้อมูลจาก VIRGO เข้าไป (วงสีเขียว)

เครื่อง Interferometer ของ VIRGO ได้มีส่วนรวมในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำครั้งใหม่ได้เมื่อ14 สิงหาคม 2017 และได้ช่วยให้สามารถคาดการณ์ขอบเขตของเหตุการณ์ได้แม่นยำมากขึ้นจากที่ LIGO ทั้งสองเครื่องได้ยิน ทำให้เป็นประโยชน์ต่อการวิเคราะห์และศึกษาในอนาคต

และเมื่อวานนี้ LIGO ได้ออกมาประกาศว่าตอนนี้เราได้ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งใหม่จากการชนกันของดาวนิวตรอนได้เป็นครั้งแรกของโลก

ดาวนิวตรอนสำคัญอย่างไร

ดาวนิวตรอน (Neutron star) คือเศษซากของดาวฤกษ์หลังจากซุเปอร์โนวาแล้ว ซึ่งดาวนิวตรอนนี้จะเกิดจากดาวฤกษ์ที่มีขนาด 9 ถึง 25 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ในตนเริ่มต้นเกิดซูเปอร์โนวาหรือมหานวดารา มันจะกลายสภาพกลายเป็นดาวนิวตรอน ดาวนิวตรอนนั้นโดยโครงสร้างมันมีแต่นิวตรอนเท่านั้น หมายความว่าดาวทั้งดวงนี้มีแต่นิวตอรนไม่มีโปรตรอนและอิเล็กตรอนอยู่ในอะตอม เสมือนดาวทั้งดวงคือนิวเคลียสตัวเดียว ความหนาแน่นของดาวนิวตรอนนั้นมหาศาลมากเป็นเพราะมวลของดาวหลังจากซูเปอร์โนวามันมากขึ้นแต่พื้นที่ผิวนั้นลดลงเป็นค่ามหาศาล ซึ่งหากเราเทียบกันจะพบได้ว่าดาวนิวตรอนนั้นมีขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 20000-70000 เท่าแต่มีมวลเท่าหรือใกล้เคียงดาวฤกษ์เดิมและมีความหนาแน่นประมาณ  8×1013 ถึง 2×1015 กรัมต่อลูกบากศ์เซนติเมตร ซึ่งบางครั้งสามารถปล่อย Pulsar ได้ด้วย

โครงสร้างดาวนิวตรอน

ซึ่งความสำคัญของดาวนิวตรอนทำเป็นหลักฐานในการพิสูจน์ทฤษฎีสัมพันธภาพในปี 1974 ที่กล่าวว่า Pulsar มีการ Co-Orbit ซึ่งกันและกัน เป็นผลให้ Russell A. Hulse และ Joseph H. Taylor Jr. ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993 โดยเขาได้ตั้งชื่อมันไว้ว่า Hulse–Taylor binary

เนื้อหาการตรวจพบในครั้งนี้

การตรวจพบในคลื่นความโน้มถ่วงในครั้งนี้ตรวจพบในวันที่ 17 สิงหาคม 2017 นี้เอง ซึ่งเครื่องตรวจจับของ LIGO สามารถตรวจจับการ Co-Orbit ของดาวนิวตรอนสองดวงได้นานประมาณ 100 วินาที แล้วหลังจากนั้นมันก็ได้ชนกันทำให้เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามตรวจจับได้และกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมม่า FGST หรือ Fermi Gamma-ray Space Telescope ตรวจจับได้ในห้วงเวลาห่างกัน 1.9 วินาทีที่ LIGO ตรวจจับได้ ซึ่งนับได้ว่าเป็นครั้งแรกที่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้พร้อมๆกันให้เหตุการณ์เดียวกัน

Fermi Gamma-ray Space Telescope
ภาพวาดดาวนิวตรอนทั้งสองชนกัน
ภาพความเปลี่ยนแปลงจากการชนซึ่งถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์ที่ชิลี
พื้นที่ขอบเขตของการตรวจจับโดยแถบสีเขียวอ่อนคือการหาจุดตัดจากข้อมูลที่ได้รับจาก LIGO เพียงอย่างเดียว ส่วนสีน้ำเงินเข้มคือข้อมูลจากกล้อง FGST เพียงอย่างเดียว แถบสีเขียวเข้มคือจุดตัดจากข้อมูลของ LIGO และ VIRGO มารวมกันซึ่งทำให้สามารถตรวจหาพื้นที่ที่เกิดเหตุการณ์ได้อย่างรวดเร็วกว่าการใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตเพียงอย่างเดียว
ภาพพื้นที่จุดตัดจากการคำนวนของคลื่นความโน้มถ่วงทุกๆครั้งที่ผ่านมามาเปรียบเทียบกัน

โดยครั้งนี้ทำให้การหาจุดที่เกิดเหตุการณ์บนท้องฟ้าได้ง่ายและรวดเร็วมากยิ่งขึ้นอีกทั้งยังแม่นยำกว่าการใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตหาเพียงรูปแบบเดียว หลังจากการชนกันเหตุการณ์นี้ปล่อยรังสีแกมม่าปริมาณสูงออกมา (gamma ray burst) ออกมาและปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นระยะเวลานานทำให้ตรวจจับได้นานถึง 60 วัน

