ในเดือนกุมภาพันธ์ 2559 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับ Laser Interferometer Gravitational-Observatory (LIGO) สร้างประวัติศาสตร์เมื่อพวกเขาประกาศการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก ตั้งแต่นั้นมาการตรวจจับหลายครั้งได้เกิดขึ้นและความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ระหว่างการสังเกตการณ์เช่น Advanced LIGO และ Advanced Virgo ช่วยให้มีระดับความไวและการแบ่งปันข้อมูลที่ไม่เคยมีมาก่อน
ไม่เพียง แต่เป็นการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกซึ่งเป็นความสำเร็จครั้งประวัติศาสตร์เท่านั้น แต่ยังนำไปสู่ยุคใหม่ของฟิสิกส์ดาราศาสตร์ จึงสงสัยเล็กน้อยว่าทำไมนักวิจัยทั้งสามที่เป็นศูนย์กลางของการตรวจจับครั้งแรกได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2560 รางวัลนี้มอบให้กับศาสตราจารย์กิตติคุณคาลเทคคิปเอสบาริชพร้อมด้วยศาสตราจารย์กิตติคุณ Rainer Weiss
คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกคลื่นในอวกาศ - เวลาที่เกิดจากเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ครั้งใหญ่เช่นการควบรวมของคู่หลุมดำคู่ พวกเขาถูกคาดการณ์ครั้งแรกเมื่อกว่าศตวรรษก่อนโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ซึ่งระบุว่าการก่อกวนครั้งใหญ่จะเปลี่ยนโครงสร้างของอวกาศ - เวลา อย่างไรก็ตามมันไม่ได้จนกว่าปีที่ผ่านมาว่าหลักฐานของคลื่นเหล่านี้ถูกสังเกตเป็นครั้งแรก
สัญญาณแรกถูกตรวจพบโดยหอสังเกตการณ์คู่ของ LIGO ใน Hanford, Washington และ Livingston, Louisiana ตามลำดับและโยงไปถึงการรวมตัวตุ่นสีดำออกไป 1.3 พันล้านปีแสง จนถึงปัจจุบันมีการตรวจจับสี่ครั้งซึ่งทั้งหมดเกิดจากการรวมตัวของคู่หลุมดำ สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นในวันที่ 26 ธันวาคม 2558 4 มกราคม 2560 และ 14 สิงหาคม 2560 คนสุดท้ายที่ถูกตรวจพบโดย LIGO และเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของราศีกันย์แห่งยุโรป
สำหรับบทบาทที่พวกเขาเล่นในความสำเร็จนี้ครึ่งหนึ่งของรางวัลได้รับการร่วมกับ Barry C. Barish - Ronald และ Maxine Linde ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์, กิตติคุณ - และ Kip S. Thorne, Richard P. Feynman ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์เชิงทฤษฎี กิตติคุณ อีกครึ่งหนึ่งได้รับรางวัลจาก Rainer Weiss ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์กิตติคุณที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT)
ในฐานะประธานโทมัสเอฟ. โรเซนบอมประธาน บริษัท คาลเทค - ประธานซอนย่าและวิลเลียมเดวิดโดวและศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ - กล่าวในแถลงการณ์ล่าสุดของคาลเทค:
