LISA (Laser Interferometer Space Antenna) เป็นภารกิจสำรวจอวกาศที่นำโดยองค์การอวกาศยุโรป (ESA) โดยมีองค์การ NASA ของสหรัฐฯ ร่วมมือสนับสนุน ภารกิจนี้ออกแบบมาเพื่อตรวจจับและวัดคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นระลอกที่แผ่ผ่านโครงสร้างของกาลอวกาศ โดยมีแหล่งกำเนิดจากปรากฏการณ์รุนแรงในจักรวาล เช่น ระบบดาวแคระขาวคู่ที่โคจรรอบกัน และหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังรวมตัวกัน

คลื่นความโน้มถ่วงสามารถบอกข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุต้นกำเนิดได้ในแบบที่แสงไม่สามารถให้ได้ ทำให้นักดาราศาสตร์มีเครื่องมืออีกชนิดหนึ่งสำหรับศึกษาปรากฏการณ์ที่ซ่อนอยู่ในจักรวาล


ข้อมูลเบื้องต้นของภารกิจ

* ประเภท: หอสังเกตการณ์อวกาศ
* กำหนดปล่อยสู่อวกาศ: ช่วงกลางทศวรรษ 2030
* สิ่งที่ตรวจจับ: คลื่นความโน้มถ่วง
* หน่วยงานหลักของ NASA: Goddard Space Flight Center

LISA จะช่วยให้เราเข้าใจจักรวาลได้อย่างไร?

ภารกิจ LISA จะเปิดหน้าต่างบานใหม่ให้กับการศึกษาฟิสิกส์ของจักรวาล ด้วยการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ ซึ่งเป็นสัญญาณที่เครื่องมือตรวจจับในปัจจุบันยังไม่สามารถสำรวจได้อย่างครอบคลุม

คลื่นเหล่านี้เดินทางผ่านกาลอวกาศ พร้อมนำข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุที่มีมวลมหาศาลและเหตุการณ์สุดขั้วจากทั่วจักรวาลมายังเรา

หัวใจสำคัญของภารกิจนี้คือการนำยานอวกาศ 3 ลำมาบินประสานกันเป็นรูปสามเหลี่ยมขนาดมหึมา โดยเคลื่อนที่ตามโลกขณะที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์




แต่ละด้านของสามเหลี่ยมมีความยาวประมาณ 2.5 ล้านกิโลเมตร ซึ่งเป็นระยะทางที่กว้างใหญ่มาก จนสามารถจินตนาการได้ว่าดวงอาทิตย์เองก็มีขนาดเล็กพอที่จะอยู่ภายในโครงสร้างสามเหลี่ยมนี้ได้

ยานอวกาศ 3 ลำ กับโครงสร้างสามเหลี่ยมขนาดยักษ์

ภารกิจ LISA จะประกอบด้วยยานอวกาศ 3 ลำที่มีรูปแบบเหมือนกัน โดยจะบินตามโลกเป็นขบวนรูปสามเหลี่ยมขนาดใหญ่ขณะโคจรรอบดวงอาทิตย์



ยานแต่ละลำจะบรรทุกอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของระยะห่างระหว่างยาน ซึ่งเกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงที่เดินทางผ่านบริเวณนั้น

บริษัท OHB-System AG ของเยอรมนีจะเป็นผู้สร้างดาวเทียมทั้งสามลำ



ภาพประกอบที่ 1: ภาพจำลองยานอวกาศ LISA ทั้งสามลำในรูปแบบการจัดวางสำหรับการปล่อยสู่อวกาศ

เครดิตภาพ: OHB

วัดความเปลี่ยนแปลงที่เล็กยิ่งกว่าอะตอม

ภายในยานอวกาศแต่ละลำจะมีมวลทดสอบ (proof masses) รูปลูกบาศก์จำนวน 2 ก้อน ขนาดใกล้เคียงกับลูกบาศก์รูบิก โดยก้อนเหล่านี้สามารถลอยตัวได้อย่างอิสระภายในระบบที่ออกแบบมาเพื่อป้องกันการรบกวนจากภายนอก