ในครั้งนี้ LIGO และ VIRGO ทำให้ระบุขอบเขตการศึกษาบนท้องฟ้าได้รวดเร็วขึ้นแล้วส่งข้อมูลพิกัดไปยังหอดูดาวบนพื้นโลกและกล้องโทรทรรศน์อวกาศต่างๆเพื่อให้ตรวจจับเหตุการณ์นี้ โดยหลักๆมีหอดูดาว Gran Telescopio Canarias ที่แม็กซิโก และมี Hubble ร่วมแจมในการตรวจจับครั้งนี้ด้วย

Gran Telescopio Canarias

ในการศึกษาทำให้เราพบว่าหลังจากการชนพลังงานที่ปลดปล่อยออกมานี้เป็นรองเพียง ซูเปอร์โนวา เท่านั้นอีกทั้งยังปล่อยพลังงานออกมาจำนวนมากอีกด้วย สิ่งหนึ่งที่เราพบคือว่า เราพบสเปกตรัมของทองคำและแพลตินัมจากการชนกันครั้งนี้อีกด้วย

ปริศนาเกี่ยวกับโลหะหนักในเอกภพ

ปริศนาหนึ่งเกี่ยวกับโลกของเราคือ ธาตุที่อยู่รอบตัวเราเป็นธาตุหายากในเอกภพทั้งหมดเพราะในเอกภพของเราส่วนใหญ่ประกอบไปด้วย ไฮโดรเจนและฮีเลียม คำถามคือธาตุเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์จึงได้ศึกษาดาวฤกษ์มวลยิ่งยวดทำให้เราพบว่า ก่อนที่จะเกิดซุเปอร์โนวา ภายในใจกลางของดาวฤกษ์เหล่านั้นจะเกิดนิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างรุนแรงและยิ่งยวดทำให้ธาตุฮีเลียมเปลี่ยนเป็น คาร์บอน ออกซิเจน ไนโตรเจน เหล็ก อลูมิเนียม เอาเป็นว่าคือธาตุที่อยู่ในธรรมชาติเกิดในขั้นตอนกระบวนการนี้รวมไปถึงยูเรเนียม ตะกั่วและทองคำ หลังจากนั้นมันจึงระเบิดและปลดปล่อยธาตุเหล่านี้กลายเป็นดาวเคราะห์หินทื่เรายืนอยู่ได้เยี่ยงทุกวันนี้

ประเด็นคือเมื่อคำนวนตามทฤษฎีกฎทรงมวล เทอร์โมไดนามิก ทฤษฎีสัมพันธภาพแล้วมันกลับได้ธาตุโลหะหนักน้อยกว่าที่ความเป็นจริงซึ่งเพียงแค่ธาตุโลหะหนักในระบบสุริยะของเราก็มากกว่าธาตุโลหะหนักจากการคำนวนจากการระเบิดซุเปอร์โนวาแล้ว

การตรวจสเปกตรัมของเศษซากของการชนกันทำให้เราพบว่าในกลุ่มหมอกเศษซากเหล่านั้นเราพบธาตุโลหะหนักเป็นจำนวนมหาศาลซึ่งจากการคำนวนอย่างละเอียดแล้วเราพบว่ามันมีปริมาณเทียบเท่ากับโลกดวงหนึ่งเลยทีเดียว

ธาตุที่พบมีตั้งแต่หมู่ 1 ไปถึงกลุ่มก๊าซเฉื่อย หมู่ 8 ซึ่งส่วนใหญ่เป็นธาตุแถวที่ 5 เป็นต้นไป ซึ่งธาตุเหล่านี้เป็นธาตุโลหะหนักหายากมากในโลกของเราต้องขุดเหมืองลงไปลึกหลายร้อยเมตรเพื่อในการหาโลหะเหล่านี้มาใช้ประโยชน์ซึ่งหนึ่งในนั้นมีทองคำและแพลตินัมอยู่ด้วย ซึ่งปริมาณที่เราคาดการณ์จากกลุ่มหมอกนี้ทำให้เราสามารถตอบปริศนาในข้อนี้ได้ว่าเหล่าธาตุเหล่านี้ในเอกภพทำไมถึงมีมากมายนัก

สำหรับการตรวจพบครั้งนี้เป็นการพิสูจน์ว่าคลื่นความโน้มถ่วงนั้นเคลื่อนที่ได้ไวเท่ากับแสงซึ่งเป็นการพิสูจน์ทฤษฎีสัมพันธภาพไปในตัวว่าไม่มีสิ่งใดคลื่อนที่ได้ไวกว่าแสง

และในการค้นพบครั้งนี้ทำให้เราสามารถตรวจและคำนวนค่า Hubble Constant จากคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรกซึ่งทำให้เราสามารถคำนวนความเร็วในการขยายตัวของเอกภพได้ซึ่งทำให้เราเรียนรู้อะไรได้อีกมากมายและเยอะแยะจากการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงครั้งนี้

อ้างอิง

GSFC NASA

VIRGO

LIGO/Caltech