01 - THE SOUND : เสียงก่อนมีดาว
ชื่อเรื่อง : เสียงที่หลงเหลือจากจักรวาลแรกเริ่ม
[SOUNDS OF THE ANCIENT UNIVERSE]
01.1 Big Bang ไม่ใช่การระเบิดในอวกาศ
เมื่อกล่าวถึงจุดเริ่มต้นของจักรวาล คำว่า Big Bang มักทำให้เกิดภาพของการระเบิดขนาดมหาศาลที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งหนึ่งในอวกาศ แล้วสสารและพลังงานถูกผลักออกจากบริเวณนั้นไปยังพื้นที่โดยรอบ ภาพดังกล่าวเหมาะกับการอธิบายการระเบิดของวัตถุในชีวิตประจำวัน แต่ไม่สอดคล้องกับความหมายของ Big Bang ในจักรวาลวิทยาสมัยใหม่
.
เพราะแบบจำลองนี้ไม่ได้อธิบายการเคลื่อนที่ของสสารจากจุดศูนย์กลางเข้าไปในอวกาศที่มีอยู่ก่อน หากอธิบายวิวัฒนาการของเอกภพที่กำลังขยายตัว โดยระยะทางเชิงจักรวาลวิทยาระหว่างบริเวณต่าง ๆ เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา ภายใต้พลวัตของกาลอวกาศตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
.
.
คำว่า “การขยายตัวของจักรวาล” จึงมีความหมายแตกต่างจากการระเบิดอย่างเป็นพื้นฐาน ในการระเบิดธรรมดา วัตถุมีตำแหน่งเริ่มต้นที่ระบุได้ และการเคลื่อนที่ของเศษวัสดุสามารถอธิบายได้จากความเร็วและทิศทางที่กระจายออกจากบริเวณต้นกำเนิด
.
หากนำแนวคิดเดียวกันมาใช้กับจักรวาล เราจะต้องสามารถระบุศูนย์กลางของ Big Bang และขอบเขตของบริเวณที่สสารกำลังขยายออกไปได้ แต่การสังเกตการณ์ทางจักรวาลวิทยาไม่ได้แสดงรูปแบบเช่นนั้น กาแล็กซีที่อยู่ห่างออกไปโดยทั่วไปมีการเลื่อนทางแดงมากขึ้น และความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับอัตราการถอยที่สังเกตได้สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองเอกภพที่กำลังขยายตัว โดยไม่มีความจำเป็นต้องกำหนดศูนย์กลางทางกายภาพของการขยายตัวไว้ในอวกาศ
.
.
หากย้อนแบบจำลองนี้กลับไปในเวลา สิ่งที่พบจึงไม่ใช่การที่สสารทั้งหมดกำลังเคลื่อนย้อนกลับไปยังจุดหนึ่งในอวกาศ แต่เป็นการที่มาตราส่วนของเอกภพมีขนาดเล็กลง อุณหภูมิสูงขึ้น และความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น
สภาวะดังกล่าวทำให้ฟิสิกส์ที่ควบคุมเอกภพในแต่ละยุคแตกต่างจากสภาวะปัจจุบันอย่างมาก เมื่อเอกภพเย็นลงตามการขยายตัว อนุภาคสามารถอยู่ในสภาวะที่เสถียรมากขึ้น เกิดนิวเคลียสของธาตุเบา เกิดอะตอมที่เป็นกลาง และในเวลาต่อมาจึงเกิดดาวฤกษ์และกาแล็กซี กระบวนการเหล่านี้เป็นลำดับของวิวัฒนาการทางกายภาพ ไม่ใช่เศษซากจากการระเบิดที่กำลังเดินทางออกจากจุดกำเนิด
.
.
หลักฐานสำคัญที่ทำให้ภาพของเอกภพที่ร้อนและหนาแน่นในอดีตได้รับการสนับสนุนอย่างมากมาจากหลายแหล่งที่เป็นอิสระต่อกัน การขยายตัวของเอกภพสามารถตรวจสอบได้จากการเลื่อนทางแดงของกาแล็กซี
รังสีพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลแสดงให้เห็นว่าเอกภพเคยอยู่ในสภาวะที่ร้อนกว่าปัจจุบันอย่างมาก และสัดส่วนของไฮโดรเจน ฮีเลียม และไอโซโทปบางชนิดสามารถนำไปเปรียบเทียบกับผลคำนวณจากกระบวนการ nucleosynthesis ในเอกภพยุคแรกได้ เมื่อหลักฐานจากปรากฏการณ์เหล่านี้สอดคล้องกัน แบบจำลอง Big Bang จึงไม่ได้ตั้งอยู่บนภาพของการระเบิดเพียงอย่างเดียว แต่เป็นแบบจำลองทางฟิสิกส์ที่สามารถเชื่อมโยงข้อมูลจากช่วงเวลาที่แตกต่างกันของประวัติศาสตร์จักรวาลเข้าด้วยกัน
.
.
อย่างไรก็ตาม การกล่าวว่า Big Bang อธิบาย “จุดกำเนิดของทุกสิ่ง” อย่างสมบูรณ์ก็เป็นการพูดเกินขอบเขตของทฤษฎีเช่นกัน สิ่งที่แบบจำลองจักรวาลวิทยาสามารถอธิบายได้อย่างมีประสิทธิภาพคือวิวัฒนาการของเอกภพจากสภาวะร้อนและหนาแน่นในอดีตไปสู่เอกภพที่ขยายตัวและเย็นลงในปัจจุบัน
แต่เมื่อพยายามย้อนกลับไปใกล้ขอบเขตที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายสภาวะสุดขั้วมากขึ้น เราเข้าสู่บริเวณที่คำอธิบายทางฟิสิกส์ในปัจจุบันยังไม่สมบูรณ์ เพราะทฤษฎีแรงโน้มถ่วงแบบสัมพัทธภาพทั่วไปกับกลศาสตร์ควอนตัมยังไม่มีทฤษฎีรวมที่ได้รับการยืนยัน ดังนั้นคำถามว่าเกิดอะไรขึ้นที่ขอบเขตแรกสุดของเอกภพ หรือมีความหมายอย่างไรที่จะพูดถึง “ก่อน” Big Bang ยังคงเป็นปัญหาทางฟิสิกส์พื้นฐานที่ยังไม่มีข้อสรุปสุดท้าย
.
.