ยานอวกาศทั้งสามลำจะเชื่อมโยงกันด้วยลำแสงเลเซอร์ ซึ่งทำหน้าที่ตรวจวัดระยะห่างระหว่างมวลทดสอบที่อยู่ในยานแต่ละลำ

ระบบนี้ต้องตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของระยะทางที่เล็กมาก ๆ ในระดับที่ต่ำกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมไฮโดรเจน

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านโครงสร้างสามเหลี่ยม ระยะห่างระหว่างยานจะเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยอย่างยิ่ง การวัดความเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงได้

จากนั้นคอมพิวเตอร์บนโลกจะนำข้อมูลที่รวบรวมได้มาวิเคราะห์ เพื่อแยกแยะเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงแต่ละเหตุการณ์ และค้นหาข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่งกับคุณสมบัติทางกายภาพของแหล่งกำเนิด

LISA เป็นการต่อยอดจากความสำเร็จของโครงการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงก่อนหน้านี้ เช่น หอสังเกตการณ์ LIGO บนโลก ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของสหรัฐฯ (NSF) และภารกิจ LISA Pathfinder ของ ESA ที่ NASA เคยเข้าร่วมด้วย

เบื้องหลังการพัฒนาเทคโนโลยีของ LISA

ก่อนที่ภารกิจจะพร้อมออกเดินทางสู่อวกาศ อุปกรณ์สำคัญหลายชิ้นต้องผ่านการออกแบบ ทดสอบ และพัฒนาอย่างละเอียดบนโลก

1. ชุดต้นแบบระบบเลเซอร์และออปติก

วิศวกร Xiaozhen Xu จาก Miller Engineering and Research Corp. และ Michael Rodriguez จาก B&A Inc. กำลังนำต้นแบบชุดออปติกเลเซอร์ออกจากห้องทดสอบสุญญากาศและอุณหภูมิ หลังจากทดสอบที่ศูนย์ Goddard Space Flight Center ของ NASA ในเดือนพฤษภาคม 2025

อุปกรณ์นี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบที่จำเป็นต่อการส่งและตรวจวัดลำแสงเลเซอร์ระหว่างยานอวกาศ



ภาพประกอบที่ 2: วิศวกรกำลังนำต้นแบบชุดออปติกเลเซอร์ออกจากห้องทดสอบ

เครดิตภาพ: NASA/Sophia Roberts

2. กล้องโทรทรรศน์สำหรับเชื่อมโยงยานอวกาศ

ในเดือนพฤษภาคม 2024 ทีมวิศวกรได้เคลื่อนย้ายกล้องโทรทรรศน์ต้นแบบขนาดเท่าของจริงสำหรับภารกิจ LISA ภายในห้องสะอาดของศูนย์ Goddard โดยขณะนั้นกล้องโทรทรรศน์ยังอยู่ในโครงสำหรับขนส่ง

กล้องโทรทรรศน์เหล่านี้จะทำหน้าที่ส่งและรับแสงเลเซอร์ระหว่างยานอวกาศที่อยู่ห่างกันถึง 2.5 ล้านกิโลเมตร




ภาพประกอบที่ 3: กล้องโทรทรรศน์ต้นแบบสำหรับภารกิจ LISA ภายในห้องสะอาด

เครดิตภาพ: NASA/Dennis Henry

3. อุปกรณ์ควบคุมประจุไฟฟ้า

มวลทดสอบที่ลอยตัวอย่างอิสระภายในยานต้องได้รับการปกป้องจากแรงรบกวนที่ไม่ต้องการ รวมถึงแรงที่เกิดจากการสะสมประจุไฟฟ้า

อุปกรณ์ควบคุมประจุไฟฟ้าจึงถูกพัฒนาขึ้นเพื่อลดการสะสมของประจุบนมวลทดสอบที่ทำจากทองคำผสมแพลทินัม ซึ่งจะช่วยให้การวัดการเคลื่อนที่มีความแม่นยำสูงขึ้น

ต้นแบบอุปกรณ์นี้ได้รับการพัฒนาร่วมกันโดยมหาวิทยาลัยฟลอริดาและบริษัท Fibertek Inc.



