ความไม่ลงรอย(ที่ชัดเจนมากขึ้น) ในค่าคงที่ฮับเบิล
 |
| จะสังเกตเห็นความแตกต่างระหว่างค่าคงที่ฮับเบิลที่ได้จากการตรวจสอบเอกภพยุคปัจจุบัน และเอกภพยุคต้นจากพลังค์ ช่วงความคลาดเคลื่อนของค่าจากทั้งสองยุคไม่ได้ซ้อนทับกันแม้แต่น้อย |
การตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพในปัจจุบันของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลซึ่งไม่สอดคล้องกับ อัตราที่คาดไว้จากที่ประเมินว่าเอกภพปรากฏเช่นไร ไม่นานหลังจากเกิดบิ๊กแบงเมื่อกว่า 13 พันล้านปีก่อน ด้วยการใช้ข้อมูลใหม่จากกล้องฮับเบิล นักดาราศาสตร์ได้ลดความเป็นไปได้ที่ความแตกต่างนี้จะเป็นเรื่องบังเอิญลงอย่างมาก
ด้วยการใช้การสำรวจใหม่จากกล้องฮับเบิล นักวิจัยได้ปรับปรุงรากฐานของบันไดวัดระยะทางเอกภพ ซึ่งถูกใช้เพื่อคำนวณระยะทางที่เที่ยงตรงสู่กาแลคซีใกล้ๆ ซึ่งทำโดย การสำรวจดาวที่หดพอง(pulsating star) ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด(Cepheid variables) ในกาแลคซีบริวารใกล้เคียงแห่งหนึ่งซึ่งเรียกว่า เมฆมาเจลลันใหญ่(Large Magellanic Cloud; LMC) ขณะนี้ คำนวณระยะทางได้ที่ 162,000 ปีแสง เมื่อปรับใช้ระยะทางสู่กาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปเรื่อยๆ ดาวแปรแสงเซเฟอิดเหล่านี้ก็ถูกใช้เป็นหลักไมล์ นักวิจัยใช้การตรวจสอบเหล่านี้เพื่อดูว่าเอกภพกำลังขยายตัวตามเวลาเร็วแค่ไหน เป็นค่าที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant)
 |
| ภาพเมฆมาเจลลันใหญ่ซึ่งเป็นกาแลคซีบริวารของทางช้างเผือกจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ภาพเล็กถ่ายโดยกล้องฮับเบิลเผยให้เห็นกระจุกดาวหนึ่งในหลายๆ แห่งที่กระจัดกระจายไปทั่วกาแลคซีแคระแห่งนี้ สมาชิกในกระจุกมีดาวหดพองชนิดพิเศษที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด ซึ่งสว่างขึ้นและมืดลงด้วยอัตราที่ทำนายได้ ซึ่งเป็นไปตามความสว่างที่แท้จริงของมัน เมื่อนักดาราศาสตร์ทราบความสว่างที่แท้จริง ก็สามารถตรวจสอบแสงที่ปรากฏเพื่อคำนวณระยะทางได้ เมื่อการสำรวจใหม่จากฮับเบิล นำไปเปรียบเทียบกับการตรวจสอบระยะทางสู่เมฆใหญ่แบบตรีโกณมิติ นักวิจัยก็สามารถวางรากฐานให้กับบันไดระยะทางในเอกภพ ให้มั่นคงมากขึ้น การปรับแต่งแบบละเอียดนี้ได้ปรับปรุงความเที่ยงตรงของอัตราการขยายตัวของเอกภพที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล ได้อย่างมาก |
ก่อนที่กล้องฮับเบิลจะถูกส่งออกสู่อวกาศในปี 1990 การประเมินค่าคงที่ฮับเบิลคลาดเคลื่อนไปถึงสองเท่าตัว ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 โครงการ Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale ได้ปรับค่าคงที่ฮับเบิลจนมีระดับความคลาดเคลื่อน 10% ซึ่งบรรลุเป้าหมายหลักประการหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์นี้ ในปี 