เจาะลึก'ไลโก'ก้าวมหัศจรรย์มนุษยชาติ กรณีคลื่นความโน้มถ่วง

"ณัฐสินี กิจบุญชู" เจาะลึก "ไลโก" ก้าวมหัศจรรย์มนุษยชาติ กรณีการค้นพบ "คลื่นความโน้มถ่วง"

หากพูดถึงกระแสในโลกวิทยาศาสตร์ที่กำลังมาแรงตอนนี้ แน่นอน! ต้องยกให้การค้นพบ “คลื่นความโน้มถ่วง” (Gravitational wave) ของทีมไลโก ที่ออกมาแถลงการณ์ 11 กุมภาพันธ์ 2559 ด้วยคำอธิบายง่ายๆ ว่า “หลุมดำสองหลุม” มีมวลคิดเป็น 36 และ 29 เท่าของมวลดวงอาทิตย์โคจรเข้าชนกัน และปล่อย “คลื่นความโน้มถ่วง” ที่มีกำลังสูงสุดคิดเป็น 50 เท่าของพลังงานในจักรวาลที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้...คลื่นเดินทางไกลถึง 1,300 ล้านปีแสง ก่อนมาถึงโลกเมื่อ 14 กันยายน 2558

คลื่นนี้เปลี่ยนความยาวแขนของไลโกทั้งที่แฮนฟอร์ดและลิฟวิงสตันคิดเป็นความยาวที่สั้นกว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของโปรตอนเสียอีก แต่ไลโกจริงๆ คืออะไร? และมีการทำงานอย่างไร?

“โครงการไลโก” (LIGO) หรือหอสังเกตการณ์คลื่นโน้มถ่วงแสงเลเซอร์แทรกสอด (LASER Interferometer Gravitational-wave Observatory) ตั้งอยู่ในสหรัฐอเมริกา 2 เครื่อง ที่เมืองแฮนฟอร์ด มลรัฐวอชิงตัน และเมืองลิฟวิงสตัน รัฐหลุยเซียนา คนละฟากฝั่งของสหรัฐอเมริกา หัวใจของหออยู่ที่เครื่อง อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์

หลักการทำงานคร่าวๆ ของไลโก คือ เลเซอร์จากแขนทั้งสองข้างเมื่อเดินทางกลับมาที่ beam splitter แล้วจะมาบรรจบกันที่ photodiode ใน HAM6 และเพราะคลื่นแสงที่เดินทางด้วยระยะทางเท่ากันแต่เฟส (phase) ต่างกัน 180 องศาเมื่อมาเจอกันก็หักล้างกันพอดี

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางมาถึงโลก แขนทั้งสองข้างของไลโกจะถูกบีบเข้าหากันและถูกดึงให้ห่างจากกันสลับไปมาอย่างนี้จนคลื่นความโน้มถ่วงผ่านโลกไป

ระยะทางของแขนทั้งสองข้างที่เปลี่ยนไปทำให้ความต่างเฟสของคลื่นเปลี่ยนไป และไม่เกิดการหักล้างกันอย่างพอดี ทำให้มีแสงลอดสู่ photodiode และเป็นสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่นักวิทยาศาสตร์เห็นเมื่อวันที่ 14 กันยายน 2558 (รูปประกอบ 4, 5, 6)

แต่หอบังคับการแห่งเดียวไม่สามารถใช้ยืนยันการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงได้ ดังนั้นทั้งหอไลโกแฮนฟอร์ด และลิฟวิงสตัน จำเป็นต้องอยู่ในโหมดสังเกตการณ์ทั้งคู่ เพราะหากแรงโน้มถ่วงเดินทางมาถึงโลก เจ้าหน้าที่ต้องดูว่าสัญญาณนั้นโผล่ที่แชนแนลคลื่นความโน้มถ่วงทั้งสองที่หรือไม่ “ถ้าไม่” แสดงว่าสัญญาณนั้นเกิดจากสิ่งรบกวนในบริเวณหอสังเกตการณ์นั้นๆ และไม่ได้มาจากนอกโลก

