วันที่ 16 ตุลาคม 2017 ทีมนักดาราศาสตร์จากหลายแห่งได้รวมตัวการประกาศการค้นพบการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนที่อยู่ห่างออกไป 130 ล้านปีแสง ตรวจพบโดยเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วง LIGO และ Virgo พร้อมกันกับที่ตรวจพบการระเบิดของรังสีแกมมา (Gamma Ray Burst: GRB) และสามารถศึกษา afterglow ในช่วงคลื่นแสง ยูวี อินฟราเรด รังสีเอ็กซ์ และคลื่นวิทยุ ซึ่งนับเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ ที่เราสามารถ ‘ได้ยิน’ คลื่นความโน้มถ่วง และ ‘ได้เห็น’ ปรากฏการณ์นี้ในคลื่นแสงไปพร้อมๆ กัน
เวลา 8:41am วันที่ 17 สิงหาคม 2017 Eastern Daylight Time เครื่องตรวจวัดแรงโน้มถ่วง LIGO ทั้งที่ Hanford, Washington และ Livingston, Louisiana ได้มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงในเวลาไล่เลี่ยกัน สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่มีชื่อว่า GW170817 ที่ตรวจพบได้นี้ มีรูปแบบที่เหมือนกันแม้ว่าเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสองจะอยู่ห่างกันถึงกว่า 3,000 กิโลเมตร บอกเราว่าสัญญาณที่ตรวจพบนี้ต้องมาจากนอกโลก และไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ นอกไปจากนี้ ข้อมูลที่ได้จากเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงเครื่องที่สาม Virgo ใกล้เมือง Pisa ในประเทศอิตาลี ก็ได้ยืนยันการค้นพบคลื่นแรงโน้มถ่วง และช่วยจำกัดทิศทางของแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง
ต่อมาเพียงสองวินาที กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Fermi ที่ทำการสังเกตในช่วงคลื่นแกมมาอยู่ ได้ตรวจพบสัญญาณการระเบิดในช่วงรังสีแกมมา (GRB) ซึ่งสอดคล้องกับตำแหน่งบนท้องฟ้าที่ LIGO และ Virgo ได้ทำนายเอาไว้
กล้องโทรทรรศน์ต่างๆ ทั่วโลกและนอกโลก ที่ช่วยกันสังเกตการณ์ปรากฏการณ์ GW170817 (ภาพโดยทีมงาน LIGO)
ภายหลังจากการค้นพบที่สอดคล้องกันทั้งสองนี้ ทำให้มีความต้องการที่จะติดตามสังเกตการณ์แสงในช่วงคลื่นอื่นที่อาจจะปล่อยออกมา (afterglow) จึงได้มีการระดมนักดาราศาสตร์จากหลายประเทศและทำให้เกิดการพยายามหันกล้องโทรทรรศน์ในหลายช่วงคลื่น ตั้งแต่รังสีเอ็กซ์ ยูวี คลื่นแสง อินฟราเรด ไปจนถึงช่วงคลื่นวิทยุ รวมกันนับเป็นกล้องโทรทรรศน์กว่า 70 กล้องทั้งบนภาคพื้นดินและในอวกาศที่ร่วมกันทำการสังเกตแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงวัตถุแรกที่เราสามารถสังเกตเห็นได้ นี่นับเป็นการเปิดศักราชใหม่ไปสู่ยุคของ ‘multi-messenger astronomy’ ยุคทองของดาราศาสตร์ที่นับเป็นครั้งแรกที่เราสามารถสังเกตปรากฏการณ์บนท้องฟ้าได้ทั้งจากทางคลื่นความโน้มถ่วง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปพร้อมๆ กัน
A long time ago in a galaxy far, far away…