2016 นักดาราศาสตร์ได้ใช้ฮับเบิลเพื่อค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วกว่าที่เคยคำนวณไว้ประมาณ 5 ถึง 9% โดยการปรับการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิล และลดความคลาดเคลื่อนเหลือเพียง 2.4% เท่านั้น ในปี 2017 การตรวจสอบอีกงานได้ยืนยันผลสรุปนี้ งานวิจัยใหม่ล่าสุดนี้ได้ลดระดับความคลาดเคลื่อนในค่าคงที่ฮับเบิลเหลือเพียง 1.9% เท่านั้น
งานวิจัยล่าสุดยังบอกว่าความน่าจะเป็นที่ความแตกต่างระหว่างอัตราการขยายตัวของเอกภพในปัจจุบัน กับค่าที่คาดไว้จากการสำรวจเอกภพในยุคต้น จะเกิดขึ้นโดยบังเอิญ เหลือเพียง 1/100,000 เท่านั้น ซึ่งเป็นการปรับปรุงอย่างมากจากการประเมินก่อนหน้านี้เมื่อปีที่แล้วที่ 1/3000
 |
| นักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2011 สาขาฟิสิกส์ จากการค้นพบว่า เอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง |
Adam Riess นักวิจัยนำและนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2011(พร้อมทั้ง Brian Schmidt และ Saul Perlmutter ซึ่งได้แสดงให้เห็นว่าการขยายตัวของเอกภพมีความเร่ง) จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ(STScI) และมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ กล่าวว่า ความไม่ลงรอย(tension) ของค่าคงที่ฮับเบิลระหว่างเอกภพยุคต้นกับเอกภพปัจจุบัน อาจจะเป็นการพัฒนาที่น่าตื่นเต้นที่สุดในแขนงเอกภพวิทยาในช่วงหลายทศวรรษนี้ ความไม่สอดคล้องเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และขณะนี้มาถึงจุดที่เป็นไปไม่ได้เลยที่จะเกิดขึ้นโดยบังเอิญ ความแตกต่างนี้ไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ
ความแตกต่างที่เกิดขึ้นถูกจำแนกในรายงานทางวิทยาศาสตร์หลายครั้งตลอดช่วงหลายปีหลังนี้ แต่ก็ยังคงไม่แน่ชัดว่าเกิดขึ้นจากความแตกต่างในเทคนิคการตรวจสอบ หรือความแตกต่างนี้เป็นผลจากการตรวจสอบที่โชคไม่ดีในทางใดทางหนึ่ง
 |
| แผนที่การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ(cosmic microwave background radiation) ดาวเทียมพลังค์ขององค์กรอวกาศยุโรปเก็บข้อมูลไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพที่ดีที่สุด เมื่อรวมข้อมูลเหล่านี้เข้ากับแบบจำลองมาตรฐานเอกภพ จะให้ค่าคงที่ฮับเบิลที่น้อยกว่าค่าที่ได้จากการสำรวจกาแลคซีในยุคปัจจุบัน |
เมื่อการตรวจสอบของทีมแม่นยำมากขึ้น การคำนวณค่าคงที่ฮับเบิลก็ยังคงไม่สอดคล้องกับค่าที่คาดไว้จากการสำรวจการขยายตัวของเอกภพยุคต้น ที่ทำโดยดาวเทียมพลังค์(Planck) ขององค์กรอวกาศยุโรป การตรวจสอบของพลังค์ทำแผนที่ซากของแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากช่วง 380,000 ปีหลังจากบิ๊กแบงที่เรียกกันว่า ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ(cosmic microwave background-CMB) ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ทำนายว่าเอกภพยุคต้นน่าจะพัฒนาไปสู่อัตราการขยายตัวที่นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบในปัจจุบัน ได้อย่างไร