ภาพประกอบที่ 4: ต้นแบบอุปกรณ์ควบคุมประจุไฟฟ้าสำหรับมวลทดสอบของ LISA บนโต๊ะทดลองที่ศูนย์ Goddard ในเดือนพฤษภาคม 2025

เครดิตภาพ: NASA/Dennis Henry

4. แยกแยะสัญญาณจากแหล่งกำเนิดที่แตกต่างกัน

หนึ่งในแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่ LISA คาดว่าจะตรวจพบ คือระบบที่วัตถุขนาดกะทัดรัด เช่น หลุมดำมวลดาวฤกษ์ โคจรอยู่ใกล้หลุมดำที่มีมวลมากกว่าหลายเท่าหรือหลายลำดับขนาด

ระบบลักษณะนี้เรียกว่า Extreme-Mass-Ratio Inspiral (EMRI) ซึ่งหมายถึงระบบที่วัตถุสองชิ้นมีมวลแตกต่างกันอย่างมาก โดยวัตถุที่มีมวลน้อยกว่าจะโคจรรอบวัตถุที่มีมวลมหาศาล ก่อนที่ระบบจะวิวัฒนาการไปตามพลวัตของแรงโน้มถ่วง

รูปแบบการโคจรของวัตถุเหล่านี้จะทิ้งร่องรอยเฉพาะตัวไว้ในสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่ LISA ตรวจจับได้

นักวิทยาศาสตร์ของ NASA จึงกำลังพัฒนาเครื่องมือสำหรับประมวลผลและวิเคราะห์ข้อมูล เพื่อช่วยระบุว่าแต่ละสัญญาณมาจากระบบชนิดใด และแยกสัญญาณจากแหล่งกำเนิดหลายประเภทที่อาจทับซ้อนกันได้



ภาพประกอบที่ 5: ภาพจำลองวงโคจรของระบบ EMRI จำนวน 7 ตัวอย่าง ซึ่งแสดงรูปแบบวงโคจรที่อาจปรากฏอยู่ในสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง

เครดิตภาพ: NASA Goddard Space Flight Center และ Scientific Visualization Studio

NASA มีส่วนร่วมในภารกิจนี้อย่างไร?

แม้ LISA จะเป็นภารกิจที่นำโดย ESA แต่ NASA ก็มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีและสนับสนุนความเชี่ยวชาญทางวิทยาศาสตร์ โดย NASA จะจัดหาองค์ประกอบสำคัญ 4 ส่วน ได้แก่

1. ระบบเลเซอร์: สร้างลำแสงที่ใช้เชื่อมโยงยานอวกาศทั้งสามลำ เพื่อช่วยตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
2. ระบบกล้องโทรทรรศน์: ส่งและรับแสงเลเซอร์ข้ามระยะทาง 2.5 ล้านกิโลเมตรระหว่างยานอวกาศ
3. อุปกรณ์ควบคุมประจุไฟฟ้า: ลดการสะสมของประจุบนมวลทดสอบที่ลอยตัวอย่างอิสระภายในยานแต่ละลำ
4. ระบบวิเคราะห์ข้อมูล: ช่วยระบุและศึกษาคุณสมบัติของสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงแต่ละเหตุการณ์

นอกจากนี้ NASA ยังสนับสนุน ESA ด้วยความเชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมระบบ เพื่อให้ภารกิจสามารถดำเนินงานได้ตามเป้าหมาย

เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงจากทั่วจักรวาลรวมกันเป็นแผนที่ท้องฟ้า

นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองประชากรของระบบวัตถุขนาดกะทัดรัดที่โคจรรอบกัน และคำนวณคลื่นความโน้มถ่วงที่ระบบเหล่านั้นปลดปล่อยออกมาได้