นอกจากนี้ หอสังเกตการณ์ทั้งสองยังสามารถบ่งบอกถึงต่ำแหน่งที่มาของคลื่นแรงโน้มถ่วงบนท้องฟ้าได้อย่างคร่าวๆ หากนึกไม่ออกให้ลองหลับตาแล้วเงี่ยหูฟังอะไรสัักอย่าง เราสามารถรู้ได้ว่าเสียงมาจากบริเวณไหนแต่ไม่สามารถระบุตำแหน่งได้อย่างชัดเจน การจะบอกตำแหน่งที่ชัดเจนของที่มาคลื่นความโน้มถ่วงได้นั้นจำเป็นต้องใช้เครื่องตรวจจับสามเครื่องขึ้นไป ซึ่งภายในปีนี้เป็นไปได้ว่าเครื่องตรวจจับเวียร์โก้ ที่อิตาลีอาจจะร่วมสังเกตการณ์กับไลโกด้วย นอกจากไลโกและเวียร์โก้แล้วเครื่องตรวจจับอื่นๆ ยังมี GEO 600 (เยอรมนี ไม่ทราบสถานะ) และ KAGRA (ญี่ปุ่น สถานะยังไม่สมบูรณ์) รวมทั้ง LIGO India ที่คาดว่าน่าจะเริ่มการก่อสร้างในเร็วๆ นี้

“วินาทีประวัติศาสตร์”

วินาทีที่ตรวจจับได้จริงๆ ถึงตอนนี้ยังไม่มีใครทราบ เพราะข้อมูลเดินทางผ่าน online analysis pipeline ก่อนจะส่งข้อความหานักวิทยาศาสตร์ผู้เฝ้าติดตามผล 24 ชม. ในวันนั้นระบบเตือนคลื่นแรงโน้มถ่วงภายในห้องควบคุม (control room) ซึ่งยังไม่ถูกติดตั้ง (ยังเป็นช่วงที่เรียกว่า “Engineering Run” คือช่วงทดสอบความพร้อมก่อนปฏิบัติการจริง มีอะไรเล็กๆ น้อยๆ ที่ทำกันไม่เสร็จ เช่น ขั้นตอนดำเนินการ (Protocol) หากเจอคลื่นความโน้มถ่วงก็ยังไม่มี)

คืนนั้นคนที่เห็นสัญญาณคนแรกเป็นนักวิจัยที่ AEI ในเยอรมนี ส่วนตัวเองยังไม่ทราบเรื่อง จนกระทั่งกลับบ้านไปนอนตอนเช้า แล้วตื่นมาอีกทีตอนเย็น เพื่อนถึงส่งข้อความมาบอก ตอนเห็นข้อมูลครั้งแรกไม่เชื่อว่าเป็นของจริง

เพราะภายในไลโกมีสิ่งที่เรียกว่า “Blind Injection” คือ การใส่ข้อมูลปลอม เพื่อทดสอบระบบและบุคลากร ที่ผ่านมาเคยเกิดแบบนี้ขึ้นมาก่อน เป็นเหตุการณ์ที่เรียกว่า “Big Dog” แต่พอทราบว่าไม่ได้ผลงานใส่ข้อมูลปลอมของ Blind Injection Team ก็ยังไม่อยากจะเชื่อ เพราะส่วนตัวแล้วไม่เชื่อว่า “จะได้มาอยู่ในวินาทีประวัติศาสตร์” ผ่านไปสองอาทิตย์หลักฐานมันก็มีถมถืดแล้วล่ะว่านี่ของจริง ก็ยังไม่ค่อยจะเชื่อ