ค่าคงที่ฮับเบิลค่าใหม่ที่ได้อยู่ที่ 74.03 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซค ซึ่งหมายความว่า ในทุกๆ 3.3 ล้านปีแสง(หรือ 1 เมกะพาร์เซค) ที่กาแลคซีอยู่ไกลจากเราออกไป มันดูจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น 74 กิโลเมตรต่อวินาที อันเป็นผลจากการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งตัวเลขใหม่นี้บ่งชี้ว่า เอกภพยุคปัจจุบันกำลังขยายตัวด้วยอัตราที่เร็วกว่าอัตราที่ได้จากการสำรวจเอกภพยุคต้นของพลังค์ประมาณ 9% ซึ่งให้ค่าคงที่ฮับเบิลที่ 67.4 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซค
เพื่อให้บรรลุข้อสรุปนี้ Riess และทีม SH0ES(Supernovae H0 for the Equation of State) ได้วิเคราะห์แสงจากดาวแปรแสงเซเฟอิด 70 ดวงในเมฆมาเจลลันใหญ่ เนื่องจากดาวเหล่านี้สว่างขึ้นและมืดลงในอัตราที่ทำนายได้ และคาบการแปรแสงก็จะบอกถึงกำลังสว่าง(luminosity) หรือความสว่างที่แท้จริง และสามารถคำนวณหาระยะทางได้ นักดาราศาสตร์จึงใช้ดาวเหล่านี้เป็นเทียนมาตรฐานในเอกภพ การสำรวจช่วยนักดาราศาสตร์ปรับแต่งบันไดระยะทางเหล่านี้ใหม่ โดยปรับปรุงการเปรียบเทียบเซเฟอิดส์เหล่านั้น กับเซเฟอิดส์ที่อยู่ห่างไกลออกไปในกาแลคซีที่เกิดซุปเปอร์โนวาด้วย
 |
| ดาวแปรแสงเซเฟอิด(Cepheid variables) มีความสว่างที่แปรเปลี่ยนเป็นคาบเวลาที่ทำนายไว้ เมื่อตรวจสอบคาบการแปรแสง(period) จะสามารถใช้ความสัมพันธ์ระหว่าง ระยะเวลาที่ใช้ในการแปรแสง เพื่อทราบความสว่างสัมบูรณ์(absolute magnitude) ได้ เมื่อเปรียบเทียบความสว่างที่ปรากฏ(apparent magnitude) กับความสว่างสัมบูรณ์ของดาว ก็จะทราบระยะทางถึงดาวแปรแสงนั้นๆ |
ทีมของ Riess ใช้เทคนิคการสำรวจที่มีประสิทธิภาพที่เรียกว่าDASH(Drift and Shift) โดยใช้กล้องฮับเบิลเป็นกล้องเจอและถ่าย เพื่อจับภาพดาวหดพองที่สว่างอย่างมากโดยเร็ว นี่ป้องกันขั้นตอนที่กินเวลานานในการแช่กล้องไว้กับดาวไกด์เพื่อสำรวจดาวทีละดวง Stefano Casertano สมาชิกทีมจาก STScI และจอห์น ฮอบกินส์ เช่นกัน อธิบายว่า ถ้าฮับเบิลแช่กล้องไว้กับดาวไกด์ มันจะสามารถสำรวจเซเฟอิดได้ทีละดวงในแต่ละรอบวงโคจรรอบโลกของฮับเบิลที่กินเวลา 90 นาที ซึ่งจะเป็นการสิ้นเปลืองอย่างมากที่ให้กล้องสำรวจเซเฟอิดทีละดวง เราจึงสำรวจหากลุ่มของเซเฟอิดส์ที่อยู่ใกล้กันมากพอที่จะสามารถย้ายไปมาระหว่างกันโดยไม่ต้องตั้งกล้องใหม่ เซเฟอิดส์เหล่านี้สว่างมาก เราแค่สำรวจมัน 2 วินาทีเท่านั้น เทคนิคนี้ช่วยให้เราได้สำรวจเซเฟอิดส์ได้ 12 ดวงในทุกๆ รอบโคจร
