พอดคาสต์: ดูจักรวาลด้วยสายตาที่แรงโน้มถ่วง

ในอดีตนักดาราศาสตร์สามารถมองเห็นท้องฟ้าด้วยแสงที่มองเห็นได้โดยใช้ดวงตาเป็นตัวรับ แต่ถ้าคุณมีตาโน้มถ่วงล่ะ? ไอน์สไตน์ทำนายว่าวัตถุและเหตุการณ์ที่รุนแรงที่สุดในจักรวาลควรสร้างคลื่นแรงโน้มถ่วงและบิดเบือนพื้นที่รอบ ๆ การทดลองใหม่ที่เรียกว่า Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (หรือ LIGO) สามารถทำการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงแรกได้

ฟังการสัมภาษณ์: พบกับ Gravity Eyes (7.9 MB)

หรือสมัครสมาชิก Podcast: universetoday.com/audio.xml

Fraser Cain: เอาล่ะคลื่นแรงโน้มถ่วงคืออะไร?

ดร. แซมวัลด์แมน: ดังนั้นคลื่นแรงโน้มถ่วงสามารถอธิบายได้ถ้าคุณจำได้ว่ามวลเบี่ยงเบนกาลอวกาศ ดังนั้นหากคุณจำความคล้ายคลึงของแผ่นกระดาษที่ดึงให้ตึงด้วยลูกโบว์ลิ่งโยนลงไปตรงกลางของแผ่นให้โค้งงอแผ่น ที่ลูกโบว์ลิ่งเป็นมวลและแผ่นหมายถึงกาลอวกาศ หากคุณย้ายลูกโบว์ลิ่งกลับไปกลับมาอย่างรวดเร็วคุณจะทำระลอกคลื่นในแผ่นงาน สิ่งเดียวกันนี้เป็นเรื่องจริงสำหรับมวลชนในจักรวาลของเรา ถ้าคุณย้ายดาวไปมาอย่างรวดเร็วคุณจะทำระลอกในกาลอวกาศ และระลอกคลื่นในกาลอวกาศนั้นสามารถสังเกตได้ เราเรียกพวกเขาว่าคลื่นแรงโน้มถ่วง

เฟรเซอร์: ตอนนี้ถ้าฉันเดินไปรอบ ๆ ห้องนั่นจะทำให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วงหรือไม่

ดร. วัลด์แมน: มันจะดี เท่าที่เราทราบแรงโน้มถ่วงทำงานได้ในทุกขนาดและมวลชน แต่กาลอวกาศนั้นแข็งมาก ดังนั้นสิ่งที่เหมือนกับตัวเอง 200 ปอนด์ที่เคลื่อนที่ผ่านสำนักงานของฉันจะไม่ทำให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วง สิ่งที่ต้องการคือวัตถุที่มีขนาดใหญ่มากซึ่งเคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ดังนั้นเมื่อเรามองหาคลื่นแรงโน้มถ่วงเรากำลังมองหาวัตถุมวลขนาดสุริยะ โดยเฉพาะเราค้นหาดาวนิวตรอนซึ่งอยู่ระหว่าง 1.5 ถึง 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เรามองหาหลุมดำมากถึงหลายร้อยเท่าดวงอาทิตย์ และเรามองหาวัตถุเหล่านี้ที่จะเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็ว ดังนั้นเมื่อเราพูดถึงดาวนิวตรอนเรากำลังพูดถึงดาวนิวตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเกือบ ที่จริงแล้วมันต้องมีการสั่นสะเทือนด้วยความเร็วของแสงมันไม่สามารถเคลื่อนที่ได้มันต้องเขย่าไปมาอย่างรวดเร็ว ดังนั้นพวกเขาจึงเป็นระบบที่มีความหายนะและมีขนาดใหญ่มากซึ่งเรากำลังค้นหาอยู่

Fraser: คลื่นแรงโน้มถ่วงเป็นทฤษฎีล้วนๆใช่ไหม พวกเขาถูกทำนายโดย Einstein แต่พวกเขายังไม่เห็นหรือ

