หนึ่งในบทพิสูจน์ที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่ เกิดขึ้นระหว่างที่ยานสำรวจอวกาศ Cassini กำลังเดินทางมุ่งหน้าสู่ดาวเสาร์ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้โอกาสที่แนวคลื่นวิทยุเดินทางเฉียดใกล้ดวงอาทิตย์ ทำการทดสอบปรากฏการณ์ Shapiro Time Delay เพื่อพิสูจน์ว่ากาล-อวกาศ (Spacetime) บิดโค้งตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์จริงหรือไม่ ด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน
ปรากฏการณ์ Shapiro Delay คืออะไร?
ในปี 1964 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน เออร์วิน ชาปิโร (Irwin Shapiro) เสนอการทดสอบคลาสสิกข้อที่ 4 ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดยระบุว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้เดินทางช้าลงเพราะแรงเสียดทาน แต่เดินทางช้าลงเพราะ “ความบิดโค้งของกาล-อวกาศ”
เมื่อคลื่นวิทยุเคลื่อนที่ผ่านวัตถุที่มีมวลมหาศาลอย่างดวงอาทิตย์ ความโน้มถ่วงจะดึงกาล-อวกาศให้หย่อนลง เส้นทางของแสงจึงยืดยาวขึ้นและใช้เวลาเดินทางไป-กลับนานกว่าในอวกาศที่ราบเรียบ
https://www.youtube.com/watch?v=F_fW7B3Xf3g
การทดลองประวัติศาสตร์ในภารกิจ Cassini (2002)
ในฤดูร้อนปี 2002 เกิดปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ที่เรียกว่า Solar Conjunction ซึ่งยาน Cassini โลก และดวงอาทิตย์ เรียงตัวอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกันพอดี ทำให้แนวลำคลื่นวิทยุสื่อสารระหว่างสถานี DSN บนโลกกับยาน Cassini ต้องพุ่งเฉียดขอบดวงอาทิตย์ในระยะใกล้มาก
- อุปสรรคสำคัญจากพลาสมาสุริยะ
ลมสุริยะและก๊าซโคโรนา (Solar Corona) ที่แตกตัวเป็นไอออนรอบดวงอาทิตย์ จะรบกวนคลื่นวิทยุและทำให้ความเร็วเฟสเบี่ยงเบน ซึ่งในอดีตมักบดบังสัญญาณจนวัดผลสัมพัทธภาพได้ไม่แม่นยำ - การแก้โจทย์ด้วยระบบความถี่คู่ Multi-Frequency Link
ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัย Sapienza ร่วมกับ NASA JPL ออกแบบระบบสื่อสารที่ส่งสัญญาณพร้อมกันทั้งย่าน X-band (7.2/8.4 GHz) และย่าน Ka-band (32/34 GHz) ทั้งขากลับและขาไป - การหักล้างสัญญาณรบกวน 99.9%
เนื่องจากผลกระทบของพลาสมาจะแปรผกผันกับความถี่กำลังสอง (1/f²) การนำผลต่างของสัญญาณทั้งสองย่านมาคำนวณร่วมกัน จึงสามารถหักล้างสัญญาณรบกวนจากพลาสมาของดวงอาทิตย์ออกไปได้เกือบทั้งหมด เหลือเพียงผลของความโน้มถ่วงแท้จริง
ผลลัพธ์และความแม่นยำระดับเปลี่ยนประวัติศาสตร์
การวัดความคลาดเคลื่อนของเฟสคลื่นพาหะและความถี่ Doppler อย่างต่อเนื่อง ทำให้นักฟิสิกส์สามารถคำนวณค่าพารามิเตอร์ PPN parameter γ (Gamma) ซึ่งเป็นตัวชี้วัดปริมาณความโค้งของอวกาศต่อหนึ่งหน่วยมวล:
| เกณฑ์การเปรียบเทียบ | ค่าตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ | ผลการทดลองจริงจากยาน Cassini |
|---|---|---|
| ค่าพารามิเตอร์ γ | γ = 1 (ความโค้งมาตรฐาน) | γ = 1 + (2.1 ± 2.3) × 10⁻⁵ |
| ระดับความคลาดเคลื่อน | ไม่มี | แม่นยำกว่าการทดลองในอดีตถึง 50 เท่า |
ผลการทดลองดังกล่าวสอดคล้องกับคำทำนายของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างแม่นยำไร้ที่ติ และเป็นการปิดประตูทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทางเลือกอื่น ๆ ที่พยายามโต้แย้งความโค้งของกาล-อวกาศในระดับระบบสุริยะไปโดยสิ้นเชิง