เรื่องราวทั้งหมดนี้เริ่มขึ้นจากระบบดาวคู่ระบบหนึ่ง ในกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลออกไป 130 ล้านปีแสง ณ เวลาหนึ่งอันแสนไกลในอดีต ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งจากสองดวงนี้ได้หมดเชื้อเพลิง และเกิดการยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอน เราเชื่อว่าในบั้นปลายของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากระดับหนึ่ง แรงโน้มถ่วงอันมหาศาลจะบีบอัดให้มวลสารในแกนกลางของดาวฤกษ์รวมตัวกัน จนแม้กระทั่งอิเล็กตรอนก็ถูกบีบอัดให้ไปรวมตัวกันกับโปรตรอนภายในนิวเคลียส ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือดาวที่เกือบทั้งดาวเต็มไปด้วยนิวตรอน คล้ายกับนิวเคลียสของอะตอมขนาดมหึมาที่มีมวลเท่ากับดาวฤกษ์ทั้งดวงแต่มีขนาดเพียงแค่ไม่กี่สิบกิโลเมตร ทำให้ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นมากที่สุดที่เราสามารถสังเกตเห็นได้ หากเรานำสสารของดาวนิวตรอนมาเพียงหนึ่งช้อนชา เราจะพบว่าสสารนั้นจะมีน้ำหนักได้มากพอๆ กับเขาเอเวอร์เรสต์ทั้งลูก
ต่อมา ดาวคู่ในระบบนั้นอีกดวง ก็เกิดการยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอนไปเช่นเดียวกัน จนในระบบดาวคู่นี้กลายเป็นเพียงดาวนิวตรอนสองดวงที่โคจรรอบกัน อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์กล่าวเอาไว้ว่า วัตถุมีมวลที่โคจรรอบกันจะมีการปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง ทำให้ดาวนิวตรอนสองดวงนี้โคจรเข้ามาใกล้กันมากยิ่งขึ้น และยิ่งใกล้กันเท่าไหร่ การปลดปล่อยพลังงานก็ออกมามากยิ่งขึ้นเท่านั้น ทำให้ดาวนิวตรอนทั้งสองเข้ามาใกล้กันเร็วขึ้นไปอีก จนในที่สุดในช่วงสุดท้าย ดาวนิวตรอนทั้งสองนี้ก็โคจรเข้าหากันอย่างรวดเร็ว ปลดปล่อยพลังงานออกมามากกว่าพลังงานจากกาแล็กซีทั้งหมดภายในชั่วเวลาเพียงไม่ถึงหนึ่งนาที ในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง
(วิดีโอจำลองการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนสองดวง ปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง ก่อนที่จะเกิดการรวมตัวกัน ปล่อยสสารออกมาเป็นเจ็ต (jet) ด้วยความเร็วใกล้แสง ผลิตออกมาเป็นรังสีแกมมา (ชมพู) สสารที่ถูกปลดปล่อยออกมาชนกับสสารเดิมเปล่งออกมาเป็นรังสียูวีที่จางลงอย่างรวดเร็ว (ม่วง) กลุ่มก้อนมวลที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากพื้นผิวของดาวนิวตรอนเสี้ยววินาทีก่อนการชนกันเปล่งออกมาเป็นช่วงคลื่นที่ตามองเห็น และรังสีอินฟราเรด (น้ำเงิน-ขาว-แดง) แสงยูวี คลื่นแสง และอินฟราเรด นี้ถูกเรียกรวมกันว่ากิโลโนวา ต่อมาเมื่อส่วนของเจ็ตที่พุ่งมาหาเราได้ขยายตัวแล้ว จึงได้มีการสังเกตเห็นในช่วงรังสีเอ็กซ์ (ฟ้า) วีดีโอนี้เป็นการจำลองปรากฏการณ์ตั้งแต่การรวมตัวกันของดาวนิวตรอน ไปจนถึงเวลา 9 วันให้หลัง, วิดีโอจาก NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab)
