แรงโน้มถ่วงจะช่วยวัดค่าคงที่ฮับเบิล: จักรวาลขยายตัวเร็วแค่ไหน

ในช่วงทศวรรษที่ 1920 นักวิทยาศาสตร์ถกเถียงกันอย่างดุเดือดเกี่ยวกับขนาดของจักรวาลและธรรมชาติของเนบิวลา บางส่วนของพวกเขา

แย้งว่าเมฆก๊าซจักรวาลนั้นระบบดาวเคราะห์อายุน้อยที่กำลังก่อตัวในทางช้างเผือกและอื่น ๆ - สิ่งเหล่านี้เป็น "จักรวาล" ที่แยกจากกันห่างไกลคล้ายกับของเรา นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เอ็ดวิน ฮับเบิล ยุติข้อพิพาทนี้

นักวิทยาศาสตร์คำนวณระยะทางไปยังเนบิวลาและพบว่าแอนโดรเมดามีขนาดใหญ่กว่าทางช้างเผือกซึ่งหมายความว่าเรากำลังพูดถึงดาราจักรแยก และในปี ค.ศ. 1929 นักวิทยาศาสตร์ได้ตีพิมพ์บทความซึ่งจากการสังเกตกาแลคซีหลายแห่งที่รู้จัก เขาได้แสดงให้เห็นว่าพวกมันกำลังเคลื่อนออกจากโลกไปในทิศทางที่ต่างกัน กฎที่กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างระยะห่างจากดาราจักรกับความเร็วในแนวรัศมีเรียกว่ากฎฮับเบิลหรือกฎฮับเบิล-เลแมต

นักบวชชาวเบลเยียมและนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ Georges Lemaitre ได้ข้อสรุปเดียวกันเมื่อสองปีก่อนฮับเบิล แต่งานพิมพ์ของเขาซึ่งตีพิมพ์เป็นภาษาฝรั่งเศสและในนิตยสารที่ไม่เป็นที่นิยมก็ไม่มีใครสังเกตเห็น

แบบจำลองจักรวาลวิทยาสมัยใหม่มีพื้นฐานมาจากหลักการขยายตัวของเอกภพ อย่างไรก็ตามวิธีการสังเกตแบบอื่นให้ค่าความเร็วต่างกัน นักวิทยาศาสตร์ยังคงพัฒนาวิธีการใหม่ๆ เพื่อยุติปัญหานี้ในที่สุด และหลังจากนั้น ให้กำหนดอายุ วิวัฒนาการ และองค์ประกอบของจักรวาลได้อย่างแม่นยำ

แผนที่การขยายตัวของจักรวาล ภาพ: NASA, WMAP Science Team

จักรวาลกำลังขยายตัว?

ไม่มีคำตอบที่แน่นอนสำหรับคำถามนี้เพราะเป็นไปไม่ได้ที่จะออกนอกระบบและมองจากภายนอกว่าสิ่งที่เกิดขึ้นจริงเป็นอย่างไร แต่ทฤษฎีของจักรวาลที่กำลังขยายตัวนั้นอธิบายการสังเกตได้ดีที่สุด

ประการแรก การสำรวจอวกาศเผยredshift: ปรากฎว่ายิ่งวัตถุที่อยู่ห่างไกลจากเรามากเท่าไร รังสีจากพวกมันก็จะยิ่งเคลื่อนไปยังส่วนสีแดงของสเปกตรัมมากขึ้นเท่านั้น ในบทความของเขา ฮับเบิลแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางและการเปลี่ยนสีแดง นอกจากนี้ เขาพบว่าความเร็วของวัตถุที่กำลังถอยนั้นแปรผันตามระยะห่างของวัตถุ การสังเกตเหล่านี้สัมพันธ์กับการขยายแบบเมตริก (เชิงเส้น) ได้ดีที่สุด

Во-вторых, масштабные космологические наблюдения ด้วยความละเอียดที่ลึกซึ้ง พวกเขาพบว่าแม้ว่าในระดับท้องถิ่น จักรวาลจะมีโครงสร้าง "เป็นก้อน" (กาแลคซีก่อตัวเป็นกลุ่มที่แยกจากกันด้วยช่องว่าง) ที่ระยะทางไกลมันก็เป็นเนื้อเดียวกัน

