คลื่นความโน้มถ่วง

ในวิชาฟิสิกส์ คลื่นความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational wave) คือความผันผวนของความโค้งในปริภูมิ-เวลาที่แผ่ออกเป็นคลื่น ที่เดินทางออกจากแหล่งกำเนิด^[1] อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ทำนายไว้ใน ค.ศ. 1916^[2]^[3] บนพื้นฐานทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา^[4]^[5] คลื่นความโน้มถ่วงส่งพลังงานเป็นรังสีความโน้มถ่วง (อังกฤษ: gravitational radiation) การมีคลื่นความโน้มถ่วงนี้เป็นผลลัพธ์ที่เกิดได้จากความไม่แปรเปลี่ยนลอเรนซ์ (Lorentz invariance) ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพราะนำมาซึ่งมโนทัศน์ความเร็วจำกัดของการแผ่ของอันตรกิริยากายภาพ ในทางตรงข้าม คลื่นความโน้มถ่วงมีไม่ได้ในกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ซึ่งมีสัจพจน์ว่าอันตรกิริยากายภาพแผ่ด้วยความเร็วอนันต์

ก่อนการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรง มีหลักฐานโดยอ้อมว่ามีคลื่นนี้อยู่ ตัวอย่างเช่น การวัดระบบดาวคู่ฮัลส์–เทย์เลอร์แนะว่าคลื่นความโน้มถ่วงเป็นมากกว่ามโนทัศน์ทางทฤษฎี แหล่งที่เป็นไปได้อื่นของคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจหาได้มีระบบดาวคู่อันประกอบด้วยดาวแคระขาว ดาวนิวตรอนและหลุมดำ ใน ค.ศ. 2016 มีตัวตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงหลายตัวอยู่ระหว่างการก่อสร้างหรือกำลังดำเนินงาน เช่น แอดแวนซ์ไลโกซึ่งเริ่มการสังเกตในเดือนกันยายน ค.ศ. 2015^[6] ในเดือนกุมภาพันธ์ ค.ศ. 2016 คณะแอดแวนซ์ไลโกประกาศว่าพวกเขาตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงได้จากการชนกันของคู่หลุมดำ^[7]^[8]^[9]^[10]

บทนำ

ประวัติศาสตร์ของเอกภพ มีการตั้งสมมุติฐานว่าคลื่นความโน้มถ่วงเกิดจากการขยายตัวของจักรวาล (inflation) การขยายเร็วกว่าแสงพลันหลังบิกแบง (17 มีนาคม 2014)^[11]^[12]^[13]

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ความโน้มถ่วงจัดเป็นปรากฏการณ์อันเกิดจากความโค้งของปริภูมิ-เวลา ความโค้งนี้เกิดจากการมีมวล โดยทั่วไป ยิ่งมีมวลบรรจุอยู่ในปริภูมิปริมาตรหนึ่งมากเท่าใด ความโค้งของปริภูมิ-เวลาจะยิ่งมากเท่านั้นที่ขอบของปริมาตรนี้^[14] เมื่อวัตถุที่มีมวลเคลื่อนไปรอบในปริภูมิ-เวลา ความโค้งดังกล่าวจะเปลี่ยนเพื่อสะท้อนตำแหน่งที่เปลี่ยนของวัตถุเหล่านี้ ในบางกรณีแวดล้อม วัตถุที่มีความเร่งทำให้เกิดการเปลี่ยนความโค้งนี้ ซึ่งแผ่ออกนอกด้วยความเร็วแสงในรูปคล้ายคลื่น ปรากฏการณ์แผ่เหล่านี้เรียก "คลื่นความโน้มถ่วง"

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงผ่านผู้สังเกตที่อยู่ไกล ผู้สังเกตนั้นจะพบว่าปริภูมิ-เวลาถูกบิดจากผลของความเครียด ระยะทางระหว่างวัตถุอิสระเพิ่มและลดเป็นจังหวะเมื่อคลื่นผ่าน ด้วยความถี่สมนัยกับคลื่นนั้น เหตุการณ์นี้เกิดแม้วัตถุอิสระเหล่านั้นไม่มีแรงไม่สมดุลกระทำ ขนาดของผลนี้ลดผกผันกับระยะทางจากแหล่งกำเนิด มีการทำนายว่าระบบดาวนิวตรอนคู่ที่เวียนก้นหอยเข้าหากัน (Inspiral) เป็นแหล่งกำเนิดทรงพลังของคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อทั้งสองรวมกัน เนื่องจากความเร่งมหาศาลของมวลทั้งสองขณะที่โคจรใกล้กันและกัน ทว่า เนื่องจากระยะทางดาราศาสตร์ถึงแหล่งกำเนิดเหล่านี้ทำให้มีการทำนายว่าเมื่อวัดผลบนโลกจะได้ค่าน้อยมาก คือ มีความเครียดน้อยกว่า 1 ส่วนใน 10²⁰ นักวิทยาศาสตร์กำลังพยายามแสดงการมีอยู่ของคลื่นเหล่านี้ด้วยตัวรับที่ไวขึ้นอีก การวัดที่ไวที่สุดในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 1 ส่วนใน 5×10²² (ใน ค.ศ. 2012) ของหอดูดาวไลโกและเวอร์โก^[15] หอดูดาวบนอวกาศ สายอากาศอวกาศอินเตอร์เฟียโรมิเตอร์เลเซอร์ (Laser Interferometer Space Antenna) กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาโดยองค์การอวกาศยุโรป

