เอกภพขยายเร็วกว่าที่คิด และฟิสิกส์ที่โมเดล Lamba-CDM ยังอธิบายไม่ได้



หนึ่งในทฤษฎีทีใช้อธิบายการเกิดขึ้นและตั้งอยู่ของเอกภพที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในปัจจุบันก็คงหนีไม่พ้นทฤษฎี Big Bang ซึ่งจริง ๆ แล้วใจความสำคัญของมันไม่ได้อยู่ที่การระเบิดหรืออะไรตามที่เราเข้าใจ แต่มันอยู่ที่การขยายตัวของเอกภพต่างหาก นับตั้งแต่ทฤษฎี Big Bang ถูกเสนอขึ้น ก็ได้มีตัวเลขตัวนึงที่ถูกใช้เพื่ออธิบายการทำงานของกระบวนการนี้ เราเรียกมันว่า Hubble Constant หรือค่าคงที่ของฮับเบิล

ถ้านักคณิตศาสตร์ให้ความสำคัญกับค่าพาย ตัวเลขที่สำคัญสำหรับนักจักรวาลวิทยาก็คงหนีไม่พ้น Hubble Constant นี้เอง ซึ่งตัวเลขนี้ถูกใช้ในการประมาณการขนาดและอายุของเอกภพ มาตั้งแต่ปี 1929 คือในช่วงที่ Edwin Hubble บอกว่าดาราจักรต่าง ๆ กำลังถอยห่างออกจากเรา และสาเหตุที่มันเป็นเช่นนั้นก็เพราะว่า Big Bang นั่นเอง

ภาพของ Cosmic Microwave Background ที่มา – NASA / WMAP Science Team

ทีนี้ถามว่าเรารู้ได้อย่างไรว่าดาราจักรและดวงดาวต่าง ๆ กำลังเคลื่อนที่ออกห่างไป วิธีการที่เป็นที่นิยมมากที่สุดคือการสังเกต redshift ของคลื่น เรารู้ว่าแสงนั้นเดินทางไม่ช้าลงแต่จะถูกยืดความยาวคลื่นออกเหมือนกับเวลาที่เราได้ยินเสียงรถ ทำให้เราทราบได้ว่ารถคันนั้นกำลังวิ่งเข้าหา อยู่นิ่ง หรือวิ่งออกจากเรา เราศึกษาการ shift ไปในคลื่นที่มีความถี่ต่ำกว่า ซึ่งนั่นหมายความว่า แหล่งกำเนิดคลื่นนั้นกำลังเดินทางหนีออกจากเรา

ตัวเลขที่อธิบายความเป็นไปของจักรวาล

ค่าคงที่ของ Hubble นั้นถูกวัดให้แม่นยำขึ้นเรื่อย ๆ เพราะจริง ๆ แล้วมันมาจากตัวแปรแค่สองตัว จากสมการ Ho = v/d โดยที่ v นั้นคืออัตราเร็วในการเคลื่อนที่ห่างออกไป และ d คือระยะห่างของวัตถุที่เราสังเกตเมื่อเทียบกับผู้สังเกต (ในที่นี้คือกล้องโทรทรรศน์ที่โลก)

นั่นหมายความว่าเมื่อเรามีเทคโนโลยีใหม่ ๆ เราก็สามารถที่จะสร้างค่า Hubble constant นี้ให้แม่นยำยิ่งขึ้น โดยข้อมูลที่ได้จะมาจาก 2 อย่างก็คือ การสังเกต หรือ Observation คือการใช้ data จากกล้องโทรทรรศน์ ยานอวกาศ ต่าง ๆ และการคำนวณทางฟิสิกส์ หรือ Theory ทฤษฎีต่าง ๆ ที่มาช่วยกันสร้างรากฐานทางฟิสิกส์ของจักรวาลวิทยาให้แม่นยำมากขึ้น

โมเดล Lambda-CDM ที่มา – NASA WMAP Science Team

เราอาจจะเห็นโมเดลของ Big Bang ในแบบที่อธิบายง่าย ๆ ด้วยภาพการขยายตัวของเอกภพ ทำให้เรารู้ว่า “ยุค” ต่าง ๆ ของเอกภพ ตั้งแต่มันถือกำเนิดขึ้นนั้นแตกต่างกันทั้งในแง่ของสสาร พลังงาน ความซับซ้อน และความเร่งในการขยายตัวที่เพิ่มมากขึ้น ซึ่งเกิดจากการศึกษา Cosmic Microwave Background หรือพลังงานที่หลงเหลือจากการเกิด Big Bang ที่ยังคงสถิตแทรกอยู่ในทุกอณู และแรงที่ยังคงผลักให้เอกภพขยายตัวนี้ “Dark Energy” พลังงานมืดนี้ยังคงเป็นตัวแปรที่เราไม่รู้จัก เราเรียกรวม ๆ โมเดลที่ใช้ในการอธิบายการทำงานของเอกภพแบบนี้ว่า Lambda-CDM model

สิ่งที่นักฟิสิกส์และจักรวาลวิทยากำลังพยายามค้นหา คือ Physics beyond Lambda-CDM model ในวันที่ 25 เมษายน 2019 มีการตีพิมพ์ Paper ที่ชื่อว่า Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics Beyond ΛCDM ซึ่งใจความหลัก ๆ ของมันก็ตามหัวข้อ ว่าจากการศึกษาล่าสุด มันได้พบ “ความย้อนแย้ง” ในการอธิบายการขยายตัวของเอกภพว่า เอกภพขยายตัวเร็วกว่าที่เราคิด เปิดทางสู่ Physics beyond Lambda-CDM ที่กำลังจะเกิดขึ้นในอนาคต

