จักรวาลขยายตัวเร็วเท่าไหร่? ปัญหานี้ยังคงเป็นที่ถกเถียงในหมู่ผู้เชี่ยวชาญเนื่องจากความซับซ้อนของมัน และข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) ก็ได้บ่งชี้ว่าสิ่งที่เรารู้จำเป็นต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเพื่อหาคำตอบที่สมบูรณ์
ข้อมูลในปี 2023 จากเวบบ์ได้เพิ่มความลึกลับให้กับคำถามที่ว่าจักรวาลขยายตัวได้เร็วแค่ไหน การค้นพบดังกล่าวกำลังบอกเป็นนัยว่า เราอาจต้องใช้ฟิสิกส์ที่(ยัง)ไม่รู้จักเพื่อช่วยอธิบายปริศนาดังกล่าว
นับตั้งแต่ที่จักรวาลได้ถือกำเนิดขึ้นเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน มันก็ได้ขยายตัวอย่างต่อเนื่องในทุกทิศทุกทาง ด้วยการวิเคราะห์อัตราการขยายตัวนี้หรือที่ปัจจุบันเรียกว่า ‘ค่าคงที่ฮับเบิล’ (Hubble constant) นักวิจัยสามารถประมาณอายุจักรวาลและรายละเอียดอื่น ๆ ที่เป็นไปได้เกี่ยวกับอนาคตของเอกภพ เช่น มันจะขยายตัวตลอดไป หดกลับมายุบตัวในวาระสุดท้าย หรือแม้แต่ฉีกขาดอออกจากกัน
โดยทั่วไปแล้วนักวิทยาศาสตร์มี 2 แนวทางหลักในการวัดค่าคงที่ของฮับเบิล หนึ่งคือตรวจดูวัตถุใกล้เคียงที่ซึ่งได้รับการศึกษามาอย่างดีจนทราบคุณสมบัติและรายละเอียดของมันทั้งหมด เช่น ซุปเปอร์โนวาและดาวฤกษ์ที่กระเพื่อมอย่างเป็นจังหวะชื่อ ‘ดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิด’ (Cepheid variable) เพื่อประมาณระยะทางและความเร็วที่เคลื่อนตัวออกจากเรา
ขณะที่อีกแนวทางหนึ่งคือ ตรวจสอบรังสีไมโครเวฟคอสมิกพื้นหลัง ซึ่งเป็นรังสีที่หลงเหลือมาจากบิ๊กแบง โดยสามารถบอกสภาวะเริ่มต้นของเอกภพ และให้ข้อมูลว่าจักรวาลมีการขยายตัวได้เร็วแค่ไหนนับตั้งแต่แรกเริ่ม ทั้งสองวิธีต่างแนวที่ยอดเยี่ยมและใช้วัดอย่างมีประสิทธิภาพ
ทว่าในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ทั้ง 2 แนวทางนี้ได้ให้ผลลัพธ์ที่ขัดแย้งกันราวกับว่าทั้งคู่เป็นศัตรูกันมาช้านานจนไม่อาจหาวิธีตกลงกันได้ แต่ทั้งสองกลับเป็นคำตอบที่ถูกต้อง การสังเกตการณ์รังสีไมโครเวฟคอสมิกพื้นหลังของจักรวาลจากหอดูดาวอวกาศพลังค์แห่งยุโรป ชี้ให้เห็นว่าเอกภพกำลังขยายตัวในอัตราประมาณ 67.4 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก (1 พาร์เซกเท่ากับระยะทาง 3.26 ล้านปีแสง)
กลับกัน ข้อมูลจากซุปเปอร์โนวาและดาวเซเฟอิดที่อยู่ใกล้เคียงกลับแสดงให้เห็นว่ามีอัตราการขยายตัวที่เร็วกว่าอยู่ที่ 73 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ความขัดแย้งนี้กลายเป็นปัญหาวิกฤตขึ้นมาในวงการจักรวาลวิทยา มันถูกเรียกว่า ‘ความตึงเครียดของฮับเบิล’
