เมื่อเริ่มกำเนิดเอกภพในเหตุการณ์ ‘บิ๊กแบง’ จักรวาลเริ่มมีแรงพื้นฐานทั้งสี่ จากนั้นอนุภาคมูลฐานต่างๆ ก็เริ่มก่อกำเนิดขึ้น แต่ทั้งหมดยังเต็มไปด้วยความมืดมิดจวบจนอนุภาคโฟตอนแรก หรือ ‘แสง’ กำเนิดตามมา
นั่นคือเหตุการณ์เมื่อ 13,800 ล้านปีก่อน นักฟิสิกส์ต่างพยายามศึกษาจักรวาลในช่วงเวลาของการก่อกำเนิดดังกล่าว แต่ก็ยังไม่มีเครื่องมือที่เหมาะสม
ล่าสุด ดีเพน การ์ก นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา และ ดร.อิลยา โดดิน อาจารย์ที่ปรึกษา จากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันในสหรัฐอเมริกา พบวิธีใหม่ที่จะใช้ ‘คลื่นความโน้มถ่วง’ มาเป็นเครื่องมือในการไขปริศนาช่วงเวลาที่จักรวาลยังเต็มไปด้วยความมืดมิด ก่อนที่แสงแรกจะก่อกำเนิดขึ้น
น้ำในตู้ปลาที่ดูใสและนิ่ง เมื่อมีปลาแหวกว่ายอยู่ข้างในจะเกิดคลื่นใต้น้ำกระเพื่อมไปทั่ว เปรียบได้กับ ‘คลื่นความโน้มถ่วง’ ซึ่งก็คือการกระเพื่อมของปริภูมิ-เวลาในอวกาศ 4 มิติ ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุมวลมากในอวกาศ ยกตัวอย่างเช่น หลุมดำ ดาวนิวตรอน หรือดาวฤกษ์มวลมากต่างๆ
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำนายถึงการมีอยู่จริงของคลื่นความโน้มถ่วงไว้ตั้งแต่ปี 1916 ตามผลสืบเนื่องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ยังไม่มีการตรวจพบคลื่นนี้จนกระทั่งเดือนสิงหาคม ปี 2005 หลังมีการสร้างเครื่องมือตรวจวัดที่ชื่อว่า ‘ไลโก’ (LIGO) ขึ้นมาในรัฐวอชิงตันและลุยเซียนาของสหรัฐฯ
คลื่นความโน้มถ่วงนั้นสามารถเคลื่อนผ่านม่านฝุ่นหรือกำแพงสสารที่หนาแน่นด้วยความเร็วแสงได้โดยไม่ถูกลดทอน เบี่ยงเบน หรือบิดเบือนไปแม้แต่นิดเดียว ข้อมูลที่แฝงอยู่ในคลื่นความโน้มถ่วงจึงไปถึงผู้รับอย่างครบถ้วน ไม่ว่าเวลาจะผ่านไปนานแค่ไหน
การศึกษายุคก่อกำเนิดของจักรวาลโดยการสังเกตคลื่นความโน้มถ่วง จึงเป็นวิธีเดียวที่ทำให้เข้าถึงข้อมูลดึกดำบรรพ์ได้อย่างที่การศึกษาด้วยวิธีอื่นทำไม่ได้
“แม้เราจะไม่สามารถมองเห็นจักรวาลยุคเริ่มแรกได้โดยตรง แต่เราอาจรู้จักมัน ‘ทางอ้อม’ ผ่านวิธีการวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วงจากยุคโบราณ โดยดูว่าคลื่นนี้ส่งผลกระทบอย่างไรต่อสสารและการแผ่รังสีของทุกสิ่งที่มันเดินทางผ่านไป” ดีเพน การ์ก อธิบาย
คุณสมบัติของคลื่นความโน้มถ่วงคือระลอกของปริภูมิเวลาที่แผ่ออกจากแหล่งกำเนิดไปโดยรอบคล้ายรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ดีเพน การ์ก และ ดร.อิลยา โดดิน จึงใช้วิธีสังเกตในการใช้การเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านพลาสมาอุณหภูมิสูง ซึ่งเป็นของที่มีอยู่ตามปกติในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบฟิวชัน และนำผลการสังเกตนี้มาสร้าง ‘สมการคณิตศาสตร์’ สำหรับใช้เป็นหลักในการคำนวณเทียบเคียงหาการเคลื่อนที่ของคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ
คลื่นความโน้มถ่วงนั้นเมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัตถุต่างๆ จะก่อให้เกิด ‘แสง’ ที่มีลักษณะเฉพาะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของวัตถุนั้นๆ ด้วยหลักการนี้และสมการคณิตศาสตร์ที่ ดีเพน การ์ก และ ดร.อิลยา โดดิน พัฒนาขึ้นมา การเข้าถึงข้อมูลสำคัญของจักรวาลยุคแรกเริ่มจึงเป็นเรื่องที่เป็นไปได้
“ผมคิดว่างานนี้เป็นโครงการเล็กๆ ระยะเวลา 6 เดือนของนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่เกี่ยวข้องกับการแก้ปัญหาง่ายๆ ในตอนที่ ดีเพน การ์ก นำหัวข้อมาเสนอผม” ดร.โดดิน กล่าว
“แต่พอเราทั้งคู่เริ่มขุดลึกลงไปในตัวงานนี้ เราตระหนักว่าที่ผ่านมามีผู้คนเข้าใจงานของเราน้อยมาก และเราน่าจะได้ทำงานกับทฤษฎีพื้นฐานเลย”
ทั้งคู่เชื่อว่าสามารถใช้สมการคณิตศาสตร์ที่สร้างขึ้นนี้ค้นหาข้อมูลสำคัญของจักรวาลยุคแรกเริ่มผ่านคลื่นความโน้มถ่วงได้ในอนาคตอันใกล้
“ตอนนี้เรามีเครื่องมือพร้อมแล้วทั้งวิธีคิดและสูตรคณิตศาสตร์ ส่วนผลลัพธ์จากงานของเราก็คงต้องใช้ความพยายามมากขึ้นอีก” ดีเพน การ์ก ทิ้งท้าย
งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
ภาพ: Andrey VP via ShutterStock
อ้างอิง:
