การ ขยาย ตัว ของ ลูกโป่ง กับการ ขยาย ตัว ของเอกภพ

นักฟิสิกส์ได้ “ค่าคงที่ฮับเบิล” ใหม่ ชี้เอกภพยังขยายตัวเร็วเพิ่มขึ้นอีก

27 เมษายน 2019

ที่มาของภาพ, NASA/ESA/HUBBLE

คำบรรยายภาพ,

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเผยภาพบางส่วนของเนบิวลาถั่ว (N11) ซึ่งอยู่ห่างจากโลกราว 2 แสนปีแสง ในกลุ่มเมฆแมกเจลแลนใหญ่

นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพ หรือที่เรียกว่า "ค่าคงที่ฮับเบิล" (Hubble Constant) ในครั้งล่าสุดของปีนี้ได้แล้ว โดยพบว่าจักรวาลของเราขยายตัวในอัตราเร่งที่สูงขึ้นไปยิ่งกว่าเดิมทุกที ทำให้บรรดาผู้เชี่ยวชาญต้องหันมาทบทวนหลักวิชาฟิสิกส์ในปัจจุบันเสียใหม่ เนื่องจากไม่อาจให้คำอธิบายกับปรากฏการณ์ดังกล่าวได้

มีการรายงานถึงผลการวัดค่าคงที่ฮับเบิลล่าสุดในวารสาร The Astrophysical Journal โดยทีมนักวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์ อดัม รีสส์ แห่งมหาวิทยาลัยจอห์นส์ฮอปกินส์ของสหรัฐฯ ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเข้าช่วยในการวัดค่าดังกล่าวด้วยเทคนิคใหม่ซึ่งมีความแม่นยำสูงกว่าเดิม โดยวิธีนี้มีความเป็นไปได้ที่จะผิดพลาดเพียงหนึ่งในแสนเท่านั้น

ทีมของศ. รีสส์ ใช้ดาวแปรแสงเซฟีด (Cepheid variable ) ในกระจุกดาวฤกษ์ของเมฆแมกเจลแลนใหญ่ เป็นหลักหมายในการวัดระยะทางและคำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพในครั้งนี้ โดยดาวแปรแสงที่สว่างจ้ากว่าดวงอาทิตย์นับแสนเท่านั้น เป็นเสมือนเทียนมาตรฐาน (Standard candle) หรือประภาคารของจักรวาล ทำให้นักดาราศาสตร์ใช้ความสว่างและการกะพริบแสงในความถี่ที่แน่นอนของมันเป็นหลักเทียบวัด เพื่อคำนวณหาระยะทางในห้วงอวกาศได้อย่างแม่นยำ

ผลที่ได้พบว่า เอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งล่าสุดคือ 74.03 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ซึ่งหมายถึงเอกภพมีการขยายตัวเพิ่มในอัตรา 74.03 กิโลเมตรต่อวินาที ในระยะทางทุก ๆ 3.26 ล้านปีแสงที่เรามองออกไปจากโลก

• เอกภพเต็มไปด้วยดวงจันทร์ที่ถูกเหวี่ยงทิ้งออกจากระบบ
• ทฤษฎีใหม่เผยมี "ปฏิจักรวาล" เอกภพคู่ตรงข้ามที่เหมือนเงาสะท้อนในกระจก
• หลุมดำ : นักดาราศาสตร์เผยรูปหลุมดำครั้งแรกของโลกจากกาแล็กซีอันไกลโพ้น
• ความโน้มถ่วงในเอกภพไม่รั่วไหลไปยังมิติอื่น

ที่มาของภาพ, NASA/ESA/A.RIESS

คำบรรยายภาพ,

กระจุกดาวฤกษ์ในเมฆแมกเจลแลนใหญ่ ซึ่งเป็นดาราจักรแคระและบริวารของกาแล็กซีทางช้างเผือก มีกลุ่มดาวแปรแสงเซฟีดซึ่งใช้เป็นหลักวัดระยะทางในเอกภพรวมอยู่ด้วย