ดร. วัลด์แมน: พวกเขาไม่ได้ถูกสังเกตพวกเขาถูกอนุมาน มีระบบพัลซาร์ที่มีความถี่หมุนในอัตราที่สอดคล้องกับการปล่อยคลื่นแรงโน้มถ่วง นั่นคือ PSR 1913 +16 และวงโคจรของดาวดวงนี้ก็เปลี่ยนไป นั่นเป็นการอนุมาน แต่แน่นอนว่าไม่ใช่การสังเกตการณ์โดยตรงจากคลื่นแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตามมันค่อนข้างชัดเจนว่าต้องมีอยู่ หากกฎของไอน์สไตน์มีอยู่หากสัมพัทธภาพทั่วไปทำงานได้และมันทำงานได้ดีมากในระดับความยาวมาก ๆ ดังนั้นคลื่นแรงโน้มถ่วงก็มีอยู่เช่นกัน พวกมันดูยากมาก

เฟรเซอร์: สิ่งที่ต้องใช้ในการตรวจจับพวกมันคืออะไร? ดูเหมือนว่าพวกเขาจะเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรงมาก หลุมดำขนาดใหญ่ที่ยิ่งใหญ่และดาวนิวตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ทำไมพวกมันจึงหายาก

ดร. วัลด์แมน: มันมีสององค์ประกอบ สิ่งหนึ่งคือหลุมดำจะไม่ชนกันตลอดเวลาและดาวนิวตรอนจะไม่สั่นคลอนในที่เก่า ๆ ดังนั้นจำนวนเหตุการณ์ที่สามารถทำให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วงที่สังเกตได้จึงมีขนาดเล็กมาก ตอนนี้เราพูดถึงกาแลคซีทางช้างเผือกกับเหตุการณ์หนึ่งที่เกิดขึ้นทุก ๆ 30-50 ปี

แต่อีกส่วนหนึ่งของสมการนี้คือคลื่นแรงโน้มถ่วงของตัวมันเองนั้นเล็กมาก ดังนั้นพวกเขาจึงแนะนำสิ่งที่เราเรียกว่าความเครียด นั่นคือการเปลี่ยนแปลงความยาวต่อความยาวหน่วย ตัวอย่างเช่นถ้าฉันมีปทัฏฐานยาวหนึ่งเมตรและคลื่นแรงโน้มถ่วงจะกดปทัฏฐานที่มันผ่านมา แต่ระดับที่มันจะ squish ปทัฏฐานมีขนาดเล็กมาก ถ้าฉันมีปทัฏฐาน 1 เมตรมันจะเหนี่ยวนำให้เปลี่ยน 10e-21 เมตรเท่านั้น ดังนั้นมันจึงเป็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมาก แน่นอนว่าการสังเกตความสูง 10 เมตร -21 เมตรนั้นเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในการสังเกตคลื่นแรงโน้มถ่วง

Fraser: ถ้าคุณวัดความยาวของปทัฏฐานกับปทัฏฐานอื่นความยาวของปทัฏฐานอื่นนั้นจะเปลี่ยนไป ฉันเห็นว่าเป็นเรื่องยากที่จะทำ

ดร. วัลด์แมน: แน่นอนดังนั้นคุณมีปัญหา วิธีที่เราแก้ปัญหาปทัฏฐานก็คือเรามี 2 หลาและเรารวมมันไว้ในแอลและวิธีที่เราวัดพวกมันคือการใช้เลเซอร์ และวิธีการที่เราจัดวางปทัฏฐานของเรานั้นจริง ๆ แล้วมีความยาว 4 กิโลเมตร“ L” แขนทั้งสองมีความยาว 4 กม. และในตอนท้ายของแขนแต่ละข้างมีมวลควอตซ์ขนาด 4 กิโลกรัมที่เราสะท้อนเลเซอร์ออกมา และเมื่อคลื่นแรงโน้มถ่วงผ่านเครื่องตรวจจับรูป“ L” นี้มันจะเหยียดขาข้างหนึ่งในขณะที่ขาอีกข้างหดตัว และมันทำเช่นนี้ที่ 100 เฮิรตซ์ภายในความถี่เสียง ดังนั้นถ้าคุณฟังการเคลื่อนไหวของมวลเหล่านี้คุณจะได้ยินเสียงหึ่งที่ 100 เฮิร์ตซ์ สิ่งที่เราวัดด้วยเลเซอร์ของเราก็คือความยาวแขนแตกต่างของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์รูป“ L” ขนาดใหญ่นี้ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไม LIGO มันเป็น Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory

เฟรเซอร์: มาดูกันว่าฉันเข้าใจถูกต้องไหม หลายพันล้านปีที่ผ่านมามีหลุมดำชนกันและก่อให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วง คลื่นแรงโน้มถ่วงเหล่านี้ข้ามจักรวาลและล้างผ่านโลก เมื่อพวกเขาผ่านโลกพวกมันจะยืดแขนข้างหนึ่งให้ยาวขึ้นและพวกมันจะหดแขนอีกข้างหนึ่งและคุณสามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงนี้ได้ด้วยแสงเลเซอร์ที่กระดอนไปมา

ดร. วัลด์แมน: ถูกต้อง แน่นอนว่าความท้าทายคือการเปลี่ยนความยาวนั้นเล็กมาก ในกรณีของเครื่องวัดระยะทาง 4km ของเราการเปลี่ยนแปลงความยาวที่เราวัดได้ในขณะนี้คือ 10e-19 เมตร และเมื่อวางสเกลลงบนนั้นเส้นผ่านศูนย์กลางของนิวเคลียสของอะตอมจะอยู่ที่ 10e-15 เมตรเท่านั้น ดังนั้นความไวของเราคือ subatomic

Fraser: แล้วเหตุการณ์แบบไหนที่คุณสามารถตรวจพบได้ในจุดนี้

ดร. วัลด์แมน: จริง ๆ แล้วมันเป็นพื้นที่ที่น่าหลงใหล อุปมาที่เราชอบนั้นเปรียบเสมือนการมองจักรวาลด้วยคลื่นวิทยุเพื่อมองดูจักรวาลด้วยกล้องโทรทรรศน์ สิ่งที่คุณเห็นแตกต่างอย่างสิ้นเชิง คุณอ่อนไหวต่อระบอบการปกครองของจักรวาลที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง LIGO มีความไวต่อเหตุการณ์ภัยพิบัติเหล่านี้ เราแบ่งกิจกรรมของเราออกเป็น 4 หมวดหมู่กว้าง ๆ คนแรกที่เราเรียกว่าการระเบิดและนั่นเป็นเหมือนหลุมดำที่ก่อตัวขึ้น ดังนั้นการระเบิดของซูเปอร์โนวาจึงเกิดขึ้นและสสารต่าง ๆ เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วจนเกิดเป็นหลุมดำ แต่คุณไม่รู้ว่าคลื่นแรงโน้มถ่วงเป็นอย่างไร สิ่งที่คุณรู้คือมีคลื่นแรงโน้มถ่วง ดังนั้นนี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก พวกมันมีอายุการใช้งานสูงสุด 100 มิลลิวินาทีและมาจากการก่อตัวของหลุมดำ

อีกเหตุการณ์ที่เรามองคือเมื่อวัตถุสองดวงอยู่ในวงโคจรด้วยกันบอกว่าดาวนิวตรอนสองดวงโคจรรอบกันและกัน ในที่สุดเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรนั้นก็จะสลายตัว ดาวนิวตรอนจะรวมตัวกันพวกมันจะตกลงกันและก่อตัวเป็นหลุมดำ และสำหรับวงโคจรที่ผ่านมาไม่กี่ดวงดาวนิวตรอนเหล่านั้น (โปรดทราบว่าวัตถุเหล่านั้นมีน้ำหนัก 1.5 ถึง 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเศษส่วนจำนวนมาก พูด 10%, 20% ของความเร็วแสง และการเคลื่อนที่นั้นเป็นเครื่องกำเนิดคลื่นแรงโน้มถ่วงที่มีประสิทธิภาพมาก นั่นคือสิ่งที่เราใช้เป็นเทียนมาตรฐานของเรา นั่นคือสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้อยู่ เรารู้ว่าพวกเขาอยู่ที่นั่น แต่เราไม่แน่ใจว่าจะมีกี่คนที่ออกไปในคราวเดียว เราไม่แน่ใจว่าดาวนิวตรอนในเกลียวจะมีลักษณะอย่างไรในคลื่นวิทยุหรือรังสีเอกซ์ในการฉายด้วยแสง ดังนั้นจึงเป็นการยากที่จะคำนวณว่าคุณจะเห็นว่าเป็นเกลียวหรือซูเปอร์โนวาบ่อยเพียงใด