สิ่งที่สามารถระบุได้ชัดเจนกว่าคือ สภาวะของเอกภพในช่วงต้นแตกต่างจากเอกภพในปัจจุบันอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิสูงพอ สสารไม่ได้อยู่ในรูปดาว กาแล็กซี หรือก๊าซโมเลกุล แต่เป็นระบบอนุภาคและรังสีที่มีพลังงานสูง
การขยายตัวทำให้อุณหภูมิลดลงอย่างต่อเนื่อง และการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิกับความหนาแน่นทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านทางฟิสิกส์หลายช่วง ในช่วงเวลาประมาณไม่กี่นาทีแรก เงื่อนไขของเอกภพเอื้อให้เกิดกระบวนการสังเคราะห์นิวเคลียสของธาตุเบา
.
.
ส่วนในช่วงเวลาประมาณ 380,000 ปีหลัง Big Bang อุณหภูมิลดลงจนโปรตอนและอิเล็กตรอนสามารถรวมตัวเป็นอะตอมที่เป็นกลางได้มากขึ้น ส่งผลให้โฟตอนซึ่งก่อนหน้านั้นกระเจิงกับอิเล็กตรอนอิสระอย่างต่อเนื่องสามารถเดินทางได้ไกลขึ้น ปรากฏการณ์นี้เป็นที่มาของรังสีพื้นหลังไมโครเวฟที่ตรวจวัดได้ในปัจจุบัน
ช่วงก่อนการเกิดอะตอมเป็นกลางมีความสำคัญเป็นพิเศษต่อเรื่องของเสียงในจักรวาล เพราะเอกภพในเวลานั้นไม่ได้เป็นสุญญากาศที่อนุภาคแยกออกจากกันโดยไม่มีปฏิสัมพันธ์ แต่เป็นพลาสมาร้อนของสสารธรรมดาและรังสีที่มีการเชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา โฟตอนกระเจิงกับอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่อง
.
.
ขณะที่สสารได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงและแรงดันของรังสีไปพร้อมกัน คุณสมบัติของระบบดังกล่าวทำให้ความผันผวนเล็ก ๆ ของความหนาแน่นสามารถวิวัฒน์เป็นการสั่นของพลาสมาได้ การเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า acoustic oscillation จึงไม่ได้เป็นเพียงการเปรียบเทียบกับเสียงในอากาศ แต่เป็นการใช้แนวคิดเรื่องคลื่นความดันกับของไหลที่มีคุณสมบัติทางฟิสิกส์เฉพาะของจักรวาลยุคแรก
ความผันผวนที่เป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการนี้มีขนาดเล็กมาก แต่มีความสำคัญต่อประวัติศาสตร์จักรวาล เพราะบริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่าค่าเฉลี่ยเล็กน้อยสามารถมีศักย์โน้มถ่วงที่แตกต่างจากบริเวณโดยรอบ
.
.
และเมื่อเอกภพวิวัฒน์ต่อไป ความแตกต่างเหล่านี้สามารถถูกขยายผ่านแรงโน้มถ่วงจนกลายเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพในภายหลัง อย่างไรก็ตาม ในช่วงที่สสารธรรมดายังมีปฏิสัมพันธ์กับรังสีอย่างเข้มข้น การยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงไม่ได้ดำเนินไปอย่างอิสระ เพราะแรงดันของโฟตอนทำหน้าที่ต่อต้านการบีบอัด การแข่งขันระหว่างการดึงเข้าด้วยแรงโน้มถ่วงกับแรงดันจากรังสีจึงสร้างพลวัตแบบการอัดตัวและการคลายตัวของพลาสมา
กระบวนการนี้เป็นรากฐานของ acoustic oscillations ที่จะถูกศึกษาอย่างละเอียดในหัวข้อต่อไป และเป็นจุดที่ความเข้าใจเรื่อง Big Bang ต้องเชื่อมต่อกับฟิสิกส์ของคลื่น หากเราเริ่มต้นด้วยภาพว่า Big Bang เป็นการระเบิด เราจะไม่มีกรอบทางกายภาพที่เหมาะสมสำหรับอธิบายว่าคลื่นความดันเหล่านี้เกิดขึ้นในอะไรและเดินทางผ่านระบบใด
.
.
แต่ถ้าเราเข้าใจเอกภพยุคแรกในฐานะพลาสมาร้อนที่กำลังขยายตัวและมีสสารกับรังสีปฏิสัมพันธ์กันอย่างต่อเนื่อง คำถามเรื่อง acoustic oscillations จะเกิดขึ้นอย่างเป็นธรรมชาติ เพราะระบบดังกล่าวมีทั้งความหนาแน่น ความดัน แรงโน้มถ่วง และความผันผวน ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นต่อการเกิดคลื่นในตัวกลาง
.
ดังนั้น จุดเริ่มต้นของเรื่องนี้จึงไม่ใช่ภาพของการระเบิดที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่งหนึ่ง แต่เป็นประวัติของเอกภพที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา จากสภาวะที่ร้อนและหนาแน่นไปสู่ระบบที่เย็นลง โปร่งใสขึ้น และในที่สุดสามารถก่อให้เกิดดาว กาแล็กซี และโครงสร้างขนาดใหญ่ที่เราสังเกตได้ในปัจจุบัน
.
ในช่วงหนึ่งของประวัติศาสตร์นั้น เอกภพประกอบด้วยพลาสมาที่สสารและรังสีมีปฏิสัมพันธ์กันจนความผันผวนของความหนาแน่นสามารถทำให้เกิดการสั่นแบบคลื่นความดันได้ การทำความเข้าใจสภาวะดังกล่าวจึงเป็นเงื่อนไขก่อนที่จะพูดถึง “เสียง” ของจักรวาล และนำเราไปสู่คำถามต่อไปว่า พลาสมายุคแรกนั้นมีคุณสมบัติอย่างไร และเหตุใดมันจึงสามารถทำหน้าที่เป็นตัวกลางให้เกิด acoustic oscillations ได้
.
.
.
01.2 จักรวาลยุคแรกเป็นพลาสมาร้อนหนาแน่น
ในช่วงหลายแสนปีแรกหลัง Big Bang เอกภพมีสภาวะทางกายภาพแตกต่างจากปัจจุบันอย่างมาก อุณหภูมิสูง ความหนาแน่นของพลังงานมาก และการชนกันระหว่างอนุภาคเกิดขึ้นบ่อยจนระบบสามารถถูกอธิบายในระดับมหภาคได้ในฐานะพลาสมาร้อนของสสารและรังสี
ขณะที่ปัจจุบันโฟตอนส่วนใหญ่สามารถเดินทางผ่านอวกาศเป็นระยะทางมหาศาลโดยแทบไม่เกิดการกระเจิงกับสสารระหว่างทาง ในจักรวาลยุคแรกโฟตอนยังอยู่ในสภาวะที่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคมีประจุอย่างต่อเนื่อง
.
