เมื่อต้นเดือนกรกฎาคมที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยยุโรปยินดีปรีดากับการทดสอบเทคโนโลยีที่ใช้ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งประสบความสำเร็จไปได้ด้วยดีในภารกิจที่มีชื่อว่า ลิซ่า พาธไฟน์เดอร์ (LISA Pathfinder โดยคำว่า LISA ย่อมาจาก Laser Interferometer Space Antenna)

     ภารกิจนี้เป็นภารกิจนำร่องเพื่อ ‘ทดสอบ’ ความเป็นไปได้ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ โดยยานลิซ่า พาธไฟน์เดอร์ ถูกส่งไปนอกโลกในเดือนตุลาคม ปี 2015

     ตลอดเวลาที่ผ่านมา การทดสอบเป็นไปได้สวยจนองค์การอวกาศยุโรป (ESA) หวังจะเดินหน้าให้ภารกิจยานอากาศตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นอย่างเต็มรูปแบบ และพร้อมส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2034 (อีก 17 ปีข้างหน้า)

     หลักการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของยานอวกาศลำนี้คล้ายกับห้องทดลอง LIGO ของสหรัฐอเมริกา ที่ประสบความสำเร็จในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงบนโลกเรามาแล้ว

     LIGO เป็นห้องทดลองรูปตัว L ที่แต่ละด้านมีความยาวมากถึง 4 กิโลเมตร หลักการทำงานคือบริเวณมุมของตัว L มีเครื่องปล่อยแสงเลเซอร์พลังงานสูงที่ยิงไปยังกระจกแบบพิเศษซึ่งสะท้อนเลเซอร์บางส่วนไปยังปลายด้านหนึ่งของตัว L และปล่อยเลเซอร์ให้ทะลุผ่านบางส่วนไปยังปลายอีกด้าน โดยที่ปลายทั้งสองด้านจะมีกระจกเงาซึ่งทำหน้าที่สะท้อนแสงเลเซอร์กลับมาทางเดิม จากนั้นนักฟิสิกส์จะตรวจจับเลเซอร์สองลำที่สะท้อนกลับมารวมกัน หากคลื่นความโน้มถ่วงเคลื่อนที่ผ่านอุปกรณ์ดังกล่าว จะทำให้แขนรูปตัว L แต่ละด้านมีความยาวเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย และส่งผลต่อรูปแบบการรวมกันของแสงเลเซอร์จนนักฟิสิกส์สามารถตรวจจับได้

     ผลลัพธ์ที่ผ่านมา LIGO สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำชนกันได้ถึง 2 เหตุการณ์

     ส่วนยานอวกาศตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่จะถูกส่งขึ้นสู่อวกาศในอนาคต หลักการทำงานของมันจะประกอบด้วยกล่อง 3 กล่อง ซึ่งจะอยู่ห่างกันในระดับล้านกิโลเมตร!

     ภายในของแต่ละกล่องจะมีก้อนโลหะ (ทองคำผสมแพลตินัม) อยู่ 1 ก้อน ซึ่งก้อนโลหะจะลอยอยู่ตรงกลางกล่องพอดี โดยไม่สัมผัสกับกล่องเลย

     เนื่องจากก้อนโลหะเหล่านี้ลอยอยู่กลางอวกาศ ซึ่งมีสภาพเป็นสุญญากาศ ดังนั้นจะไม่มีสิ่งใดในเอกภพสามารถส่งแรงไปรบกวนตำแหน่งของพวกมันได้เลยนอกจากแรงโน้มถ่วงซึ่งมาจากคลื่นความโน้มถ่วง

     คลื่นความโน้มถ่วงจะทำให้ระยะห่างระหว่างก้อนโลหะเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อยมากๆ ซึ่งจะส่งผลให้แสงเลเซอร์ที่สะท้อนระหว่างก้อนโลหะมีความเปลี่ยนแปลงจนเครื่องสามารถตรวจจับได้

     ความเจ๋งของชุดทดลองนี้คือ มันสามารถตรวจจับระยะห่างระหว่างกันที่เปลี่ยนแปลงได้ในระดับ 1 พิโคเมตร ซึ่งเล็กเพียง 1 ในพันล้านส่วนของมิลลิเมตร และเนื่องจากกล่องทั้งสามอยู่ห่างกันนับล้านกิโลเมตร ทำให้มันสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่ช่วงความยาวคลื่นยาวกว่าที่ LIGO ตรวจจับได้ ซึ่งแหล่งกำเนิดของมันอาจมาจากหลุมดำที่มีมวลมหาศาลชนกัน

     ความท้าทายคือการทำให้มวลแต่ละก้อนแยกขาดจากสิ่งต่างๆ ได้อย่างสมบูรณ์ และรักษาระยะได้อย่างเที่ยงตรง

     ทำให้ภารกิจนำร่อง ลิซ่า พาธไฟน์เดอร์ เกิดขึ้นภายใต้งบประมาณสูงถึง 447 ล้านเหรียญสหรัฐ

     มวลโลหะในภารกิจนำร่องนี้มีเพียง 2 ก้อน และอยู่ห่างกัน 38 เซนติเมตร ทั้งระบบถูกรักษาระยะด้วยไอพ่นความละเอียดสูงที่สามารถปรับให้มวลอยู่กลางกล่องและรักษาระยะได้อย่างแม่นยำ (ไอพ่นดังกล่าวสร้างแรงขับที่แผ่วเบาจนต้องใช้ไอพ่นนับพันตัวในการยกกระดาษสักแผ่นให้ลอยขึ้นจากพื้น!)

     ผลการทดลองที่เพิ่งประกาศออกมาคือ ชุดทดลองนำร่องนี้สามารถตรวจจับระยะได้อย่างแม่นยำและละเอียดกว่า 100 เท่าของพิโคเมตร! ซึ่งละเอียดกว่าที่ต้องการในตอนแรกเสียอีก

     ยานลิซ่า พาธไฟน์เดอร์ เลิกเก็บข้อมูลมาตั้งแต่ต้นเดือนกรกฎาคมแล้ว และเพิ่งจบภารกิจนำร่องนี้ในวันที่ 18 กรกฎาคมที่ผ่านมา

     ความสำเร็จนี้ถือเป็นก้าวสำคัญของโครงการยานอวกาศตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม โครงการดังกล่าวจะเกิดขึ้นตามมาเป็นอันดับ 3 ขององค์การอวกาศยุโรป ต่อจากโครงการสำรวจดวงจันทร์บริวารของดาวพฤหัสบดีในปี 2022 และกล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์ในปี 2028

อ้างอิง:

• www.nature.com/articles/n-12484086
• www.nature.com/news/freefall-space-cubes-are-test-for-gravitational-wave-spotter-1.18806