ห้วงจักรวาลสั่นไหวเป็นระลอกด้วย “คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง”

นักดาราศาสตร์ค้นพบหลักฐานโดยตรงชิ้นแรกที่ชี้ว่า การชนปะทะและรวมตัวกันของคู่หลุมดำมวลยิ่งยวดในยุคบรรพกาล เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นได้จริง ทั้งยังส่งผลให้ห้วงจักรวาลทั้งหมดสั่นไหวเป็นระลอกไปทั่วด้วย “คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง” (gravitational wave background)

การยืดหดตัวของปริภูมิ-เวลา (space-time) ดังกล่าว ซึ่งคล้ายกับระลอกคลื่นที่แผ่ออกไปเป็นวงกว้างหลังมีคนโยนก้อนหินลงน้ำ มักเกิดขึ้นจากเหตุการณ์ที่ทรงพลังรุนแรงในห้วงจักรวาล อย่างเช่นการชนและรวมตัวกันของหลุมดำยักษ์ใจกลางดาราจักร ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายพันล้านเท่า โดยจะหลงเหลือร่องรอยเป็นคลื่นกระแทกความถี่ต่ำให้เรายังคงตรวจจับได้ในทุกหนแห่งจนถึงทุกวันนี้

โครงการความร่วมมือทางดาราศาสตร์วิทยุนานาชาติ “แนวร่วมจับเวลาพัลซาร์” (PTA) ซึ่งประกอบด้วยทีมนักวิจัยที่เฝ้าสังเกตการณ์ห้วงอวกาศจากภูมิภาคยุโรป (EPTA), อเมริกาเหนือ (NANOGrav), จีน (CPTA), อินเดีย (InPTA), และออสเตรเลีย (PPTA) ได้ตีพิมพ์รายงานการค้นพบ 5 ฉบับ ลงในวารสาร Astronomy and Astrophysics หลังติดตามรวบรวมข้อมูลข้างต้นมาเป็นเวลานานถึง 15 ปี

ผลการศึกษาทั้ง 5 ชิ้น ระบุตรงกันว่า หลังได้ติดตามจับเวลาคาบการหมุนของพัลซาร์ (pulsar) ซากดาวฤกษ์สิ้นอายุขัยที่หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วและเที่ยงตรงหลายร้อยครั้งต่อวินาที พร้อมทั้งส่งสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างเช่นคลื่นวิทยุออกมาอย่างสม่ำเสมอด้วยนั้น ทำให้พบว่ามีความบิดเบี้ยวไม่ราบเรียบอยู่ในพื้นหลังของห้วงอวกาศ โดยค่าความไม่สม่ำเสมอนั้นเล็กน้อยมาก ราว 1 ส่วนในพันล้านล้านส่วนเท่านั้น

นักดาราศาสตร์ทราบได้ว่ามีความผิดปกติดังกล่าว เนื่องจากค่าการวัดระยะทางระหว่างโลกกับพัลซาร์นับร้อยแห่ง จะเปลี่ยนแปลงกลับไปกลับมาเล็กน้อย เมื่อระลอกคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำบรรพกาลแทรกตัวเข้ามาในแนวการส่งสัญญาณของพัลซาร์มายังโลก ทำให้ปริภูมิ-เวลาที่เป็นพื้นหลังของห้วงอวกาศยืดขยายและหดตัวอยู่เสมอ จนสัญญาณที่ส่งมาจากพัลซาร์เดินทางถึงโลกได้เร็วช้าไม่เท่ากัน

ดร. เดวิด แชมเปียน สมาชิกทีมวิจัยของ EPTA อธิบายว่า “พัลซาร์นั้นเป็นนาฬิกาธรรมชาติชั้นเยี่ยม เราใช้การส่งสัญญาณที่สม่ำเสมอตามคาบการหมุนของมัน วัดความเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กในพื้นหลังของห้วงอวกาศได้ แต่ต้องใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ที่สุดของโลกหลายแห่งช่วยกันสังเกตการณ์อย่างต่อเนื่อง โดยคิดเป็นเวลานานถึงกว่าหลายพันชั่วโมงต่อปี”

คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังของจักรวาลนี้ มีความแตกต่างจากคลื่นความโน้มถ่วงอื่น ๆ ที่เริ่มมีการค้นพบบ่อยครั้งขึ้น นับตั้งแต่การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกโดยอุปกรณ์ LIGO เมื่อปี 2015 เป็นต้นมา

คลื่นความโน้มถ่วงที่มนุษย์เคยค้นพบมาก่อนนั้น มักเป็นกระแสคลื่นเดี่ยวที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวของหลุมดำขนาดเล็กแบบหลุมดำดาวฤกษ์หรือดาวนิวตรอน แต่คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังที่แผ่ครอบคลุมทั่วห้วงจักรวาลอยู่ตลอดนั้น แสดงว่าเกิดการชนปะทะของหลุมดำยักษ์มวลมหาศาลในอดีต ซึ่งหลุมดำมวลยิ่งยวดเหล่านี้มักเป็นศูนย์กลางของดาราจักรขนาดใหญ่ที่รวมตัวเข้าด้วยกันเป็นอภิมหาดาราจักรแห่งใหม่

ดร. รีเบกกา บาวเลอร์ จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ของสหราชอาณาจักร บอกกับบีบีซีว่า “ที่ผ่านมาเราไม่รู้เลยว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดชนิดอภิมหายักษ์ใหญ่เกิดขึ้นมาได้อย่างไร เราได้แต่สันนิษฐานว่า มีการรวมตัวกันระหว่างหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่าและมวลน้อยกว่า จนมาถึงครั้งนี้ที่เราได้มีโอกาสสังเกตการณ์กำเนิดของหลุมดำยักษ์โดยตรง”

ผศ.ดร. ลูค เคลลี สมาชิกทีมวิจัยของ NANOGrav จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตเบิร์กลีย์ กล่าวในแถลงการณ์ของทีมนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันว่า “ในที่สุดเราก็พบหลักฐานที่หนักแน่นชัดเจน ซึ่งยืนยันว่าคู่หลุมดำมวลยิ่งยวดที่โคจรวนรอบกันและกัน และเริ่มเขยิบเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อย ๆ ก่อนจะชนและรวมตัวเป็นหลุมดำใจกลางดาราจักรแห่งใหม่นั้น มีอยู่จริงในยุคบรรพกาล”

ศ. ไมเคิล คราเมอร์ สมาชิกทีมวิจัยของ EPTA จากสถาบันมักซ์พลังก์เพื่อการศึกษาดาราศาสตร์วิทยุในเยอรมนี กล่าวเสริมทิ้งท้ายว่าการค้นพบครั้งนี้คือ “เส้นทางใหม่ในการศึกษาห้วงจักรวาล”

“การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังของจักรวาล อาจช่วยให้เราพิสูจน์ได้ในระดับลึกว่า ทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์นั้นถูกต้องหรือไม่ ทั้งยังอาจจะบอกได้ว่าสสารมืดและพลังงานมืด ซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของเอกภพนั้นที่แท้คืออะไร มันอาจเป็นหน้าต่างที่เปิดออก เพื่อให้เราค้นพบทฤษฎีใหม่ของฟิสิกส์ก็เป็นได้” ศ. คราเมอร์ กล่าว