ประการที่สาม ความสม่ำเสมอของอวกาศที่เกิดจากการขยายตัวของจักรวาลในทุกทิศทาง ยืนยันความเป็นเนื้อเดียวกันของการกระจายรังสีแกมมาที่อยู่ห่างไกลและการระเบิดของซุปเปอร์โนวา

และสุดท้ายการสังเกตการณ์ของอวกาศยุโรปหอดูดาวแสดงให้เห็นว่า CMB นั้นอบอุ่นกว่ามากในสมัยก่อน ร่องรอยของบิ๊กแบงที่ค่อยๆ เย็นลงอย่างสม่ำเสมอก็สอดคล้องกับทฤษฎีของจักรวาลที่ขยายตัวอย่างสม่ำเสมอเช่นกัน

ค่าคงที่ฮับเบิลวัดได้อย่างไร?

ค่าคงที่ที่กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วการเคลื่อนที่ของดาราจักรกับระยะทางถึงดาราจักรประมาณได้โดยการวัดการเลื่อนไปทางแดงของดาราจักรไกลโพ้น จากนั้นจึงกำหนดระยะทางถึงดาราจักรด้วยวิธีอื่นนอกเหนือจากกฎของฮับเบิล

การวัดค่าคงที่ครั้งแรกดำเนินการโดยเอ็ดวินเองฮับเบิล จากการสังเกตเนบิวลาแอนโดรเมดาโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาด 100 นิ้ว (254 ซม.) ที่หอดูดาวเมาท์วิลสัน นักวิทยาศาสตร์ได้ระบุดาวสว่างแต่ละดวงในองค์ประกอบของมัน ในหมู่พวกเขามีเซเฟอิด นี่คือประเภทของตัวแปรที่เต้นเป็นจังหวะของดาวยักษ์เหลืองและยักษ์ยวดยิ่ง ซึ่งมีการศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างคาบการเต้นเป็นจังหวะและความส่องสว่างเป็นอย่างดี

โดยการวัดพารามิเตอร์ทั้งสอง นักวิทยาศาสตร์คำนวณระยะห่างจากดาวเหล่านี้ เช่นเดียวกับการเปลี่ยนแปลงทางแดงของดาราจักร ซึ่งทำให้สามารถกำหนดความเร็วในแนวรัศมีของพวกมันได้ ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วนที่ได้จากฮับเบิลอยู่ที่ประมาณ 500 กม./วินาทีต่อเมกะพาร์เซก (Mpc) ซึ่งหมายความว่าวัตถุที่อยู่ห่างจากโลกประมาณ 3.26 ล้านปีแสง (1 Mpc) ควรเคลื่อนตัวออกห่างจากเราด้วยความเร็ว 500 กม. / วินาที 32.6 ล้านปีแสง - 5,000 กม. / วินาทีเป็นต้น

ภาพของดาราจักรแอนโดรเมดาที่เอ็ดวินฮับเบิลสังเกตเห็นดาวแปรผันที่ค้นพบ (ซ้าย) และรูปภาพฮับเบิลที่มีรายละเอียด (ขวา) ภาพซ้าย: หอดูดาวคาร์เนกี ภาพขวา: NASA, ESA, ทีม Hubble Heritage (STScI/AURA)

มูลค่าที่ฮับเบิลได้รับนั้นมีนัยสำคัญแตกต่างจากข้อสังเกตสมัยใหม่ นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่านักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบกฎที่ค้นพบในภายหลังซึ่งส่งผลต่อการขึ้นอยู่กับคาบและความส่องสว่างของเซเฟอิดส์ เช่นเดียวกับอิทธิพลของความเร็วของกลุ่มกาแลคซีในท้องถิ่น

การสังเกตสมัยใหม่ทำให้เกิดความขัดแย้งผลลัพธ์. การวัดค่าของเอกภพช่วงปลายคล้ายกับที่ทำโดยฮับเบิล แต่ด้วยข้อมูลที่ใหม่กว่าและเครื่องมือที่ทรงพลังกว่า (รวมถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์) ทำนายค่าคงที่จักรวาลวิทยาที่ 73 ± 1 กม./วินาทีต่อ Mpc และข้อมูลที่ได้จากการศึกษารังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลยุคแรกคือ 67.4 ± 0.5 (km/s)/Mpc

โครงการวัดค่าคงที่โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล ภาพ: NASA, ESA, A. Feild (STScI) และ A. Riess (STScI/JHU)

มีทางเลือกอื่นหรือไม่?