ตัวเลขใหม่นี้มีที่มาได้อย่างไร

จาก Paper ดังกล่าว นักฟิสิกส์ได้สรุปตัวเลขของอัตราการขยายตัวของเอกภพใหม่ได้อยู่ที่ 74.03 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก (1 เมกะพาร์เซก เท่ากับ 3.08 คูณ 10 ยกกำลัง 19 กิโลเมตร หรือประมาณ 3.26 ล้านปีแสง)

ข้อมูลใหม่นี้ได้จากการศึกษาดาวแปรแสง ในบริเวณ Large Magellanic Cloud ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble เจ้าเดิม ซึ่งข้อมูลนี้เมื่อนำไปเทียบกับค่าที่วัดได้ในช่วงแรกเริ่มของเอกภพ ซึ่งถูกวัดไว้โดยยาน Planck ของ ESA ซึ่งออกแบบมาให้เก็บ Data สำหรับประกอบสร้างโมเดลของเอกภพในช่วงแรกเริ่ม เน้นไปที่การศึกษาพฤติกรรมของ Cosmic Microwave Background ซึ่งจริง ๆ แล้วข้อมูลตัวเลขที่ได้มานั้น ในทางทฤษฎีกับในทางการตรวจวัดนั้นค่อนข้างขัดแย้งกัน แต่เนื่องจาก data ที่ได้อาจจะยังไม่แน่ชัด นักฟิสิกส์จึงไม่สามารถยันได้ชัดเจนว่าอันไหนผิดอันไหนถูกกันแน่

ตารางเปรียบเทียบระหว่างค่าที่วัดได้จากดาวเทียม Plank ในช่วงเริ่มของจักรวาลกับข้อมูลล่าสุดจากกล้อง Hubble ที่มา – Space Telescope Science Institute

แต่ด้วย data ล่าสุดจาก Hubble นี้ ช่วยยืนยันความแม่นยำของ “การขัดแย้ง” ของข้อมูลได้มากขึ้น โอกาสที่การวัดนี้จะมาจากความผิดพลาดเหลือแค่ 1 ใน 100,000 จากเดินที่มากถึง 1 ใน 3,000 (ตัวเลขนี้อ้างอิงจากการประเมินของ Phys.org )

วิธีการที่ใช้ศึกษาก็คือการศึกษาดาวแปรแสง (Cepheid variables) เนื่องจากวัตถุพวกนี้มีแสงสว่างวาบและหายไปและกลับมาสว่างวาบอีกในเวลาที่จัดเจนแน่นอน ตรวจวัดได้ เหมือนกับเป็นประภาคาร ความสว่างของดาวมีผลต่อการสว่างวาบและหายไปของมัน ความสัมพันธ์นี้ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถใช้วัดระยะห่างโดยประมาณได้ และสร้างเป็นจุด Checkpoint ในระยะห่างต่าง ๆ เหมือนการพล็อตจุดในไม้บรรทัด เราเรียกเทคนิคนี้ว่า Cosmic Distance Ladder ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ตอกย้ำความเชื่อในทฤษฎี Big Bang มานาน และตรงกับวิธีคิดแบบโมเดล Lambda-CDM ซึ่งพอเป็นแบบนี้แปลว่าวิธีการคิดแบบนี้มันใช้งานได้ และนักวิทยาศาสตร์ก็ใช้วิธีนี้ในการศึกษาจักรวาลมาเป็นเวลาพอสมควรแล้ว ด้วยข้อมูลจากกล้องทั้งภาคพื้นโลกและอวกาศต่าง ๆ เพื่อวัดค่าให้แม่นยำขึ้น

ภาพถ่าย Large Magellanic Cloud ที่มา – Zdeněk Bardon/ESO

แต่ถ้าที่ได้มานี้ เป็นการสร้างความขัดแย้งกับ Data เดิม และทำให้ข้อมูลจากการวัดที่ค่อนข้างแม่นยำก่อนหน้านี้แม่นยำมากขึ้น ( การวัดครั้งล่าสุดจาก Paper ชื่อ A distance to the Large Magellanic Cloud that is precise to one per cent) นักดาราศาสตร์จึงบอกว่า มันเป็นการเปิดทางสู่ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่อยู่นอกเหนือจากโมเดล Lambda-CDM ที่เรามีอยู่เดิม และเป็นเรื่องน่าสนุกที่ข้อมูลฝั่ง Theory และฝั่ง Observation ผิดแปลกไปจากกันมากขนาดนี้ โดยที่ข้อมูลล่าสุดมายืนยันได้ว่ามันไม่ใช่ความบังเอิญ

เราไม่มีทางรู้ว่าการศึกษานี้จะนำไปสู่อะไร แต่ก็ปฏิเสธไม่ได้ว่ามันจะมีความเกี่ยวข้องกับอีกหลายตัวแปรที่เรายังไม่รู้จัก โดยเฉพาะ Dark Matter และ Dark Energy ที่กินพื้นที่ส่วนมากในจักรวาลแต่เรายังรู้จักมันน้อยนิดนัก

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co