Fraser: ตอนนี้คุณจะสามารถตรวจสอบทิศทางของพวกเขาได้หรือไม่

ดร. วัลด์แมน: เรามีเครื่องวัดสองเครื่อง ในความเป็นจริงเรามีสองไซต์และสามอินเทอร์มิเตอร์ เครื่องวัดความชั่วหนึ่งอยู่ใน Livingston Louisiana ซึ่งอยู่ทางเหนือของ New Orleans และอินเทอโรมิเตอร์อื่น ๆ ของเราอยู่ในรัฐวอชิงตันตะวันออก เนื่องจากเรามีเครื่องวัดระยะทางสองเครื่องเราจึงสามารถคำนวณสมการบนท้องฟ้าได้ แต่มีความไม่แน่นอนอยู่ในแหล่งที่มา มีความร่วมมืออื่น ๆ ในโลกที่เราทำงานอย่างใกล้ชิดกับเยอรมนีอิตาลีและญี่ปุ่นและพวกเขาก็มีเครื่องตรวจจับ ดังนั้นหากเครื่องตรวจจับหลายตัวในหลาย ๆ ไซต์เห็นคลื่นแรงโน้มถ่วงเราสามารถทำงานได้ดีมากในการแปล ความหวังคือเราเห็นคลื่นแรงโน้มถ่วงและเรารู้ว่ามาจากไหน จากนั้นเราจะบอกเพื่อนร่วมงานนักดาราศาสตร์วิทยุของเราและเพื่อนร่วมงานนักดาราศาสตร์รังสีเอกซ์ของเราและเพื่อนร่วมงานนักดาราศาสตร์ทางแสงของเราไปดูที่ส่วนนั้นของท้องฟ้า

Fraser: มีกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ตัวใหม่อยู่บนขอบฟ้า ใหญ่และใหญ่มหาศาลและแม็กเจลแลน…กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ไหลลงท่อด้วยงบประมาณขนาดใหญ่พอสมควร สมมติว่าคุณสามารถหาคลื่นแรงโน้มถ่วงได้อย่างน่าเชื่อถือเกือบจะเหมือนกับที่เพิ่มคลื่นความถี่ใหม่ในการตรวจจับของเรา หากงบประมาณจำนวนมากถูกใส่เข้าไปในเครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงเหล่านี้คุณคิดว่ามันสามารถใช้ทำอะไรได้บ้าง?

ดร. วัลด์แมน: อย่างที่ฉันพูดไว้ก่อนหน้านี้มันเหมือนกับการปฏิวัติทางดาราศาสตร์เมื่อกล้องโทรทรรศน์วิทยุมาออนไลน์ครั้งแรก เรากำลังดูปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันโดยไม่ได้ตั้งใจ ฉันควรจะบอกว่าห้องปฏิบัติการ LIGO เป็นห้องปฏิบัติการที่ค่อนข้างใหญ่ เราเป็นนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 150 คนที่ทำงานร่วมกันดังนั้นจึงเป็นความร่วมมือที่ยิ่งใหญ่ และเราหวังว่าจะร่วมมือกับนักดาราศาสตร์ทางแสงและวิทยุทุกคนในขณะที่เราก้าวไปข้างหน้า แต่มันก็ยากที่จะคาดเดาว่าเส้นทางใดที่วิทยาศาสตร์จะต้องใช้ ฉันคิดว่าถ้าคุณพูดกับนักสัมพัทธภาพทั่วไปคุณลักษณะที่น่าตื่นเต้นที่สุดของคลื่นแรงโน้มถ่วงก็คือเรากำลังทำสิ่งที่เรียกว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่แข็งแกร่ง นั่นคือสัมพัทธภาพทั่วไปที่คุณสามารถวัดได้ดูดาวและกาแลกซี่นั้นอ่อนแอมาก มีจำนวนไม่มากที่เกี่ยวข้องมันไม่ได้เคลื่อนที่เร็วมาก มันอยู่ในระยะทางที่ไกลมาก ในขณะที่เมื่อเรากำลังพูดถึงการชนกันของหลุมดำและดาวนิวตรอนนั่นเป็นบิตสุดท้ายเมื่อดาวนิวตรอนตกลงไปในหลุมดำนั้นมีความรุนแรงมากและเป็นสัมพัทธภาพทั่วไปของอาณาจักรที่ไม่มากนัก สามารถเข้าถึงได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ปกติพร้อมวิทยุพร้อมเอ็กซเรย์ ดังนั้นความหวังคือมีฟิสิกส์ใหม่ที่น่าตื่นเต้นอยู่ที่นั่น ฉันคิดว่าสิ่งที่กระตุ้นเราคือคุณเรียกได้ว่าสนุกกับสัมพัทธภาพทั่วไป