มาเชื่อจริงๆ ตอนติดต่อพูดคุยกับอาจารย์ที่เคยทำวิจัยด้วยช่วงเรียนปริญญาตรี ท่านเป็นโฆษกของไลโก อาจารย์ยืนยันว่าคลื่นนี้ของจริง ถึงจะยอมเชื่อ ตอนที่เพื่อนส่งข้อความมาบอก ก็ตอบเพื่อนไปว่าเมื่อคืนเราเป็นคนเฝ้าเครื่อง แต่เพื่อนเป็นฝ่ายตื่นเต้นก่อนเราซะอีก (ฮ่า)

ทีมไลโกนานาชาติ

การทำงานที่นี่แบ่งเป็นหลายฝ่าย เฉพาะที่หอสังเกตการณ์ไลโก แฮนฟอร์ด ที่ทำงานอยู่ทุกวันนั้นประกอบด้วยหลายทีม โดย “ทีม Commissioner” เป็นหัวใจหลักที่ทำให้เครื่องตรวจจับและระบบต่างๆ ใช้การได้ “ทีม Network and Computing” ดูแลระบบคอมพิวเตอร์ทุกอย่าง ทีมไฟฟ้าจัดการระบบไฟฟ้า “ทีม SEI” รับผิดชอบเรื่อง Seismic IsolationSystem “ทีม SUS” รับผิดชอบระบบ Suspension (กระจกหลักแขวนบน quadruple suspension ให้ลองนึกภาพโยโย่ต่อกันสี่อัน) “ทีม TCS” (Thermal Compensation System)

“ทีม Calibration” เป็นทีมตรวจวันและคำนวณค่ามาตรฐานต่างๆ ทำให้เรารู้ว่าขายาวกับแขนยาวต่างกันเท่าไหร่ ต้องยกความดีความชอบให้ทีมนี้ “ทีม PEM” (Physics Environment Monitoring) ทีมนี้เชี่ยวชาญเรื่องเสียงรบกวนจากสภาพแวดล้อม (บอกว่าทีมแต่จริงๆ แล้วมีคนเดียวค่ะ) “ทีม Vacuum” มีหน้าที่ดูแลระบบสุญญากาศ และอุปกรณ์ต่าง ๆ ทีม Facility รวมถึงดูความเรียบร้อยของระบบทั่วไป เช่น แอร์ เครื่องทำความร้อน ฯลฯ

สุดท้ายคือ “ทีม Operations Specialist” มีหน้าที่ล็อกเครื่องและทำหน้าที่สอดส่องการทำงานของทุกคน ใครจะทำอะไรต้องผ่านทีมนี้ก่อน ภายในหอสังเกตการณ์ที่แฮนฟอร์ดอย่างเดียวมีบุคลากรราว 60 คน ส่วนใหญ่ประกอบไปด้วยนักฟิสิกส์และวิศวกร ส่วนตัวเองมีตำแหน่งเป็น Operations Specialist รับผิดชอบเป็น ผู้ประสานงาน (liaison) ให้กับระบบ โดยผู้เชี่ยวชาญตัวจริงอยู่ที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย หรือ แคลเทค (Caltech : California Institute of Technology)

เพื่อนร่วมงานส่วนใหญ่อเมริกัน แต่มีบางส่วนมาจากประเทศอื่น เช่น ญี่ปุ่น อังกฤษ คาซัคสถาน เวียดนาม สวิตเซอร์แลนด์ ออสเตรเลีย ส่วนใหญ่เป็นนักเรียนปริญญาเอกมาอยู่ชั่วคราว ยกเว้นชาวญี่ปุ่นสองคนกับหัวหน้าที่เป็นชาวสวิสจะอยู่ระยะยาว