“ ฉันรู้สึกยินดีและเป็นเกียรติที่ได้แสดงความยินดีกับ Kip และ Barry รวมถึง Rai Weiss จาก MIT ในเช้าวันนี้ของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2560 การสังเกตคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าโดย LIGO โดยตรงเป็นครั้งแรกเป็นการสาธิตที่ไม่ธรรมดาของวิสัยทัศน์ทางวิทยาศาสตร์และการคงอยู่ ผ่านสี่ทศวรรษของการพัฒนาเครื่องมือวัดที่ละเอียดอ่อนอย่างประณีต - ผลักดันขีดความสามารถของจินตนาการของเรา - ตอนนี้เราสามารถมองเห็นกระบวนการจักรวาลที่ไม่สามารถตรวจจับได้ก่อนหน้านี้ มันเป็นจุดเริ่มต้นของยุคใหม่ในฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างแท้จริง”
ความสำเร็จนี้เป็นสิ่งที่น่าประทับใจยิ่งกว่าเมื่อพิจารณาจากอัลเบิร์ตไอน์สไตน์ผู้ทำนายการดำรงอยู่ของพวกเขาเป็นครั้งแรกเชื่อว่าคลื่นความโน้มถ่วงจะอ่อนแอเกินกว่าที่จะศึกษา อย่างไรก็ตามในทศวรรษ 1960 ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเลเซอร์และความเข้าใจใหม่ ๆ เกี่ยวกับแหล่งกำเนิดทางฟิสิกส์ที่เป็นไปได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สรุปได้ว่าคลื่นเหล่านี้อาจตรวจจับได้
เครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงเครื่องแรกสร้างขึ้นโดยโจเซฟเวเบอร์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ เครื่องตรวจจับของเขาซึ่งถูกสร้างขึ้นในปี 1960 ประกอบด้วยกระบอกอลูมิเนียมขนาดใหญ่ที่จะถูกผลักให้สั่นโดยผ่านคลื่นความโน้มถ่วง มีความพยายามอื่น ๆ ติดตาม แต่ทั้งหมดพิสูจน์แล้วว่าไม่สำเร็จ แจ้งให้เปลี่ยนไปสู่เครื่องตรวจจับชนิดใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการใช้อินเตอร์เฟอโรเมท
หนึ่งในเครื่องมือดังกล่าวได้รับการพัฒนาโดย Weiss ที่ MIT ซึ่งอาศัยเทคนิคที่เรียกว่าเลเซอร์อินเฟอโรเมท ในเครื่องมือชนิดนี้คลื่นความโน้มถ่วงถูกวัดโดยใช้กระจกที่มีระยะห่างและแยกกันอย่างกว้างขวางซึ่งสะท้อนแสงเลเซอร์ในระยะทางไกล เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงทำให้เกิดพื้นที่ยืดและบีบด้วยปริมาณที่น้อยมากมันจะทำให้แสงที่สะท้อนอยู่ภายในเครื่องตรวจจับเปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว
ในเวลาเดียวกัน Thorne พร้อมกับนักเรียนและเอกสารของเขาที่ Caltech เริ่มทำงานเพื่อปรับปรุงทฤษฎีคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งรวมถึงการประมาณค่าใหม่เกี่ยวกับความแข็งแกร่งและความถี่ของคลื่นที่เกิดจากวัตถุเช่นหลุมดำดาวนิวตรอนและซุปเปอร์โนวา สิ่งนี้จบลงในกระดาษ 1972 ที่บัลลังก์ร่วมกับนักเรียนของเขา Bill Press ซึ่งสรุปวิสัยทัศน์ของพวกเขาว่าจะศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงได้อย่างไร
ในปีเดียวกันนั้นเองไวส์ยังได้ตีพิมพ์การวิเคราะห์รายละเอียดของอินเทอร์เฟอเรเตอร์และศักยภาพในการวิจัยทางดาราศาสตร์ ในบทความนี้เขากล่าวว่าการปฏิบัติการขนาดใหญ่ - การวัดหลายกิโลเมตรหรือมากกว่านั้น - อาจมีช็อตที่ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง นอกจากนี้เขายังระบุความท้าทายที่สำคัญในการตรวจจับ (เช่นการสั่นสะเทือนจากโลก) และเสนอวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สำหรับการตอบโต้พวกเขา