เช่นเดียวกับที่การโยนก้อนหินลงไปในผิวน้ำจะทำให้เกิดคลื่นการรบกวนผิวน้ำแผ่ออกเป็นวงกว้าง การรวมตัวของวัตถุหนาแน่นเช่นดาวนิวตรอนนี้ ทำให้เกิดการรบกวนของสนามแรงโน้มถ่วงแผ่ออกไปในอวกาศเป็นวงกว้าง คลื่นความโน้มถ่วงนี้เดินทางผ่านห้วงอวกาศมา ตั้งแต่ยุคที่โลกยังเต็มไปด้วยไดโนเสาร์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบนโลกยังคงเป็นเพียงหนูตัวเล็กๆ จนมาถึงถึงโลก 130 ล้านปีให้หลังในวันที่ 17 สิงหาคม 2017 ยุคซึ่งมนุษย์ได้พัฒนาเทคโนโลยีไปจนสามารถสร้างเครื่องตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้ คลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวของนิวตรอนทั้งสองก็ได้ทำให้กาลอวกาศภายในระยะทาง 4 กม. ของเครื่องตรวจวัดเกิดการบิดเบือนไป สัญญาณที่ได้จากการบิดเบือนของระยะทางสั้นกว่าความหนาของเส้นผมมนุษย์นี้ มีลักษณะสอดคล้องกับการรวมตัวกันของวัตถุสองวัตถุที่มีมวลสอดคล้องกับดาวนิวตรอนสองดวง ทำให้เราค้นพบการรวมตัวของดาวนิวตรอนได้โดยคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรก
หลังจากที่ชนกันแล้วนั้น ดาวนิวตรอนทั้งสองได้รวมตัวกันเป็นวัตถุหนาแน่นหนึ่งวัตถุ และปลดปล่อยมวลสารส่วนหนึ่งออกไปด้วยความเร็วเข้าใกล้แสงในรูปของเจ็ต (jet) สสารความเร็วสูงเหล่านี้จะแผ่รังสีแกมมาออกมาในรูปของการระเบิดของรังสีแกมมา (GRB) รังสีแกมม่าก็ใช้เวลากว่า 130 ล้านปีเช่นกันก่อนที่จะเดินทางมาถึงยังโลกของเรา การที่เราค้นพบรังสีแกมมาหลังจากการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเพียง 2 วินาทีนี่เอง ที่ช่วยยืนยันคำทำนายอีกอย่างหนึ่งของไอน์สไตน์ นั่นคือ คลื่นความโน้มถ่วงนั้นเคลื่อนที่ผ่านอวกาศด้วยความเร็วเดียวกันกับความเร็วแสง
หลังจากที่ดาวนิวตรอนรวมตัวกันแล้ว สสารผิวนอกเป็นจำนวนมากได้ถูกเหวี่ยงออกไป เป็นปรากฏการณ์ที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า ‘kilonova’ (กิโลโนวา) ระหว่างปรากฏการณ์กิโลโนวานี้เอง ที่นักดาราศาสตร์เชื่อว่าเป็นแหล่งกำเนิดของธาตุโลหะหายากส่วนมากที่พบได้ในเอกภพ แม้กระทั่งทองคำที่เราสวมใส่กันอยู่ทุกวันนี้ เราก็เชื่อกันว่ากว่าครึ่งหนึ่งนั้นอาจจะถูกผลิตขึ้นมาจากการรวมตัวกันของดาวนิวตรอน ทฤษฎีซึ่งได้รับการยืนยันจากการติดตามสเปกตรัมแสงของกิโลโนวาที่เกิดจากดาวนิวตรอนทั้งสองนี้ ส่วนของกิโลโนวานี้เองที่เป็นที่มาของแสงในช่วงของ afterglow ที่สามารถสังเกตได้ในช่วงรังสียูวี คลื่นที่ตามองเห็น อินฟราเรด และต่อมา เมื่อส่วนของเจ็ตที่พุ่งมายังทิศทางของโลกได้ขยายตัวออก จึงได้มีการสังเกตเห็นแสงในช่วงของรังสีเอ็กซ์
กิโลโนวา (ภายในสี่เหลี่ยม) ที่สังเกตโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลในช่วงคลื่นแสง กับกาแล็กซี NGC 4993 เป็นระยะเวลาหกวัน (ภาพโดย NASA และ ESA)
ทำไมการค้นพบนี้จึงเป็นการค้นพบที่สำคัญ?