ตัวเลขดังกล่าวเพิ่มขึ้นจากที่ทีมนักวิจัยเดียวกันเคยวัดและคำนวณเอาไว้ในปีที่แล้ว ซึ่งเท่ากับ 73.5 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ทั้งยังเป็นตัวเลขที่เพิ่มขึ้นถึง 9% เมื่อเทียบกับค่าคงที่ฮับเบิลดั้งเดิมที่คำนวณโดยใช้ข้อมูลจากการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background - CMB) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าข้อมูลดังกล่าวเป็นสภาพของเอกภพขณะที่ถือกำเนิดขึ้นใหม่ ๆ ราว 380,000 ปีหลังเกิดเหตุการณ์บิ๊กแบง

ศ. รีสส์ ซึ่งเป็นเจ้าของรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2011 บอกว่า "การที่ค่าคงที่ฮับเบิลซึ่งคำนวณได้ในขณะแรกกำเนิดจักรวาล กับค่าคงที่ฮับเบิลซึ่งวัดได้ล่าสุดมีความขัดแย้งกันนั้น ชี้ถึงประเด็นปัญหาใหม่ในทางจักรวาลวิทยาที่น่าตื่นเต้นที่สุดในรอบหลายทศวรรษ ความแตกต่างระหว่างตัวเลขทั้งสองนี้มีแนวโน้มจะเพิ่มขึ้นทุกขณะ จนมาถึงจุดที่เรียกว่าไม่ได้เกิดจากความบังเอิญหรือความผิดพลาดในการตรวจวัดอย่างแน่นอน"

ศ.รีสส์ ชี้ว่าปรากฏการณ์ดังกล่าวอาจเป็นผลมาจากพลังงานมืด (Dark energy) ซึ่งคิดเป็นถึง 70% ของสสารและพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในจักรวาล โดยพลังงานมืดนี้อาจมีพฤติกรรมแตกต่างออกไปจากที่เราเคยเข้าใจกัน เช่นมันอาจกำลังมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น หรือสสารมืด (Dark matter) อาจกำลังมีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติทั่วไปอย่างรุนแรงขึ้นกว่าเดิมก็เป็นได้ ซึ่งสิ่งเหล่านี้ล้วนส่งผลต่ออัตราการขยายตัวของเอกภพอย่างมีนัยสำคัญ

"แบบจำลองทางจักรวาลวิทยาที่เรามีอยู่ ยังไม่สามารถจะอธิบายเรื่องนี้ได้ เราอาจต้องค้นหาแนวทางของวิชาฟิสิกส์แขนงใหม่ ซึ่งสามารถเชื่อมโยงข้อมูลที่แตกต่างกันสองชุดในสองห้วงเวลานี้เข้าด้วยกันได้" ศ. รีสส์กล่าว

ย้อนกลับไปเกือบร้อยปีก่อน

ในปี ค.ศ. 1929 นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เอ็ดวิน ฮับเบิล  (Edwin Hubble) ค้นพบว่ากาแล็กซีต่างๆล้วนแล้วแต่เคลื่อนที่ห่างจากเราออกไป โดยยิ่งกาแล็กซีอยู่ห่างจากเรามากก็ยิ่งเคลื่อนที่ห่างจากเราด้วยความเร็วสูงมาก

การค้นพบดังกล่าวทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อมั่นมาถึงทุกวันนี้ว่า “เอกภพกำลังขยายตัว”  ซึ่งนี่เป็นหนึ่งในข้อสรุปที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่งทางดาราศาสตร์และเอกภพวิทยาอย่างไม่ต้องสงสัย

