หอสังเกตการณ์ตรวจพบหลุมดำ 'ยุบตัว'

การอัพเกรดนี้จะช่วยให้หอสังเกตการณ์สามารถตรวจจับสัญญาณจากการชนกันระหว่างหลุมดำได้ทุกๆ สองถึงสามวัน เมื่อเทียบกับสัปดาห์ละครั้งหรือมากกว่านั้นเหมือนในอดีต

คลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO ตรวจจับได้ถูกสร้างขึ้นจากวัตถุขนาดใหญ่ที่เคลื่อนที่เร็ว คลื่นเหล่านี้ยืดโครงสร้างของอวกาศขณะที่มันเดินทาง นับตั้งแต่ LIGO เริ่มดำเนินการในปี 2558 หอสังเกตการณ์ได้บันทึกเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงไว้ได้ประมาณ 90 เหตุการณ์ โดยส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบเกลียวของหลุมดำคู่หนึ่งที่กำลังรวมตัวกันเป็นหนึ่งเดียว

หอสังเกตการณ์ตรวจพบการชนกันของหลุมดำ

LIGO ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับหรืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สองเครื่อง ตั้งอยู่ในวอชิงตันและหลุยเซียนา อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์จะแบ่งลำแสงเลเซอร์ออกเป็นสองส่วนและสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างกระจกสองบานที่วางอยู่ที่ปลายของหลอดสุญญากาศยาวสองหลอด ท่อแต่ละท่อมีความยาว 4 กม. เรียงตัวในแนวตั้งฉากเป็นรูปตัว L ตรงจุดตัดระหว่างท่อทั้ง 2 ท่อจะมีเซนเซอร์อยู่

ในกรณีที่ไม่มีการรบกวนพื้นที่ การแกว่งของลำแสงจะหักล้างกัน แต่หากอวกาศถูกยืดออกด้วยคลื่นความโน้มถ่วง ระยะห่างระหว่างลำแสงเลเซอร์ในท่อทั้งสองจะต้องเคลื่อนที่เพื่อไม่ให้ซ้อนทับกันอย่างสมบูรณ์แบบ และเซ็นเซอร์จะตรวจจับ "การเลื่อนเฟส" นี้

ปริมาณการยืดที่เหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงกระทำต่อท่อโดยทั่วไปจะมีเพียงเศษเสี้ยวของความกว้างของโปรตอนเท่านั้น เพื่อให้เซ็นเซอร์สามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ดังกล่าวได้ จำเป็นต้องแยกระบบจากสัญญาณรบกวนที่มาจากสภาพแวดล้อมและจากเลเซอร์เอง

หอสังเกตการณ์ตรวจพบหลุมดำ 'พุ่งชน' - 1 — หอสังเกตการณ์ LIGO ประกอบด้วยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่เหมือนกันสองเครื่องในวอชิงตันและหลุยเซียนา (สหรัฐอเมริกา) โดยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แต่ละเครื่องประกอบด้วยท่อยาว 4 กม. จำนวน 2 ท่อที่เรียงกันเป็นรูปตัว L (ภาพ: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab)

ในระหว่างการอัปเกรดก่อนการเปิดตัวหอสังเกตการณ์ในปี 2019-2020 นักวิทยาศาสตร์ได้ลดเสียงโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า "การบีบแสง"

เทคนิคนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อลดสัญญาณรบกวนที่มาจากแสงเลเซอร์ แสงประกอบด้วยอนุภาคแต่ละอนุภาค ดังนั้นเมื่อลำแสงเลเซอร์ไปถึงเซ็นเซอร์ โฟตอนแต่ละตัวสามารถมาถึงก่อนหรือหลังได้ ทำให้คลื่นเลเซอร์ไม่ทับซ้อนกันและหักล้างกันอย่างสมบูรณ์ แม้ว่าจะไม่มีคลื่นความโน้มถ่วงก็ตาม

เทคนิค "บีบแสง" จะนำลำแสงเลเซอร์เสริมเข้าไปในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ โดยมีโฟตอนที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้นและมีสัญญาณรบกวนน้อยลง เพื่อลดผลกระทบนี้ ลี แม็กคัลเลอร์ นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย อธิบาย

ไม่มีการวัดใดที่สมบูรณ์แบบ

แต่เนื่องจากกฎที่แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัม การลดความไม่แน่นอนของเวลาที่มาถึงของโฟตอนจะทำให้ความผันผวนแบบสุ่มในความเข้มของคลื่นเลเซอร์เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เลเซอร์ผลักกระจกในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และทำให้กระจกสั่นคลอน ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนอีกประเภทหนึ่งที่ลดความไวต่อคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ

“นี่คือปรากฏการณ์อันงดงามของธรรมชาติ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเราไม่สามารถวัดได้อย่างแม่นยำโดยสิ้นเชิง เมื่อการปรับแต่งอย่างละเอียดในจุดหนึ่งมาพร้อมกับต้นทุนในอีกจุดหนึ่ง” Nergis Mavalvala นักฟิสิกส์ทดลองจาก MIT กล่าว

หอสังเกตการณ์ตรวจพบหลุมดำ 'พุ่งชน' - 2 — การจำลองหลุมดำสองหลุมชนกันและรวมเป็นหนึ่งเดียว (ภาพ: ศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของ NASA)

การอัปเกรดตั้งแต่ปี 2020 จนถึงปัจจุบันมีวัตถุประสงค์เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างหลอดสุญญากาศยาว 300 เมตรเพิ่มเติมโดยมีกระจกอยู่ทั้งสองด้าน เพื่อกักเก็บลำแสงรองไว้เป็นเวลา 2.5 มิลลิวินาที ก่อนที่จะป้อนเข้าไปในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ บทบาทของท่อเหล่านี้คือการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์เสริม ลดสัญญาณรบกวนที่ความถี่สูงในขณะที่ลดการสั่นของกระจกที่ความถี่ต่ำ

ด้วยการปรับปรุงนี้ นักวิจัยจะสามารถดึงข้อมูลรายละเอียดมากขึ้นเกี่ยวกับวิธีการที่หลุมดำสร้างคลื่นความโน้มถ่วง รวมถึงการหมุนรอบแกนของหลุมดำแต่ละหลุมและการหมุนรอบกัน นั่นหมายความว่าทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งทำนายการดำรงอยู่ของทั้งหลุมดำและคลื่นความโน้มถ่วง จะได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวดยิ่งกว่าที่เคย

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทำนายด้วยว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะเผยให้เห็นสัญญาณประเภทอื่น ๆ นอกเหนือจากสัญญาณจากการชนและการควบรวมตัวของหลุมดำ เช่น ลายเซ็นแรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่ยุบตัวก่อนจะกลายเป็นซูเปอร์โนวา นักวิทยาศาสตร์ยังหวังที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากพื้นผิวของพัลซาร์ ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองและปล่อยพัลส์รังสีออกมา

(ที่มา: Zing News)

มีประโยชน์
อารมณ์
ความคิดสร้างสรรค์
มีเอกลักษณ์

แหล่งที่มา