เมื่อนำสัญญาณจากระบบจำนวนมากมารวมกัน ก็จะได้ภาพจำลองของท้องฟ้าในมุมมองของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งแตกต่างจากแผนที่ท้องฟ้าที่สร้างจากแสงที่ตามองเห็นหรือรังสีชนิดอื่น

การจำลองนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่า เมื่อ LISA เริ่มปฏิบัติงานจริง สัญญาณจากแหล่งกำเนิดต่าง ๆ อาจปรากฏและซ้อนทับกันอย่างไร



ภาพประกอบที่ 6: วิดีโอจำลองท้องฟ้าคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งแสดงการรวมตัวของสัญญาณจากระบบวัตถุคู่จำนวนมาก

เครดิตภาพ: NASA Goddard Space Flight Center

LISA จะเปิดเผยอะไรเกี่ยวกับจักรวาล?

คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร?

วัตถุที่มีมวลสามารถสร้างคลื่นความโน้มถ่วงได้เมื่อเกิดการเคลื่อนที่แบบเร่ง เช่น หลุมดำสองหลุมที่โคจรรอบกันและสูญเสียพลังงานผ่านการแผ่คลื่นความโน้มถ่วง

คลื่นเหล่านี้เป็นระลอกของกาลอวกาศที่เดินทางด้วยความเร็วแสง และสามารถผ่านบริเวณต่าง ๆ ของจักรวาลมายังเราได้โดยไม่ถูกดูดกลืนหรือกระเจิงเหมือนแสงในลักษณะเดียวกัน

ตลอดประวัติศาสตร์ นักดาราศาสตร์อาศัยแสงในหลายช่วงคลื่นเพื่อศึกษาวัตถุและปรากฏการณ์ต่าง ๆ ในจักรวาล แต่คลื่นความโน้มถ่วงให้ข้อมูลอีกชุดหนึ่ง ซึ่งไม่สามารถรับรู้ได้จากการสังเกตแสงเพียงอย่างเดียว

เมื่อนำข้อมูลจากแสงและคลื่นความโน้มถ่วงมาศึกษาร่วมกัน นักวิทยาศาสตร์จะเข้าใจปรากฏการณ์เดียวกันได้รอบด้านยิ่งขึ้น แนวทางนี้เรียกว่า ดาราศาสตร์หลายสารสื่อ (Multimessenger Astronomy)

คลื่นความโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ทำนายไว้เมื่อกว่าหนึ่งศตวรรษก่อน อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ต้องรอจนถึงปี 2015 จึงสามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้โดยตรงจากหอสังเกตการณ์บนโลก

การตรวจจับครั้งนั้นเปิดยุคใหม่ของดาราศาสตร์ แต่เครื่องตรวจจับบนโลกยังมีข้อจำกัดในการสำรวจคลื่นความโน้มถ่วงบางช่วงความถี่ โดยเฉพาะคลื่นความถี่ต่ำมาก

ด้วยขนาดมหึมาของโครงสร้าง LISA ซึ่งมีแขนสามเหลี่ยมยาวด้านละ 2.5 ล้านกิโลเมตร ภารกิจนี้จึงจะช่วยเปิดหน้าต่างการสังเกตการณ์รูปแบบใหม่ ที่ไม่สามารถทำได้จากพื้นผิวโลก



6 เป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ของ LISA

1. ย้อนรอยประวัติศาสตร์ของหลุมดำ (Black Hole History)

LISA จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ศึกษาต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของหลุมดำได้ลึกซึ้งขึ้น

หลุมดำมีบทบาทสำคัญต่อการทำความเข้าใจดาราจักรและการก่อตัวของโครงสร้างขนาดใหญ่ในจักรวาล การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำจึงอาจช่วยให้เราเข้าใจว่าระบบเหล่านี้ก่อตัวและเปลี่ยนแปลงอย่างไรตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล

2. ทำความเข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง (Gravity in General)