มีหลายเหตุผลที่ทำให้การค้นพบนี้นับเป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในยุคปัจจุบัน ในเชิงประวัติศาสตร์นั้นแน่นอนว่าการค้นพบนี้นับเป็น ‘ครั้งแรก’ ของอะไรหลายๆ อย่าง นี่นับเป็นครั้งแรกของการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจากวัตถุอื่นนอกไปจากการรวมตัวของหลุมดำ การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนเป็นครั้งแรก ครั้งแรกของการที่เราสามารถสังเกตแหล่งที่มาของคลื่นความโน้มถ่วงได้ในช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เปรียบเทียบได้กับการที่เราสามารถ ‘ได้ยิน’ เสียงและสามารถเหลียวกลับไป ‘เห็น’ ได้ทันเป็นครั้งแรก) การเปิดช่องทางใหม่ในการศึกษาทางดาราศาสตร์ ‘multi-messenger astronomy’
(วิดีโอจำลองการกระจายตัวของมวล (ซ้าย) และคลื่นความโน้มถ่วง (ขวา) ระหว่างที่ดาวนิวตรอนสองดวงรวมตัวกัน, วีดีโอโดย Christopher W. Evans/Georgia Tech)
นอกไปจากนี้ การค้นพบนี้ยังนับเป็นการ ‘ยืนยัน’ ทฤษฎีทางดาราศาสตร์ต่างๆ มากมายที่เป็นทฤษฎีซึ่งได้รับการยอมรับกันในปัจจุบัน แต่เพิ่งจะได้มีการยืนยันด้วยการสังเกตการณ์ที่สามารถตรวจวัดได้
ทฤษฎีหนึ่งที่สำคัญที่สุด ก็คือทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ นี่นับเป็นครั้งที่ห้าที่เราได้ยืนยันการมีอยู่ของคลื่นความโน้มถ่วง ว่าการชนกันของวัตถุมวลมากสองมวลที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านปีแสงนั้นสามารถทำให้กาลอวกาศรอบๆ ตัวเรานี้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สามารถตรวจวัดได้ แต่การที่เราสามารถสังเกตเห็นรังสีแกมมาเป็นเวลาห่างจากคลื่นความโน้มถ่วงเพียง 2 วินาทียังช่วยยืนยันคำทำนายของไอน์สไตน์เมื่อร้อยกว่าปีก่อน ว่าคลื่นความโน้มถ่วงนั้นเดินทางด้วยความเร็วแสง
การระเบิดของรังสีแกมมา (GRB) นั้นเป็นปริศนาให้กับนักดาราศาสตร์มาตลอดตั้งแต่ในยุค 1960 เมื่อดาวเทียมทางการทหารของสหรัฐซึ่งออกแบบมาเพื่อตรวจพบการทดลองระเบิดนิวเคลียร์ของโซเวียตกลับตรวจพบแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาบนท้องฟ้า และมาจากทุกทิศทาง แม้ว่าต่อมาเราจะค้นพบการระเบิดของรังสีแกมมาขึ้น แต่ต้นกำเนิดของรังสีแกมมาก็ยังคงเป็นปริศนาอย่างหนึ่งที่นักดาราศาสตร์พยายามหาคำตอบ อย่างน้อยการค้นพบนี้ก็ช่วยยืนยันได้ว่า ส่วนหนึ่งของรังสีแกมมานั้นเกิดขึ้นจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนจริง
ปริมาณโลหะหายากเช่นทองคำนั้นเป็นปริศนาที่น่าสนใจอย่างหนึ่งสำหรับนักดาราศาสตร์ เราเชื่อว่าธาตุในตารางธาตุนอกไปจากไฮโดรเจนกับฮีเลียมเกือบทั้งหมดนั้น ถือกำเนิดขึ้นภายในแกนกลางของดาวฤกษ์สักดวงเมื่อนานมาแล้ว (รวมไปถึงธาตุในทุกโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นร่างกายของเรา ก็เคยเป็นส่วนหนึ่งของดาวฤกษ์มาก่อน) และเราเชื่อว่าธาตุที่หนักกว่าเหล็กนั้นจะถือกำเนิดขึ้นได้ภายในการระเบิดซูเปอร์โนวาเพียงเท่านั้น ถึงแม้ว่าซูเปอร์โนวานั้นจะเกิดขึ้นค่อนข้างบ่อย อย่างไรก็ตาม ปริมาณทองคำที่เราสามารถพบได้บนโลกและในระบบสุริยะนั้นมีมากเกินกว่าที่ซูเปอร์โนวาจะสามารถผลิตได้เพียงพอ จึงมีการคาดการณ์กันว่าทองคำกว่าอีกครึ่งหนึ่งนั้นอาจจะถูกผลิตขึ้นจากการชนกันของดาวนิวตรอน ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตเห็นสเปกตรัมของโลหะหนักจากแสงของ GW170817
นอกไปจากนี้ จากระยะทางที่สามารถคำนวณได้จากคลื่นความโน้มถ่วง กับความเร็วที่ได้จากการสังเกตการณ์ด้วยสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถทำการคำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพ ที่รู้จักกันในชื่อ ‘ค่าคงที่ของฮับเบิล’ (Hubble’s constant) ซึ่งสอดคล้องกับค่าที่ได้จากการสังเกตการณ์อื่นที่ไม่เกี่ยวข้องกัน
อย่างไรก็ตาม วิทยาศาสตร์นั้นไม่ได้ถูกผลักดันไปข้างหน้าเพียงด้วยการยืนยันในทฤษฎีเดิมที่เรามี แต่ส่วนที่สำคัญยิ่งกว่าของวิทยาศาสตร์นั้น ก็คือการที่เราพร้อมที่จะพบการสังเกตการณ์ใหม่ที่ขัดแย้งกับความเข้าใจเดิม และสร้างปริศนาใหม่ที่รอการแก้ไขในอนาคต เช่นเดียวกับนิยายดีๆ เล่มหนึ่ง ซึ่งนอกจากช่วยตอบปัญหาและยืนยันความเข้าใจเดิมหลายประการแล้ว การค้นพบนี้ก็ยังคงทิ้งเราเอาไว้กับปริศนาอีกมากที่ยังคงรอคอยคำตอบ เช่น เพราะเหตุใดแสง afterglow จากการรวมตัวของดาวนิวตรอนที่ห่างออกไปเพียงแค่ 130 ล้านปีจึงมีความสว่างที่น้อยกว่าที่คาดการณ์ไว้ เป็นไปได้หรือไม่ว่าแสงที่ปล่อยออกมาจาก GW170817 นั้นไม่ได้มีทิศทางที่หันมาทางโลกของเราโดยตรง? การกระจายตัวของความเข้มแสงในการระเบิดของรังสีแกมมา (GRB) นั้นมีลักษณะอย่างไร? ต้นกำเนิดของการระเบิดของรังสีแกมมา (GRB) นอกจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนแล้วนั้นมีอะไรอีกบ้าง? เกิดอะไรขึ้นกับดาวนิวตรอนทั้งสองหลังจากที่เกิดการรวมตัวกัน? จากการประเมินมวลแล้วนั้น การคาดการณ์คร่าวๆ พบว่าวัตถุสุดท้ายอาจจะเป็นหลุมดำที่มีมวลที่น้อยที่สุด หรือไม่ก็อาจจะเป็นดาวนิวตรอนที่มีมวลมากที่สุดที่มีการค้นพบก็เป็นได้ แล้วปรากฏการณ์ดาวนิวตรอนรวมตัวกันนี้นั้นเกิดขึ้นบ่อยแค่ไหน?
พร้อมทั้งอีกคำถามมากมายที่เราหวังว่าการสังเกตในอนาคตจะช่วยให้เราช่วยไขปริศนาที่ยังหลงเหลือของจักรวาลนี้ได้อีกในภายภาคหน้า
อ้างอิงข้อมูลจาก
www.ligo.caltech.edu/page/press-release-gw170817
www.nasa.gov/press-release/nasa-missions-catch-first-light-from-a-gravitational-wave-event
www.nature.com/nature/journal/vaap/ncurrent/full/nature24471.html?foxtrotcallback=true
www.nytimes.com/2017/10/16/science/ligo-neutron-stars-collision.html
Cover photo from NASA’s Goddard Space Flight Center/CI Lab
