วันอย่างเป็นทางการของการค้นพบ (การตรวจจับ) คลื่นความโน้มถ่วงคือวันที่ 11 กุมภาพันธ์ 2016 ในการแถลงข่าวที่กรุงวอชิงตัน ผู้นำของการทำงานร่วมกันของ LIGO ได้ประกาศว่าทีมนักวิจัยประสบความสำเร็จในการบันทึกปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ
คำทำนายของไอน์สไตน์ผู้ยิ่งใหญ่
แม้ในตอนต้นของศตวรรษที่ผ่านมา (1916) อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เสนอว่าคลื่นความโน้มถ่วงอยู่ภายในกรอบของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ที่เขากำหนดขึ้น ทำได้เพียงประหลาดใจกับความสามารถอันยอดเยี่ยมของนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียง ผู้ที่มีข้อมูลจริงน้อยที่สุด ก็สามารถสรุปผลที่กว้างไกลเช่นนั้นได้ ในบรรดาปรากฏการณ์ทางกายภาพที่คาดการณ์ไว้อื่น ๆ อีกมากมายที่ได้รับการยืนยันในศตวรรษหน้า (ทำให้การไหลของเวลาช้าลง การเปลี่ยนทิศทางของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในสนามโน้มถ่วง ฯลฯ) เป็นไปไม่ได้ที่จะตรวจจับการปรากฏตัวของคลื่นประเภทนี้ ปฏิสัมพันธ์ของร่างกายจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้
แรงโน้มถ่วงคือภาพลวงตา?
โดยทั่วไปในที่แสงทฤษฎีสัมพัทธภาพแทบจะไม่สามารถเรียกแรงโน้มถ่วงว่าเป็นแรงได้ นี่เป็นผลมาจากการรบกวนหรือความโค้งของคอนตินิวอัมกาล-อวกาศ ตัวอย่างที่ดีที่แสดงให้เห็นสมมติฐานนี้คือผ้าที่ยืดออก ภายใต้น้ำหนักของวัตถุขนาดใหญ่ที่วางอยู่บนพื้นผิวดังกล่าว วัตถุอื่นๆ ที่เคลื่อนที่ใกล้กับความผิดปกตินี้จะเปลี่ยนวิถีการเคลื่อนที่ราวกับว่า "ดึงดูด" และยิ่งน้ำหนักของวัตถุมากขึ้น (เส้นผ่านศูนย์กลางและความลึกของความโค้งยิ่งมากขึ้น) แรงดึงดูดก็จะยิ่งสูงขึ้น เมื่อเคลื่อนผ่านเนื้อผ้า คุณจะเห็น "ระลอกคลื่น" ที่แตกต่างกัน
สิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นในอวกาศ มวลมหาศาลที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วใดๆ ล้วนเป็นที่มาของความผันผวนของความหนาแน่นของพื้นที่และเวลา คลื่นความโน้มถ่วงที่มีแอมพลิจูดมีนัยสำคัญ ซึ่งเกิดจากวัตถุที่มีมวลมหาศาลมากหรือเมื่อเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมหาศาล
ลักษณะทางกายภาพ
ความผันผวนของตัววัดกาล-อวกาศแสดงออกมาในรูปของการเปลี่ยนแปลงในสนามโน้มถ่วง ปรากฏการณ์นี้เรียกอีกอย่างว่าระลอกกาลอวกาศ คลื่นความโน้มถ่วงกระทำต่อวัตถุและวัตถุที่พบ บีบอัดและยืดออก ค่าการเปลี่ยนรูปมีขนาดเล็กมาก - ประมาณ 10-21 จากขนาดเดิม ความยากลำบากในการตรวจจับปรากฏการณ์นี้คือนักวิจัยต้องเรียนรู้วิธีการวัดและบันทึกการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์ที่เหมาะสม พลังของรังสีโน้มถ่วงยังเล็กมาก - สำหรับระบบสุริยะทั้งหมดคือไม่กี่กิโลวัตต์
ความเร็วของการแพร่กระจายของคลื่นโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสื่อนำเล็กน้อย แอมพลิจูดการแกว่งจะค่อยๆ ลดลงตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิด แต่จะไม่มีวันถึงศูนย์ ความถี่อยู่ในช่วงตั้งแต่หลายสิบถึงหลายร้อยเฮิรตซ์ ความเร็วของคลื่นความโน้มถ่วงในตัวกลางระหว่างดวงดาวเข้าใกล้ความเร็วแสง
หลักฐานแวดล้อม
เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน โจเซฟ เทย์เลอร์ และรัสเซล ฮูลส์ ผู้ช่วยของเขาได้รับคำยืนยันทางทฤษฎีเกี่ยวกับการมีอยู่ของคลื่นแรงโน้มถ่วงในปี 1974 การศึกษาความกว้างใหญ่ของจักรวาลโดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุของหอดูดาว Arecibo (เปอร์โตริโก) นักวิจัยได้ค้นพบพัลซาร์ PSR B1913 + 16 ซึ่งเป็นระบบดาวคู่ของดาวนิวตรอนที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วมด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่ (ค่อนข้างหายาก) ในแต่ละปี ระยะเวลาการปฏิวัติ ซึ่งเดิมที 3.75 ชั่วโมง จะลดลง 70 มิลลิวินาที ค่านี้ค่อนข้างสอดคล้องกับข้อสรุปจากสมการ GR ที่ทำนายการเพิ่มขึ้นของความเร็วการหมุนของระบบดังกล่าวอันเนื่องมาจากการใช้พลังงานเพื่อสร้างคลื่นความโน้มถ่วง ต่อจากนั้น ได้ค้นพบพัลซาร์คู่และดาวแคระขาวที่มีพฤติกรรมคล้ายคลึงกันหลายพัลซาร์ นักดาราศาสตร์วิทยุ D. Taylor และ R. Hulse ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993 จากการค้นพบความเป็นไปได้ใหม่ๆ ในการศึกษาสนามโน้มถ่วง
คลื่นแรงโน้มถ่วงที่หลบหนี
ข้อความแรกเกี่ยวกับการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงมาจากนักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ โจเซฟ เวเบอร์ (สหรัฐอเมริกา) ในปี 2512 เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ เขาใช้เสาอากาศโน้มถ่วงสองอันตามแบบฉบับของเขาเอง โดยคั่นด้วยระยะทางสองกิโลเมตร เครื่องตรวจจับเรโซแนนซ์เป็นกระบอกอะลูมิเนียมยาว 2 เมตรแบบชิ้นเดียวที่มีการสั่นสะเทือนอย่างดี พร้อมกับเซ็นเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกที่มีความละเอียดอ่อน แอมพลิจูดของความผันผวนที่ Weber กล่าวหาว่าบันทึกไว้นั้นสูงกว่าค่าที่คาดไว้มากกว่าหนึ่งล้านเท่า ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ที่ใช้อุปกรณ์ดังกล่าวเพื่อทำซ้ำ "ความสำเร็จ" ของนักฟิสิกส์ชาวอเมริกันไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่ดี ไม่กี่ปีต่อมา งานของเวเบอร์ในพื้นที่นี้ได้รับการยอมรับว่าไม่สามารถป้องกันได้ แต่เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนา "ความโน้มถ่วงที่เพิ่มขึ้น" ซึ่งดึงดูดผู้เชี่ยวชาญจำนวนมากให้มาที่งานวิจัยด้านนี้ อีกอย่าง โจเซฟ เวเบอร์เองก็แน่ใจจนวันสุดท้ายว่าเขาได้รับคลื่นความโน้มถ่วง
ปรับปรุงการรับอุปกรณ์
ในยุค 70 นักวิทยาศาสตร์ Bill Fairbank (USA) ได้พัฒนาการออกแบบเสาอากาศคลื่นความโน้มถ่วงที่ระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลวโดยใช้ SQUIDs - เครื่องวัดความเข้มข้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เทคโนโลยีที่มีอยู่ในขณะนั้นไม่อนุญาตให้นักประดิษฐ์เห็นผลิตภัณฑ์ของเขา รับรู้ใน "โลหะ"
เครื่องตรวจจับแรงโน้มถ่วง Auriga ถูกสร้างขึ้นในลักษณะนี้ที่ National Legnard Laboratory (Padua, Italy) ดีไซน์เป็นกระบอกสูบอะลูมิเนียม-แมกนีเซียม ยาว 3 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 0.6 เมตร เครื่องรับน้ำหนัก 2.3 ตันถูกแขวนไว้ในห้องสุญญากาศที่แยกออกมาซึ่งเย็นตัวจนเกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์ เรโซเนเตอร์กิโลกรัมเสริมและคอมเพล็กซ์การวัดด้วยคอมพิวเตอร์ใช้สำหรับแก้ไขและตรวจจับการสั่นสะเทือน ประกาศความไวของอุปกรณ์ 10-20.
อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์
การทำงานของเครื่องตรวจจับการรบกวนของคลื่นความโน้มถ่วงนั้นใช้หลักการเดียวกันกับเครื่องวัดระยะของ Michelson ลำแสงเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดแบ่งออกเป็นสองกระแส หลังจากการสะท้อนหลายครั้งและเคลื่อนที่ไปตามไหล่ของอุปกรณ์ ลำธารจะถูกนำกลับมารวมกันอีกครั้ง และภาพการรบกวนขั้นสุดท้ายจะถูกใช้เพื่อตัดสินว่าการรบกวนใดๆ (เช่น คลื่นความโน้มถ่วง) ส่งผลต่อวิถีของรังสีหรือไม่ อุปกรณ์ที่คล้ายกันถูกสร้างขึ้นในหลายประเทศ:
- GEO 600 (ฮันโนเวอร์ เยอรมนี). อุโมงค์สูญญากาศยาว 600 เมตร
- ทามะ (ญี่ปุ่น) 300m ไหล่
- VIRGO (ปิซา, อิตาลี) เป็นโครงการร่วมระหว่างฝรั่งเศสและอิตาลีที่เปิดตัวในปี 2550 ด้วยอุโมงค์ 3 กม.
