มันคงน่ามหัศจรรย์มากหากเรากำลังจะวัดความโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงไปของโลกผ่านอะตอม NASA กำลังเตรียมความพร้อมสำหรับการเปิดตัว “เครื่องมือวัดความโน้มถ่วง” ด้วย “ควอนตัมเซนเซอร์” ที่พัฒนาร่วมกับบริษัทเอกชนและสถาบันวิจัย เพื่อตามหาแหล่งทรัพยากรใต้ดินไปจนถึงเข้าใจกระบวนการทางธรณีวิทยาของโลกด้วยวิธีการใหม่ที่ละเอียดลออและมหัศจรรย์กว่าที่เคย

ภาพข้อมูลของโลกที่เกิดจากการตรวจจับความผิดปกติของความโน้มถ่วงโลกจากดาวเทียม Geoid

โดยทั่วไปเราจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความโน้มถ่วงจากอัตราเร่งของวัตถุที่ตกลงมาผ่านเครื่องมือพิเศษที่ประดิษฐ์ขึ้นมาโดยเฉพาะ จากนั้นจะนำสร้างเป็นแผนที่ความโน้มถ่วงของแต่ละพื้นที่ วิธีการนี้ทำให้เราเห็นโลกที่ไม่ได้เป็นทรงกลมอย่างในภาพจำของใครหลาย ๆ คน แต่เต็มไปด้วยร่องรอยตะปุ่มตะป่ำเกิดจากกระบวนการธรณีวิทยา ไม่ว่าจะเป็นร่องรอยของภูเขาไฟระเบิดครั้งใหญ่ การเคลื่อนตัวครั้งใหญ่ของแผ่นทวีป หรือร่องรอยของอุกกาบาตชน ซึ่งล้วนไม่สามารถมองเห็นได้ผ่านภาพถ่ายพื้นผิวทั่ว ๆ ไป

กระบวนการและเครื่องมือตรวจวัดความโน้มถ่วงนั้นมีได้หลายวิธี เช่น การใช้ดาวเทียมสองลำโคจรคู่กันและตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงระดับวงโคจรเพียงเล็กน้อยอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงของค่าความโน้มถ่วงอย่างในภารกิจตระกูลดาวเทียม Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) หรืออาศัยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) ของสัญญาณวิทยุจากยานอวกาศเพื่อวัดสนามความโน้มถ่วงบนดาวเคราะห์ดวงอื่นแบบที่ยานอวกาศจูโน (Juno) ได้สำรวจโครงสร้างชั้นในของดาวพฤหัสบดี ซึ่งจากกระบวนการทั้งหมดที่ผ่านมาทำให้ครั้งนี้จะเป็นครั้งแรกที่มีการใช้งานเครื่องมือตรวจวัดความโน้มถ่วงด้วยกลไกที่มีพื้นฐานมาจากควอนตัมฟิสิกส์

ภาพวาดของดาวเทียม GRACE-FO สองดาวเทียมที่โคจรไล่กันเพื่อสังเกตความผิดปกติของความโน้มถ่วงบนโลก

เครื่องมือนี้มีชื่อว่า Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf) เมื่ออะตอมรูบิเดียมหนึ่งคู่อยู่ในภาวะเย็นจัด มันจะประพฤติตัวในรูปแบบคลื่น เครื่องวัดความโน้มถ่วงจะอาศัยความแตกต่างของความเร่งระหว่างคลื่นของสสารเพื่อบอกการเปลี่ยนแปลงของค่าความโน้มถ่วงที่พื้นล่าง การใช้อะตอมเย็นจัดในการตรวจวัดจะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการตรวจเนื่องจากไม่ถูกรบกวนโดยสิ่งแวดล้อมภายนอก หากเปรียบเทียบกับดาวเทียมคู่ เมื่อเวลาผ่านไปดาวเทียมจะสูญเสียความเร็วและความสูงจากการเสียดสีกับชั้นบรรยากาศ ทำให้เกิดคลาดเคลื่อนสะสมมากขึ้นไปเรื่อย ๆ ในขณะที่อะตอมเยือกแข็งเหล่านี้จะคงสถานะทางควอนตัมได้ตลอด

การใช้เครื่องมือ QGGPf จะยังช่วยลดค่าใช้จ่ายในการดำเนินโครงการได้เนื่องจากเทคนิคนี้ใช้งานดาวเทียมเพียงดวงเดียวในการตรวจวัดความโน้มถ่วงและสามารถออกแบบให้ใช้งานบนดาวเทียมคิวบ์แซต (CubeSat) ขนาดเล็กได้ นักวิทยาศาสตร์คาดว่าอาจจะแม่นยำกว่าวิธีการแบบที่ใช้กับ GRACE ถึง 10 เท่า

ภาพความโน้มถ่วงที่บิดเบี้ยวของโลกที่สังเกตได้จาก GRACE

หากเครื่องมือ QGGPf ได้ถูกนำมาใช้งานจริง มันจะช่วยทำให้เราพบความผิดปกติของความโน้มถ่วงของโลกได้ง่ายมากยิ่งขึ้น ซึ่งความผิดปกตินั้นหมายถึงใต้พื้นดินอาจมีความลับอะไรบางอย่างซ่อนไว้อยู่ ไม่ว่าจะเป็นแหล่งปิโตรเลียม แร่ทองคำ หรือไปจนถึงการพบโครงสร้างใหม่ใต้พิภพ ซึ่งสิ่งหนึ่งที่เราทราบหลังจากการสำรวจความผิดปกติของความโน้มถ่วงของโลกคือแผนที่สนามความโน้มถ่วงของโลกไม่เคยมีรูปร่างที่เหมือนเดิมเลยในแต่ละวันอันเนื่องมาจากกระบวนการทางธรณีวิทยาของโลกเราที่ค่อย ๆ ขยับตัวทำให้สนามความโน้มถ่วงของโลกนั้นเปลี่ยนแปลงไปด้วย และนั้นหมายความว่าองค์ความรู้ใหม่ ๆ มากมายกำลังรอการถูกเผยโดย QGGPf อยู่

แม้ว่า QGGPf จะยังไม่เคยถูกใช้งานจริงในอวกาศ และกำลังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนาอยู่ แต่หากมันประสบความสำเร็จมันจะช่วยเพิ่มความสามารถของเราในการทำความเข้าใจโลก และเพิ่มขีดความสามารถของเราในการทำความเข้าใจดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกล และบทบาทของความโน้มถ่วงในการกำหนดรูปร่างจักรวาลในอนาคต

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

NASA กับ “ควอนตัมเซนเซอร์” วัดความโน้มถ่วงตัวแรกสำหรับยานอวกาศ