ซึ่งตัวเลขเหล่านั้นต่างมีความสำคัญเพราะมันจะช่วยทำนายได้ว่าอนาคตของจักรวาลจะเป็นอย่างไร หากมันขยายตัวอย่างรวดเร็วก็มีโอกาสที่จะฉีกขาดออกจากกัน หรือหากขยายตัวไม่เร็วถึงจุดจุดหนึ่ง จักรวาลก็อาจยุบตัวลง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องด่วนที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการแก้ไข แต่ดูเหมือนว่าพวกเขากำลังมีปัญหา
“มีความหวังว่าความคลาดเคลื่อนนี้จะหายไป ซึ่งอาจเป็นเพียงความผิดพลาดจากการวัด” อดัม ไรสซ์ (Adam Riess) นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศในบัลติมอร์ และผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2011 กล่าว
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ ไรสซ์ และเพื่อนร่วมงานได้อาศัยความสามารถของเวบบ์ พวกเขาได้วิเคราะห์ดาวเซเฟอิดมากกว่า 320 ดวงในกาแล็กซีสองแห่งได้แก่ NGC4258 ที่ห่างออกไป 23 ล้านปีแสง และกาแล็กซี NGC 5584 ที่อยู่ไกลจากโลกราว 100 ล้านปีแสง
ทีมวิจัยพบว่า เวบบ์ มีความแม่นยำมากกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลประมาณ 3 เท่า “ผมพอใจกับ 20% ดังนั้น 3 เท่าจึงถือว่าโดดเด่นมาก” ไรสซ์ กล่าว อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์ใหม่ส่วนใหญ่สอดคล้องกับการประมาณจากฮับเบิลก่อนหน้านี้
“ผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ผ่านการทดสอบจาก JWST” จอห์น เบลคส์ลี (John Blakeslee) นักดาราศาสตร์จากห้องปฏิบัติการวิจัยดาราศาสตร์อินฟราเรดเชิงแสงแห่งชาติ ในเมืองทูซอน รัฐแอริโซนา ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยใหม่นี้ กล่าว
“เมื่อถึงจุดหนึ่ง คุณจะบอกได้ว่ามันไม่ใช่ข้อผิดพลาดในการวัด และถ้าเป็นเช่นนั้นเราก็กำลังพูดถึงบางสิ่งที่น่าสนใจมากเกี่ยวกับจักรวาล” ไรสซ์ กล่าว “มันเป็นปริศนาที่ลึกลับซับซ้อนจริง ๆ แต่ก็เป็นเรื่องดี”
จักรวาลอาจกำลังทำงานในมุมมองที่เราไม่รู้จัก
การค้นพบใหม่เหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าความตึงเครียดของฮับเบิลอาจเกิดจากบางสิ่งที่เป็นพื้นฐานมากกว่าการวัดที่ไม่แม่นยำ หากทั้งสองค่าถูกต้อง แสดงว่านักดาราศาสตร์ขาดข้อมูลบางส่วนเกี่ยวกับวิธีที่จักรวาลเติบโตขึ้น
ข้อมูลจากซุปเปอร์โนวาและดาวเซเฟอิดที่อยู่ใกล้เคียงบ่งชี้ว่าการขยายตัวกำลังเร่งความเร็วกว่าที่คาดไว้จากเงื่อนไขที่เกิดขึ้นเมื่อเอกภพยังอายุน้อยกว่านี้ ซึ่งสะท้อนให้เห็นในรังสีไมโครเวฟคอสมิกพื้นหลัง ความเร่งที่เพิ่มขึ้นนี้ใหญ่เกินกว่าจะอธิบายด้วยสิ่งที่เรียกว่า ‘พลังงานมืด’ ซึ่งเคยเชื่อกันว่าเป็นตัวแปรสำคัญที่ทำให้เกิดความเร่ง
“เรามีความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างการสังเกตการณ์ กับแบบจำลองที่โดดเด่นของจักรวาล” ปีแอร์ เคอร์เวลลา (Pierre Kervella) นักดาราศาสตร์จากหอดูดาวปารีส ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้ กล่าว “ตอนนี้มีความเป็นไปได้มากขึ้นว่าปัญหาอยู่ที่แบบจำลองจักรวาลของเรา มากกว่าการสังเกตการณ์ที่ค่อนข้างมั่นคง”
คำอธิบายหนึ่งที่เป็นไปได้คือ “อาจมีปัญหากับทฤษฎีความโน้มถ่วงที่เราใช้อยู่ นั่นคือทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป” เคอร์เวลลา กล่าว ค่าคงที่ของฮับเบิลที่ได้มาจากรังสีไมโครเวฟคอสมิกพื้นหลังนั้นแปรผันไปกับแบบจำลองทางจักรวาลวิทยาพื้นฐานซึ่งมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
แต่ก็ยังมีความเป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งก็คือ พลังงานมืดในรูปแบบอื่น ๆ อาจมีอยู่ในเอกภพยุคแรก ๆ แล้วเปลี่ยงแปลงไปตามเวลาที่เอกภพได้เติบโตขึ้นจากเล็กในอดีตไปจนถึงขนาดใหญ่ของปัจจุบัน
“มีไอเดียมากมาย และไอเดียเหล่านั้นล้วนแต่มีข้อดีและข้อเสีย” ไรสซ์ กล่าว “ในปัจจุบันยังไม่มีใครเหมาะสมแบบรองเท้าของซินเดอเรลล่า”
เบาะแสเพิ่มเติม
เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเทคนิคอื่นในการวัดค่าคงที่ฮับเบิล ซึ่งอาจช่วยให้ความกระจ่ายเกี่ยวกับความลึกลับนี้ โดยอาศัยคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นระลอกคลื่นในโครงสร้างของกาลอวกาศเมื่อมวลเร่งความเร็ว
ในปี 2017 นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากการชนกันของดาวนิวตรอน ตามทฤษฎีแล้ว ระลอกคลื่นเหล่านี้สามารถใช้เพื่อระบุระยะห่างของการชนจากโลกได้ ในขณะที่แสงจากการกระแทกจะบอกความเร็วที่พวกมันเคลื่อนที่สัมพันธ์กับโลก นักวิจัยสามารถใช้ข้อมูลทั้งสองชุดนี้เพื่อคำนวณค่าคงที่ฮับเบิลได้
การค้นพบเบื้องต้นโดยใช้วิธีนี้ได้ระบุว่า จักรวาลมีค่าคงที่ฮับเบิลอยู่ที่เกือบ 70 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ซึ่งอยู่ตรงกลางระหว่างสองวิธีก่อนหน้า และทำให้เรื่องซับซ้อนขึ้นไปอีกครั้ง แต่อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์จะวิเคราะห์การชนกันของดาวนิวตรอนเพิ่มเติมอีก 50 คู่ในอีก 5-10 ปีข้างหน้า ซึ่งอาจเพียงพอที่จะสรุปผลลัพธ์ได้มากขึ้น
ในระหว่างนี้ JWST จะวัดระยะทางของดาวเซเฟอิดสำหรับกาแล็กซีอีก 10 แห่งเพิ่มเติม เบลคส์ลี ตั้งข้อสังเกตว่า นี่จะเป็นการทดสอบการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นในจักรวาลใกล้เคียง
แต่จนกว่าจะมีใครค้นพบชิ้นส่วนที่หายไปของปริศนาเกี่ยวกับจักรวาลนี้ ความตึงเครียดของฮับเบิลก็ดูเหมือนจะยังคงอยู่ต่อไป
สืบค้นและเรียบเรียง วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ที่มา
อ่านเพิ่มเติม : มีอะไรอยู่ นอกจักรวาล ? ความลึกลับ-ปริศนา-สิ่งมีชีวิต ที่ยังไม่อาจเอื้อมถึง