.
โดยเฉพาะอิเล็กตรอนอิสระ ทำให้เอกภพในช่วงนั้นทึบแสงต่อรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในความหมายที่สำคัญทางจักรวาลวิทยา โฟตอนไม่สามารถเดินทางเป็นเส้นตรงได้ไกลก่อนจะเกิดการกระเจิงอีกครั้ง และการมีปฏิสัมพันธ์อย่างถี่เช่นนี้ทำให้รังสีและสสารธรรมดามีพฤติกรรมร่วมกันในระดับของของไหล
คำว่า พลาสมา ในบริบทนี้หมายถึงสสารที่มีอนุภาคมีประจุอิสระจำนวนมากจนไม่สามารถอธิบายด้วยภาพของอะตอมที่เป็นกลางแบบสสารในปัจจุบันได้ อิเล็กตรอนยังไม่ได้ถูกจับอยู่กับนิวเคลียสอย่างเสถียร เพราะอุณหภูมิและพลังงานของรังสีในขณะนั้นสูงพอที่จะทำให้การรวมตัวเป็นอะตอมถูกขัดขวางอยู่ตลอดเวลา
.
.
การมองย้อนกลับไปยังยุคนี้จึงต้องละทิ้งภาพของจักรวาลที่ประกอบด้วยอะตอม ก๊าซ ดาวฤกษ์ และฝุ่นระหว่างดาว แล้วเปลี่ยนมาใช้ภาพของระบบที่ประกอบด้วยโฟตอน อิเล็กตรอน โปรตอน และอนุภาคอื่น ๆ ซึ่งกำลังชนและแลกเปลี่ยนพลังงานกันอย่างต่อเนื่อง
กระบวนการสำคัญอย่างหนึ่งคือการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอน ซึ่งในบริบทของจักรวาลยุคนี้สามารถอธิบายได้ด้วย Thomson scattering เป็นหลักในช่วงที่พลังงานของโฟตอนต่ำพอเมื่อเทียบกับมวลหยุดนิ่งของอิเล็กตรอน
.
.
การกระเจิงนี้ไม่ได้ทำให้โฟตอนหายไป แต่เปลี่ยนทิศทางและถ่ายโอนโมเมนตัมระหว่างรังสีกับอนุภาคมีประจุ ผลที่ตามมาคือรังสีไม่สามารถแยกตัวออกจากพลาสมาแล้วเดินทางอย่างอิสระได้ง่าย ๆ เมื่อความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงและระยะทางเฉลี่ยระหว่างการกระเจิงสั้น โฟตอนจะถูกกระเจิงซ้ำเป็นจำนวนมากก่อนที่จะสามารถเดินทางออกจากบริเวณหนึ่งได้อย่างอิสระ
ในภาษาของจักรวาลวิทยา สภาวะเช่นนี้นำไปสู่แนวคิด tight coupling ระหว่างโฟตอนกับสสารธรรมดา กล่าวคือ แม้โฟตอนและ baryons จะเป็นองค์ประกอบทางกายภาพคนละประเภท แต่การปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นถี่มากทำให้การเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของทั้งสองระบบมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด
.
.
ในการอธิบายระดับจักรวาลวิทยา เราจึงสามารถประมาณระบบดังกล่าวเป็น photon–baryon fluid หรือของไหลสสาร–รังสีได้ โดยคำว่า baryon ในที่นี้หมายถึงสสารธรรมดาที่ประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และองค์ประกอบที่เกี่ยวข้อง ไม่ได้หมายถึงสสารทั้งหมดในเอกภพ เพราะ dark matter มีคุณสมบัติแตกต่างจาก baryonic matter และไม่ได้มีการกระเจิงกับโฟตอนในลักษณะเดียวกัน
ความแตกต่างระหว่าง baryonic matter กับ dark matter มีผลโดยตรงต่อเรื่อง acoustic oscillations เพราะทั้งสองชนิดได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วง แต่มีเพียงสสารธรรมดาที่เชื่อมโยงกับแรงดันรังสีผ่านการ coupling กับโฟตอน
.
.
ดังนั้นเมื่อบริเวณหนึ่งมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้น แรงโน้มถ่วงสามารถดึงสสารเข้าหาบริเวณนั้นได้ แต่แรงดันของรังสีจะตอบสนองต่อการบีบอัดของ photon–baryon fluid ขณะเดียวกัน dark matter ไม่ได้ถูกแรงดันรังสีผลักกลับในลักษณะเดียวกัน จึงสามารถสะสมตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงและสร้างหลุมศักย์โน้มถ่วงที่มีอิทธิพลต่อพลาสมาที่ประกอบด้วยโฟตอนและ baryons อีกทอดหนึ่ง
กลไกนี้อธิบายได้ว่าทำไมการพูดถึง “เสียง” ในจักรวาลยุคแรกจึงมีพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่ชัดเจนกว่าการใช้คำเปรียบเทียบทั่วไป หากบริเวณหนึ่งของพลาสมามีความหนาแน่นมากกว่าบริเวณโดยรอบ แรงโน้มถ่วงจะมีแนวโน้มดึงสสารเข้าสู่บริเวณที่หนาแน่นกว่า ทำให้เกิดการบีบอัดเพิ่มขึ้น แต่การบีบอัดของ photon–baryon fluid ทำให้ความดันรังสีเพิ่มขึ้นด้วย
.
.
และแรงดันดังกล่าวมีแนวโน้มผลักระบบกลับออกจากสภาวะที่ถูกบีบอัด เมื่อแรงผลักทำให้ความหนาแน่นลดลง ระบบสามารถเข้าสู่ช่วงการคลายตัวหรือ rarefaction จากนั้นแรงโน้มถ่วงกลับเข้ามามีบทบาทอีกครั้ง กระบวนการจึงสามารถเกิดเป็นการสั่นของความหนาแน่นรอบสภาวะสมดุลได้
.
ในทางคณิตศาสตร์ ระบบนี้สามารถอธิบายได้ในลักษณะของตัวสั่นที่มีแรงคืนรูป โดยความถี่และความเร็วของการแพร่กระจายขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ photon–baryon fluid ขณะที่แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่สร้างและเปลี่ยนแปลงศักย์ที่ขับการบีบอัด และแรงดันรังสีทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของแรงคืนรูป แบบจำลองทางจักรวาลวิทยาจึงสามารถเขียนสมการวิวัฒนาการของ perturbations แต่ละโหมดในลักษณะที่มีพฤติกรรมคล้าย harmonic oscillator และผลของการสั่นเหล่านี้ปรากฏออกมาในรูปแบบของ acoustic peaks ใน power spectrum ของ CMB
.