Fraser: และคุณหวังว่าจะได้การตรวจจับครั้งแรกของคุณเมื่อใด

ดร. วัลด์แมน: LIGO อินเตอร์เฟอเรเตอร์ - ทั้งสามอินเทอโรมิเตอร์ - LIGO ทำงานทั้งหมดทำงานด้วยความไวต่อการออกแบบและตอนนี้เรากำลังอยู่ในช่วงวิ่ง S5 วิทยาศาสตร์ระยะที่ห้าของเราซึ่งเป็นระยะเวลาหนึ่งปี สิ่งที่เราทำในหนึ่งปีคือพยายามมองหาคลื่นแรงโน้มถ่วง เช่นเดียวกับสิ่งต่าง ๆ มากมายในดาราศาสตร์ส่วนใหญ่จะรอดู หากซูเปอร์โนวาไม่ระเบิดแน่นอนว่าเราจะไม่เห็นมันแน่นอน ดังนั้นเราต้องออนไลน์ให้นานที่สุด ความน่าจะเป็นของการสังเกตเหตุการณ์เช่นเหตุการณ์ซูเปอร์โนวานั้นคาดว่าน่าจะอยู่ในภูมิภาคที่ความไวของเราในปัจจุบันเราคิดว่าเราจะเห็นเหตุการณ์ทุกๆ 10-20 ปี มีช่วงกว้าง ในวรรณคดีมีหลายคนที่อ้างว่าเราจะเห็นหลายครั้งต่อปีและจากนั้นก็มีหลายคนที่อ้างว่าเราจะไม่เห็นความไวของเราเลย และพื้นที่ตรงกลางของหัวอนุรักษ์คือทุกๆ 10 ปี ในทางกลับกันเรากำลังอัปเกรดเครื่องตรวจจับของเราทันทีที่การทำงานสิ้นสุดลง และเรากำลังปรับปรุงความไวโดยปัจจัย 2 ซึ่งจะเพิ่มอัตราการตรวจจับของเราโดยปัจจัย 2 ลูกบาศก์ เนื่องจากความไวคือรัศมีและเรากำลังตรวจสอบปริมาณในอวกาศ ด้วยอัตราการตรวจจับที่ 8-10 เราควรเห็นเหตุการณ์หนึ่งครั้งทุกปีหรือมากกว่านั้น หลังจากนั้นเราจะอัปเกรดเป็นสิ่งที่เรียกว่า Advanced LIGO ซึ่งเป็นปัจจัยหนึ่งของการปรับปรุงความไว 10 ระดับ ในกรณีนี้เราจะเห็นคลื่นแรงโน้มถ่วงเกือบทุกวันแน่นอน ทุก 2-3 วัน เครื่องดนตรีนั้นถูกออกแบบมาให้เป็นเครื่องมือจริงมาก เราต้องการทำดาราศาสตร์แรงโน้มถ่วง จะได้เห็นเหตุการณ์ทุกสองสามวัน มันจะเป็นเหมือนการเปิดตัวดาวเทียม Swift ทันทีที่สวิฟท์ขึ้นเราก็เริ่มเห็นรังสีแกมม่าระเบิดตลอดเวลาและ Advanced LIGO จะคล้ายกัน