Nutn0n

เทียนฉิน ของจีนกับ LISA ของยุโรป ใครจะจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศได้ก่อนกัน

December 23, 2019

ณ ตอนนี้ หน่วยงานที่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Wave) ได้เป็นเจ้าแรกก็คือ LIGO ซึ่งย้อนกลับไปในปี 2016 ไม่กี่เดือนผ่านมา LIGO ได้ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งที่สอง แต่ครั้งนี้เป็นผลมาจากเทคนิค Multi-messenger Astronomy ซึ่งเป็นการใช้ข้อมูลจากทั้งกล้องโทรทรรศน์ในย่านแสงที่มองเห็นได้ กับคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งวัดการกระเพื่อมของกาลอวกาศ (Space-time) ด้วย Interferometer ซึ่งใช้การแทรกสอดของคลื่นในการตรวจจับการอวกาศที่กระเพื่อมจากการชนกันของวัตถุมวลมหาศาลเช่นหลุมดำ หรือดาวนิวตรอน

ในช่วงนี้เทคโนโลยีด้านคลื่นความโน้มถ่วงกลับมาฮิตมาก หลังจากที่ ESA ประกาศทำ LISA ซึ่งเป็นดาวเทียมที่ทำหน้าที่เป็น Interferometer ในอวกาศล่าสุดจีนก็ได้ประกาศทำ Tian Qin (เทียนฉิน) หรือพิณแห่งสวรรค์ ซึ่งเป็นดาวเทียมแบบเดียวกับ LISA

Interferometer บนโลกของ LIGO ซึ่งเป็น Interferometer ที่ละเอียดที่สุดบนโลก ณ ตอนนี้ ที่มา – LIGO Livingstone

สาเหตุที่เราต้องมี Interferometer ในอวกาศก็เนื่องจากว่า ณ​ ตอนนี้ เรามีแต่ Interferometer บนโลก นั่นหมายความว่า ข้อจำกัดของมันได้แก่ขนาด เพราะ Interferometer ที่ละเอียดจะต้องมีความยาวของแขนที่ใช้ยิง Laser เพื่อตรวจจับการแทรกสอดของคลื่นเมื่อมีการกระเพื่อของการอวกาศที่มาก แปลว่า Interferometer ยิ่งยาวยิ่งวัดได้ละเอียด ข้อจำกัดของพื้นที่บนโลกทำให้ Interferometer ไม่สามารถใหญ่ไปกว่านี้ได้ รวมไปถึงบนโลกอาจจะมีการรบกวนจากการสั่นสะเทือนต่าง ๆ เช่น มีหมาขึ้นไปวิ่งบนท่อก็อาจจะทำให้เกิดการสั่นและวัดค่าผิดไปได้

หนึ่งในสองของดาวเทียม LISA Pathfinder ยานอวกาศรุ่นทดสอบสำหรับโครงการ LISA ที่มา – LISA Pathfinder/ESA

การยก Interferometer ไปไว้ในอวกาศช่วยทำลายขีดจำกัดทั้งด้านความ Sensitive และการวัดค่าที่แม่นยำเนื่องจากอวกาศไม่มีอวกาศ ไม่มีตัวแปรอื่น ๆ ไม่มีหมาไปวิ่งบนท่อ แต่ก็ต้องแลกมากับระยะห่างระหว่างดาวเทียมแต่ละดวงที่ชัดเจน ซึ่งทั้ง LISA ของ ESA และ Tian Qin ของจีน จะประกอบไปด้วยดาวเทียม 3 ดวง แต่ละดวงจะต้องรักษาระยะห่างต่อกันในระดับนาโนเมตร ซึ่งท้าทายความสามารถด้าน GNC หรือ Guidance Navigation and Control มาก ๆ

ในปี 2016 ที่ผ่านมา ESA เพิ่งทดสอบยานที่จะเป็นต้นแบบให้กับ LISA ชื่อว่า LISA Pathfinder ที่จะต้องรักษาระยะห่างระหว่างดาวเทียมทั้ง 3 ดวงให้คลาดเคลื่อนไม่เกิน 0.01 นาโนเมตร ซึ่งในปี 2017 ได้มีการออก Paper ที่ชื่อว่า Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results บอกว่าผลของ LISA Pathfinder ดีกว่าที่คาดเอาไว้ถึง 5 เท่า และแม้ว่าผลจะออกมาดีเพียงไหน แต่ด้วยความละเอียดด้านวิศวกรรมและฟิสิกส์วงโคตร กว่า LISA ตัวจริงจะส่งขึ้นสู่อวกาศได้ก็ต้องรอไปปี 2034 ซึ่งตอนนั้นเราคงไปดาวอังคารสำเร็จแล้วด้วยซ้ำ

