หรือเราเข้าใจผิดมาโดยตลอด ? NASA คิดวิธีใหม่วัดการขยายตัวของจักรวาลแบบใหม่
หนึ่งในปริศนาของเอกภพ ก็คือเรื่องการขยายตัวของเอกภพ สิ่งนี้ถือเป็นตัวแปรพื้นฐานในการทำความเข้าใจวิวัฒนาการและจุดสิ้นสุดของเอกภพ ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยืนยันว่าเอกภพขยายตัวจริง ๆ แต่มันขยายตัวเพราะอะไร หรืออัตราการขยายตัวที่แท้จริงของมันคือเท่าไหร่นั้นยังคงเป็นคำถามที่หาคำตอบที่ชัดเจนไม่ได้
ทั้งนี้สำหรับอัตราการขยายตัวนั้น นักวิทยาศาสตร์มีวิธีวัดค่าหลายวิธี แต่มี 2 วิธีที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง คือวิธีเทียนมาตรฐาน และวิธีไม้บรรทัดมาตรฐาน
1. วิธีเทียนมาตรฐาน (Standard Candles) วิธีนี้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่า “บันไดระยะทางจักรวาล (Cosmic Distance Ladder)” ก็คือวิธีการที่นักดาราศาสตร์ใช้เพื่อวัดระยะทางสัมพัทธ์ของวัตถุต่าง ๆ ในจักรวาล ขึ้นอยู่กับวัตถุที่กำลังสำรวจ เหตุผลที่เรียกว่าบันได เพราะแต่ละขั้นตอนนั้นขึ้นอยู่กับผลลัพธ์ของขั้นตอนก่อนหน้าที่ได้รับการสำรวจ สิ่งที่ใช้วัดระยะทางสัมพัทธ์ก็คือ แสงสว่างที่มีอยู่ในจักรวาล โดยแสงที่ได้นี้มาจากหมู่ดาวแปรแสงเซฟิดและซูเปอร์โนวาประเภท la ซึ่งนักดาราศาสตร์ใช้ความสว่างและการกระพริบแสงในความถี่ที่คงที่มาเป็นหลักในการวัด เพื่อคำนวณระยะทางในอวกาศ ด้วยวิธีนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ประมาณการว่าจักรวาลของเราขยายตัวด้วยความเร็วประมาณ 73 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก (พาร์เซก (Parsec) คือหน่วยวัดทางดาราศาสตร์ เพื่อวัดระยะห่างอันกว้างใหญ่ระหว่างกาแล็กซี โดย 1 พาร์เซกมีค่า 3.26 ปีแสง ดังนั้น 1 เมกะพาร์เซกมีค่า 3.26 ล้านปีแสง) หมายความว่าปริมาตรของเอกภพทุก ๆ 1 เมกะพาร์เซก จักรวาลจะขยายขนาดออกไปด้วยอัตราเร็ว 73 กิโลเมตรทุก ๆ วินาที
2. วิธีไม้บรรทัดมาตรฐาน (Standard Rulers) วิธีนี้จะวัดการขยายตัวของเอกภพด้วยสัญญาณจากจักรวาลในยุคแรกเริ่ม คือ รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (Cosmic Microwave Background : CMB) ซึ่งคือแสงแรกที่ส่องผ่านจักรวาล เกิดขึ้นประมาณ 380,000 ปี หลังจากเกิดบิ๊กแบง (Big Bang) และอีกสัญญาณคือการสั่นแบบเสียงของแบริออน (Baryon Acoustic Oscillations : BAO) ซึ่งคือคลื่นเสียงจากจักรวาลในยุคแรก จากวิธีการนี้นักวิทย์พบว่ามีอัตราการขยายตัวด้วยความเร็วประมาณ 67 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก
อย่างที่เห็นว่าวิธีการวัดค่าทั้ง 2 วิธี ให้ค่าความเร็วการขยายตัวของเอกภพที่ไม่สอดคล้องกัน ไม่ว่านักวิทยาศาสตร์จะประมาณค่าอัตราการขยายตัวของเอกภพกี่ครั้ง ทั้ง 2 วิธีนี้ก็ได้ค่าที่ไม่ตรงกัน สิ่งนี้เรียกว่า “ความตึงเครียดของฮับเบิล (Hubble Tension)” ซึ่งจะมีผลต่อข้อมูลว่าจักรวาลมีอายุเท่าไหร่และมีวิวัฒนาการอย่างไร นั่นทำให้เกิดคำถามตามมาหลายประเด็นว่า "การเก็บข้อมูลของฮับเบิลถูกต้องหรือไม่ หรือเราต้องพัฒนามองหาแนวทางฟิสิกส์ใหม่ เพื่อทำความเข้าใจการขยายตัวของจักรวาลเพิ่มเติม หรือผลการประมาณค่าการขยายตัวของเอกภพทั้ง 2 วิธีนั้นเกิดจากข้อผิดพลาดกันแน่ ?"
