คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกคลื่นในโครงสร้างของอวกาศ คลื่นที่เกิดขึ้นในเอกภพยุคแรกสามารถนำพาข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่นั่นได้
รูปที่ 1. ภาพประกอบแสดงดาวนิวตรอนรวมตัวกันเป็นหลุมดำ ขณะที่คลื่นความโน้มถ่วงกระเพื่อมออกไปด้านนอก (อ้างอิง: Livescience)
นี่คือการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ (Gravitational Waves) ที่จะช่วยเปิดเผยความลับของจุดเริ่มต้นของเวลา เพียงชั่วครู่หลังจากการเกิดบิ๊กแบง (Big Bang) การวิจัยใหม่ชี้ให้เห็นว่า พวกเขาสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงยุคดึกดำบรรพ์เหล่านี้ได้โดยใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion Reactors) บนโลกนี้
ในการศึกษาใหม่ นักฟิสิกส์ใช้สมการที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านพลาสมาภายในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเพื่อสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีว่าคลื่นความโน้มถ่วงและสสารมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร
ในทางกลับกันก็สามารถเปิดเผยภาพที่ดีขึ้นของช่วงเวลาแรกสุดของเวลา ชั่วขณะหลังจากการเกิดบิ๊กแบง เอกภพถูกแทรกซึมด้วยพลาสมาดึกดำบรรพ์ที่ร้อนและหนาแน่นเป็นพิเศษ ซึ่งส่งคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังกระเพื่อมออกไปในเอกภพ
คลื่นความโน้มถ่วงโบราณเหล่านี้จะแพร่กระจายไปทั่วเอกภพและควรจะยังคงมีอยู่ในปัจจุบัน ดังนั้นสสารและคลื่นความโน้มถ่วงจะมีอิทธิพลต่อกันในช่วงเริ่มต้นของเอกภพ ที่จะทิ้งร่องรอยที่สามารถสังเกตได้ในทั้งสองอย่าง การทำงานย้อนหลังจากร่องรอยที่สังเกตได้นั้นสามารถเผยให้เห็นภาพของยุคแรกนั้น
เราไม่สามารถมองเห็นเอกภพในยุคแรกเริ่มได้โดยตรง แต่บางทีเราอาจจะเห็นทางอ้อม โดยหากเราดูว่าคลื่นความโน้มถ่วงในช่วงเวลานั้นส่งผลต่อสสารและรังสีที่เราสังเกตเห็นได้ในปัจจุบันว่าอย่างไร ดีฟเพน การ์ก (Deepen Garg) นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในโปรแกรมพรินซ์ตัน (Princeton) ในพลาสมาฟิสิกส์ (Plasma Physics) ผู้เขียนหลักของการศึกษากล่าว
รูปที่ 2. ภาพประกอบแสดงคลื่นปริภูมิ-เวลากระเพื่อมออกจากดาวนิวตรอนสองดวงที่ชนกัน (อ้างอิง: Livescience)
เรื่องของแรงโน้มถ่วงที่ยิ่งใหญ่ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Theory of General Relativity) ของไอน์สไตน์ วัตถุขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วงโดยการเปลี่ยนรูปร่างของพื้นที่รอบๆ พวกมันจะสร้างระลอกคลื่นในกาลอวกาศที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วงที่เดินทางด้วยความเร็วแสง
จนถึงขณะนี้ นักฟิสิกส์ได้ใช้เครื่องตรวจจับ เช่น หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงด้วยเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory: LIGO) เพื่อค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำ ที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่ทรงพลังที่สุด และพวกมันเดินทางจากบริเวณที่ชนกันมายังโลกในสุญญากาศ ซึ่งหมายความว่า นักฟิสิกส์จำเป็นต้องสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ของระลอกคลื่นเหล่านี้ในพื้นที่ว่างเท่านั้น
อย่างไรก็ตาม เมื่อเอกภพยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น สสารจำนวนมหาศาลเคลื่อนที่ไปรอบๆ สร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่ต้องแพร่กระจายผ่านพลาสมาในยุคดึกดำบรรพ์ ซึ่งจะมีปฏิสัมพันธ์กับคลื่น ทำให้รูปร่างและวิถีโคจรเปลี่ยนไป ในการคำนวณว่าพลาสมาในยุคดึกดำบรรพ์นี้จะส่งผลต่อคลื่นความโน้มถ่วงโบราณเหล่านี้เป็นอย่างไร ดีฟเพนและหัวหน้างานของเขา อิลยา โดดิน (Ilya Dodin) ได้วิเคราะห์สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์อย่างระมัดระวัง ซึ่งอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตของอวกาศเมื่อสสารเคลื่อนผ่าน ภายใต้สมมติฐานที่ง่ายขึ้นบางอย่างเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพของสสาร พวกเขาสามารถคำนวณว่าคลื่นความโน้มถ่วงและสสารมีผลกระทบซึ่งกันและกันอย่างไร
รูปที่ 3. ภาพจำลองของหลุมดำมวลมหาศาลสองหลุมที่รวมกัน (อ้างอิง: Livescience)
ทีมใช้ส่วนหนึ่งของสมการในการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในพลาสมา กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่เกิดขึ้นใต้พื้นผิวดาวเท่านั้น แต่ยังเกิดในเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันบนโลกด้วย
โดยพื้นฐานแล้วเราจะใช้เครื่องจักรคลื่นพลาสมาทำงานเกี่ยวกับปัญหาคลื่นความโน้มถ่วง แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้ดำเนินการขั้นตอนสำคัญเพื่อคำนวณผลกระทบที่วัดได้ซึ่งคลื่นความโน้มถ่วงและพลาสมาในยุคแรกเริ่มอาจจะมีต่อกัน แต่ก็ยังมีงานต้องทำอีกมากที่ต้องทำ นักวิทยาศาสตร์ยังคงต้องทำการคำนวณที่แม่นยำและมีรายละเอียดมากขึ้นเพื่อให้ได้ภาพที่ดีขึ้นว่าคลื่นความโน้มถ่วงโบราณเหล่านี้จะมีลักษณะอย่างไร ซึ่งในปัจจุบันเรามีสูตรบางสูตรแล้วดีฟเพนกล่าว ซึ่งได้ตีพิมพ์ในวารสารจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์ของอนุภาคอวกาศ (The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics)
อ้างอิง: Livescience, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