ผลที่ได้เมื่อรวมกับการสำรวจที่ทำโดย Araucaria Project ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างนักดาราศาสตร์จากสถาบันในยุโรป, ชิลี และสหรัฐฯ โดยการสำรวจการหรี่แสงเมื่อดาวฤกษ์ดวงหนึ่งผ่านหน้าดาวข้างเคียงของมันในระบบดาวคู่คราส เพื่อตรวจสอบระยะทางอีกทาง การตรวจสอบร่วมช่วยให้ทีม SH0ES ได้ปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับความสว่างที่แท้จริงของเซเฟอิดส์ จากนั้นก็เปรียบเทียบกับบันไดวัดระยะทางจากซุปเปอร์โนวาได้
 |
| ภาพอธิบายสามขั้นตอนพื้นๆ ที่นักดาราศาสตร์ใช้เพื่อคำนวณว่าเอกภพขยายตัวเร็วแค่ไหน ขั้นตอนทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการวางรากฐานบันไดวัดระยะทางในเอกภพให้แข็งแรง โดยการเริ่มตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีใกล้ๆ อย่างเที่ยงตรง และจากนั้น ก็ขยับไปสู่กาแลคซีที่ไกลออกไปเรื่อยๆ บันไดนี้เป็นชุดของการตรวจสอบวัตถุทางดาราศาสตร์ชนิดต่างๆ ที่มีความสว่างแท้จริงที่นักวิจัยสามารถใช้เพื่อคำนวณระยะทางได้ ในบรรดาบันไดที่เชื่อถือได้มากที่สุดก็คือ ดาวแปรแสงเซเฟอิด ซี่งหดพองด้วยอัตราที่ทำนายได้ซึ่งบ่งชี้ถึงความสว่างที่แท้จริง นักดาราศาสตร์ใช้กล้องฮับเบิลสำรวจเซเฟอิดส์70 ดวงใน LMC เพื่อตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีบริวารแห่งนี้ให้แม่นยำมากที่สุด จากนั้นก็เปรียบเทียบการตรวจสอบเซเฟอิดส์ระยะใกล้ กับเซเฟอิดส์ที่อยู่ในกาแลคซีทีไกลออกไปที่ก็มีไม้บรรทัดอีกชนิดคือ ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ ซุปเปอร์โนวานี้สว่างกว่าดาวแปรแสงเซเฟอิดอย่างมาก นักดาราศาสตร์ก็ใช้พวกมันเป็นหลักไมล์เพื่อตรวจสอบระยะทางจากโลกถึงกาแลคซีที่ห่างไกลได้ ตัวระบุเหล่านี้ขึ้นอยู่กับบันไดขั้นก่อนหน้านี้ โดยใช้บันไดจากตัวระบุต่างๆ ชนิด นักดาราศาสตร์ก็สามารถเข้าถึงระยะทางที่ไกลมากๆ ในเอกภพได้ |
เนื่องจากแบบจำลองเอกภพวิทยาบอกว่า ระดับการขยายตัวของเอกภพที่สำรวจพบควรจะเป็นค่าเดียวกับที่ได้จากไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ มันไม่ใช่แค่การทดลองสองงานที่ให้ผลไม่สอดคล้องกันเท่านั้น แต่เรากำลังตรวจสอบความแตกต่างในระดับพื้นฐานเลยทีเดียว จากการตรวจสอบเอกภพในยุคปัจจุบัน กับการทำนายอันมีพื้นฐานจากฟิสิกส์ของเอกภพยุคต้นและการตรวจสอบว่ามันควรจะขยายตัวเร็วแค่ไหน แต่ค่าทั้งสองก็ไม่สอดคล้องกัน ซึ่งถูกตรวจสอบมาในหลากหลายวิธีแล้ว จึงมีความเป็นไปได้อย่างรุนแรงที่เรากำลังพลาดอะไรไปบางอย่างในแบบจำลองเอกภพวิทยาที่เชื่อมโยงระหว่างสองช่วงเวลานี้ Riess อธิบาย
จึงต้องใช้ฟิสิกส์ใหม่ๆ ในการอธิบายความแตกต่างนี้ ก่อนหน้านี้ นักทฤษฎีคงบอกกับผมว่า มันทำไม่ได้ มันจะต้องไปกระทบทุกๆ อย่าง แต่ตอนนี้ พวกเขากำลังพูดว่า เราคงต้องทำมันจริงๆ Riess กล่าว