แต่ล่าสุดทีม ชูส์ (SH0ES หรือ Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) ได้มองหาวิธีการใหม่ในการตรวจสอบและประมาณค่าอัตราการขยายตัวของจักรวาล ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลร่วมกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ทำงานร่วมกัน นำไปสู่ผลลัพธ์ที่แม่นยำ และลดข้อผิดพลาดลง นำทีมโดย อดัม รีส (Adam Riess) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ (Johns Hopkins) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลจากการร่วมคิดค้นทฤษฎีที่ว่าการขยายตัวของจักรวาลกำลังเร่งตัวขึ้น เป็นผลมาจากปรากฏการณ์ลึกลับที่ปัจจุบันเรียกว่า “พลังงานมืด”
สำหรับการวัดแสงของดาวแปรแสงเซฟิดนี้มีปัญหามาอย่างยาวนาน คือ ปกติเมื่อสำรวจในบันไดขั้นที่ 1 นั้นจะไม่เกิดปัญหาเท่าไหร่นัก แต่เมื่อยิ่งสำรวจลึกเข้าไปในจักรวาล หรือการสำรวจเคลื่อนออกไปตามบันไดขั้นที่ 2 ความแม่นยำในการวัดก็จะยิ่งน้อยลง นั่นเป็นผลมาจากแสงจากหมู่ดาวที่รวมกันมาก ๆ ทำให้รบกวนการวัดค่า คือ ภาพถ่ายฮับเบิลของดาวแปรแสงเซฟิดจะรวมกันมากขึ้น และทับซ้อนกับดาวฤกษ์ข้างเคียง จนแยกออกจากกันได้ยาก นอกจากนี้ ก็อาจจะมีฝุ่นเข้ามาเป็นตัวแปรของความแม่นยำในการวัดด้วย
แต่ทีมชูส์ได้นำกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์เข้ามาศึกษาร่วมด้วย เนื่องจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์สามารถสำรวจได้คมชัดกว่ากล้องฮับเบิลในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด จึงช่วยขจัดปัญหาหลัก ๆ ได้ 2 อย่างคือ 1. มองฝ่าฝุ่นเข้าไปสำรวจได้ และ 2. สามารถแยกดาวแปรแสงออกจากดาวฤกษ์ได้อย่างชัดเจน และผลลัพธ์ที่ได้ช่วยยืนยันว่าการสำรวจและเก็บข้อมูลของฮับเบิลนั้นถูกต้อง มีความคาดเคลื่อนเล็กน้อยมาตลอด 34 ปี ตามคำกล่าวขององค์การอวกาศยุโรป
สิ่งสำคัญคือตอนนี้ แม้จะมีวิธีการวัดค่าแบบใหม่นี้ แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถแก้ไขปัญหาเรื่อง ความตึงเครียดของฮับเบิล (Hubble Tension) ที่ยังมีค่าไม่เท่ากันได้ นำไปสู่การตั้งคำถามที่ว่าอาจมีบางสิ่งถักทออยู่ในโครงสร้างของอวกาศที่เรายังไม่เข้าใจ เหมือนอย่างที่อดัม รีส บอกว่า “เมื่อข้อผิดพลาดในการวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพถูกกำจัดแล้ว เราจะพบความเป็นจริงของจักรวาล และเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นว่าเราอาจเข้าใจผิดเกี่ยวกับจักรวาลก็ได้”
ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้กล้องเจมส์ เวบบ์และกล้องฮับเบิลร่วมกันเพื่อวัดขั้นสุดท้าย (Definitive Measurements) นั่นอาจจะเปิดเผยความเป็นได้อื่น ๆ ของจักรวาล ที่มีอิทธิพลต่ออัตราการขยายตัว นอกเหนือไปจากความผิดพลาดในการวัด โดยการสำรวจล่าสุดนี้ประกอบด้วยโฮสต์กาแล็กซี 5 แห่งที่มีซูเปอร์โนวาประเภท Ia 8 ดวง มีฝูงดาวแปรแสงเซฟิดอยู่ทั้งหมด 1,000 ดวง และการสำรวจนี้ขยายไปไกลถึงกาแล็กซี NGC 5468 ซึ่งเป็นกาแล็กซีที่อยู่ไกลที่สุดที่มีการตรวจวัดเซเฟอิด อยู่ห่างจากโลกเรา 130 ล้านปีแสง ถือเป็นการครอบคลุมช่วงที่ทำการวัดด้วยกล้องฮับเบิลทั้งหมด ซึ่งกากันดีป อานันท์ (Gagandeep Anand) ผู้ร่วมเขียนงานวิจัยและเป็นผู้ดูแลกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์และฮับเบิลให้กับองค์การนาซา กล่าวว่า “ถือเป็นจุดสิ้นสุดขั้นที่ 2 ของบันไดระยะทางจักรวาลแล้ว” หรือก็คือการบอกเป็นนัยว่าได้ผลักดันขอบเขตการสังเกตของฮับเบิลไปไกลที่สุด ซึ่งสามารถทำการวัดที่เชื่อถือได้โดยใช้เทคนิคที่มีอยู่
อดัม รีส กล่าวเพิ่มเติมว่า “การทำงานร่วมกันของเจมส์เวบบ์และฮับเบิล ทำให้เราได้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า ตอนนี้เราได้ขยายขอบเขตทั้งหมดที่ฮับเบิลสังเกตเห็น เราสามารถแยกแยะข้อผิดพลาดในการวัดที่เป็นหาเหตุให้เกิดความตึงเครียดของฮับเบิล (Hubble Tension) และเรามีความมั่นใจสูงมาก”
กล่าวโดยสรุป คือ งานวิจัยนี้ได้คิดวิธีการวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพด้วยวิธีการเทียนมาตรฐานแบบใหม่ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลทำงานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ จนมั่นใจได้ว่าสามารถวัดระยะทางที่แม่นยำของดาวแปรแสงเซฟิดได้และสำรวจจนสิ้นสุดบันไดระยะทางจักรวาลขั้นที่ 2 แล้ว แต่ค่าอัตราการขยายตัวของเอกภพที่ได้ ก็ยังไม่สอดคล้องกับค่าที่ได้จากวิธีไม้บรรทัดมาตรฐานอยู่ดี ดังนั้นนักวิจัยจึงตั้งข้อสังเกตว่า อาจมีโครงสร้างบางอย่างในเอกภพที่มนุษย์เรายังไม่เข้าใจหรือไม่เคยค้นพบอยู่ ซึ่งตอนนี้ ก็กำลังใช้กล้องฮับเบิลและเจมส์ เวบบ์ทำการวัดขั้นสุดท้าย และยังไม่สามารถตอบได้ว่าเราจะได้คำตอบเมื่อไหร่ ซึ่งตัวเลขของอัตราการการขยายตัวของจักรวาลอาจจะเปลี่ยนไปจากที่เราเคยรับรู้ก็เป็นได้
ถือเป็นอีกหนึ่งความก้าวหน้าด้านจักรวาลวิทยาของมนุษย์เรา อีกไม่นานเราอาจจะแก้ปัญหาเรื่องความตึงเครียดของฮับเบิล (Hubble Tension) ได้ จนทำให้รู้อัตราการขยายตัวจริง ๆ ของจักรวาล ในขณะเดียวกัน ก็อาจค้นพบโครงสร้างใหม่ ๆ ที่ถักทออยู่ในจักรวาล ไม่แน่ว่าหากความเข้าใจเดิมเกี่ยวกับจักรวาลของเรานั้นผิด ก็อาจต้องรื้อการทำความเข้าใจเกี่ยวกับจักรวาลใหม่ แต่เหนือสิ่งอื่นใดแล้วสิ่งเหล่านี้จะนำไปสู่ความก้าวหน้าของมนุษยชาติ เพราะมนุษย์จะผลักดันความสามารถของตัวเองจนถึงขีดสุด ในการพัฒนาเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยกว่าเดิม เพื่อหาคำตอบที่ยังคงถกเถียงและเป็นปริศนานี้ให้ได้
การค้นพบนี้ตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal Letters ฉบับวันที่ 6 กุมภาพันธ์ 2024
ที่มาข้อมูล NASA, Futurism, Space, ScienceAlert, ESA
ที่มารูปภาพ NASA