นักวิจัยใช้ “เลนส์ความโน้มถ่วง” วัดอัตราการขยายตัวของเอกภพ ชี้จักรวาลอาจกำลังขยายตัวด้วยอัตราที่ต่างกัน

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโตเกียวได้เผยแพร่วิธีการวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพแบบใหม่ที่สมบูรณ์ และผลลัพธ์ที่ได้ได้เพิ่มน้ำหนักให้กับปริศนาทางจักรวาลวิทยาที่เรียกว่า "ความตึงเครียดของฮับเบิล" (Hubble Tension) ซึ่งเป็นข้อขัดแย้งที่สำคัญเกี่ยวกับอัตราการขยายตัวของเอกภพ

เป็นเวลานานหลายทศวรรษที่นักดาราศาสตร์ได้อาศัยเครื่องหมายวัดระยะทาง เช่น ซูเปอร์โนวา (Supernovae) ในการวัดความเร็วที่เอกภพกำลังขยายตัว วิธีการวัดที่อาศัยวัตถุระยะใกล้เหล่านี้ ซึ่งเรียกว่า "บันไดระยะทาง" (Distance Ladders) ได้กำหนดอัตราการขยายตัว หรือที่เรียกว่า "ค่าคงที่ฮับเบิล" (Hubble Constant) ไว้ที่ประมาณ 73 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก (km/s/Mpc) ซึ่งหมายความว่า ทุกระยะห่าง 3.3 ล้านปีแสง วัตถุต่างๆ จะเคลื่อนที่ออกไปจากโลกเราเร็วขึ้น 73 กิโลเมตรต่อวินาที

อย่างไรก็ตาม ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีที่แตกต่างกันในการวัดสิ่งเดียวกัน โดยการวิเคราะห์ "พื้นหลังคลื่นไมโครเวฟจักรวาล" (Cosmic Microwave Background - CMB) ซึ่งเป็นรังสีโบราณที่หลงเหลือจากการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang) นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณว่าอัตราการขยายตัวในปัจจุบันควรจะเป็นเท่าใด วิธีการนี้ให้ค่าที่ต่ำกว่ามาก คือประมาณ 67 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก

ช่องว่างระหว่างค่าที่วัดได้ 73 และค่าที่คำนวณได้ 67 นี้เองที่เรียกว่า "ความตึงเครียดของฮับเบิล" ซึ่งเป็นเรื่องที่สำคัญอย่างยิ่ง เพราะมันอาจเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงฟิสิกส์ที่เรายังไม่เข้าใจ หรืออาจจะบอกว่าการวิวัฒนาการของเอกภพนั้นมีความซับซ้อนกว่าที่เราคิด

วิธีการใหม่เพื่อไขปริศนาศาสตราจารย์ผู้ช่วย เคนเนธ หว่อง (Kenneth Wong) และเพื่อนร่วมงานที่ศูนย์วิจัยเอกภพยุคเริ่มแรกของมหาวิทยาลัยโตเกียว ได้วัดค่าคงที่ฮับเบิลโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า "จักรวาลวิทยาการหน่วงเวลา" (Time Delay Cosmography) ซึ่งเป็นวิธีการที่หลีกเลี่ยงการใช้บันไดระยะทางแบบดั้งเดิม

วิธีการนี้ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ "เลนส์ความโน้มถ่วง" (Gravitational Lensing) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่กาแล็กซีมวลมหาศาลจะทำหน้าที่เหมือน "เลนส์" ที่บิดเบือนแสงที่เดินทางมาจากวัตถุที่อยู่ด้านหลัง เช่น เควซาร์ (Quasar) ที่อยู่ไกลลิบ

ในสถานการณ์ที่ลงตัวพอดี เควซาร์ที่อยู่ไกลออกไปเพียงแห่งเดียวอาจปรากฏเป็นภาพหลายภาพที่บิดเบี้ยวรอบๆ กาแล็กซีที่เป็นเลนส์ เนื่องจากแสงจากเควซาร์แต่ละภาพเดินทางมายังโลกด้วยเส้นทางที่แตกต่างกัน จึงใช้เวลาเดินทางไม่เท่ากัน

โดยการเฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงที่เหมือนกันในภาพของเควซาร์หลายภาพเหล่านั้น ซึ่งเกิดขึ้นในเวลาที่เหลื่อมล้ำกันเล็กน้อย นักดาราศาสตร์จึงสามารถวัดความแตกต่างของเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางผ่านเส้นทางต่างๆ ได้ ข้อมูลเวลาที่แตกต่างนี้ เมื่อนำมารวมกับการประมาณการการกระจายตัวของมวลในกาแล็กซีที่เป็นเลนส์ จะสามารถเปิดเผยอัตราการขยายตัวของเอกภพได้โดยตรง

ผลลัพธ์ที่ตอกย้ำความขัดแย้งทีมงานได้วิเคราะห์ระบบเลนส์ความโน้มถ่วงแปดระบบ ซึ่งแต่ละระบบมีกาแล็กซีมวลมหาศาลกำลังบิดเบือนแสงจากเควซาร์ที่อยู่ไกลออกไป โดยใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ที่ทันสมัย รวมถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (James Webb Space Telescope)

ผลการวัดของพวกเขาให้ค่าคงที่ฮับเบิลที่สอดคล้องกับตัวเลข 73 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ซึ่งมาจากจากการสังเกตการณ์ในเอกภพยุคใกล้ ไม่ใช่ตัวเลข 67 ที่มาจากการคำนวณในเอกภพยุคแรกเริ่ม

ข้อเท็จจริงที่ว่าวิธีการใหม่นี้ ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากข้อผิดพลาดที่เป็นระบบที่อาจส่งผลกระทบต่อบันไดระยะทางแบบดั้งเดิมหรือการวิเคราะห์ CMB กลับมาสอดคล้องกับการสังเกตการณ์ในปัจจุบัน ยิ่งทำให้ข้อสรุปที่ว่า ความตึงเครียดของฮับเบิลอาจเป็นฟิสิกส์ที่แท้จริงมีน้ำหนักมากขึ้น

อนาคตของการไขปริศนาปัจจุบันความแม่นยำของการวัดครั้งนี้อยู่ที่ประมาณ 4.5 เปอร์เซ็นต์ หากจะยืนยันความตึงเครียดนี้ได้อย่างเด็ดขาด นักวิจัยจำเป็นต้องเพิ่มความแม่นยำให้สูงขึ้นถึง 1-2 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายถึงการวิเคราะห์ระบบเลนส์ความโน้มถ่วงให้มากขึ้น และปรับปรุงแบบจำลองการกระจายมวลสำหรับกาแล็กซีที่เป็นเลนส์ให้ละเอียดยิ่งขึ้น

ความไม่แน่นอนที่ใหญ่ที่สุดในตอนนี้มาจากการที่ไม่ทราบแน่ชัดว่ามวลมีการจัดเรียงตัวเองอย่างไรภายในกาแล็กซีเหล่านี้ ถึงแม้ว่านักวิจัยจะสันนิษฐานรูปทรงที่สอดคล้องกับการสังเกตการณ์แล้วก็ตาม

งานวิจัยนี้เป็นผลผลิตจากความร่วมมือระดับนานาชาติมานานหลายทศวรรษ หากความตึงเครียดของฮับเบิลได้รับการยืนยันว่าเป็นเรื่องจริง มันอาจนำไปสู่ฟิสิกส์ใหม่และยุคสมัยใหม่ในวิชาจักรวาลวิทยา ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงความเข้าใจพื้นฐานของเราว่าเอกภพมีการวิวัฒนาการอย่างไร

ข้อมูลอ้างอิง: The University of Tokyo

• A speed camera for the universe
  Researchers exploit gravitational lensing to see how fast the universe is really expanding