ใช้คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังเพื่อตีกรอบค่าคงที่ฮับเบิล
นานกว่าหนึ่งศตวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าเอกภพกำลังอยู่ในสภานะที่มีการขยายตัว เพื่อเป็นเกียรติแด่นักดาราศาสตร์ที่ได้แสดงประจักษ์พยานความจริงนี้ การขยายตัวนี้จึงถูกเรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant หรือ Hubble-Lemaitre constant)
ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคหลัก 2 อย่างเพื่อตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพ คือ เทคนิคการตรวจสอบไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ(cosmic microwave background; CMB) ตรวจสอบซากแสงที่เหลืออยู่หลังจากบิ๊กแบง และการใช้บันไดวัดระยะทางในอวกาศ(cosmic distance ladder) ซึ่งพึ่งพาการตรวจสอบพารัลแลกซ์(parallax) และใช้ดาวแปรแสง(variable stars) บางชนิด และซุปเปอร์โนวา(ซึ่งเรียกโดยรวมว่า เทียนมาตรฐาน; standard candles)
ปัญหาที่เกิดก็คือวิธีการทั้งสองให้ค่าที่ไม่สอดคล้องกัน นำไปสู่สิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension) ปัญหานี้กลายเป็นหนึ่งในปริศนาทางเอกภพวิทยาที่ใหญ่ที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์เผชิญหน้าในปัจจุบัน โชคดีที่มีวิธีการใหม่ๆ ซึ่งอาจช่วยแก้ความไม่ลงรอยนี้ และทำให้แบบจำลองมาตรฐานเอกภพวิทยาใช้งานได้ดี
Hubble tension
ในการศึกษาล่าสุด ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์, นักเอกภพวิทยาและนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ และมหาวิทยาลัยชิคาโก ได้เสนอวิธีการใหม่วิธีหนึ่งที่ใช้ระลอกพริ้วน้อยนิดในกาลอวกาศที่เรียกว่า คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves)
การศึกษาซึ่งนำโดย Bryce Cousins นักวิจัยที่มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ จากสถาบันความโน้มถ่วงและเอกภพ(IGC) ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานาแชมเปญ ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานอีกหลายคนจาก IGC และนักวิจัยจากสถาบันคัฟลี่เพื่อฟิสิกส์เอกภพวิทยา และสถาบันเอนริโกเฟอร์มีที่มหาวิทยาลัยชิคาโก งานศึกษาเผยแพร่ใน Physical Review Letters วันที่ 16 มกราคม
นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะแก้ความไม่ลงรอยฮับเบิล โดยเสนอทางออกหลายอย่าง ตั้งแต่ พลังงานมืดยุคต้น(Early Dark Energy) และปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารมืดกับนิวตริโน(neutrino) จนถึงพลวัตพลังงานมืดที่ไม่คงสภาพ ในช่วงไม่กี่ปีนี้ การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงยังกลายเป็นหนทางเพื่อแก้ความไม่ลงรอยนี้ โดยให้หนทางใหม่ในการตรวจสอบการขยายตัวของเอกภพ เดิมนั้นซึ่งทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ คลื่นความโน้มถ่วงเป็นระลอกในผืนกาลอวกาศ ที่เกิดจากการควบรวมของวัตถุมวลสูงเช่น ดาวนิวตรอนและ/หรือหลุมดำ
มีการพบและประกาศยืนยันคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกในปี 2016 โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ LIGO(Laser Interferometer Gravitational wave Observatory) ต้องขอบคุณอุปกรณ์ที่อัพเกรดและความร่วมมือข้ามชาติ กลุ่มความร่วมมือ LVK(LIGO-Virgo-KAGRA collaboration) ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้มากกว่า 300 เหตุการณ์
การตรวจจับคลืน่ความโน้มถ่วงจากการควบรวมของหลุมดำขนาดเล็กคู่หนึ่ง ในช่วงวงโคจรท้ายๆ ก่อนที่หลุมดำจะชนและควบรวมกัน
ในช่วงเวลาดังกล่าว นักดาราศาสตร์ได้พบทางที่จะใช้คลื่นความโน้มถ่วงเพื่อสำรวจปรากฏการณ์ประหลาดในทางเอกภพวิทยา ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบการขยายตัวของเอกภพ จากเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงโดดๆ สามารถใช้บอกระยะทางได้ผ่านวิธีที่เรียกกันว่า วิธีการไซเรนมาตรฐาน(standard siren method)
อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบว่าแหล่งสร้างคลื่นกำลังถอยห่างออกจากเราอันเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพเร็วแค่ไหนเป็นสิ่งที่ท้าทายยิ่งกว่า เพื่อที่จะตรวจสอบการเคลื่อนที่ นักดาราศาสตร์จะต้องตรวจจับแสงจากการควบรวม หรือจำแนกกาแลคซีต้นสังกัดให้ได้
ในงานวิจัยปัจจุบัน ทีมได้พบทางที่จะพัฒนาการตรวจสอบเหล่านี้โดยพึ่งพาคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง(gravitational wave background) ซึ่งเกิดขึ้นจากการชนในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ไกลโพ้นซึ่งสลัวจน LVK ยังไม่มีความไวมากพอที่จะตรวจจับได้ นักวิจัยเรียกมันว่า วิธีการไซเรนมาตรฐานแบบเฟ้นสุ่ม(stochastic standard siren) เนื่องจากการชนที่เกิดมีธรรมชาติแบบสุ่ม เพื่อสร้างคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง Daniel Holz ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยชิคาโก และผู้เขียนร่วมการศึกษา อธิบายในแถลงการณ์ดังนี้
ก็ไม่ใช่ว่าคุณจะได้เครื่องมือใหม่ๆ เพื่อใช้กับเอกภพวิทยาซะทุกวัน เราได้แสดงว่าด้วยการใช้คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังจากหลุมดำที่ควบรวมกันในกาแลคซีไกลโพ้น เราก็สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับอายุและองค์ประกอบของเอกภพได้ นี่เป็นทิศทางใหม่เอี่ยมที่น่าตื่นเต้น และเราก็รอคอยที่จะปรับใช้วิธีการนี้กับชุดข้อมูลในอนาคตเพื่อที่จะช่วยระบุค่าคงที่ฮับเบิล เช่นเดียวกับตัวเลขหลักในทางเอกภพวิทยาอื่นๆ
คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังเกิดขึ้นจาก การควบรวมของหลุมดำมวลมหาศาลตลอดความเป็นมาของเอกภพ ทิ้งร่องรอยไว้ในกาลอวกาศ
เพื่อเป็นข้อพิสูจน์ทฤษฎีนี้ ทีมปรับใช้วิธีการใหม่กับข้อมูลปัจจุบันจาก LVK พวกเขาพบว่าไม่พบคลื่นพื้นหลังในข้อมูล ได้ให้หลักฐานค้านอัตราการขยายตัวของเอกภพแบบช้า จากนั้น พวกเขาก็ใช้วิธีการใหม่กับการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลที่มีพื้นฐานจากการชนของหลุมดำแต่ละเหตุการณ์ เพื่อให้ได้อัตราที่เที่ยงตรงมากขึ้น ค่าที่ได้อยู่ในพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับความไม่ลงรอยฮับเบิล ได้แสดงว่าวิธีการนี้สามารถปรับการตรวจสอบทางเอกภพวิทยาให้ถูกต้องได้มากขึ้น