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารฉบับเดือนสิงหาคมจดหมายทบทวนทางกายภาพ นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยชิคาโกเสนอให้ใช้คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำชนกันเพื่อวัดอัตราการขยายตัวของจักรวาล

มีผลคล้ายกับ redshift เกิดขึ้นระหว่างการแพร่กระจายของคลื่นความโน้มถ่วง การชนกันของหลุมดำมวลมหาศาล ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่ทรงพลัง มันทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงในกาล-อวกาศที่แผ่ขยายออกไปเหมือนระลอกคลื่นบนน้ำจากหินที่ตกลงมา 

"ระลอกคลื่น" นี้วัดบนโลกโดยชาวอเมริกันหอดูดาวคลื่นโน้มถ่วงแบบเลเซอร์ (LIGO) และหอดูดาวราศีกันย์ของอิตาลี หลายปีที่ผ่านมา หอสังเกตการณ์ทั้งสองได้รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการชนกันของหลุมดำมากกว่า 100 คู่

สัญญาณจากการชนแต่ละครั้งประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับหลุมดำที่มีมวลมากเพียงใด แต่เนื่องจากการขยายตัวของเอกภพจึงบิดเบี้ยว เป็นผลให้หลุมดำที่อยู่ไกลออกไปเริ่มมีมวลมากขึ้น

นักวิทยาศาสตร์เสนอให้ใช้ข้อมูลที่สะสมเกี่ยวกับหลุมดำเพื่อ “ปรับเทียบ” เครื่อง ตัวอย่างเช่น หลักฐานในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าหลุมดำส่วนใหญ่ที่ค้นพบมีมวลระหว่าง 5 ถึง 40 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

นักวิจัยเชื่อว่าถ้าคุณวัดมวลหลุมดำที่ชนกันเป็นคู่ที่อยู่ใกล้เราที่สุด จากนั้นค่อยๆ เคลื่อนไปข้างหน้า จากนั้นในตัวอย่างจำนวนมาก จึงเป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่ามวลของหลุมดำที่ "สังเกตได้" จะเปลี่ยนไปเท่าใดเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น เป็นค่าที่จะกำหนดอัตราการขยายตัวของจักรวาลนี้

ภาพประกอบการรวมตัวของสองหลุมดำ ภาพ: โครงการจำลอง eXtreme Spacetimes (SXS) มหาวิทยาลัยชิคาโก

ข้อเสียของวิธีการที่ทันสมัยที่สุดการสังเกตการขยายพื้นที่คือสาเหตุส่วนบุคคลที่บิดเบือนผลลัพธ์ที่ได้รับอาจยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด ฮับเบิลไม่ทราบเกี่ยวกับปัจจัยทั้งหมดที่ส่งผลต่อความสัมพันธ์ระหว่างความส่องสว่างและคาบการเต้นเป็นจังหวะในเซเฟอิดส์ ดังนั้นการวัดของเขาจึงมีข้อผิดพลาด นอกจากนี้ แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับจักรวาล สสาร และการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอาจไม่สมบูรณ์

ต่างจากการสังเกตทางจักรวาลวิทยา วิธีการเสนอโดยนักวิทยาศาสตร์จากชิคาโก ใช้แต่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงซึ่งเข้าใจได้ดีกว่ามาก ดังนั้นจึงมีโอกาสที่จะยุติปัญหาเรื่องอัตราการขยายตัวของเอกภพ

อ่านเพิ่มเติม:

บันทึกการขับมวลโคโรนาที่ Betelgeuse มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 400 พันล้านเท่า

เมกาโลดอนกินสัตว์ขนาดเท่าวาฬเพชฌฆาตในแต่ละครั้ง

เอเวอเรสต์พบร่องรอยของ DNA ที่ไม่ควรอยู่ที่นั่น