เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงซึ่งตามมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ในเวลานี้นักวิจัยได้ค้นพบครั้งแรกว่าพฤติกรรมของกาแลคซีห่างไกลไม่สอดคล้องกับการทำนายของทฤษฎีแรงโน้มถ่วง การบิดเบี้ยวของกาล-อวกาศจากกระจุกดาวและระบบดาวที่อยู่ไกลออกไปนั้นรุนแรงกว่ามวลของวัตถุดังกล่าวที่คำนวณจากการสังเกตมาก
ต่อมาในปลายทศวรรษ 1990 นักวิจัยค้นพบข้อเท็จจริงที่ผิดปกติอีกอย่างหนึ่ง ปรากฎว่าอัตราการขยายตัวของเอกภพเพิ่มขึ้นตามเวลา ผลกระทบนี้ท้าทายทฤษฎีของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อีกประการหนึ่ง นั่นคือ ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของสสารควรจะชะลอการขยายตัวของเอกภพ ไม่ใช่เร่งให้เร็วขึ้น แบบจำลองจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ - แบบจำลอง ΛCDM - พบคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่ยอมแพ้ที่จะท้าทายอัจฉริยภาพในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20
ทำไมนักวิทยาศาสตร์ถึงคิดว่าจักรวาลกำลังขยายตัวในอัตราเร่ง?
การขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลถูกค้นพบใน1998 อันเป็นผลมาจากการทำงานของสองทีมอิสระในคราวเดียว: โครงการ Supernova Cosmology และ High-Z Supernova Search Group กลุ่มวิจัยทั้งสองกลุ่มศึกษาความเร่งของการขยายตัวของจักรวาลโดยการวิเคราะห์การระเบิดของดาวที่อยู่ห่างไกล
ซุปเปอร์โนวาแบบ La-type มีความใกล้เคียงกันความส่องสว่างมาตรฐาน เมื่อสังเกตความสว่างของวัตถุดังกล่าว เราสามารถกำหนดได้ว่าวัตถุเหล่านั้นอยู่ไกลแค่ไหน นอกจากนี้ เมื่อเอกภพขยายตัว แสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลจะเปลี่ยนไปใช้ด้านสีแดงของสเปกตรัม ด้วยการวัดเรดชิฟต์ เราสามารถระบุได้ว่าเอกภพขยายตัวเท่าใดตั้งแต่เกิดซุปเปอร์โนวา
นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ในช่วงนี้การทดลองต่างๆ มั่นใจว่าจักรวาลควรขยายตัวในอัตราที่ช้าลง หลังจากนั้นกระบวนการควรจะหยุดหรือเริ่มหดตัว แต่ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิด ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองกลุ่มได้รับมาโดยอิสระก็คือ จักรวาลกำลังขยายตัวในอัตราเร่งที่รวดเร็ว
การขยายตัวของจักรวาลได้รับการยืนยันในภายหลังวิธีอื่นๆ การวัดพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลวิทยา (ร่องรอยของบิ๊กแบง) ผลกระทบของเลนส์โน้มถ่วงและการวิเคราะห์การสั่นของเสียงแบริออนยืนยันสมมติฐานของการขยายตัวของจักรวาล
ในปี พ.ศ. 2550 ทั้งสองทีมที่ค้นพบผลกระทบของการขยายตัวของจักรวาลได้รับรางวัลกรูเบอร์ในสาขาจักรวาลวิทยา และในปี พ.ศ. 2554 ผู้เข้าร่วมสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์
การขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาล ภาพ: NASA, STSci, Ann Feild
จะอธิบายการขยายตัวแบบเร่งได้อย่างไร?
เพื่ออธิบายการสังเกตการณ์ (การขยายตัวของเอกภพและการบิดเบือนอวกาศ-เวลาจากกาแลคซีไกลโพ้นที่รุนแรงขึ้น) นักวิทยาศาสตร์ได้แนะนำแบบจำลองใหม่สองแบบ ได้แก่ สสารมืดและพลังงานมืด
สสารมืดเป็นรูปแบบสมมุติซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีประมาณ 85% ของสสารในจักรวาล เรียกว่ามืดเพราะไม่มีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแต่อย่างใด กล่าวอีกนัยหนึ่ง สสารดังกล่าวไม่สะท้อน ดูดซับ หรือปล่อยแสงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ อย่างไรก็ตาม มันมีมวลของมันเอง และด้วยเหตุนี้จึงมีอิทธิพลต่อแรงโน้มถ่วง การเพิ่มสสารมืดลงในแบบจำลองจักรวาลวิทยาช่วยอธิบายแรงโน้มถ่วงที่แรงกว่าของดาราจักรที่อยู่ห่างไกลออกไป
พลังงานมืดเป็นรูปแบบสมมุติพลังงานไม่เหมือนกับสสารมืดที่ไม่ค่อยมีใครรู้จัก เชื่อกันว่าพลังงานมืดมีความเป็นเนื้อเดียวกันมาก ไม่หนาแน่นมาก และไม่สามารถโต้ตอบกับแรงพื้นฐานใดๆ นอกเหนือจากแรงโน้มถ่วง พลังงานนี้เกี่ยวข้องกับพลังงานสุญญากาศ หากเราคิดว่าในขณะที่จักรวาลขยายตัวและพื้นที่ว่างเพิ่มขึ้น พลังงานนี้จะเพิ่มขึ้น จากนั้นจะสามารถอธิบายการเปลี่ยนแปลงจากการขยายตัวแบบสม่ำเสมอเป็นการขยายตัวแบบเร่งได้
แม้ว่าสมมติฐานพลังงานมืดจะอธิบายได้ดีกระบวนการที่สังเกตได้ในจักรวาล การดำรงอยู่และปฏิสัมพันธ์ของมันกับสนามโน้มถ่วงเท่านั้นนั้นยากที่จะเชื่อมโยงกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์
จะทดสอบทฤษฎีได้อย่างไร?