คลื่นความโน้มถ่วงควรทะลุทะลวงบริเวณของปริภูมิที่คลื่นไฟฟ้าแม่เหล็กผ่านไม่ได้ มีการตั้งสมมุติฐานว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะสามารถให้สารสนเทศเกี่ยวกับหลุมดำและวัตถุประหลาดอื่นในเอกภพห่างไกลแก่ผู้สังเกตบนโลกได้ ระบบเช่นนี้ไม่สามารถสังเกตได้ด้วยวิธีดั้งเดิมอย่างกล้องโทรทรรศน์แสงหรือกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ฉะนั้น ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงจึงให้การรับรู้ใหม่ต่อการทำงานของเอกภพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คลื่นความโน้มถ่วงอาจเป็นที่สนใจของนักจักรวาลวิทยาเพราะให้หนทางที่เป็นไปได้ในการสังเกตเอกภพช่วงต้นมากได้ สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ในดาราศาสตร์ดั้งเดิม เพราะก่อนการรวมประจุ (recombination) เอกภพทึบต่อรังสีไฟฟ้าแม่เหล็ก^[16] การวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่แม่นจะยังให้นักวิทยาศาสตร์ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ทะลุปรุโปร่งมากขึ้นด้วย

ในหลักการ คลื่นความโน้มถ่วงอาจมีอยู่ได้ในทุกความถี่ ทว่า คลื่นความถี่ต่ำมากจะไม่สามารถตรวจหาได้และไม่มีแหล่งที่น่าเชื่อถือของคลื่นความถี่สูงที่ตรวจหาได้ สตีเฟน ฮอว์คิงและเวอร์เนอร์ อิสราเอลแสดงรายการแถบความถี่ต่าง ๆ สำหรับคลื่นความโน้มถ่วงที่สามารถตรวจหาได้ มีพิสัยตั้งแต่ 10⁻⁷ เฮิรตซ์จนถึง 10¹¹ เฮิรตซ^[17]

อ้างอิง

↑ Overbye, Dennis (12 February 2016). "Physicists Detect Gravitational Waves, Proving Einstein Right". New York Times. สืบค้นเมื่อ 12 February 2016.
↑ Einstein, A (June 1916). "Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 688–696.
↑ Einstein, A (1918). "Über Gravitationswellen". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 154–167.
↑ Finley, Dave. "Einstein's gravity theory passes toughest test yet: Bizarre binary star system pushes study of relativity to new limits". Phys.Org.
↑ The Detection of Gravitational Waves using LIGO, B. Barish
↑ "The Newest Search for Gravitational Waves has Begun". LIGO Caltech. LIGO. 18 September 2015. สืบค้นเมื่อ 29 November 2015.
↑ Clark, Stuart (2016-02-11). "Gravitational waves: scientists announce 'we did it!' – live". the Guardian. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11.
↑ Castelvecchi, Davide; Witze, Witze (February 11, 2016). "Einstein's gravitational waves found at last". Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11.
↑ B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Physical Review Letters. 116 (6). doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102.{{cite journal}}: CS1 maint: uses authors parameter (ลิงก์)
↑ "Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction | NSF - National Science Foundation". www.nsf.gov. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11.
↑ Staff (17 March 2014). "BICEP2 2014 Results Release". National Science Foundation. สืบค้นเมื่อ 18 March 2014.{{cite web}}: CS1 maint: uses authors parameter (ลิงก์)
↑ Clavin, Whitney (17 March 2014). "NASA Technology Views Birth of the Universe". NASA. สืบค้นเมื่อ 17 March 2014.
↑ Overbye, Dennis (17 March 2014). "Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang". New York Times. สืบค้นเมื่อ 17 March 2014.
↑ แม่แบบ:Cite serial
↑ LIGO Scientific Collaboration; Virgo Collaboration (2012). "Search for Gravitational Waves from Low Mass Compact Binary Coalescence in LIGO's Sixth Science Run and Virgo's Science Runs 2 and 3". Physical Review D. 85: 082002. arXiv:1111.7314. Bibcode:2012PhRvD..85h2002A. doi:10.1103/PhysRevD.85.082002.
↑ Krauss, LM; Dodelson, S; Meyer, S (2010). "Primordial Gravitational Waves and Cosmology". Science. 328 (5981): 989–992. arXiv:1004.2504. Bibcode:2010Sci...328..989K. doi:10.1126/science.1179541. PMID 20489015.
↑ Hawking, S. W.; Israel, W. (1979). General Relativity: An Einstein Centenary Survey. Cambridge: Cambridge University Press. p. 98. ISBN 0-521-22285-0.