มีลำดับเหตุการณ์มากมายที่เสนอขึ้นเพื่ออธิบายความเหลื่อมล้ำนี้ แต่ก็ยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจน สสารรูปแบบหนึ่งที่มองไม่เห็นที่เรียกว่า สสารมืด อาจจะมีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติหรือการแผ่รังสีได้รุนแรงกว่าที่นักดาราศาสตร์เคยคิดไว้ หรือบางที พลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังงานในรูปแบบที่ไม่รู้จักซึ่งมีอยู่ทั่วอวกาศ เป็นตัวการที่ทำให้เอกภพขยายตัวด้วยความเร่ง อาจทำงานเพิ่มเติม ทฤษฎีที่เรียกว่า พลังงานมืดช่วงต้น(early dark energy) ได้บอกว่าเอกภพพัฒนาคล้ายละครที่มี 3 องก์(ฉาก)
 |
| ในแบบจำลองมาตรฐานเอกภพวิทยา เอกภพเริ่มต้นด้วยบิ๊กแบง จากนั้นภายในเวลาเสี้ยววินาที เอกภพก็ขยายตัวในระดับรุนแรง(ซึ่งเรียกว่า การพองตัว-inflation) และอยู่ในระดับที่ความเร็วลดลง(มีความหน่วง-deceleration) จนกระทั่ง ราว 6 พันล้านปีก่อน เอกภพก็ขยายตัวด้วยความเร่ง(acceleration) อีกครั้ง จากความไม่ลงรอยของอัตราการขยายตัวเอกภพในยุคต้นเทียบกับในยุคปัจจุบันซึ่งเกิดขึ้นเร็วกว่าประมาณ 9% อาจมีช่วงหนึ่งในความเป็นมาเอกภพหลังจาก 380,0000 ปีหลังจากบิ๊กแบง ที่เอกภพเกิดการขยายตัวด้วยความเร่งอีกเป็นครั้งที่สาม(แต่เกิดก่อนครั้งที่สอง) |
นักดาราศาสตร์ตั้งทฤษฎีแล้วว่า พลังงานมืดปรากฏตั้งแต่ช่วงวินาทีแรกๆ หลังจากบิ๊กแบง และผลักสสารไปทั่วอวกาศ เริ่มการขยายตัวในช่วงเริ่มต้น(หมายถึงช่วงการพองตัว-inflation; ผู้แปล) พลังงานมืดอาจจะเป็นเหตุผลที่เอกภพขยายตัวด้วยความเร่งในปัจจุบัน แต่ทฤษฎีใหม่ได้บอกว่า ยังมีช่วงเวลาของพลังงานมืดช่วงที่สาม ไม่นานหลังจากบิ๊กแบง ซึ่งขยายเอกภพเร็วกว่าที่นักดาราศาสตร์ได้ทำนายไว้ การปรากฏของพลังงานมืดช่วงต้นนี้น่าจะอธิบายความไม่ลงรอยระหว่างค่าคงที่ฮับเบิลทั้งสองค่าได้ Riess กล่าว
อีกแนวคิดหนึ่งก็คือ เอกภพมีอนุภาคเสี้ยวอะตอมชนิดใหม่ที่เดินทางใกล้เคียงความเร็วแสง อนุภาคความเร็วสูงเช่นนี้ถูกเรียกรวมๆ ว่า การแผ่รังสีมืด(dark radiation) และยังรวมถึงอนุภาคที่รู้จักมาก่อนหน้านี้อย่างนิวตริโน ซึ่งถูกสร้างในปฏิกิริยานิวเคลียร์ และการสลายตัวกัมมันตภาพรังสี
แม้ว่า Riess จะยังไม่มีคำตอบให้กับความเหลื่อมล้ำที่เยียวยาไม่ได้นี้ แต่เขาและทีมก็ยังคงเดินหน้าใช้กล้องฮับเบิลเพื่อลดความคลาดเคลื่อนในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลของทีมต่อไป ซึ่งหวังว่าจะลดได้ถึงระดับ 1% ซึ่งน่าจะช่วยนักดาราศาสตร์ได้จำแนกสาเหตุของความเหลื่อมล้ำนี้ ผลสรุปของทีมเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 25 เมษายน
แหล่งข่าว spacetelescope.org : latest Hubble measurements suggest disparity in Hubble constant calculations is not a fluke
hubblesite.org : mystery of the universe’s expansion rate widens with new Hubble data
space.com : the universe is expanding so fast we might need new physics to explain it