- LIGO (สหรัฐอเมริกา ชายฝั่งแปซิฟิก) ตามล่าหาคลื่นแรงโน้มถ่วงตั้งแต่ปี 2002
อันสุดท้ายน่าพิจารณาให้ละเอียดยิ่งขึ้น
LIGO ขั้นสูง
โครงการนี้ริเริ่มโดยนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย รวมหอดูดาวสองแห่งที่แยกจากกันด้วยระยะทาง 3,000 กม. ในรัฐลุยเซียนาและวอชิงตัน (เมืองลิฟวิงสตันและแฮนฟอร์ด) ที่มีอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เหมือนกันสามแห่ง ความยาวของสุญญากาศตั้งฉากอุโมงค์ 4 พันเมตร โครงสร้างเหล่านี้เป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดที่ดำเนินการอยู่ในปัจจุบัน จนถึงปี 2011 ความพยายามหลายครั้งในการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงไม่ได้ให้ผลลัพธ์ใดๆ การปรับปรุงให้ทันสมัยอย่างมีนัยสำคัญ (Advanced LIGO) เพิ่มความไวของอุปกรณ์ในช่วง 300-500 Hz มากกว่าห้าเท่าและในพื้นที่ความถี่ต่ำ (สูงถึง 60 Hz) เกือบถึงลำดับความสำคัญ มูลค่า 10-21โปรเจ็กต์ที่อัปเดตเริ่มต้นในเดือนกันยายน 2015 และผู้ร่วมงานมากกว่าพันคนได้รับรางวัลเป็นผลลัพธ์
คลื่นแรงโน้มถ่วงที่ตรวจพบ
เมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 เครื่องตรวจจับ LIGO ขั้นสูงที่มีช่วงเวลา 7 ms บันทึกคลื่นความโน้มถ่วงที่มาถึงโลกของเราจากปรากฏการณ์ที่ใหญ่ที่สุดที่เกิดขึ้นในเขตชานเมืองของจักรวาลที่สังเกตได้ - การควบรวมของหลุมดำขนาดใหญ่สองแห่งที่มีมวล 29 และ 36 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ในระหว่างกระบวนการนี้ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน สสารประมาณสามมวลดวงอาทิตย์ถูกใช้ไปกับการแผ่รังสีของคลื่นแรงโน้มถ่วงในเวลาเพียงเสี้ยววินาที ความถี่เริ่มต้นของคลื่นโน้มถ่วงถูกบันทึกเป็น 35 Hz และค่าสูงสุดสูงสุดถึง 250 Hz.
ผลลัพธ์ที่ได้รับต้องได้รับการตรวจสอบและประมวลผลซ้ำแล้วซ้ำอีก การตีความข้อมูลอื่นที่ได้รับถูกตัดอย่างระมัดระวัง ในที่สุด เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ปีที่แล้ว การลงทะเบียนโดยตรงของปรากฏการณ์ที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ได้ถูกประกาศสู่ชุมชนโลก
ความจริงที่แสดงผลงานไททานิคของนักวิจัย: แอมพลิจูดของความผันผวนของขนาดแขนอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เท่ากับ 10-19m - ค่านี้เล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของ อะตอมเพราะมันเล็กกว่าส้ม
โอกาสต่อไป
การค้นพบนี้ยืนยันอีกครั้งว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่ได้เป็นเพียงชุดของสูตรนามธรรม แต่เป็นรูปลักษณ์ใหม่โดยพื้นฐานที่สาระสำคัญของคลื่นความโน้มถ่วงและแรงโน้มถ่วงโดยทั่วไป
ในการวิจัยเพิ่มเติม นักวิทยาศาสตร์มีความหวังสูงสำหรับโครงการ ELSA: การสร้างเครื่องวัดระยะโคจรขนาดยักษ์ที่มีแขนประมาณ 5 ล้านกม. สามารถตรวจจับได้แม้กระทั่งการรบกวนเล็กน้อยของสนามโน้มถ่วง ความเข้มข้นของงานในทิศทางนี้สามารถบอกได้มากมายเกี่ยวกับขั้นตอนหลักในการพัฒนาจักรวาลเกี่ยวกับกระบวนการที่ยากหรือเป็นไปไม่ได้ที่จะสังเกตในวงดนตรีดั้งเดิม ไม่ต้องสงสัยเลยว่าหลุมดำซึ่งคลื่นความโน้มถ่วงจะได้รับการแก้ไขในอนาคตจะบอกอะไรมากมายเกี่ยวกับธรรมชาติของพวกมัน
เพื่อศึกษาการแผ่รังสีโน้มถ่วงที่ระลึก ซึ่งสามารถบอกเกี่ยวกับช่วงเวลาแรกในโลกของเราหลังบิ๊กแบงได้ จะต้องใช้เครื่องมืออวกาศที่ละเอียดอ่อนกว่านี้ โครงการดังกล่าวมีอยู่ (ผู้สังเกตการณ์บิ๊กแบง) แต่การดำเนินการตามผู้เชี่ยวชาญนั้นเป็นไปไม่ได้เร็วกว่าใน 30-40 ปี