จักรวาลกลับกลายเป็นว่าผิด

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

นักจักรวาลวิทยากำลังเผชิญกับปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่ร้ายแรง ซึ่งบ่งชี้ถึงความไม่สมบูรณ์ของความรู้ของมนุษย์เกี่ยวกับจักรวาล ความซับซ้อนเกี่ยวข้องกับสิ่งที่ดูเหมือนเล็กน้อย เช่น อัตราการขยายตัวของจักรวาล ความจริงก็คือวิธีการที่แตกต่างกันบ่งบอกถึงความหมายที่แตกต่างกัน และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครสามารถอธิบายความคลาดเคลื่อนที่แปลกประหลาดนี้ได้

ความลึกลับของจักรวาล

ในปัจจุบัน แบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน "Lambda-CDM" (ΛCDM) อธิบายวิวัฒนาการและโครงสร้างของจักรวาลได้แม่นยำที่สุด ตามแบบจำลองนี้ เอกภพมีค่าคงที่คอสโมโลจีที่เป็นบวกไม่เป็นศูนย์ (ระยะแลมบ์ดา) ทำให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ΛCDM ยังอธิบายโครงสร้างที่สังเกตได้ของ CMB (พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก) การกระจายของกาแลคซีในจักรวาล ความอุดมสมบูรณ์ของไฮโดรเจนและอะตอมของแสงอื่นๆ และอัตราการขยายตัวของสุญญากาศ อย่างไรก็ตาม ความคลาดเคลื่อนอย่างร้ายแรงของอัตราการขยายอาจบ่งบอกถึงความจำเป็นในการเปลี่ยนแปลงแบบจำลองอย่างสิ้นเชิง

นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Vivian Poulin จากศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติฝรั่งเศสและห้องทดลองสำหรับจักรวาลและอนุภาคในมงต์เปลลิเยร์ให้เหตุผลว่าสิ่งนี้หมายถึงสิ่งต่อไปนี้: มีบางสิ่งที่สำคัญเกิดขึ้นในเอกภพอายุน้อยที่เรายังไม่รู้ บางทีอาจเป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานมืดประเภทที่ไม่รู้จักหรืออนุภาคย่อยของอะตอมชนิดใหม่ หากโมเดลคำนึงถึงความคลาดเคลื่อนจะหายไป

ใกล้จะวิกฤตแล้ว

วิธีหนึ่งในการกำหนดอัตราการขยายตัวของจักรวาลคือการศึกษาพื้นหลังของไมโครเวฟ - รังสีที่ระลึกที่เกิดขึ้น 380,000 ปีหลังจากบิกแบง ΛCDM สามารถใช้เพื่อหาค่าคงที่ฮับเบิลโดยการวัดความผันผวนขนาดใหญ่ใน CMB ปรากฎว่ามีค่าเท่ากับ 67, 4 กิโลเมตรต่อวินาที สำหรับแต่ละเมกะพาร์เซก หรือประมาณสามล้านปีแสง (ด้วยความเร็วดังกล่าว วัตถุจะแยกออกจากกันในระยะทางที่เหมาะสม) ในกรณีนี้ ข้อผิดพลาดคือ 0.5 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก

หากเราได้ค่าเท่ากันโดยใช้วิธีอื่น สิ่งนี้จะยืนยันความถูกต้องของแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน นักวิทยาศาสตร์ได้วัดความสว่างของแท่งเทียนมาตรฐาน ซึ่งเป็นวัตถุที่ทราบความสว่างอยู่เสมอ ตัวอย่างเช่น วัตถุดังกล่าวเป็นซุปเปอร์โนวาประเภท Ia ซึ่งเป็นดาวแคระขาวที่ไม่สามารถดูดซับสสารจากดาวข้างเคียงขนาดใหญ่และระเบิดได้อีกต่อไป ด้วยความสว่างที่เห็นได้ชัดของแท่งเทียนมาตรฐาน คุณสามารถกำหนดระยะห่างจากแท่งเทียนเหล่านั้นได้ ในแบบคู่ขนาน คุณสามารถวัด redshift ของซุปเปอร์โนวา นั่นคือ การเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงเป็นบริเวณสีแดงของสเปกตรัม ยิ่ง redshift มากเท่าใด ความเร็วที่วัตถุจะถูกลบออกจากผู้สังเกตก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดอัตราการขยายตัวของจักรวาลซึ่งในกรณีนี้จะเท่ากับ 74 กิโลเมตรต่อวินาทีสำหรับแต่ละเมกะพาร์เซก ไม่ตรงกับค่าที่ได้รับจาก ΛCDM อย่างไรก็ตาม ไม่น่าเป็นไปได้ที่ข้อผิดพลาดในการวัดสามารถอธิบายความคลาดเคลื่อนได้