ในปี 1975 ไวสส์เชิญ Thorne ให้มาพูดที่การประชุมคณะกรรมการนาซ่าในวอชิงตัน ดี.ซี. และทั้งสองใช้เวลาตลอดทั้งคืนเพื่อพูดคุยเกี่ยวกับการทดลองแรงโน้มถ่วง อันเป็นผลมาจากการสนทนาของพวกเขา Thorne กลับไปที่ Calteh และเสนอให้สร้างกลุ่มแรงโน้มถ่วงในการทดลองซึ่งจะทำงานกับอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์พร้อมกับนักวิจัยที่ MIT มหาวิทยาลัยกลาสโกว์และมหาวิทยาลัยการ์ชิง (ซึ่งมีการทดลองที่คล้ายคลึงกัน)
การพัฒนาเครื่องวัดความเร็วรอบแรกเริ่มขึ้นในไม่ช้าหลังจากนั้นที่ Caltech ซึ่งนำไปสู่การสร้างต้นแบบขนาด 40 เมตร (130 ฟุต) เพื่อทดสอบทฤษฎีของ Weiss เกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วง ในปี 1984 งานทั้งหมดที่ดำเนินการโดยสถาบันเหล่านี้มารวมกัน คาลเทคและเอ็มไอทีด้วยการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (NSF) ก่อให้เกิดการร่วมมือกันของ LIGO และเริ่มทำงานกับเครื่องส่งสัญญาณสองเครื่องใน Hanford และ Livingston
การก่อสร้าง LIGO เป็นความท้าทายที่สำคัญทั้งในเชิงตรรกะและเชิงเทคนิค อย่างไรก็ตามสิ่งต่าง ๆ ได้รับความช่วยเหลืออย่างมากเมื่อแบร์รี่บาริช (จากนั้นนักฟิสิกส์อนุภาคคาลเทค) กลายเป็นผู้ตรวจสอบหลัก (PI) ของ LIGO ในปี 1994 หลังจากทศวรรษแห่งความพยายามจนตรอกเขาก็เป็นผู้อำนวยการของ LIGO . เขายังได้ขยายทีมวิจัยและพัฒนาแผนงานรายละเอียดสำหรับ NSF
ดังที่ Barish ระบุไว้งานที่เขาทำกับ LIGO เป็นสิ่งที่ฝันเป็นจริง:
“ ฉันต้องการเป็นนักฟิสิกส์ทดลองมาโดยตลอดและมีความสนใจที่จะใช้ความก้าวหน้าด้านเทคโนโลยีเพื่อทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ขั้นพื้นฐานซึ่งไม่สามารถทำได้ LIGO เป็นตัวอย่างสำคัญของสิ่งที่ไม่สามารถทำได้มาก่อน แม้ว่ามันจะเป็นโครงการขนาดใหญ่มาก แต่ความท้าทายต่างจากวิธีที่เราสร้างสะพานหรือทำโครงการวิศวกรรมขนาดใหญ่อื่น ๆ สำหรับ LIGO ความท้าทายคือและวิธีการพัฒนาและออกแบบเครื่องมือขั้นสูงในขนาดใหญ่แม้ในขณะที่โครงการวิวัฒนาการ”
ในปี 1999 การก่อสร้างได้รวมอยู่ในหอสังเกตการณ์ของ LIGO และในปี 2545 LIGO ก็เริ่มได้รับข้อมูล ในปี 2008 งานเริ่มต้นในการปรับปรุงเครื่องตรวจจับดั้งเดิมของตนหรือที่รู้จักในชื่อ Advanced LIGO Project กระบวนการแปลงต้นแบบ 40-m เป็น LIGO 4-km (2.5 mi) เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าในปัจจุบันของ LIGO เป็นงานที่ต้องทำอย่างมากดังนั้นจึงจำเป็นต้องแบ่งออกเป็นขั้นตอนต่างๆ
ขั้นตอนแรกเกิดขึ้นระหว่างปี 2002 และ 2010 เมื่อทีมสร้างและทดสอบอินเทอร์เฟอเรเตอร์เริ่มต้น แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่ส่งผลต่อการตรวจจับ แต่ก็แสดงให้เห็นถึงแนวคิดพื้นฐานของหอดูดาวและแก้ไขอุปสรรคทางเทคนิคจำนวนมาก ระยะต่อไป - เรียกว่า Advanced LIGO ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างปี 2010 และ 2015 อนุญาตให้เครื่องตรวจจับบรรลุความไวในระดับใหม่