.
ตรงนี้ต้องแยกคำว่า sound ในจักรวาลวิทยาออกจากเสียงที่มนุษย์ได้ยินในอากาศ เสียงบนโลกเป็นการแพร่ของความผิดปกติด้านความดันและความหนาแน่นผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ น้ำ หรือของแข็ง โดยตัวกลางมีคุณสมบัติทางกลที่ทำให้การรบกวนสามารถเดินทางจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่งได้
ส่วนในจักรวาลยุคแรก ตัวกลางไม่ได้เป็นอากาศ แต่เป็น photon–baryon plasma ที่มีความหนาแน่นสูงและมีการปฏิสัมพันธ์กันอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นคำว่า acoustic oscillation จึงหมายถึงการแพร่และการสั่นของ perturbations ในระบบสสาร–รังสี ไม่ได้หมายความว่ามีเสียงในรูปแบบที่หูมนุษย์สามารถรับฟังได้
.
.
คุณสมบัติสำคัญอีกประการหนึ่งของระบบนี้คือ ความเร็วเสียงไม่ได้เท่ากับความเร็วแสง แม้โฟตอนจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงระหว่างการแพร่กระจาย แต่ photon–baryon fluid เป็นระบบที่มีทั้งรังสีและมวล baryonic matter ความเฉื่อยของ baryons จึงทำให้ความเร็วของคลื่นความดันต่ำกว่าความเร็วแสง
ในกรณีของพลาสมายุคแรกก่อน baryons จะมีผลอย่างมากต่อ inertia ความเร็วเสียงโดยประมาณอยู่ใกล้ c/\sqrt{3} และจะลดลงเมื่อสัดส่วนของ baryonic matter เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับ radiation การเปลี่ยนแปลงนี้มีความสำคัญต่อการคำนวณระยะทางที่คลื่นสามารถเดินทางได้ก่อน recombination และจึงมีผลโดยตรงต่อขนาดของ sound horizon
.
.
การที่ความเร็วเสียงต่ำกว่าความเร็วแสงยังทำให้แนวคิดเรื่อง causal contact มีความสำคัญ เพราะข้อมูลทางเสียงไม่สามารถแพร่ไปได้ไกลอย่างไม่มีขอบเขตในเวลาจำกัด คลื่นสามารถส่งผลต่อบริเวณที่อยู่ภายในระยะที่มันเดินทางได้เท่านั้น เมื่อเอกภพยังมีอายุไม่มาก บริเวณจำนวนมากจึงยังไม่สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลผ่าน acoustic waves ได้ การจำกัดนี้เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่เกิดมาตราส่วนเฉพาะซึ่งเรียกว่า sound horizon ซึ่งภายหลังสามารถตรวจสอบได้จากตำแหน่งของ acoustic features ใน CMB
.
.
หากพิจารณาระบบในเชิงพลวัต จะเห็นว่าการขยายตัวของเอกภพไม่ได้หยุดการสั่น แต่ทำให้คุณสมบัติของตัวกลางเปลี่ยนไปตามเวลา ความหนาแน่นของสสารและรังสีลดลง อัตราการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลง และสัดส่วนของ radiation ต่อ matter ค่อย ๆ เปลี่ยนไปตามวิวัฒนาการของเอกภพ
ดังนั้น acoustic oscillations ไม่ได้เกิดขึ้นในตัวกลางที่มีคุณสมบัติคงที่เหมือนเสียงที่เดินทางผ่านอากาศในห้องทดลอง แต่เกิดขึ้นในตัวกลางที่กำลังขยายตัวและมีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา การคำนวณรูปแบบของ oscillations จึงต้องคำนึงถึงทั้งพลวัตของ perturbations และการขยายตัวของกาลอวกาศ
.
.
ความผันผวนที่ทำหน้าที่เป็นจุดตั้งต้นของการสั่นมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยของจักรวาล NASA อธิบายความผันผวนของยุคต้นว่ามีระดับประมาณหนึ่งส่วนในหนึ่งแสน และ ESA อธิบายว่าความผันผวนเหล่านี้เป็นเมล็ดเริ่มต้นของโครงสร้างขนาดใหญ่ที่พัฒนาไปเป็นดาว กาแล็กซี และกระจุกกาแล็กซีในเวลาต่อมา (NASA Science)
ความจริงที่ว่าความแตกต่างเริ่มต้นมีขนาดเล็กมากแต่สามารถนำไปสู่โครงสร้างขนาดใหญ่ได้เป็นผลจากการเติบโตของ perturbations ภายใต้แรงโน้มถ่วงตลอดช่วงเวลาหลายพันล้านปี และเป็นเหตุผลที่นักจักรวาลวิทยาสามารถใช้ลักษณะของความผันผวนใน CMB เพื่อศึกษาสภาวะเริ่มต้นและพารามิเตอร์ของเอกภพได้
.
.
ในระดับการสังเกตการณ์ เราไม่ได้ตรวจจับ photon–baryon fluid โดยตรงอีกต่อไป เพราะระบบดังกล่าวสิ้นสุดสภาวะ tight coupling เมื่อเอกภพเย็นลงจนเกิด recombination และโฟตอนสามารถแยกตัวออกจากสสารได้มากขึ้น ประมาณ 380,000 ปีหลัง Big Bang โฟตอนจึงเริ่มเดินทางอย่างอิสระมากขึ้น และรูปแบบความหนาแน่นกับอุณหภูมิของพลาสมาในช่วงนั้นถูกบันทึกไว้ใน anisotropies ของ CMB NASA และ ESA ต่างใช้ CMB เป็นหลักฐานสำคัญในการศึกษาสภาวะของเอกภพในยุคดังกล่าว
.
.
สิ่งที่ทำให้หลักฐานนี้มีน้ำหนักมากคือ acoustic oscillations ไม่ได้ปรากฏเพียงในคำอธิบายเชิงทฤษฎี แต่สร้างรูปแบบเฉพาะใน power spectrum ของ CMB ตำแหน่งและขนาดสัมพัทธ์ของ acoustic peaks ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของ photon–baryon fluid ปริมาณ baryonic matter ปริมาณ dark matter อัตราการขยายตัว และขนาดของ sound horizon
ดังนั้นรูปแบบของ peaks จึงไม่ได้เป็นเพียงภาพประกอบของทฤษฎี แต่เป็นข้อมูลที่สามารถนำไปใช้ประมาณพารามิเตอร์ของจักรวาลวิทยาได้ WMAP และการทดลอง CMB รุ่นต่อมาแสดงให้เห็นรูปแบบ oscillatory ที่สอดคล้องกับการสั่นของ photon–baryon fluid ก่อน recombination
.