แหล่งข้อมูลอื่น

Gravitational waves ที่สารานุกรมบริตานิกา
Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory. LIGO Laboratory, operated by the California Institute of Technology and the Massachusetts Institute of Technology
Caltech Relativity Tutorial เก็บถาวร 2014-05-30 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน – A basic introduction to gravitational waves

บทความฟิสิกส์นี้ยังเป็นโครง คุณสามารถช่วยวิกิพีเดียได้โดยการเพิ่มเติมข้อมูล

[NYT-20160212-1] Overbye, Dennis (12 February 2016). "Physicists Detect Gravitational Waves, Proving Einstein Right". New York Times. สืบค้นเมื่อ 12 February 2016.

[2] Einstein, A (June 1916). "Näherungsweise Integration der Feldgleichungen der Gravitation". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 688–696.

[3] Einstein, A (1918). "Über Gravitationswellen". Sitzungsberichte der Königlich Preussischen Akademie der Wissenschaften Berlin. part 1: 154–167.

[4] Finley, Dave. "Einstein's gravity theory passes toughest test yet: Bizarre binary star system pushes study of relativity to new limits". Phys.Org.

[5] The Detection of Gravitational Waves using LIGO, B. Barish

[6] "The Newest Search for Gravitational Waves has Begun". LIGO Caltech. LIGO. 18 September 2015. สืบค้นเมื่อ 29 November 2015.

[Clark_2016-7] Clark, Stuart (2016-02-11). "Gravitational waves: scientists announce 'we did it!' – live". the Guardian. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11.

[Discovery_2016-8] Castelvecchi, Davide; Witze, Witze (February 11, 2016). "Einstein's gravitational waves found at last". Nature News. doi:10.1038/nature.2016.19361. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11.

[9] B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration) (2016). "Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger". Physical Review Letters. 116 (6). doi:10.1103/PhysRevLett.116.061102.{{cite journal}}: CS1 maint: uses authors parameter (ลิงก์)

[10] "Gravitational waves detected 100 years after Einstein's prediction | NSF - National Science Foundation". www.nsf.gov. สืบค้นเมื่อ 2016-02-11.

[BICEP2-2014-11] Staff (17 March 2014). "BICEP2 2014 Results Release". National Science Foundation. สืบค้นเมื่อ 18 March 2014.{{cite web}}: CS1 maint: uses authors parameter (ลิงก์)

[NASA-20140317-12] Clavin, Whitney (17 March 2014). "NASA Technology Views Birth of the Universe". NASA. สืบค้นเมื่อ 17 March 2014.

[NYT-20140317-13] Overbye, Dennis (17 March 2014). "Detection of Waves in Space Buttresses Landmark Theory of Big Bang". New York Times. สืบค้นเมื่อ 17 March 2014.

[HTUW-14] แม่แบบ:Cite serial

[15] LIGO Scientific Collaboration; Virgo Collaboration (2012). "Search for Gravitational Waves from Low Mass Compact Binary Coalescence in LIGO's Sixth Science Run and Virgo's Science Runs 2 and 3". Physical Review D. 85: 082002. arXiv:1111.7314. Bibcode:2012PhRvD..85h2002A. doi:10.1103/PhysRevD.85.082002.

[16] Krauss, LM; Dodelson, S; Meyer, S (2010). "Primordial Gravitational Waves and Cosmology". Science. 328 (5981): 989–992. arXiv:1004.2504. Bibcode:2010Sci...328..989K. doi:10.1126/science.1179541. PMID 20489015.

[HI-17] Hawking, S. W.; Israel, W. (1979). General Relativity: An Einstein Centenary Survey. Cambridge: Cambridge University Press. p. 98. ISBN 0-521-22285-0.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]