เราสามารถเปรียบเทียบการขยายตัวของเอกภพให้เห็นภาพได้ง่ายๆด้วยการสมมติว่าเอกภพมีแค่สองมิติ เหมือนผิวลูกโป่งและกาแล็กซีต่างๆเป็นฝุ่นเม็ดเล็กๆที่กระจายอยู่บนนั้น แน่นอนว่าหากเอกภพเป็นผิวลูกโป่ง ย่อมไม่มีสิ่งที่อยู่นอกเหนือไปจากผิวลูกโป่งเลย เมื่อเราเป่าลูกโป่ง ผิวลูกโป่งย่อมขยายออก แล้วจุดต่างๆแต่ละจุดบนผิวลูกโป่งนั้นย่อมอยู่ห่างกันมากขึ้นๆ

อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ในยุคต่อยังสงสัยต่อไปอีกว่า เอกภพขยายตัวด้วยอัตราเร็วอย่างไร ?

มันขยายตัวเร็วขึ้น ช้าลง หรืออัตราเร็วคงที่แน่

คำตอบปรากฏขึ้นช่วงปี ค.ศ. 1998 ด้วยการศึกษาปรากฏการณ์ที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา Type Ia (Type Ia Supernovae)

ดาวฤกษ์ที่มีมวลไม่มาก เมื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงหมดแล้ว แก่นของมันจะยุบตัวจนกลายเป็นดาวแคระขาว (White dwarf) ซึ่งมีความหนาแน่นสูงมากเมื่อเทียบกับสสารที่เรารู้จักในชีวิตประจำวัน (ดาวแคระขาวก้อนเท่าลูกเต๋าเล็กๆหนักถึง 1 ตัน) หากรอบดาวแคระขาวมีดาวฤกษ์อยู่ มันอาจดึงดูดมวลของดาวฤกษ์เข้ามาอย่างรุนแรงจนตัวมันเองมีมวลมากขึ้นเรื่อยๆและเมื่อมันมีมวลมากเกิน 1.38 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ มันจะระเบิดกลายเป็น ซูเปอร์โนวา Type Ia

ด้วยเหตุนี้ ซูเปอร์โนวา Type Ia จึงมีความสว่างคงที่เสมอ เหมือนหลอดไฟที่ได้มาตรฐานจากโรงงาน การศึกษาซูเปอร์โนวาลักษณะนี้จำนวนมากนำมาซึ่งข้อสรุปอันน่าทึ่งว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง

พูดง่ายๆว่าเอกภพขยายตัวด้วยความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ

การค้นพบนี้เป็นการพลิกโฉมความเข้าใจเกี่ยวกับเอกภพไปอย่างยิ่ง ส่งผลให้นักฟิสิกส์ผู้บุกเบิกการศึกษาเรื่องนี้ได้แก่ ซอล เพิร์ลมุตเตอร์(Saul Perlmutter)ไบรอัน ชมิดต์  (Brian Schmidt)  อดัม รีสส์ (Adam Riess)ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2011

สิ่งที่ผลักให้เอกภพขยายตัวออก คือ พลังงานมืด (Dark energy) ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีมากถึง 72 % ของเอกภพ  ส่วนที่เหลือคือ สสารมืดอีก 23%  และอนุภาคอื่นๆที่เรารู้จักดีอีก 4.6 %

ล่าสุดในปี ค.ศ. 2019 ด้วยเทคโนโลยีทางดาราศาสตร์ที่พัฒนาไปไกลมากนับจากยุคของฮับเบิล นักดาราศาสตร์ค้นพบข้อมูลน่าสนใจที่เกี่ยวกับการขยายตัวของเอกภพ สองเรื่อง

1.นักวิจัยวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพจากรังสีแกมมา

ทีมนักวิจัยตีพิมพ์ผลงานลงในวารสาร The Astrophysical Journal กลางเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. 2019 โดยอาศัยข้อมูลรังสีแกมมาจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเฟอร์มี (Fermi Gamma-ray Space Telescope) และกล้องโทรทรรศน์ IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes) มาหาอัตราการขยายตัวของเอกภพได้เป็น 67.4   (km/s)/Mpc

