LIGO ยืนยันทฤษฎีฮอว์คิง! การตรวจจับคมชัดที่สุด
การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงโดย LIGO ซึ่งเป็นการกระเพื่อมในกาล-อวกาศจากเหตุการณ์จักรวาลอันทรงพลัง ได้ส่งผลกระทบต่อฟิสิกส์ดาราศาสตร์ราวกับคลื่นยักษ์สึนามิ เมื่อเข้าสู่ทศวรรษที่สิบ ความร่วมมือระดับนานาชาติได้สร้างอีกหนึ่งเหตุการณ์สำคัญทางวิทยาศาสตร์ คราวนี้ไขปริศนาไม่หนึ่งแต่สองอย่างในฟิสิกส์หลุมดำ
บทความที่ตีพิมพ์ในวันนี้ใน Physical Review Letters อธิบายว่า LIGO-VIRGO-KAGRA (LVK) Collaboration จับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่คมชัดที่สุดเท่าที่เคยมีมาจากการรวมตัวของหลุมดำได้อย่างไร การวิเคราะห์เพิ่มเติมของ GW250114 ซึ่งเป็นสัญญาณที่เป็นปัญหา ยืนยันการคาดการณ์ที่สำคัญสองประการที่ Stephen Hawking และ Roy Kerr ทำไว้ในปี 1971 และ 1963 ตามลำดับ
ประการแรก เรามั่นใจยิ่งกว่าเดิมว่าเมื่อหลุมดำรวมตัวกัน หลุมดำที่เกิดขึ้นจะมีขนาดใหญ่กว่าทั้งสองส่วนรวมกัน ประการที่สอง เราจำเป็นต้องรู้เพียงสองเมตริกเพื่ออธิบายความผิดปกติของความโน้มถ่วงในหลุมดำ: มวลและการหมุน
“มันเป็นผลลัพธ์ที่สวยงามและเป็นเหตุการณ์สำคัญ” Arthur Kosowsky นักฟิสิกส์ทฤษฎีจากมหาวิทยาลัย Pittsburgh ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานใหม่นี้ กล่าวกับ Gizmodo ทางอีเมล ผลลัพธ์ล่าสุดคือ “การยืนยันทั้งลักษณะพื้นฐานของหลุมดำที่หมุน และยังเป็นการทดสอบที่น่าทึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในสนามที่แข็งแกร่ง” เขากล่าวเสริม
ผลลัพธ์ล่าสุดเกิดขึ้นเกือบสิบปีหลังจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก GW150914 ซึ่ง LIGO สังเกตการณ์ในปี 2015 ในปี 2021 นักฟิสิกส์ใช้สัญญาณปี 2015 เพื่อทดสอบทฤษฎีบทของฮอว์คิง ทีมงานประเมินระดับความเชื่อมั่น 95% สำหรับการทดสอบนี้ แต่ด้วยผลลัพธ์ใหม่ที่ชัดเจนยิ่งขึ้น ระดับความเชื่อมั่นนั้นเพิ่มขึ้นเป็น 99.999% ซึ่งใกล้เคียงกับคำว่า “ความจริง” ในวิทยาศาสตร์ยุคใหม่มากที่สุด
“เมื่อทศวรรษที่แล้ว เราไม่แน่ใจว่าหลุมดำจะชนกันในจักรวาลของเราหรือไม่” Steve Fairhurst โฆษกของ LIGO และนักฟิสิกส์ที่ Cardiff University ในสหราชอาณาจักร กล่าวกับ Gizmodo “ตอนนี้เราสังเกตการรวมตัวของหลุมดำหลายครั้งต่อสัปดาห์ ด้วยผู้สมัครคลื่นความโน้มถ่วง 300 รายที่สังเกตจนถึงปัจจุบัน เรากำลังเริ่มจัดทำสำมะโนประชากรของหลุมดำในจักรวาล”
หลุมดำสูญเสียมวลจำนวนมากระหว่างการรวม การเผาไหม้ที่รุนแรงยังสามารถเพิ่มความเร็วในการหมุนของหลุมดำ ลดพื้นที่ของมัน ทฤษฎีบทพื้นที่หลุมดำของฮอว์คิงและ Jacob Bernstein ตั้งสมมติฐานว่า แม้จะมีปัจจัยเหล่านี้ ผลิตภัณฑ์ของการรวมจะยังคงสร้างหลุมดำที่ใหญ่กว่า
ในการรวมตัวที่สร้าง GW250114 หลุมดำเริ่มต้นมีพื้นที่ผิวประมาณ 92,665 ตารางไมล์ (240,000 ตารางกิโลเมตร) ในขณะที่พื้นที่ผิวของหลุมดำสุดท้ายวัดได้ประมาณ 154,441 ตารางไมล์ (400,000 ตารางกิโลเมตร) เพื่อให้เห็นภาพรวมของผลิตภัณฑ์สุดท้าย มีน้ำหนักประมาณ 63 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ของเรา และหมุนด้วยความเร็ว 100 รอบต่อวินาที ตามการศึกษา
ซอฟต์แวร์ “Musical” ที่พัฒนาโดยสมาชิก LIGO รวมถึง Gregorio Carullo นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Birmingham ในสหราชอาณาจักร ช่วยให้ทีมงานทำการวัดที่แม่นยำเช่นนี้ได้ เครื่องมือนี้ช่วยให้พวกเขา “ได้ยิน” หลุมดำแต่ละหลุมขณะที่รวมตัวกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้น ที่ระดับความไวที่สูงกว่าเมื่อทศวรรษที่แล้วถึงสี่เท่า
“หลุมดำเป็นสีดำ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะ ‘มอง’ เข้าไปในพวกมัน” Carullo กล่าวกับ Gizmodo ในวิดีโอคอล การทดลองคลื่นความโน้มถ่วงนำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ง่าย เนื่องจากทุกสิ่งที่ควบคุมโดยแรงโน้มถ่วงในทางเทคนิคแล้วจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วง หลุมดำขนาดใหญ่ที่มีปัญหาดังเป็นพิเศษ และเรากำลังปรับปรุงการปรับแต่งสัญญาณเหล่านี้ให้ดีขึ้น เขากล่าว