ตามที่ David Gross จากสถาบัน Kavli Institute for Theoretical Physics ที่ University of California, Santa Barbara ในด้านฟิสิกส์อนุภาค ความคลาดเคลื่อนดังกล่าวจะไม่เรียกว่าปัญหา แต่เรียกว่าวิกฤต อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งไม่เห็นด้วยกับการประเมินนี้ สถานการณ์มีความซับซ้อนโดยวิธีอื่นซึ่งอิงจากการศึกษาเอกภพยุคแรกด้วย ได้แก่ การสั่นของอะคูสติกแบบแบริออน - การสั่นในความหนาแน่นของสสารที่มองเห็นได้ซึ่งเติมจักรวาลต้นจักรวาลการสั่นสะเทือนเหล่านี้เกิดจากคลื่นอะคูสติกในพลาสมาและมีขนาดที่ทราบอยู่เสมอ ทำให้ดูเหมือนเทียนมาตรฐาน เมื่อรวมกับการวัดอื่นๆ จะทำให้ค่าคงที่ฮับเบิลสอดคล้องกับ ΛCDM

รุ่นใหม่

มีความเป็นไปได้ที่นักวิทยาศาสตร์จะทำผิดพลาดเมื่อใช้ซุปเปอร์โนวา Type Ia ในการกำหนดระยะทางไปยังวัตถุที่อยู่ห่างไกล คุณต้องสร้างบันไดวัดระยะทาง

ขั้นแรกของบันไดนี้คือ Cepheids ซึ่งเป็นดาวแปรผันที่มีความสัมพันธ์ระหว่างช่วงเวลาและความส่องสว่างที่แม่นยำ เซเฟอิดส์สามารถใช้กำหนดระยะห่างจากซุปเปอร์โนวาประเภท Ia ที่ใกล้ที่สุดได้ ในการศึกษาหนึ่งแทนที่จะใช้เซเฟอิดส์ยักษ์แดงถูกนำมาใช้ซึ่งในบางช่วงของชีวิตจะมีความสว่างสูงสุด - มันเหมือนกันสำหรับยักษ์แดงทั้งหมด

เป็นผลให้ค่าคงที่ฮับเบิลกลายเป็น 69.8 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก Wendy Freedman จาก University of Chicago หนึ่งในผู้เขียนรายงานกล่าวว่าไม่มีวิกฤต

แต่ข้อความนี้ถูกตั้งคำถามด้วย การทำงานร่วมกันของ H0LiCOW วัดค่าคงที่ฮับเบิลโดยใช้เลนส์โน้มถ่วง ซึ่งเป็นเอฟเฟกต์ที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุขนาดใหญ่โค้งงอรังสีจากวัตถุที่อยู่ไกลออกไปด้านหลัง หลังอาจเป็นควาซาร์ - นิวเคลียสของกาแลคซีที่ใช้งานอยู่ซึ่งเลี้ยงโดยหลุมดำขนาดมหึมา เนื่องจากเลนส์โน้มถ่วง รูปภาพหลายภาพของควาซาร์หนึ่งสามารถปรากฏขึ้นพร้อมกันได้ โดยการวัดการสั่นไหวของภาพเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค่าคงที่ฮับเบิลที่อัปเดตแล้วที่ 73.3 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์จนกระทั่งล่าสุดไม่ทราบผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ ซึ่งไม่รวมความเป็นไปได้ของการฉ้อโกง

ผลของการวัดค่าคงที่ฮับเบิลจากแมเซอร์ธรรมชาติที่เกิดขึ้นเมื่อก๊าซหมุนรอบหลุมดำกลายเป็น 74 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก วิธีอื่นให้ 76.5 และ 73.6 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ปัญหายังเกิดขึ้นในการวัดการกระจายของสสารในจักรวาล เนื่องจากเลนส์โน้มถ่วงให้ค่าที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับการวัดพื้นหลังไมโครเวฟ

หากปรากฎว่าความคลาดเคลื่อนไม่ได้เกิดจากข้อผิดพลาดในการวัด ทฤษฎีใหม่จะต้องอธิบายข้อมูลทั้งหมดที่มีอยู่ในปัจจุบัน ทางออกหนึ่งที่เป็นไปได้คือการเปลี่ยนปริมาณพลังงานมืดที่ก่อให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาล แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จะชอบที่จะทำโดยไม่ต้องปรับปรุงฟิสิกส์ แต่ปัญหาก็ยังไม่ได้รับการแก้ไข