ความลึกลับของการขยายตัวของจักรวาล

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:18

เมื่อกว่าร้อยปีที่แล้ว ไม่มีใครในโลกของเรารู้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัว แต่ถึงแม้ปัญหาและความโชคร้ายทั้งหมดที่มนุษย์นำมาสู่ศตวรรษที่ 20 ก็เป็นศตวรรษที่มีความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโดดเด่น ในช่วงเวลาสั้นๆ อย่างเหลือเชื่อ เราได้เรียนรู้เกี่ยวกับโลกและจักรวาลมากขึ้นกว่าเดิม

แนวคิดที่ว่าจักรวาลของเรามีการขยายตัวในช่วง 13 หรือ 8 พันล้านปีที่ผ่านมา ได้รับการเสนอครั้งแรกโดย Georges Lemaitre นักฟิสิกส์ชาวเบลเยียมในปี 1927 สองปีต่อมา นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เอ็ดวิน ฮับเบิล สามารถยืนยันสมมติฐานนี้ได้ เขาพบว่ากาแล็กซีแต่ละกาแล็กซีกำลังเคลื่อนตัวออกห่างจากเรา และยิ่งอยู่ไกลเท่าไหร่ มันก็ยิ่งเกิดขึ้นเร็วขึ้นเท่านั้น ทุกวันนี้ มีหลายวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจได้ว่าเอกภพของเราขยายขนาดได้เร็วเพียงใด นี่เป็นเพียงตัวเลขที่นักวิจัยได้รับในกระบวนการวัด ซึ่งในแต่ละครั้ง ผลที่ได้จะแตกต่างกันออกไป แต่ทำไม?

ความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของจักรวาล

ดังที่เราทราบในปัจจุบัน มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดระหว่างระยะห่างจากดาราจักรกับระยะที่ดาราจักรถอยห่างออกไป สมมติว่ากาแล็กซีที่อยู่ห่างจากโลก 1 เมกะพาร์เซก (หนึ่งเมกะพาร์เซกมีค่าประมาณ 3.3 ล้านปีแสง) กำลังเคลื่อนที่ออกไปด้วยความเร็ว 70 กิโลเมตรต่อวินาที และดาราจักรที่อยู่ไกลออกไปเล็กน้อยในระยะทางสองเมกะพาร์เซกนั้นเคลื่อนที่เร็วขึ้นสองเท่า (140 กม. / s)

เป็นที่น่าสนใจด้วยว่าในปัจจุบันนี้ มีสองวิธีหลักในการกำหนดอายุของจักรวาล หรือในทางวิทยาศาสตร์คือ ค่าคงที่ของฮับเบิล ความแตกต่างระหว่างทั้งสองกลุ่มคือชุดวิธีหนึ่งดูที่วัตถุที่ค่อนข้างใกล้ในจักรวาล ในขณะที่อีกวิธีหนึ่งดูที่วัตถุที่อยู่ไกลมาก อย่างไรก็ตาม ไม่ว่านักวิทยาศาสตร์จะใช้วิธีใด ผลลัพธ์จะแตกต่างกันในแต่ละครั้ง ปรากฎว่าเรากำลังทำอะไรผิดหรือที่ไหนสักแห่งในจักรวาลที่ห่างไกล มีบางสิ่งที่ไม่ทราบแน่ชัดกำลังเกิดขึ้น

ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้บนเซิร์ฟเวอร์การพิมพ์ล่วงหน้าของ airxiv.org นักดาราศาสตร์ที่ศึกษากาแลคซีใกล้เคียงใช้วิธีการที่ชาญฉลาดในการวัดการขยายตัวของเอกภพที่เรียกว่าความผันผวนของความสว่างพื้นผิว เป็นชื่อที่แฟนซี แต่มีแนวคิดที่เข้าใจง่ายจริงๆ

ลองนึกภาพว่าคุณกำลังยืนอยู่ตรงชายป่า ตรงหน้าต้นไม้ เนื่องจากคุณอยู่ใกล้มาก คุณจึงเห็นต้นไม้เพียงต้นเดียวในขอบเขตการมองเห็นของคุณ แต่ถ้าถอยหลังซักหน่อยจะเจอต้นไม้เยอะขึ้น และยิ่งคุณไปมากเท่าไหร่ ต้นไม้ก็จะยิ่งปรากฏต่อหน้าต่อตาคุณมากขึ้นเท่านั้น สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นมากมายกับกาแลคซี่ที่นักวิทยาศาสตร์สังเกตด้วยกล้องโทรทรรศน์ แต่ซับซ้อนกว่านั้นมาก

คุณรู้อัตราการขยายตัวของจักรวาลได้อย่างไร?