.
ในความหมายนี้ คำว่า “เสียงของจักรวาลยุคแรก” จึงมีรากฐานอยู่ในปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่ตรวจสอบได้ แต่ต้องใช้คำอย่างระมัดระวัง สิ่งที่มีอยู่ในยุคนั้นคือการสั่นของ photon–baryon fluid ซึ่งสามารถอธิบายด้วยคลื่นความดันและมีความเร็วเสียงเฉพาะของระบบ
ส่วนสิ่งที่เราตรวจพบในปัจจุบันคือผลที่การสั่นเหล่านั้นทิ้งไว้ในความผันผวนของ CMB และต่อมาในโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ เราไม่ได้มีเครื่องมือที่บันทึกเสียงจากจักรวาลเมื่อ 13,800 ล้านปีก่อนแล้วนำไฟล์นั้นมาเปิดฟัง แต่เรามีข้อมูลเชิงกายภาพที่รักษาร่องรอยของกระบวนการดังกล่าวไว้ และสามารถใช้แบบจำลองทางฟิสิกส์ย้อนกลับไปศึกษาว่าระบบในยุคนั้นต้องมีคุณสมบัติอย่างไร
.
.
ดังนั้น พลาสมายุคแรกจึงเป็นมากกว่าฉากหลังของเรื่อง Big Bang มันเป็นสภาพแวดล้อมทางกายภาพที่ทำให้ความผันผวนของความหนาแน่นสามารถวิวัฒน์เป็นการสั่นของสสารและรังสีได้ การมีโฟตอนที่ถูกกระเจิงโดยอิเล็กตรอนทำให้ radiation และ baryonic matter ถูกผูกเข้าด้วยกัน
การมีแรงโน้มถ่วงทำให้บริเวณที่หนาแน่นมีแนวโน้มยุบตัว ขณะที่แรงดันรังสีต่อต้านการบีบอัด และการขยายตัวของเอกภพทำให้คุณสมบัติของระบบเปลี่ยนไปตามเวลา เมื่อองค์ประกอบทั้งหมดนี้ทำงานร่วมกัน จึงเกิดพลวัตของ acoustic oscillations ที่สามารถคำนวณได้และทิ้งร่องรอยที่ตรวจสอบได้ในข้อมูลจักรวาลวิทยา
.
.
หากต้องการเข้าใจว่าการสั่นเหล่านี้เริ่มต้นขึ้นได้อย่างไร เราจึงต้องย้อนกลับไปก่อนที่พลาสมาจะเริ่มแกว่ง เพราะ photon–baryon fluid ไม่ได้เริ่มต้นจากสภาวะที่สมบูรณ์แบบและไม่มีความแตกต่างระหว่างบริเวณต่าง ๆ ในทางตรงกันข้าม ข้อมูลจาก CMB แสดงให้เห็นว่าเอกภพยุคแรกมีความผันผวนของความหนาแน่นและอุณหภูมิในระดับเล็กมาก
และความผันผวนเหล่านี้เป็นเงื่อนไขตั้งต้นของวิวัฒนาการทั้งหมดที่ตามมา คำถามต่อไปจึงอยู่ที่ว่า ความผันผวนแรกเริ่มเหล่านั้นเกิดขึ้นจากอะไร และเหตุใดความแตกต่างเพียงเล็กน้อยจึงสามารถกลายเป็นคลื่นที่มีร่องรอยปรากฏอยู่ทั่วทั้งจักรวาลได้
.
.
.
01.3 ความผันผวนแรกเริ่ม
จักรวาลยุคแรกไม่ได้มีความหนาแน่น อุณหภูมิ และศักย์โน้มถ่วงเหมือนกันทุกตำแหน่งอย่างสมบูรณ์แบบ หากเอกภพในช่วงเริ่มต้นของการก่อตัวโครงสร้างมีความสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ ไม่มีบริเวณใดหนาแน่นกว่าบริเวณอื่นเลย แรงโน้มถ่วงก็จะไม่มีความแตกต่างในระดับท้องถิ่นที่จะขยายความไม่สม่ำเสมอให้กลายเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ได้
เมื่อไม่มีความแตกต่างตั้งต้น การก่อตัวของโครงสร้างก็จะไม่มีเมล็ดสำหรับเติบโต และเอกภพในปัจจุบันซึ่งมีดาวฤกษ์ กาแล็กซี กระจุกกาแล็กซี และเครือข่ายของสสารในระดับมหภาคคงไม่สามารถเกิดขึ้นตามเส้นทางวิวัฒนาการที่เราสังเกตได้
.
.
สิ่งที่การสังเกตการณ์ CMB แสดงให้เห็นกลับตรงกันข้าม อุณหภูมิของรังสีพื้นหลังไม่ได้เท่ากันทุกทิศทางอย่างสมบูรณ์ แต่มีความแตกต่างขนาดเล็กมากกระจายอยู่ทั่วท้องฟ้า ความแตกต่างนี้มีระดับประมาณหนึ่งส่วนในหนึ่งแสนของอุณหภูมิเฉลี่ยของ CMB และการวัดจาก COBE, WMAP และ Planck ทำให้เราสามารถศึกษารูปแบบทางสถิติของความผันผวนเหล่านี้ได้อย่างละเอียดขึ้นเรื่อย ๆ
ความแตกต่างที่เล็กมากดังกล่าวไม่ได้เป็นเพียงสัญญาณรบกวนของเครื่องมือ แต่เป็นร่องรอยของความไม่สม่ำเสมอในเอกภพยุคแรก และเป็นหนึ่งในหลักฐานสำคัญที่ทำให้เราสามารถเชื่อมโยงสภาวะของจักรวาลเมื่อประมาณ 380,000 ปีหลัง Big Bang เข้ากับโครงสร้างที่เกิดขึ้นในเวลาต่อมาได้
.
.