เนื่องจากเรากำลังสำรวจดูการชนของหลุมดำแต่ละคู่ เราจึงสามารถตรวจสอบอัตราการชนเหล่านี้ที่กำลังเกิดขึ้นทั่วเอกภพ Cousins กล่าว อ้างอิงจากอัตราเหล่านั้น เราคาดว่าจะมีเหตุการณ์การชนอีกจำนวนมากที่ยังไม่สามารถสำรวจได้ หรือก็คือ คลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลัง
ทีมได้แสดงว่าค่าคงที่ฮับเบิลที่ระดับต่ำ ปริมาตรรวมของเอกภพที่มีการชนจะเล็กลง นี่น่าจะบอกเป็นนัยว่าความหนาแน่นของการชนของวัตถุที่สูงกว่า เพิ่มความแรงโดยรวมของสัญญาณพื้นหลังจนถึงจุดที่เครื่องมือปัจจุบันน่าจะตรวจจับได้ แต่เมื่อตรวจไม่พบคลื่นพื้นหลังก็ตัดอัตราการขยายตัวระดับต่ำออกไปได้
ผลสรุปนี้มีความสำคัญอย่างมาก มันสำคัญที่ให้การตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิล
อย่างเป็นอิสระเพื่อแก้ปัญหาความไม่ลงรอยฮับเบิล Nicolas Yunes ผู้เขียนร่วม ผู้อำนวยการศูนย์เพื่อการศึกษาเอกภพชั้นสูงอิลลินอยส์(ICASU) กล่าว วิธีการของเราเป็นวิธีที่ล้ำหน้าในการเพิ่มความเที่ยงตรงในการอนุมานค่าคงที่ฮับเบิล โดยใช้คลื่นความโน้มถ่วง
การกระจายของค่าคงที่ฮับเบิลที่ได้จาก spectral siren (ℒFG, เส้นประสีฟ้า), และ the stochastic siren (สีแดง) (CREDIT: Physical Review Letters)
ค่าคงที่ฮับเบิลที่ได้จากคลื่นไมโครเวฟพื้นหลังเฟ้นสุ่มอยู่ที่ราว 72 km/s/Mpc (ลบ 37 และบวก 44) เมื่อเทียบแล้ว การตรวจสอบ spectral siren จาก LVK โดยใช้ว่าที่หลุมดำคู่ 42 แห่งในบัญชีรายชื่อคลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves transient catalog 3; GWTC-3) ให้ค่าที่ 46 km/s/Mpc (โดยลบ 26 และบวก 49)
เมื่อมีการปรับปรุง LVK นักวิทยาศาสตร์ประมาณว่าคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังก็น่าจะตรวจจับได้ภายใน 6 ปีข้างหน้า ถ้าและเมื่อเกิดขึ้น วิธีการของทีมก็น่าจะใช้เพื่อปรับปรุงการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลให้ดียิ่งขึ้น กว่าจะถึงวันนั้น วิธีการไซเรนแบบเฟ้นสุ่มน่าจะใช้เพื่อยืนยันแนวโน้มค่าคงที่ฮับเบิลในระดับสูง ซึ่งทำให้ระบุขีดจำกัดคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังขั้นสูงได้ และช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษามันก่อนที่จะมีการตรวจจับจริงออกมา
นี่น่าจะแผ้วถางเส้นทางในการปรับใช้วิธีการนี้ในอนาคต เมื่อเรายังคงเพิ่มความไวการตรวจจับอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะตีกรอบคลื่นความโน้มถ่วงพื้นหลังได้ และอาจจะกระทั่งตรวจจับมันได้ Cousins กล่าว เมื่อผนวกข้อมูลนั้น เราคาดว่าจะได้ผลสรุปทางเอกภพวิทยาที่ดีขึ้นและเข้าใกล้การแก้ความไม่ลงรอยฮับเบิลได้มากขึ้น
แหล่งข่าว universetoday.com : Illinois and UChicago physicists develop a new method for measuring cosmic expansion
scitechdaily.com : black hole collisions may finally resolve the Hubble tension
space.com : how fast is the universe actually expanding? Ripples in spacetime could finally solve “Hubble tension”
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