อัตราการขยายตัวของเอกภพเป็นหนึ่งในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์พยายามหาค่าที่แม่นยำมาโดยตลอด เพราะมันเป็นหนึ่งในตัวเลขสำคัญที่จะนำไปสู่การหาค่าอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับเอกภพตามไปด้วย

นักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์หาค่าดังกล่าวด้วยอุปกรณ์ เทคนิคที่แตกต่างกันก็ได้ค่าที่แตกต่างกันออกไป โดยค่าที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลด้วยการศึกษาดาวเซฟีดในกาแล็กซีเมฆแมเจลแลนใหญ่ (Large Magellanic Cloud) ปี ค.ศ. 2019 คือ 74  (km/s)/Mpc

ส่วนค่าที่ได้จากดาวเทียมพลังค์ซึ่งศึกษารังสีพื้นหลังของเอกภพ ในปี ค.ศ. 2018 คือ 67  (km/s)/Mpc

ค่าที่ได้จากLIGO and Virgo ซึ่งตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนชนกันอยู่ในช่วง 65-75 (km/s)/Mpc

อัตราการขยายตัวของเอกภพที่แม่นยำที่สุดนั้นเป็นค่าอะไรกันแน่ เป็นหนึ่งในคำถามที่นักฟิสิกส์ทั่วโลกอยากรู้คำตอบ เพราะตอนนี้ ความคลาดเคลื่อนของอัตราการขยายตัวของเอกภพทำให้นักฟิสิกส์ศึกษาสิ่งอื่นๆได้อย่างลำบาก ซึ่งบางคนถึงขั้นเรียกว่า ความตึงเครียดของฮับเบิล (Hubble Tension) ทีเดียว

2.การขยายตัวแบบไม่สม่ำเสมอของเอกภพ

แบบจำลองเอกภพที่นักฟิสิกส์เชื่อถือกันทุกวันนี้เชื่อว่าการขยายตัวต้องเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอเท่ากันในทุกทิศทาง (isotropy) แต่งานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Astronomy & Astrophysics ปลายเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. 2019 เป็นการศึกษาซูเปอร์โนวา Type Ia มากถึง 740 แห่งจนพบหลักฐานว่าการขยายตัวของเอกภพไม่ได้สม่ำเสมอเท่ากันทุกทิศทาง  ซึ่งยังไม่มีใครทราบว่าเกิดจากอะไร

อย่างไรก็ตาม ก่อนหน้านี้ก็มีนักวิจัยทีมอื่นๆเสนอหลักฐานอื่นๆที่สนับสนุนความไม่สม่ำเสมอดังกล่าวมาแล้ว ดังนั้นเราอาจต้องรอการวัดผลจากทีมวิจัยอื่นๆเพื่อยืนยันงานวิจัยนี้ รวมทั้งรอกล้องโทรทรรศน์ในอนาคตที่ทรงพลังยิ่งกว่านี้ เช่น กล้องโทรทรรศน์ Large Synoptic Survey Telescope หรือ ดาวเทียมยูคลิด ซึ่งโครงการทั้งสองยังอยู่ในขั้นตอนการสร้าง

ทั้งหมดนี้เพื่อไขปริศนาการขยายตัวของเอกภพซึ่งเป็นหนึ่งในตัวแปรที่ใหญ่ที่สุดที่มนุษย์เราจะสามารถทำการศึกษาได้

อ้างอิง

https://arxiv.org/abs/1903.07603

http://adsabs.harvard.edu/full/2003HisSc..41..141K

https://phys.org/news/2019-11-scientists-refine-quickly-universe.html

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab4a0e

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2011/press-release/

https://www.scientificamerican.com/article/hubble-tension-headache-clashing-measurements-make-the-universes-expansion-a-lingering-mystery/

https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2019/11/aa36373-19/aa36373-19.html

https://phys.org/news/2019-11-evidence-anisotropy-cosmic.html