พวกเราเวลาอยู่ที่ทำงานก็คุยกันเรื่องงาน แต่พอออกมาจิบเบียร์หลังเลิกงานคุยจิปาถะเหมือนคนทั่วไป ล่าสุดไปนั่งกินเบียร์กับเพื่อนสามคน คุยกันเรื่องรายงานวิจัยล่าสุดของกล้องแกมม่าเรย์ Fermi คุยกันว่า ถ้ามวลของดวงอาทิตย์เปลี่ยนเป็นพลังงานคลื่นความโน้มถ่วงทั้งหมดจะเกิดอะไรขึ้น คนจะตายไหม เพราะอะไร จินตนาการไปเรื่อยเปื่อย บางทีได้รู้เรื่องแปลกๆ จากพวกรุ่นพี่ ป.เอกก็เวลาไปนั่งดื่มนี่แหละ บางทีคุยกันเรื่องหมาเรื่องแมวเรื่องปีนเขาก็มี แล้วแต่ว่าในวงมีใครบ้าง

ความลับ 5 เดือนของ “คลื่นความโน้มถ่วง”

ตัวเองต้องทำงานอยู่รอบกลางคืนบ่อย พอมีประชุมตอนกลางวันก็ไม่ค่อยได้เข้าร่วม แต่รู้ว่าช่วง 5 เดือนที่ผ่านมาหลังตรวจพบคลื่นฯ ทีมวิเคราะห์ข้อมูลทำงานกันหนักมาก โดยเฉพาะทีม Detector Characterization (Detchar) ที่มีหน้าที่เช็กทุกอย่างที่เป็นไปได้ว่า “สัญญาณนี้ไม่ได้มาจากเหตุการณ์ในโลก”

หลังจากทีมวิเคราะห์ข้อมูลส่งผลลัพธ์ให้ Data Analysis Council (DAC) เขาก็ออกมาประกาศว่า “สัญญาณนี้เป็นของจริง” จากนั้นเริ่มช่วยกันเขียน "รายงานการตรวจพบ” (detection paper) เวอร์ชั่น 1 ระหว่างนี้ยังมีการติดตามผลข้อมูลจากทีม Detchar อยู่เรื่อยๆ ทีมอื่นๆ ก็เช่นกัน

ช่วงเดือนสุดท้ายก่อนส่งรายงานวิชาการให้วารสารตีพิมพ์ ก็เกิดเรื่องที่ถกเถียงกันมากที่สุดคือ “หัวของรายงาน” (title) เช่น จะเรียกเหตุการณ์ครั้งนี้ว่า การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง "โดยตรง" direct detection ดีไหม ? ที่เถียงกันเพราะเคยมีผล “ทางอ้อม” มาก่อน (Hulse-Taylor pulsar) แต่บางคนกลัวว่าจะเป็นการลดเกรดผลการสำรวจของ Hulse-Taylor ซึ่งไม่เป็นความจริงแต่อย่างใด (นักวิทยาศาสตร์บางทีก็เถียงกันเรื่องบ้าๆ บอๆ แต่ก็เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด)

การเขียนรายงานวิชาการใช้เวลาค่อนข้างนานเพราะมีคอมเมนท์เยอะ รายงานนี้มีทั้งหมดมี 10 เวอร์ชั่น (คือแก้ 10 ครั้ง) ในที่สุดก็เสร็จส่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อวันที่ 12 กุมภาพันธ์ 2559 สาเหตุที่เลือกตีพิมพ์วันนั้น ไม่ได้มีอะไรเป็นพิเศษ เป็นวันที่วิเคราะห์ข้อมูลและเขียนรายงานเสร็จสมบูรณ์พอดี

อนาคต “ไลโก” กับ “ไทย”

หากหน่วยงานมหาวิทยาลัยหรือองค์กรวิทยาศาสตร์ในประเทศไทยสนใจอยากร่วมมือทำวิจัยกับ LIGO Scientific Collaboration (LSC) ขอแนะนำให้ติดต่อไปยังโฆษกของ LSC ศาสตราจารย์ Gabriela González ได้โดยตรง

จากวันนี้ไป “ไลโก” มีแผนงานระยะสั้นที่จะเร่งพัฒนาเครื่องมือให้ดีขึ้นเรื่อยๆ ให้ถึงระดับ designed sensitivity (เช่นใน Observing Run 2 จะรันเครื่องด้วยเลเซอร์กำลังที่สูงขึ้น) และในระยะยาวเราจะเป็น “หู” ให้แก่นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั่วโลก

ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ “มองเห็น” แต่คลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เปรียบเหมือน “มีแต่ตา แต่ไม่มีหู” นับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถ “ฟัง” เสียงจากจักรวาลที่มากับผืนผ้าใบกาลอวกาศได้

ตอนนี้เราได้พลิกหน้าประวัติศาสตร์วงการดาราศาสตร์โลก และได้เข้าสู่ยุค Multi-Messenger Astronomy อย่างสมบูรณ์แล้ว !