คำว่า ความผันผวนของความหนาแน่น จึงไม่ได้หมายถึงบริเวณที่มีวัตถุเป็นก้อนใหญ่กระจายอยู่ท่ามกลางบริเวณว่างเปล่า ในระดับที่เรากำลังพูดถึง ความแตกต่างเริ่มต้นมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยของเอกภพ บริเวณหนึ่งอาจมีสสารหรือพลังงานมากกว่าค่าเฉลี่ยเพียงเล็กน้อย
ขณะที่บริเวณอีกแห่งมีน้อยกว่าเล็กน้อย แต่ความแตกต่างเพียงเล็กน้อยนี้เพียงพอที่จะสร้างความแตกต่างของศักย์โน้มถ่วง และเมื่อเวลาผ่านไป ความแตกต่างดังกล่าวสามารถเติบโตผ่านกระบวนการทางแรงโน้มถ่วงได้ บริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่าเล็กน้อยจึงมีแนวโน้มดึงสสารจากบริเวณโดยรอบเข้าหาตัวเองมากขึ้น ขณะที่บริเวณที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าจะมีบทบาทตรงกันข้ามในวิวัฒนาการของโครงสร้าง (esa.int)
.
.
แต่ก่อนจะอธิบายว่าความผันผวนเหล่านี้เติบโตอย่างไร ต้องแยกคำถามสองข้อออกจากกันเสียก่อน ข้อแรกคือ เรารู้หรือไม่ว่าความผันผวนมีอยู่จริง ซึ่งมีหลักฐานจาก CMB อย่างชัดเจน ส่วนข้อที่สองคือ ความผันผวนเหล่านี้เกิดขึ้นมาได้อย่างไร ซึ่งเป็นคำถามเกี่ยวกับฟิสิกส์ของเอกภพในช่วงก่อนที่ CMB จะถูกปลดปล่อยออกมา และยังเกี่ยวข้องกับช่วง inflation ที่เสนอขึ้นเพื่ออธิบายคุณสมบัติหลายประการของเอกภพในระดับใหญ่
.
.
ในแบบจำลอง inflation ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง การขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงแรกของเอกภพสามารถยืดความผันผวนที่มีต้นกำเนิดจากระดับควอนตัมให้ขยายไปสู่สเกลที่ใหญ่ในระดับจักรวาลได้ เมื่อ inflation สิ้นสุดลง ความผันผวนเหล่านั้นจึงกลายเป็นความแตกต่างเล็ก ๆ ของความหนาแน่นและศักย์โน้มถ่วงที่สามารถวิวัฒน์ต่อไปภายใต้พลวัตของเอกภพที่กำลังขยายตัว ESA อธิบายภาพนี้ว่าเป็นการขยายความผันผวนระดับควอนตัมไปสู่สเกลจักรวาล
.
.
ขณะที่ NASA ระบุว่าคุณสมบัติทางสถิติของความผันผวนที่ตรวจพบใน CMB สอดคล้องกับการคาดการณ์หลายประการของแบบจำลอง inflation อย่างไรก็ตาม กลไกทางกายภาพที่ทำให้เกิด inflation เองยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด และ inflation ยังเป็นสมมติฐานทางกายภาพที่มีรายละเอียดหลายประเด็นอยู่ระหว่างการศึกษา ไม่ใช่ข้อเท็จจริงที่เราสามารถกล่าวว่าได้รับการอธิบายครบทุกขั้นตอนแล้ว (esa.int; science.nasa.gov)
.
หลักฐานที่ทำให้เรื่องนี้น่าสนใจไม่ได้อยู่เพียงการพบว่ามีความผันผวน แต่รวมถึง รูปแบบของความผันผวนเมื่อพิจารณาตามขนาดของโครงสร้าง นักจักรวาลวิทยาสามารถนำข้อมูลความแตกต่างของอุณหภูมิใน CMB มาวิเคราะห์เป็น power spectrum ซึ่งบอกว่าความผันผวนมีพลังงานหรือแอมพลิจูดทางสถิติอย่างไรในแต่ละสเกล การวัดของ WMAP
.
และการทดลองอื่น ๆ พบว่าความผันผวนของ primordial universe มีคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับสิ่งที่แบบจำลอง inflation หลายรูปแบบคาดการณ์ไว้ รวมถึงการกระจายที่ใกล้ Gaussian และ spectrum ที่เกือบ scale-invariant แต่ไม่เป็น scale-invariant อย่างสมบูรณ์
ความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากความเรียบในสเกลต่าง ๆ เป็นข้อมูลสำคัญ เพราะมันทำให้นักจักรวาลวิทยาสามารถจำกัดรูปแบบของแบบจำลองที่อาจอธิบายต้นกำเนิดของ perturbations ได้ (science.nasa.gov; esa.int)
.
.
คำว่า scale-invariant ในที่นี้มีความหมายเฉพาะทาง ไม่ได้หมายความว่าความผันผวนทุกขนาดมีแอมพลิจูดเท่ากันในความหมายธรรมดา แต่หมายถึงลักษณะของ power spectrum ที่พลังของ perturbations เมื่อพิจารณาในกรอบที่เหมาะสมมีการกระจายตามสเกลใกล้เคียงกัน หาก spectrum เป็น scale-invariant อย่างสมบูรณ์
spectral index จะมีค่าใกล้ 1 และการวัดจริงพบค่าที่เบี่ยงเบนจาก 1 เล็กน้อย ความเบี่ยงเบนดังกล่าวเป็นหนึ่งในข้อมูลที่ใช้ตรวจสอบแบบจำลองของ inflation และคุณสมบัติของ primordial perturbations (esa.int)
.
.
ความผันผวนที่เกิดขึ้นจึงไม่ได้เป็นเพียงจุดเล็ก ๆ ที่มีความหนาแน่นมากกว่าบริเวณข้างเคียง แต่เป็นสนามของ perturbations ที่มีโครงสร้างในหลายสเกล และแต่ละสเกลสามารถวิวัฒน์แตกต่างกันตามองค์ประกอบของเอกภพและกระบวนการทางฟิสิกส์ที่เข้ามาเกี่ยวข้อง
สิ่งนี้มีความสำคัญต่อ acoustic oscillations เพราะเมื่อ primordial perturbations เข้าสู่ยุคที่ photon–baryon fluid มีการ coupling อย่างแน่นหนา ความแตกต่างของความหนาแน่นเหล่านั้นจะไม่ได้วิวัฒน์ภายใต้แรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว แต่จะเข้าสู่ระบบที่มีทั้งแรงโน้มถ่วง ความดันรังสี และการขยายตัวของเอกภพเข้ามากำหนดพลวัตพร้อมกัน
.
.
บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงกว่าค่าเฉลี่ยจะสร้างศักย์โน้มถ่วงที่มีแนวโน้มดึงสสารและพลังงานเข้าไปมากขึ้น หากพิจารณาเฉพาะแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว กระบวนการนี้จะทำให้ overdensity เติบโตขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อสสารสะสมมากขึ้น ความหนาแน่นก็ยิ่งเพิ่ม และแรงโน้มถ่วงก็ยิ่งมีอิทธิพลมากขึ้น
กระบวนการเติบโตเช่นนี้เป็นพื้นฐานของการก่อตัวโครงสร้างในจักรวาล แต่ในยุคก่อน recombination สสารธรรมดาไม่ได้เคลื่อนที่อย่างอิสระ เพราะ baryons ยังถูกผูกกับรังสีผ่านการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอน ดังนั้นการยุบตัวของบริเวณหนาแน่นจึงพบกับแรงต้านจาก radiation pressure ซึ่งมีต้นกำเนิดจากโฟตอนใน photon–baryon fluid (esa.int)
.
.
ผลที่เกิดขึ้นจึงไม่ใช่การที่ทุก overdensity ยุบตัวอย่างต่อเนื่องเหมือนก้อนสสารที่ตกลงไปในหลุมโน้มถ่วงโดยไม่มีแรงต้าน เมื่อสสารธรรมดาถูกแรงโน้มถ่วงดึงเข้าหาบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงขึ้น การบีบอัดของ photon–baryon fluid จะเพิ่มแรงดันรังสี เมื่อแรงดันสูงขึ้น ระบบจะมีแนวโน้มขยายตัวออกจากบริเวณที่ถูกบีบอัด
การขยายตัวนั้นทำให้ความหนาแน่นลดลงและเปลี่ยนทิศทางของการเคลื่อนที่ของ perturbation จากการ compression ไปสู่ rarefaction เมื่อความดันลดลง แรงโน้มถ่วงสามารถกลับมามีบทบาทในการดึงระบบเข้าสู่การบีบอัดอีกครั้ง กระบวนการจึงเกิดเป็นการสั่นของ perturbation แทนที่จะเป็นการยุบตัวเพียงทิศทางเดียว
.
.
ในทางกายภาพ เราจึงสามารถมอง primordial fluctuation เป็น เงื่อนไขตั้งต้นของตัวกลางที่พร้อมจะสั่น ความผันผวนไม่ได้เป็นเสียง และไม่ได้เป็นคลื่นเสียงตั้งแต่ช่วงที่มันเกิดขึ้น แต่เป็นความไม่สม่ำเสมอของการกระจายสสารและพลังงาน
เมื่อความไม่สม่ำเสมอนั้นเข้าสู่ระบบ photon–baryon fluid ที่มีแรงโน้มถ่วงและแรงดันรังสีทำงานร่วมกัน มันจึงสามารถพัฒนาเป็น acoustic mode ได้ กระบวนการนี้เป็นเหตุผลที่เรื่องราวของ primordial fluctuations ไม่ควรถูกแยกออกจากเรื่องของ acoustic oscillations เพราะสิ่งหนึ่งคือ เงื่อนไขเริ่มต้น ขณะที่อีกสิ่งหนึ่งคือ พลวัตที่เกิดขึ้นกับเงื่อนไขนั้น
.
.
ความสัมพันธ์ดังกล่าวยังช่วยอธิบายว่าทำไมข้อมูล CMB จึงสามารถบอกเราได้มากกว่าว่า “จักรวาลยุคแรกมีความไม่สม่ำเสมอ” รูปแบบของ fluctuations ใน CMB เก็บข้อมูลเกี่ยวกับกระบวนการที่ perturbations วิวัฒน์หลังจากเกิดขึ้นแล้ว
เมื่อพิจารณา power spectrum เราพบโครงสร้างแบบ oscillatory ที่เกิดจากการสั่นของ photon–baryon fluid ก่อน recombination ตำแหน่งและขนาดของ acoustic peaks จึงขึ้นอยู่กับทั้ง primordial perturbations และพลวัตของพลาสมาในเวลาต่อมา
.
.
ESA อธิบายว่ารูปแบบการสั่นใน power spectrum เกิดจากการแข่งขันระหว่างแรงโน้มถ่วงซึ่งดึง fluid เข้าหากันกับแรงดันรังสีซึ่งผลักกลับ และรูปร่างของ oscillations ยังมีข้อมูลเกี่ยวกับสัดส่วนของ baryonic matter ต่อ dark matter รวมถึงอัตราการขยายตัวของเอกภพ (esa.int)
.
ความแตกต่างระหว่าง dark matter กับ baryonic matter มีบทบาทสำคัญในกระบวนการนี้ เพราะทั้งสององค์ประกอบได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วง แต่ dark matter ไม่ได้ถูก coupling กับโฟตอนในลักษณะเดียวกับสสารธรรมดา ดังนั้นเมื่อ primordial overdensity เริ่มเติบโต dark matter สามารถสร้างและรักษา gravitational potential ได้โดยไม่ถูก radiation pressure ผลักกลับ
.
.
ขณะที่ baryonic matter ถูกผูกอยู่กับ photon–baryon fluid และมีการตอบสนองต่อแรงดันรังสีโดยตรง ความแตกต่างนี้ทำให้ acoustic oscillations ไม่ได้เป็นเพียงการสั่นของ “สสารทั้งหมด” แต่เป็นพลวัตเฉพาะขององค์ประกอบที่มีปฏิสัมพันธ์กับรังสีในช่วงนั้น (esa.int)
เมื่อเอกภพขยายตัวต่อไป ความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบเหล่านี้ก็เปลี่ยนแปลงตามเวลา อัตราการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอนลดลงเมื่อความหนาแน่นลดลงและเมื่ออุณหภูมิลดต่ำพอสำหรับการเกิดอะตอมเป็นกลาง
.
.
ในที่สุด photon–baryon fluid ก็ไม่สามารถรักษาการ coupling แบบเดิมได้อีกต่อไป โฟตอนจึงเริ่มเดินทางอย่างอิสระมากขึ้น และข้อมูลเกี่ยวกับความหนาแน่นและอุณหภูมิในเวลานั้นถูกทิ้งไว้ใน CMB การกระจายของความผันผวนที่เราวัดในปัจจุบันจึงเป็นผลจากทั้ง primordial conditions และวิวัฒนาการของ perturbations ภายใต้ฟิสิกส์ของพลาสมาในช่วงหลายแสนปีแรก (esa.int)
.
สิ่งที่ทำให้ความผันผวนระดับประมาณหนึ่งส่วนในหนึ่งแสนมีความสำคัญมากกว่าตัวเลขเพียงอย่างเดียว คือความผันผวนเหล่านี้สามารถติดตามต่อเนื่องผ่านประวัติศาสตร์ของเอกภพได้ จาก perturbations ในยุคแรก สู่การสั่นของ photon–baryon fluid จากนั้นสู่ความไม่สม่ำเสมอที่ถูกบันทึกใน CMB และท้ายที่สุดสู่การเติบโตของโครงสร้างภายใต้แรงโน้มถ่วงจนเกิดกาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซีในเวลาต่อมา
.