แรงโน้มถ่วงเป็นหนึ่งในแรงพื้นฐานทั้งสี่ของธรรมชาติ แต่คำถามเกี่ยวกับธรรมชาติพื้นฐานของแรงนี้ยังคงเป็นประเด็นสำคัญทางฟิสิกส์

การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงจากเหตุการณ์รุนแรงในจักรวาลจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทดสอบคำทำนายของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงในสภาวะที่ไม่สามารถสร้างขึ้นได้ง่ายในห้องทดลองบนโลก

3. สำรวจซากดาวฤกษ์ในทางช้างเผือก (Census of the Stellar Graveyard)

เมื่อดาวฤกษ์สิ้นอายุขัย ดาวบางดวงจะเหลือเป็นวัตถุหนาแน่น เช่น ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำมวลดาวฤกษ์

LISA จะช่วยสำรวจประชากรของวัตถุเหล่านี้ผ่านการตรวจจับระบบดาวคู่ โดยเฉพาะระบบดาวแคระขาวคู่ รวมถึงระบบที่มีดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ

ข้อมูลเหล่านี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจชะตากรรมของดาวฤกษ์ทั่วไป เช่น ดวงอาทิตย์ของเรา รวมถึงวิวัฒนาการของประชากรดาวในดาราจักรทางช้างเผือก

4. คลี่คลายประวัติการขยายตัวของจักรวาล (Unspooling Universe)

จักรวาลกำลังขยายตัว แต่การทำความเข้าใจอัตราการขยายตัวตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาลยังเป็นหนึ่งในโจทย์สำคัญทางจักรวาลวิทยา

LISA อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาประวัติศาสตร์ของจักรวาลย้อนหลังไปได้ไกลกว่าที่การสังเกตการณ์บางรูปแบบในปัจจุบันทำได้ โดยอาศัยข้อมูลจากแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วงที่อยู่ห่างไกล

5. ค้นหาเสียงสะท้อนจากบิกแบง (Echoes of the Big Bang)

หนึ่งในเป้าหมายที่น่าตื่นเต้นคือการค้นหาคลื่นความโน้มถ่วงที่อาจมีต้นกำเนิดจากช่วงแรกเริ่มของจักรวาล หลังเหตุการณ์บิกแบง

หากตรวจพบสัญญาณที่เกี่ยวข้องได้จริง ข้อมูลดังกล่าวอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทดสอบแนวคิดและแบบจำลองต่าง ๆ เกี่ยวกับกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาลในยุคแรกเริ่ม

อย่างไรก็ตาม การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากยุคดังกล่าวยังเป็นเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ต้องอาศัยหลักฐานจากการสังเกตการณ์ในอนาคต

6. ค้นพบสิ่งที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน (The Unexpected)

เช่นเดียวกับการสำรวจจักรวาลในรูปแบบใหม่ทุกครั้ง LISA อาจนำไปสู่การค้นพบที่นักวิทยาศาสตร์ยังคาดไม่ถึง

คลื่นความโน้มถ่วงจากแหล่งกำเนิดที่ไม่เคยรู้จักมาก่อน หรือสัญญาณที่ไม่สอดคล้องกับคำทำนายของแบบจำลองที่มีอยู่ อาจนำไปสู่คำถามใหม่เกี่ยวกับหลุมดำ แรงโน้มถ่วง และวิวัฒนาการของจักรวาล



ภาพประกอบที่ 7: ภาพจำลองหลุมดำสองหลุมโคจรรอบกัน พร้อมปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่ผ่านกาลอวกาศ

เครดิตภาพ: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

อ่านบทความต้นฉบับได้ที่ >> https://science.nasa.gov/missions/lisa/nasa-advances-lisa-mission-contributions-with-new-test-telescope/

นึกว่าลิซ่าจะไปนอกโลกซะแล้ว

สวัสดีค่ะ

นึกว่าต่อจากอันนี้5555

นึกว่าลิซ่าเราเหมือนกัน จะเข้ามาพิมว่าไม่ต้องรันทุกวงการก็ได้

ไอผมก็นึกว่าน้องลิซ่ามีงานใหม่ไปนอกโลก