“เมื่อทศวรรษที่แล้ว เราไม่แน่ใจว่าหลุมดำจะชนกันในจักรวาลของเราหรือไม่ ตอนนี้เราสังเกตการรวมตัวของหลุมดำหลายครั้งต่อสัปดาห์”
“เมื่อหลุมดำชนกัน พวกมันจะปล่อยเสียงที่เป็นลักษณะเฉพาะ ซึ่งมีความเฉพาะเจาะจงและแปลกประหลาดสำหรับหลุมดำนั้น” Carullo กล่าว “ถ้าเราได้ยินเสียง โน้ตเหล่านี้ ขึ้นอยู่กับแค่ มวลและการหมุน…คุณสามารถดึงมวลและการหมุนของหลุมดำออกมาได้”
ข้อเท็จจริงที่ว่าสิ่งนี้เป็นไปได้เลย ทำให้หลุมดำพิเศษมาก เขากล่าวเสริม “ผู้คนคิดว่าหลุมดำเป็นสิ่งที่น่ากลัว แต่จริงๆ แล้วมันเป็นสิ่งที่ง่ายที่สุดที่คุณจะจินตนาการได้”
ที่น่าตื่นเต้นคือ ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงยังคง “อยู่ในช่วงเริ่มต้น” Fairhurst กล่าว การค้นพบที่ได้รับรางวัลโนเบลของ LIGO นั้นยิ่งใหญ่ ไม่ต้องสงสัยเลย แต่ไม่มีเป้าหมายสุดท้ายสำหรับโครงการนี้ หากมีสิ่งใด การค้นพบ GW250114 ถือเป็นจุดเริ่มต้นของบทใหม่ในดาราศาสตร์
“ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เราจะยังคงเห็นความไวของเครื่องตรวจจับดีขึ้น ทำให้มีการสังเกตการณ์ที่มากขึ้นและมีความเที่ยงตรงสูงขึ้น” Fairhurst กล่าว “ในบางช่วง เรามีแนวโน้มที่จะสังเกตเห็นบางสิ่งที่คาดไม่ถึง ไม่ว่าจะเป็นสัญญาณที่อธิบายได้ยากในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ สัญญาณที่ไม่ตรงกับการทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หรือสัญญาณจากแหล่งที่ไม่คาดคิด”
ใน ข่าวประชาสัมพันธ์ Kip Thorne ซึ่งเป็นหนึ่งในสามนักฟิสิกส์ที่ให้กำเนิด LIGO เล่าถึง Hawking ที่ถามเขาหลังจากตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งประวัติศาสตร์ของ LIGO ในปี 2015 ว่าเครื่องมือนี้สามารถทดสอบทฤษฎีบทพื้นที่ของเขาได้หรือไม่ น่าเสียดายที่ Hawking เสียชีวิตสามปีก่อนที่ LIGO จะทำเช่นนั้นได้ในที่สุด
เกร็ดเล็กเกร็ดน้อยนี้ พร้อมด้วยเรื่องราวว่า LIGO มาถึง GW250114 ได้อย่างไร แสดงให้เห็นว่าความก้าวหน้าหลายชั่วอายุคน ทั้งทางทฤษฎีและการทดลอง มาบรรจบกันเพื่อขยายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาล และนั่นคือสิ่งที่น่าตื่นเต้นมาก
LIGO ยืนยันทฤษฎีฮอว์คิง! การตรวจจับคมชัดที่สุด
ทำไมการยืนยันทฤษฎีฮอว์คิงของ LIGO ถึงสำคัญ?
การยืนยันทฤษฎีฮอว์คิงผ่านการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่คมชัดที่สุดโดย LIGO ถือเป็นก้าวสำคัญในวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ การตรวจจับนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันถึงทฤษฎีที่เคยถูกตั้งสมมติฐานไว้เท่านั้น แต่ยังเปิดประตูสู่การทำความเข้าใจจักรวาลในมิติที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ความแม่นยำของการตรวจจับนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาคุณสมบัติของหลุมดำและการรวมตัวของพวกมันได้อย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน เพิ่มพูนความรู้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและโครงสร้างของกาล-อวกาศ
นอกจากนี้ การค้นพบนี้ยังเน้นย้ำถึงความสำคัญของความร่วมมือระหว่างประเทศในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ความสำเร็จของ LIGO เป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์และสถาบันวิจัยจากทั่วโลก ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการรวมความรู้และทรัพยากรสามารถนำไปสู่การค้นพบที่ยิ่งใหญ่ได้อย่างไร
สำหรับผู้ที่สนใจในวิทยาศาสตร์และจักรวาล การยืนยันทฤษฎีฮอว์คิงนี้เป็นการย้ำเตือนถึงความก้าวหน้าอย่างไม่หยุดยั้งของความรู้ของมนุษย์และการแสวงหาความเข้าใจในธรรมชาติของความเป็นจริง