การอัปเกรดเหล่านี้ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้การนำของ Barish นั้นอนุญาตให้มีการพัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญหลายอย่างซึ่งทำให้การตรวจจับครั้งแรกเป็นไปได้ในที่สุด ดังที่ Barish อธิบาย:
“ ในระยะเริ่มต้นของ LIGO เพื่อแยกตัวตรวจจับออกจากการเคลื่อนไหวของโลกเราใช้ระบบกันสะเทือนที่ประกอบด้วยกระจกมวลทดสอบที่แขวนด้วยลวดเปียโนและใช้ชุดโช้คอัพแบบ Passive หลายขั้นตอนคล้ายกับที่ ในรถของคุณ เรารู้ว่าสิ่งนี้อาจไม่ดีพอที่จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงดังนั้นใน LIGO Laboratory เราจึงพัฒนาโปรแกรมที่มีความทะเยอทะยานสำหรับ Advanced LIGO ที่รวมระบบกันสะเทือนแบบใหม่เพื่อทำให้กระจกมีความเสถียรและมีระบบแยกแผ่นดินไหว การเคลื่อนไหวภาคพื้นดิน”
เมื่อพิจารณาจากส่วนกลางของ Thorne ไวส์และบาริชคือการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสามคนได้รับการยอมรับอย่างถูกต้องว่าเป็นผู้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ ทั้ง Thorne และ Barish ได้รับแจ้งว่าพวกเขาได้รับชัยชนะในช่วงเช้าตรู่ของวันที่ 3 ตุลาคม 2017 เพื่อตอบสนองต่อข่าวนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองจึงมั่นใจว่าได้รับทราบถึงความพยายามอย่างต่อเนื่องของ LIGO ทีมวิทยาศาสตร์ที่ให้การสนับสนุน ความพยายามของ Caltech และ MIT ในการสร้างและบำรุงรักษาหอดูดาว
“ รางวัลที่ถูกต้องนั้นเป็นของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ LIGO หลายร้อยคนที่สร้างและทำให้สมบูรณ์เครื่องแปลงสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ซับซ้อนของเราและนักวิทยาศาสตร์ LIGO และ Virgo หลายร้อยคนที่พบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงในข้อมูลที่มีเสียงดังของ LIGO และสกัดข้อมูลคลื่น Thorne กล่าว “ เป็นเรื่องน่าเสียดายที่เนื่องจากกฎเกณฑ์ของมูลนิธิโนเบลรางวัลต้องไปไม่เกินสามคนเมื่อการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ของเราเป็นผลงานมากกว่าหนึ่งพัน”
“ ฉันถ่อมและรู้สึกเป็นเกียรติที่ได้รับรางวัลนี้” บาริชกล่าว “ การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเป็นชัยชนะของฟิสิกส์ทดลองขนาดใหญ่ที่ทันสมัยอย่างแท้จริง ทีมงานของเราที่ Caltech และ MIT ได้พัฒนา LIGO เป็นอุปกรณ์ที่มีความอ่อนไหวอย่างไม่น่าเชื่อ เมื่อสัญญาณมาถึง LIGO จากการชนกันของหลุมดำสองดวงที่เกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน 1,000 LIGO Scientific Collaboration ที่มีความสามารถทางวิทยาศาสตร์ 1,000 คนสามารถระบุเหตุการณ์ผู้สมัครภายในไม่กี่นาทีและทำการวิเคราะห์รายละเอียดที่แสดงให้เห็นว่าคลื่นแรงโน้มถ่วง อยู่.”