ผลการทดสอบของ LISA Pathfinder เมื่อเทียบกับ Requirement ของ LISA ตัวจริง ซึ่งผลที่ได้ในปี 2017 บอกว่าเราทำได้ตามเป้า ที่มา – LISA Pathfinder/ESA

มาดูแผนของจีนที่จะสร้าง Tian Qin หรือพิณสวรรค์ ซึ่งมีการเริ่มต้นพูดถึงกันมาตั้งแต่ปี 2014 – 2015 แล้ว ได้มีการอัพโหลด Paper ชื่อว่า TianQin: a space-borne gravitational wave detector ลงใน Arxiv โดยได้ระบุวิธีการออกแบบ เทคนิค ไว้ค่อนข้างละเอียด และพูดถึง Micronewton thrusters ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ที่สามารถออกแรง Reaction ในระดับ Micronewton เพื่อรักษาระยะห่างระหว่างยานให้อยู่ในระดับนาโนเมตรได้เช่นกัน

Optical System Design ของยาน Tian Qin ซึ่งจะใช้ Interferometer แบบ Heterodyne และมีบอร์ดสำหรับการทำ Frequency Stabilization ที่มา – School of Physics and Astronomy, Sun Yat-Sen University

ทาง XinHua เองก็ได้รายงานถึงแผนนี้เช่นกัน แต่ก็ไม่ได้ระบุว่าจีนมีแผนที่จะส่ง Tian Qin ในปีไหน แต่ถ้าดูจาก Timeline ของทางฝั่งยุโรปแล้ว ก็เดาได้เลยว่าอาจจะไม่ใช่เร็ว ๆ นี้ เพราะแม้ปัจจุบันเราจะมีเทคโลโลยีระดับควอนตัมแล้วก็ตาม แต่ในทางวิศวกรรม การออกแบบยานอวกาศที่อยู่ห่างกันคนละฝากวงโคจรของโลกแต่รักษาระยะห่างระหว่างกันได้ในระดับนาโนเมตรนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ๆ

นอกจาก Tian Qin และ LISA แล้ว ทางญี่ปุ่นก็ยังได้มีการสร้าง Deci-Hertz Interferometer Gravitational wave Observatory หรือ DECIGO ซึ่งเป็นดาวเทียมสำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเช่นกันแต่โปรเจค DECIGO ของญี่ปุ่นนั้นจะไม่ได้เล่นใหญ่และ Sensitive เท่าของจีนและยุโรปและมีระยะห่างระหว่างดวงแค่หลักพันกิโลเมตรเท่านั้น ส่วนของ NASA ก็เคยมีโครงการ Space Interferometry Mission หรือ SIM แต่ถูกตัดงบและยกเลิกโครงการไปในปี 2010 ก่อนที่จะมีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้จริง ๆ ถึง 6 ปี

ภาพจำลองการชนกันของหลุมดำ ซึ่งเป็นหนึ่งในต้นกำเนิดของคลื่นความโน้มถ่วงที่สามารถตรวจจับได้ง่ายที่สุด ที่มา – ESA/LISA

นั่นทำให้ ณ ตอนนี้ เราต้องฝากความหวังไว้กับทางจีนและ ESA ว่าเมื่อไหร่ที่เราจะได้ประกาศว่าเราจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศได้เป็นครั้งแรก ซึ่งจะต้องมีวันหนึ่งที่การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเป็นเรื่องปกติเหมือนกับเราถ่ายรูปดาวอังคาร หรือค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศด้วยยานอวกาศจะฟังดูเป็นเป้าหมายที่ไกลมาก ๆ แต่อย่าลืมว่าวันนึงเราก็ไม่เคยคิดว่าจะสามารถถ่ายภาพหลุมดำที่กลางดาราจักรอื่นได้เช่นกัน หรือแม้กระทั่งการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ทุกอย่างล้วนเกิดจากการทำลายขีดจำกัดด้านฟิสิกส์และนวัตกรรมทั้งสิ้น และทั้งหมดก็ได้มาเสริมสร้างองค์ความรู้ที่จะทำให้เราเข้าใจจักรวาลของเรามากขึ้น

รียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



In Coversation

เรื่องราวน่าสนใจที่กำลังเป็นบทสนทนา