BICEP และ Keck Array การค้นหาสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงยุคกำเนิดเอกภพ

BICEP (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization) และ Keck Array คือชุดการทดลองทางดาราศาสตร์ที่มุ่งเน้นการศึกษา รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (Cosmic Microwave Background - CMB) โดยติดตั้งอุปกรณ์อยู่ที่บริเวณขั้วโลกใต้ ทวีปแอนตาร์กติกา ซึ่งเป็นสถานที่ที่มีสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่ำและสภาพอากาศที่เอื้ออำนวยต่อการตรวจวัดรังสีไมโครเวฟ

เป้าหมายและหลักการทำงาน

เป้าหมายหลักของโครงการนี้คือการวัด โพลาไรเซชัน (Polarization) ของ CMB โดยเฉพาะอย่างยิ่งการค้นหา B-modes (ส่วนประกอบแบบหมุนวน) ซึ่งเชื่อว่าเป็นสัญญาณที่หลงเหลือมาจาก คลื่นความโน้มถ่วงยุคกำเนิด (Primordial Gravitational Waves) ตามที่ทำนายไว้ในแบบจำลองการพองตัวของเอกภพ (Cosmic Inflation) แบบ "slow roll"

หากสามารถตรวจพบสัญญาณนี้ได้ จะเป็นการยืนยันว่าเอกภพมีการขยายตัวอย่างรวดเร็วอย่างมหาศาลในช่วงเสี้ยววินาทีแรกหลังการเกิดบิกแบง อย่างไรก็ตาม จนถึงปี 2025 ยังไม่มีการตรวจพบโพลาไรเซชันที่ยืนยันได้ว่ามาจากคลื่นความโน้มถ่วงยุคกำเนิดอย่างชัดเจน

วิวัฒนาการของเครื่องมือ

การทดลองนี้มีการพัฒนาเครื่องมือมาแล้วถึง 5 รุ่น เพื่อเพิ่มความไวและความแม่นยำในการตรวจวัด:

• BICEP1: เริ่มเก็บข้อมูลในปี 2006 ถึง 2008 เป็นรุ่นต้นแบบที่ใช้ตรวจวัดที่ความถี่ 100 และ 150 GHz
• BICEP2: ทำงานในช่วงปี 2010 ถึง 2012 โดยใช้เซนเซอร์แบบ Transition Edge Sensor (TES) ที่มีความไวสูงขึ้น
• Keck Array: ประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์ 5 ตัว เริ่มทำงานในปี 2012 เพื่อขยายพื้นที่การสำรวจท้องฟ้า
• BICEP3: เริ่มใช้งานเต็มรูปแบบในเดือนพฤษภาคม 2016 โดยมีการปรับปรุงประสิทธิภาพการตรวจจับให้ดียิ่งขึ้น
• BICEP Array: รุ่นล่าสุดที่ประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์ 4 ตัว โดยตัวแรกเริ่มเก็บข้อมูลในปี 2019 และตัวที่สองในปี 2022

ความร่วมมือระดับนานาชาติ

โครงการนี้เป็นการร่วมมือกันของสถาบันชั้นนำระดับโลก เช่น Caltech, มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด, มหาวิทยาลัยชิคาโก, Stanford, และสถาบันวิจัยจากฝรั่งเศส (CEA Grenoble) รวมถึงหน่วยงานอย่าง Jet Propulsion Laboratory (JPL) และ NIST

กรณีศึกษา BICEP2 และข้อถกเถียงเรื่องฝุ่นคอสมิก

ในปี 2014 ทีม BICEP2 ได้ประกาศว่าพวกเขาตรวจพบสัญญาณ B-mode ซึ่งอาจเป็นหลักฐานของคลื่นความโน้มถ่วงจากยุคพองตัวของเอกภพ สร้างความตื่นเต้นให้กับวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์อย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ในเวลาต่อมามีการวิเคราะห์ข้อมูลร่วมกับดาวเทียม Planck พบว่าสัญญาณที่ตรวจพบนั้นอาจไม่ได้มาจากคลื่นความโน้มถ่วง แต่เกิดจาก ฝุ่นคอสมิก (Cosmic Dust) ภายในกาแล็กซีทางช้างเผือกที่ส่งสัญญาณรบกวน ซึ่งทำให้ข้อสรุปเรื่องการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงในขณะนั้นไม่ได้รับการยอมรับในวงกว้าง และนำไปสู่การพัฒนาเครื่องมือรุ่นต่อๆ มาให้สามารถแยกแยะสัญญาณจากฝุ่นได้ดียิ่งขึ้น