มองไปข้างหน้ามันค่อนข้างชัดเจนว่า Advanved LIGO, Advanced Virgo และหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงอื่น ๆ ทั่วโลกเพิ่งเริ่มต้นใช้งาน นอกเหนือจากการตรวจพบเหตุการณ์สี่เหตุการณ์แยกจากกันการศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ระบุว่าการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงสามารถเปิดพรมแดนใหม่สำหรับการวิจัยทางดาราศาสตร์และดาราศาสตร์
ตัวอย่างเช่นการศึกษาล่าสุดโดยทีมนักวิจัยจาก Monash Center for Astrophysics เสนอแนวคิดทางทฤษฎีที่เรียกว่า 'orphan memory' จากการวิจัยของพวกเขาคลื่นความโน้มถ่วงไม่เพียง แต่ก่อให้เกิดคลื่นในอวกาศ แต่ยังคงมีระลอกคลื่นถาวรในโครงสร้าง ด้วยการศึกษา“ เด็กกำพร้า” จากเหตุการณ์ในอดีตคลื่นความโน้มถ่วงสามารถศึกษาได้ทั้งเมื่อพวกเขาไปถึงโลกและหลังจากผ่านไปนาน
นอกจากนี้การศึกษาได้รับการปล่อยตัวในเดือนสิงหาคมโดยทีมนักดาราศาสตร์จากศูนย์จักรวาลวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยเออร์ไวน์แห่งแคลิฟอร์เนียซึ่งระบุว่าการควบรวมหลุมดำนั้นเป็นเรื่องธรรมดามากกว่าที่เราคิด หลังจากทำการสำรวจเอกภพที่มีวัตถุประสงค์เพื่อคำนวณและจัดหมวดหมู่หลุมดำทีม UCI ระบุว่าอาจมีหลุมดำในกาแลคซีได้ถึง 100 ล้านหลุม
การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้ระบุว่าเครือข่ายเครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงขั้นสูง LIGO, GEO 600 และ Virgo ยังสามารถใช้ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยซุปเปอร์โนวา โดยการตรวจจับคลื่นที่สร้างโดยดาวฤกษ์ที่ระเบิดขึ้นใกล้ถึงจุดจบของอายุขัยนักดาราศาสตร์จะสามารถมองเห็นภายในหัวใจของดาวที่ยุบตัวเป็นครั้งแรกและสำรวจกลไกการก่อตัวของหลุมดำ
รางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์เป็นหนึ่งในเกียรติสูงสุดที่สามารถมอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ แต่ยิ่งไปกว่านั้นคือความรู้ที่ว่าสิ่งที่ยิ่งใหญ่เป็นผลมาจากการทำงานของตัวเอง ทศวรรษหลังจาก Thorne Weiss และ Barish เริ่มเสนอการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงและทำงานเพื่อสร้างเครื่องตรวจจับนักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลกกำลังทำการค้นพบที่ลึกซึ้งซึ่งปฏิวัติวิธีที่เราคิดว่าเป็นเอกภพ
และในขณะที่นักวิทยาศาสตร์เหล่านี้จะยืนยันสิ่งที่เราเห็นมาจนถึงตอนนี้ก็แค่ปลายยอดภูเขาน้ำแข็ง ใคร ๆ ก็จินตนาการได้ว่าที่ใดที่หนึ่งไอน์สไตน์ก็ยิ้มแย้มแจ่มใสด้วยความภาคภูมิใจ เช่นเดียวกับงานวิจัยอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงกำลังแสดงให้เห็นว่าแม้หลังจากผ่านไปหลายศตวรรษการทำนายของเขาก็ยังคงประสบความสำเร็จ!
และอย่าลืมตรวจสอบวิดีโอของงานแถลงข่าว Caltech ที่ซึ่ง Barish และ Thorn ได้รับเกียรติจากความสำเร็จ:
