หอสังเกตการณ์ตรวจพบหลุมดำ 'ยุบตัว'

การอัพเกรดนี้จะช่วยให้หอสังเกตการณ์สามารถตรวจจับสัญญาณจากการชนกันระหว่างหลุมดำได้ทุกๆ สองถึงสามวัน เมื่อเทียบกับสัปดาห์ละครั้งหรือมากกว่านั้นเมื่อก่อน

คลื่นความโน้มถ่วงที่ LIGO ตรวจพบนั้นเกิดจากวัตถุขนาดใหญ่ที่เคลื่อนที่เร็วซึ่งยืดขยายโครงสร้างของอวกาศขณะเคลื่อนที่ นับตั้งแต่ LIGO เริ่มดำเนินงานในปี พ.ศ. 2558 หอสังเกตการณ์แห่งนี้ได้บันทึกเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงไว้ประมาณ 90 ครั้ง ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่แบบหมุนวนของหลุมดำคู่หนึ่งที่กำลังรวมตัวกันเป็นหนึ่งเดียว

หอสังเกตการณ์ตรวจพบการชนกันของหลุมดำ

LIGO ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับหรืออินเตอร์เฟอโรมิเตอร์สองเครื่อง ตั้งอยู่ในรัฐวอชิงตันและรัฐลุยเซียนา อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์จะแบ่งลำแสงเลเซอร์ออกเป็นสองส่วนและสะท้อนกลับไปกลับมาระหว่างกระจกสองบานที่ปลายท่อสุญญากาศยาวสองท่อ แต่ละท่อมีความยาว 4 กิโลเมตรและเรียงตัวในแนวตั้งฉากเป็นรูปตัว L ตรงจุดตัดของท่อทั้งสองจะมีเซ็นเซอร์อยู่

หากไม่มีการรบกวนใดๆ ต่ออวกาศ การสั่นของลำแสงจะหักล้างกันเอง แต่หากอวกาศถูกยืดออกโดยคลื่นความโน้มถ่วง ระยะห่างระหว่างลำแสงเลเซอร์ในท่อทั้งสองจะต้องเคลื่อนที่ เพื่อไม่ให้ซ้อนทับกันอย่างสมบูรณ์แบบ และเซ็นเซอร์จะตรวจจับ "การเลื่อนเฟส" นี้

ปริมาณการยืดที่คลื่นความโน้มถ่วงกระทำต่อท่อโดยทั่วไปแล้วจะเป็นเพียงเศษเสี้ยวของความกว้างของโปรตอน การที่เซ็นเซอร์จะสามารถบันทึกการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ เช่นนี้ได้ จำเป็นต้องแยกระบบออกจากสัญญาณรบกวนจากสภาพแวดล้อมและจากตัวเลเซอร์เอง

หอสังเกตการณ์ตรวจพบหลุมดำ 'พุ่งชน' - 1 — หอสังเกตการณ์ LIGO ประกอบด้วยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่เหมือนกันสองเครื่องในรัฐวอชิงตันและรัฐลุยเซียนา (สหรัฐอเมริกา) โดยแต่ละเครื่องประกอบด้วยท่อยาว 4 กิโลเมตร จำนวนสองท่อ เรียงกันเป็นรูปตัว L (ภาพ: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab)

ระหว่างการอัปเกรดก่อนการเปิดตัวหอดสังเกตการณ์ในปี 2019-2020 นักวิทยาศาสตร์ ได้ลดเสียงรบกวนโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า "การบีบแสง"

เทคนิคนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดสัญญาณรบกวนจากแสงเลเซอร์ แสงประกอบด้วยอนุภาคแต่ละอนุภาค ดังนั้นเมื่อลำแสงเลเซอร์ไปถึงเซ็นเซอร์ โฟตอนแต่ละอนุภาคสามารถมาถึงก่อนหรือหลังได้ ทำให้คลื่นเลเซอร์ไม่ซ้อนทับกันและหักล้างกันอย่างสมบูรณ์ แม้ในกรณีที่ไม่มีคลื่นความโน้มถ่วง

เทคนิค "บีบแสง" จะนำลำแสงเลเซอร์เสริมเข้าไปในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ โดยมีโฟตอนที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้นและมีสัญญาณรบกวนน้อยลง เพื่อลดผลกระทบนี้ ลี แมคคัลเลอร์ นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย อธิบาย

ไม่มีการวัดที่สมบูรณ์แบบ

แต่เนื่องจากกฎที่แปลกประหลาดของกลศาสตร์ควอนตัม การลดความไม่แน่นอนของเวลาที่โฟตอนมาถึงจึงเพิ่มความผันผวนแบบสุ่มของความเข้มของคลื่นเลเซอร์ ส่งผลให้เลเซอร์ดันกระจกในอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และทำให้กระจกสั่นไหว ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนอีกประเภทหนึ่งที่ลดความไวต่อคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ

“นี่คือปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอันงดงาม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเราไม่สามารถทำการวัดที่แม่นยำได้อย่างแน่นอน เมื่อการปรับแต่งอย่างละเอียดในจุดหนึ่งต้องแลกมาด้วยค่าใช้จ่ายในอีกจุดหนึ่ง” เนอร์กิส มาวัลวาลา นักฟิสิกส์ทดลองจาก MIT กล่าว

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

การอัปเกรดตั้งแต่ปี 2020 จนถึงปัจจุบันมีเป้าหมายเพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างหลอดสุญญากาศเพิ่มเติมความยาว 300 เมตร โดยมีกระจกเงาอยู่ทั้งสองด้าน เพื่อกักเก็บลำแสงเสริมไว้เป็นเวลา 2.5 มิลลิวินาทีก่อนป้อนเข้าสู่อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ บทบาทของหลอดเหล่านี้คือการปรับความยาวคลื่นของเลเซอร์เสริม ลดสัญญาณรบกวนที่ความถี่สูง และลดการสั่นของกระจกเงาที่ความถี่ต่ำ

ด้วยการพัฒนานี้ นักวิจัยจะสามารถดึงข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีที่หลุมดำสร้างคลื่นความโน้มถ่วง รวมถึงวิธีที่หลุมดำแต่ละหลุมหมุนรอบแกนของมัน และวิธีที่พวกมันโคจรรอบกัน ซึ่งหมายความว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งทำนายการมีอยู่ของทั้งหลุมดำและคลื่นความโน้มถ่วง จะได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวดยิ่งกว่าที่เคย

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ยังทำนายว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะเผยให้เห็นสัญญาณประเภทอื่นๆ นอกเหนือจากสัญญาณจากการชนและการควบรวมของหลุมดำ เช่น สัญญาณโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวก่อนที่จะกลายเป็นซูเปอร์โนวา นักวิทยาศาสตร์ยังหวังที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากพื้นผิวของพัลซาร์ ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนและปล่อยคลื่นพัลส์รังสีออกมา

(ที่มา: Zing News)

มีประโยชน์
อารมณ์
ความคิดสร้างสรรค์
มีเอกลักษณ์

แหล่งที่มา