นักวิชาการบางคนเชื่อว่าถ้าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงไม่สามารถอธิบายพลังงานมืดได้ บางทีมันอาจจะไม่สมบูรณ์ และต้องเพิ่มพารามิเตอร์หรือตัวแปรเพิ่มเติมในสมการที่จะเชื่อมโยงการสังเกตทั้งหมดเข้าด้วยกัน เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ นักวิทยาศาสตร์มองหาสัญญาณการละเมิดทฤษฎีแรงโน้มถ่วงในอดีต
งานชิ้นหนึ่งคือการวิจัยระดับนานาชาติพลังงานมืดโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ Victor Blanco ขนาด 4 เมตรในประเทศชิลี ผลลัพธ์ของการสังเกตการณ์นี้ถูกนำเสนอในเดือนสิงหาคมที่การประชุมนานาชาติเรื่องฟิสิกส์อนุภาคและจักรวาลวิทยา (COSMO’22) ในเมืองรีโอเดจาเนโร
ผู้เข้าร่วมการศึกษามองหาหลักฐานความจริงที่ว่าแรงโน้มถ่วงมีการเปลี่ยนแปลงตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาลหรือในอดีตอันไกลโพ้น สำหรับงานของพวกเขานอกเหนือจากกล้องโทรทรรศน์ Blanco หลักแล้วยังใช้ข้อมูลจากดาวเทียม Planck ของ European Space Agency
นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ศึกษาภาพกาแล็กซีต่างๆการมีอยู่ของการบิดเบือนที่ละเอียดอ่อนยิ่งขึ้นเนื่องจากการโค้งของอวกาศด้วยสสารมืด - ผลกระทบที่เรียกว่าเลนส์โน้มถ่วงที่อ่อนแอ ความแรงของแรงโน้มถ่วงเป็นตัวกำหนดขนาดและการกระจายตัวของโครงสร้างสสารมืด และขนาดและการกระจายตัวจะกำหนดว่ากาแลคซีเหล่านี้ปรากฏโค้งอย่างไรต่อเรา
โดยการวัดค่าพารามิเตอร์เหล่านี้ทั้งหมด จะสามารถกำหนดแรงได้แรงโน้มถ่วงในกาแลคซีไกลโพ้น และเนื่องจากแสงจากพวกมันใช้เวลาหลายล้านล้านปีในการมาถึงเรา นักวิทยาศาสตร์จึงกำลังตรวจสอบว่าแรงโน้มถ่วงมีพฤติกรรมอย่างไรในอดีต
นักวิจัยรายงานว่าได้ศึกษาแล้วแรงโน้มถ่วงและรูปร่างในกาแลคซีมากกว่า 100 ล้านแห่ง แต่ในการทดลองทั้งหมด การสังเกตสอดคล้องกับทฤษฎีของไอน์สไตน์อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นธรรมชาติของพลังงานมืดยังคงเป็นปริศนา
เลนส์โน้มถ่วง เช่นเดียวกับที่เห็นในภาพแรกของเจมส์ เวบบ์ กำลังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สำรวจสสารมืดและแรงโน้มถ่วงในระบบที่อยู่ห่างไกล ภาพ: NASA, ESA, CSA, STScI
ถัดไปคืออะไร
ทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังคงอยู่แต่นักวิจัยทดสอบความแข็งแกร่งของมันต่อไป ความพยายามใหม่ในการอธิบายธรรมชาติของพลังงานมืดจะกระทำโดยภารกิจดาวเทียม องค์การอวกาศยุโรปวางแผนที่จะเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์อวกาศยุคลิดในปี 2566 เครื่องมือของอุปกรณ์จะวัดการเคลื่อนไปทางสีแดงของกาแลคซีที่อยู่ในระยะทางที่แตกต่างจากโลก และสำรวจความสัมพันธ์ระหว่างการเคลื่อนไปทางสีแดงและระยะทาง
นักพัฒนาคาดหวังว่า Euclid จะสามารถมองย้อนกลับไป 8 พันล้านปี ด้วยความช่วยเหลือของการวัดที่แม่นยำเป็นพิเศษ เขาจะสามารถค้นหาว่าสิ่งต่าง ๆ เป็นอย่างไรด้วยแรงโน้มถ่วง สสารมืด และพลังงานมืดในยุคนี้
NASA กำลังวางแผนภารกิจที่คล้ายกัน:ในปี พ.ศ. 2570 มีแผนจะเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman สู่วงโคจรโลก นักวิจัยเชื่อว่าเขาจะสามารถศึกษากาแลคซี่ที่อยู่ห่างออกไป 11 พันล้านปีแสงและศึกษาจักรวาลที่เก่าแก่ที่สุดได้
อ่านเพิ่มเติม:
ภาพแรกของส่วนใต้ดินของดาวอังคารทำให้นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจ
จากร่างกายสู่ปาก: นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าฟันมาจากไหน
ที่ไหนในโลกที่จะอันตรายที่สุดในปี 2100: มีการเผยแพร่แผนที่ใหม่
ปก: ออกแบบ Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0 ผ่าน Wikimedia Commons