เพื่อให้ได้สถิติที่ดี นักดาราศาสตร์ต้องสังเกตกาแล็กซีที่ค่อนข้างใกล้โลก ประมาณ 300 ล้านปีแสงหรือใกล้กว่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อทำการสังเกตดาราจักร จำเป็นต้องคำนึงถึงฝุ่น ดาราจักรพื้นหลัง และกระจุกดาวที่สามารถเห็นได้ในภาพที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์

อย่างไรก็ตามจักรวาลมีไหวพริบ นับตั้งแต่ทศวรรษ 1990 นักดาราศาสตร์ได้เห็นว่าดาวระเบิดที่อยู่ห่างไกลออกไปนั้นอยู่ไกลเกินกว่าการวัดธรรมดาๆ สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเชื่อว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเร็วขึ้นกว่าเดิม ซึ่งนำไปสู่การค้นพบพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังลึกลับที่เร่งการขยายตัวของจักรวาล

ตามที่ผู้เขียนงานทางวิทยาศาสตร์เขียนว่า เมื่อเรามองดูวัตถุที่อยู่ไกลออกไป เราจะมองเห็นวัตถุเหล่านั้นเหมือนในอดีต เมื่อจักรวาลยังอายุน้อยกว่าหากอัตราการขยายตัวของจักรวาลนั้นแตกต่างกัน (เช่น 12-13.8 พันล้านปีก่อน) กว่าที่เป็นอยู่ (น้อยกว่าหนึ่งพันล้านปีก่อน) เราจะได้รับค่า Hubble Constant ที่แตกต่างกันสองค่า หรือส่วนต่าง ๆ ของจักรวาลกำลังขยายตัวในอัตราที่ต่างกัน?

แต่ถ้าอัตราการขยายมีการเปลี่ยนแปลง อายุของจักรวาลของเราก็ไม่ได้เป็นอย่างที่เราคิดเลย (นักวิทยาศาสตร์ใช้อัตราการขยายตัวของจักรวาลเพื่อติดตามอายุของมัน) ในทางกลับกัน หมายความว่าจักรวาลมีขนาดแตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าเวลาที่ใช้สำหรับบางสิ่งที่จะเกิดขึ้นก็จะแตกต่างกันด้วย

หากคุณทำตามสายการให้เหตุผลนี้ ในที่สุดปรากฎว่ากระบวนการทางกายภาพที่เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรกเกิดขึ้นในเวลาที่ต่างกัน อาจเป็นไปได้ว่ากระบวนการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องซึ่งส่งผลต่ออัตราการขยาย โดยทั่วไปมีระเบียบบางอย่าง "จากนี้ไปเราจะไม่เข้าใจดีพอว่าเอกภพมีพฤติกรรมอย่างไร หรือเราวัดค่ามันอย่างไม่ถูกต้อง" ผู้เขียนบันทึกการศึกษานี้

ไม่ว่าในกรณีใด ค่าคงที่ฮับเบิลเป็นหัวข้อที่ถกเถียงกันอย่างถึงพริกถึงขิงในชุมชนดาราศาสตร์ อย่างไรก็ตาม การศึกษาใหม่ได้เพิ่มคำถามมากขึ้น ดังนั้นการต่อสู้กับความไม่แน่นอนจะยาวนาน แน่นอน สักวันหนึ่งความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาลจะเปลี่ยนไป แต่เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้น นักจักรวาลวิทยาจะต้องมองหาสิ่งอื่นที่จะโต้แย้ง สิ่งที่พวกเขาจะทำอย่างแน่นอน