ประเมินอายุเอกภพจากกระจุกดาวทรงกลม และความสัมพันธ์ทูลลี-ฟิชเชอร์

     ทฤษฎีที่ยอมรับกันโดยกว้างขวางในปัจจุบันบอกไว้ว่าเมื่อดาวฤกษ์ดวงแรกๆ ก่อตัวขึ้นในเอกภพเมื่อราว 13 พันล้านปีก่อน พวกมันก็มาเกาะกลุ่มกันก่อตัวเป็นกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) อย่างรวดเร็ว จากนั้น กระจุกดาวเหล่านี้ก็รวมตัวกันและกันก่อตัวเป็นกาแลคซีแห่งแรกๆ ขึ้นมาซึ่งก็จะเจริญเติบโตผ่านการควบรวมและพัฒนาตัวนับแต่นั้น ด้วยเหตุผลนี้ นักดาราศาสตร์จึงสงสัยมานานแล้วว่าดาวที่เก่าแก่ที่สุดในเอกภพก็น่าจะพบได้ในกระจุกดาวทรงกลมด้วย

ไกอาสำรวจกระจุกดาวทรงกลมและกาแลคซีแคระรอบทางช้างเผือก 

    การศึกษาดาวในกระจุกดาวทรงกลมเหล่านั้นจึงมีความหมายในการตรวจสอบอายุของเอกภพ ซึ่งยังคงเป็นเพียงการคาดเดา(อย่างมีหลักการ) ทีมนักดาราศาสตร์และนักเอกภพวิทยานานาชาติทีมหนึ่งเพิ่งทำการศึกษากระจุกทรงกลมเพื่อที่จะระบุอายุของเอกภพ ผลสรุปบ่งชี้ว่าเอกภพมีอายุราว 13.35 พันล้านปี เป็นผลสรุปที่อาจจะช่วยนักดาราศาสตร์ให้เรียนรู้เกี่ยวกับการขยายตัวของเอกภพได้มากขึ้น การศึกษาเพิ่งเผยแพร่ออนไลน์และจะเผยแพร่ใน Journal of Cosmology and Astroparticle Physics นำโดย David Valcin นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากสถาบันวิทยาศาสตร์อวกาศที่มหาวิทยาลัยบาร์เซโลนา(ICCUB) ซึ่งร่วมทีมกับนักวิจัยจากฝรั่งเศส, สเปน และสหรัฐฯ

     ตามที่ระบุไว้ กระจุกดาวทรงกลมได้รับความสนใจเป็นพิเศษจากนักดาราศาสตร์จากธรรมชาติที่ไม่ปกติของพวกมัน กลุ่มก้อนดาวที่รวมตัวเป็นทรงกลมเหล่านี้ พบได้ในกลดหรือฮาโล(halo) ของกาแลคซี โคจรไปรอบๆ แกนกลางกาแลคซีและมีความหนาแน่นสูงกว่ากระจุกดาวเปิด(open cluster) ซึ่งพบในดิสก์กาแลคซีอย่างมาก กระจุกทรงกลมเกือบทั้งหมดยังมีอายุที่ใกล้เคียงกัน มีดาวอายุมากที่ได้เข้าสู่สถานะกิ่งยักษ์แดง(red-giant branch ; RGB phase) แล้ว

กระจุกดาวทรงกลม M80 (ซ้าย) และ NGC 1866 (ขวา) มีทั้งดาวอายุมากสีแดง และดาวอายุน้อยสีฟ้า

     ในความเป็นจริง การศึกษากระจุกทรงกลมในทางช้างเผือกได้แสดงว่าดาวที่เก่าแก่มากที่สุดในกาแลคซีของเราบางส่วนก็มีอยู่ในนั้น ในขณะที่กำเนิดของกระจุกทรงกลมและบทบาทของพวกมันต่อวิวัฒนาการกาแลคซี ก็ยังคงเป็นปริศนา แต่นักดาราศาสตร์เชื่อว่าการศึกษากลุ่มก้อนดาวอายุมากเหล่านี้จะให้ข้อมูลที่มีค่าในทั้งสองประเด็น ตามที่ Valcin และทีมได้เขียนไว้ว่า กระจุกดาวทรงกลมเป็นหนึ่งในโครงสร้างดาวที่ก่อตัวขึ้นเป็นอันดับแรกสุด และยังสามารถใช้เป็นตัวประเมินยุคของกาแลคซีและการก่อตัวดาวได้ดี เพื่อบอกถึงอายุของเอกภพ สำหรับมุมมองจากนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แล้ว พวกมันให้คลังข้อมูลเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการกาแลคซีและดาวฤกษ์

     ในการศึกษา ทีมได้ตรวจสอบกระจุกทรงกลม 68 แห่งซึ่งถูกสำรวจโดยกล้องเพื่อการสำรวจชั้นสูง(ACS) ของกล้องฮับเบิล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาได้ศึกษาการกระจายตัวของดาวในกระจุกเหล่านี้โดยใช้อันดับความสว่าง(magnitude) ซึ่งได้มาจากการใช้ซอฟท์แวร์ isochrones-เส้นบนผังที่มีข้อมูลในระดับใกล้เคียงกัน เพื่อให้ได้ค่าอันดับความสว่าง ซอฟท์แวร์จะใช้ข้อมูลการวัดปริมาณแสงที่สังเคราะห์ได้จากแบบจำลองดาว และจากนั้นก็หาอันดับความสว่างโดยมีพื้นฐานว่า ดาวที่มีมวลใกล้เคียงกันนั้นถูกพบในส่วนใดของเส้นทางวิวัฒนาการโดยมีอายุใกล้เคียงกัน

    ด้วยการใช้แบบจำลองดาว MIST(Mesa Isochrones and Stellar Tracks) และ DSED(Dartmouth Stellar Evolution Database) ในที่สุด ก็ได้ค่าประเมินอายุเฉลี่ยของกระจุกทรงกลมที่เก่าแก่ที่สุดที่ 13.13 พันล้านปี หลังจากนับรวมเวลาที่จะใช้เพื่อให้กระจุกทรงกลมก่อตัวขึ้นด้วย ก็บอกอายุเอกภพคร่าวๆ ได้ที่ 13.35 พันล้านปี ค่าที่ได้มีความเชื่อมั่นในระดับ 68% ซึ่งยังมีความคลาดเคลื่อนอีกประมาณ ±0.16 พันล้านปี(โดยทางสถิติ) และ ±0.5 พันล้านปี(จากระบบ) ระดับนี้สอดคล้องกับค่าอายุที่ประเมินได้ก่อนหน้านั้น ที่ 13.8 ±0.02 พันล้านปี ซึ่งได้จากข้อมูลของปฏิบัติการพลังค์จากการสำรวจไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ(cosmic microwave background-CMB) ซึ่งเป็นซากการแผ่รังสีพื้นหลังที่เกิดจากบิ๊กแบง เห็นได้ในทุกทิศทาง

     ยิ่งกว่านั้น การประเมินอายุก่อนหน้านี้ก็ขึ้นอยู่กับแบบจำลองเอกภพวิทยาสสารมืดเย็น(cold dark matter) ซึ่งเป็นแบบจำลองบิ๊กแบงที่ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 อย่างคือ พลังงานมืด, สสารมืดเย็น และ สสารปกติ ซึ่งนี่หมายความว่า กระจุกทรงกลมให้อายุเอกภพที่เที่ยงตรง โดยไม่ต้องพึ่งพาแบบจำลองทฤษฎีใดๆ เลย ยิ่งกว่านั้น การประเมินอายุนี้ยังสอดคล้องกับการประเมินที่มีพื้นฐานจากการขยายตัวของเอกภพ ข้อมูลใหม่นี้ยังให้เงื่อนงำแก่ประเด็นหลัง แน่นอนว่าทีมบอกว่ายังต้องการการสำรวจและข้อมูลเพิ่มขึ้น ถ้านักวิทยาศาสตร์หวังที่จะบอกให้ได้ว่าเพราะเหตุใดจึงมีความแตกต่างในการประเมินอายุนี้

     ขณะเดียวกัน ความพยายามอีกงานที่ใช้ระยะทางสู่กาแลคซี 50 แห่งจากโลก ก็ให้อายุของเอกภพที่ 12.6 พันล้านปี การคำนวณค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) ซึ่งได้ชื่อตาม เอ็ดวิน ฮับเบิล ซึ่งเป็นคนแรกที่คำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพในปี 1929 มีการใช้เทคนิคต่างๆ ทั้งการสำรวจแสงที่เหลือจากบิ๊กแบง ซึ่งทำแผนที่ความขรุขระและระลอกในกาลอวกาศ เพื่อสะท้อนสภาวะในเอกภพยุคต้น อย่างไรก็ตาม วิธีการที่แตกต่างกันก็ให้ข้อสรุปที่แตกต่างกัน James Schombert ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยโอเรกอน กล่าว ในรายงานที่เผยแพร่วันที่ 17 กรกฎาคม ใน Astronomical Journal เขาและเพื่อนร่วมงานได้เผยความพยายามครั้งใหม่เพื่อสอบทานมาตรฐานใหม่(recalibrate) กับเครื่องมือตรวจสอบระยะทางชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ความสัมพันธ์สสารปกติทูลลี-ฟิชเชอร์(baryonic Tully-Fisher relation) ซึ่งเป็นอิสระจากค่าคงที่ฮับเบิล