-------------------------

องค์ประกอบ LIGO

สำหรับแฟนๆ วิทยาศาสตร์คงเคยได้ยินการทดลองของไมเคิลสัน-มอร์เลย์ ที่พิสูจน์ว่าอีเทอร์ (aether) นั้นไม่มีอยู่จริงโดยใช้เครื่องมือที่เรียกว่า “ไมเคลสันอิเทอฟิรอมิเตอร์” ประกอบไปด้วย light source, Beam Splitter, กระจกที่ปลายแขนแกน X และ Y, และ eyepiece เพื่อใช้ดู diffraction pattern (ใส่รูป figure 1)

โครงสร้างหลักของไลโกนั้นยืมมาจาก “ไมเคลสันอิเทอฟิรอมิเตอร์” ที่มีการนำ Fabry–Pérot cavities มาใช้ ภายใน vacuum chamber นั้นเต็มไปด้วย optic cavity ที่มีความซับซ้อนมากมาย (ใส่รูป 2) ซ้ายมือสุดก่อนถึง HAM1 คือ จุดที่เลเซอร์ถูกยิงออกมา เป็นห้องที่เรียกว่า PSL (Pre-stabilized laser) ภายในห้องประกอบไปด้วยเลเซอร์ Nd:YAG และระบบ stabilization ต่างๆ

สิ่งที่ออกจาก PSL สู่ vacuum chamber คือ เลเซอร์คลื่นความยาว 1064 นาโนเมตร กำลัง 20 วัตต์ (ในช่วง Observing Run 1) และสามารถให้กำลังสูงสุดได้ถึง 200 วัตต์-- HAM2 และ HAM3 คือ chamber สุญญากาศที่ประกอบไปด้วย Input Mode Cleaner (IMC) และ Power Recycling Cavity (PRC)

ทั้ง IMC และ PRC ประกอบไปด้วยกระจกหลักสามบาน IMC มีหน้าที่ “clean” โหมดของเลเซอร์ให้กลมที่สุด (TEM00) ในขณะที่ PRC มีหน้าที่ resonate เลเซอร์ให้มีกำลังราว 700 วัตต์-- เลเซอร์กำลังสูงนี้จะเดินทางไปยังbeam splitter ที่มีหน้าที่แยกลำแสงเลเซอร์ออกเป็นสองทาง ลำแสงครึ่งหนึ่งถูกสะท้อนไปหาหลังกระจก ITMX (Input Test Mass X) และ ITMT (Input Test Mass Y) ที่มี anti-reflective coating เมื่อลำแสงเลเซอร์ทะลุหลังกระจกไปแล้วก็จะเดินทาง 4 กิโลเมตรไปยัง ETMX และ ETMY (End Test Mass X, End Test Mass Y)

เพราะหน้ากระจกของทั้ง ETM และ ITM มี reflective coating เลเซอร์นั้นจะถูก resonate จนมีกำลังมากถึง 100,000 วัตต์ ลำแสงบางส่วนจากแขนแกน Y เดินทางทะลุผ่านหลัง beam splitter ในขณะที่ลำแสงบางส่วนจากแกน X ถูกสะท้อนจาก beam splitter ไปยัง Signal Recycling Cavity เพื่อ fine tune ความถี่ก่อนที่ลำแสงจะไปตกลงบน Photodiode ใน HAM6 และถูกบันทึกในแชนแนลคลื่นความโน้มถ่วง