หมายเหตุ ความสัมพันธ์ทูลลี-ฟิชเชอร์ เป็นความสัมพันธ์แบบง่ายๆ ในกาแลคซีที่มีการหมุนรอบตัวเช่น กาแลคซีกังหัน เป็นต้น ความสัมพันธ์ระหว่างมวลสสารปกติ(หรือกำลังสว่างที่แท้จริง) ของกาแลคซีกังหัน กับความเร็วในการหมุนรอบตัว(หรือความกว้างเส้นการเปล่งคลื่น) ในระดับประมาณ 3.5-4

ความสัมพันธ์ทูลลี-ฟิชเชอร์ เป็นความสัมพันธ์ง่ายๆ ระหว่างกำลังสว่าง(luminosity) กับความเร็วการหมุนรอบตัว 

     ปัญหาของระยะทางก็คือเป็นที่ทราบกันว่ามันยากอย่างไม่น่าเชื่อเนื่องจากระยะทางถึงกาแลคซีนั้นกว้างใหญ่ และป้ายที่ปักไว้ก็สลัวและยากที่จะสอบทานมาตรฐาน Schombert กล่าว ทีมได้คำนวณความสัมพันธ์ดังกล่าวใหม่ โดยใช้ระยะทางที่ระบุอย่างเที่ยงตรงในการคำนวณเชิงเส้นตรงจากกาแลคซี 50 แห่ง เพื่อเป็นไกด์สู่การตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีอีก 95 แห่ง

     เอกภพของเรานั้นถูกกำกับโดยรูปแบบทางคณิตศาสตร์ชุดหนึ่งที่ปรากฏในรูปของสมการ ความพยายามครั้งใหม่ใช้ค่ามวลและกราฟการหมุนรอบตัวกาแลคซีที่เที่ยงตรงมากขึ้น เพื่อเปลี่ยนสมการเหล่านั้นให้กลายเป็นตัวเลขอย่างเช่นอายุและอัตราการขยายตัว ซึ่งได้ให้ค่าคงที่ฮับเบิลที่ 75.1 ±2.3 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซค

     ทีมเขียนในรายงานว่า สามารถกำจัดระดับค่าคงที่ฮับเบิลทั้งหมดนั้นต่ำกว่า 70 ได้ด้วยความเชื่อมั่น 95% Schombert บอกว่าเทคนิคการตรวจสอบที่ใช้ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา ได้ตั้งระดับไว้ที่ 75 แต่การคำนวณจาก CMB ให้ค่าที่ 67 เทคนิค CMB ในขณะที่ใช้ข้อสันนิษฐานและแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่แตกต่างออกไปก็ควรจะได้ค่าที่ใกล้เคียงกัน แต่ความไม่สอดคล้องที่มีจริงๆ แล้วไม่มีอยู่จริง เขากล่าว ความแตกต่างที่เกิดขึ้นนั้นไม่ได้มาจากความผิดพลาดในการสำรวจ

เมื่อตรวจสอบความเร็วการโคจรทั้งที่เลื่อนไปทางสีแดง(redshifed) และ เลื่อนไปทางสีน้ำเงิน(blueshifted) ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ที่หนีออกห่าง และเข้าหาเรา ตามลำดับ กราฟความเร็วที่ได้โดยรวม จะมีสองหนอก ความกว้างระหว่างหนอกทั้งสอง จะบอกถึงความเร็วการโคจรของกาแลคซี จากความเร็วเมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ทูลลี-ฟิชเชอร์ ก็จะทราบกำลังสว่างของกาแลคซี จากโลก เมื่อตรวจสอบความสว่างปรากฏ กับความสว่างที่แท้จริง(กำลังสว่าง) จะทราบค่าระยะทาง 

     การคำนวณอายุเอกภพจากการสำรวจโดยดาวเทียม WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ของนาซาในปี 2013 ให้อายุเอกภพที่ 13.77 พันล้านปี ซึ่งในช่วงเวลาดังกล่าวก็เป็นแบบจำลองมาตรฐานเอกภพวิทยาบิ๊ก
แบงด้วย ระดับค่าคงที่ฮับเบิลที่แตกต่างกันจากเทคนิคที่หลากหลาย ประเมินอายุเอกภพอยู่ระหว่าง 12 ถึง 14.5 พันล้านปี

     แต่การศึกษาใหม่ซึ่งมีพื้นฐานบางส่วนมาจากการสำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ ได้สร้างหนทางใหม่ในการเข้าถึงค่าคงที่ฮับเบิล โดยใช้วิธีการที่บริสุทธิ์ตรงไปตรงมาด้วยการสำรวจโดยตรง เพื่อตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซี ค่าที่ได้ของเราจึงอยู่ฝั่งสูงในทางเอกภพวิทยา เป็นสัญญาณที่บอกว่าความเข้าใจของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์เอกภพนั้นยังไม่สมบูรณ์แบบ โดยน่าจะมีฟิสิกส์ใหม่ๆ ในอนาคต Schombert กล่าว

แหล่งข่าว phys.org : according to globular clusters, the universe is 13.35 billion years old
                phys.org : new approach refines the Hubble constant and age of universe