ESA ระบุว่าความผันผวนดั้งเดิมเหล่านี้เป็นเมล็ดของเครือข่ายโครงสร้างจักรวาลที่เราสังเกตในปัจจุบัน ขณะที่ NASA อธิบายความผันผวนของ CMB ว่าเป็นร่องรอยของ density contrast ในเอกภพยุคแรกที่นำไปสู่โครงสร้างต่าง ๆ ในเวลาต่อมา (esa.int; science.nasa.gov)
.
ดังนั้น primordial fluctuations จึงเป็นจุดเชื่อมระหว่างฟิสิกส์ของเอกภพในสเกลที่เล็กมากกับโครงสร้างในสเกลที่ใหญ่ที่สุดที่เราสังเกตได้ในปัจจุบัน ความผันผวนระดับควอนตัมที่ถูกขยายขึ้นในแบบจำลอง inflation ไม่ได้กลายเป็นกาแล็กซีโดยตรง แต่ทำหน้าที่เป็นเงื่อนไขตั้งต้นให้กับ perturbations ของสสารและศักย์โน้มถ่วง จากนั้นแรงโน้มถ่วง การปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับ baryons แรงดันรังสี และการขยายตัวของเอกภพจึงเข้ามากำหนดว่าความผันผวนแต่ละสเกลจะวิวัฒน์อย่างไร
.
การอธิบายลำดับนี้จึงทำให้เห็นว่ากาแล็กซีที่เกิดขึ้นในอีกหลายพันล้านปีต่อมาไม่ได้เป็นปรากฏการณ์ที่แยกขาดจากเอกภพยุคแรก แต่มีความสัมพันธ์กับ perturbations ที่มีอยู่ตั้งแต่ช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล
สำหรับเรื่องของเสียงในจักรวาล จุดสำคัญอยู่ที่ความแตกต่างระหว่าง ต้นกำเนิดของ perturbation กับ การสั่นของ perturbation ความผันผวนแรกเริ่มคือความไม่สม่ำเสมอของสนามความหนาแน่นและศักย์โน้มถ่วง ส่วน acoustic oscillation เป็นพฤติกรรมที่เกิดขึ้นเมื่อ perturbation ดังกล่าวเข้าสู่ photon–baryon fluid ซึ่งมีทั้งแรงโน้มถ่วงและแรงดันรังสีทำงานร่วมกัน หากไม่มีความผันผวนตั้งต้นก็ไม่มี compression และ rarefaction ให้ระบบสั่น
.
.
แต่หากไม่มี photon–baryon coupling และ radiation pressure ความผันผวนก็จะไม่พัฒนาเป็น acoustic oscillations ในรูปแบบเดียวกัน ดังนั้น “เสียง” ที่เราจะติดตามต่อจากบทนี้จึงไม่ได้เกิดขึ้นจากความว่างเปล่า หากเกิดจากความไม่สม่ำเสมอขนาดเล็กที่เข้าสู่ระบบฟิสิกส์ซึ่งสามารถทำให้ความหนาแน่นสั่นกลับไปกลับมาได้
.
เมื่อพิจารณาจากหลักฐานที่มีอยู่ในปัจจุบัน เราจึงสามารถแยกสิ่งที่ทราบออกจากสิ่งที่ยังเป็นแบบจำลองได้ค่อนข้างชัดเจนว่า ความผันผวนของเอกภพยุคแรกมีอยู่จริงและสามารถวัดร่องรอยได้จาก CMB ขณะที่คำอธิบายว่าความผันผวนเหล่านั้นเกิดขึ้นจากกลไกใดในช่วงแรกที่สุดยังขึ้นอยู่กับแบบจำลองของฟิสิกส์ยุคต้น โดย inflation เป็นกรอบอธิบายที่ได้รับการสนับสนุนจากคุณสมบัติหลายประการของข้อมูล แต่ยังไม่สามารถถือว่ารายละเอียดทางกายภาพของ inflation ได้รับการพิสูจน์ครบถ้วนแล้ว
.
สิ่งที่เราตรวจพบในภายหลังจึงเป็นหลักฐานของ perturbations และวิวัฒนาการของมัน ไม่ใช่การสังเกตโดยตรงของเหตุการณ์ควอนตัมในช่วงก่อน inflation สิ่งนี้เป็นข้อจำกัดที่สำคัญของการตีความข้อมูล เพราะจักรวาลที่เรามองเห็นในปัจจุบันให้ร่องรอยของอดีตผ่านผลที่กระบวนการเหล่านั้นทิ้งไว้ และหน้าที่ของจักรวาลวิทยาคือใช้ร่องรอยเหล่านั้นย้อนสร้างแบบจำลองของสภาวะที่เราไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง
.
จากความผันผวนที่เล็กมากเหล่านี้ ระบบ photon–baryon จึงมีเงื่อนไขพร้อมสำหรับการเกิดการสั่นของความหนาแน่น และเมื่อแรงโน้มถ่วงพยายามบีบอัดพลาสมา ขณะที่แรงดันรังสีตอบสนองต่อการบีบอัดนั้น ระบบก็ไม่ได้ยุบตัวลงอย่างต่อเนื่อง แต่เกิดพลวัตแบบ compression และ rarefaction ที่สามารถแพร่ผ่านพลาสมาได้
การทำความเข้าใจแรงสองด้านนี้จึงเป็นขั้นต่อไปของเรื่อง เพราะมันเป็นกลไกที่เปลี่ยน primordial density perturbations จากเพียง “ความไม่สม่ำเสมอ” ให้กลายเป็น acoustic oscillations ซึ่งต่อมาจะทิ้งรูปแบบที่เราสามารถอ่านได้จาก CMB และโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ
.
.
01.4 แรงโน้มถ่วงกับแรงดันรังสี
เมื่อความผันผวนแรกเริ่มทำให้บางบริเวณของจักรวาลมีความหนาแน่นมากกว่าค่าเฉลี่ยเพียงเล็กน้อย ความแตกต่างนั้นจะสร้างความแตกต่างของศักย์โน้มถ่วงขึ้นมาด้วย บริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่าจึงมีแนวโน้มดึงสสารและพลังงานโดยรอบเข้าหาตัวเอง
กระบวนการนี้เป็นพื้นฐานของการเติบโตของโครงสร้างในจักรวาล แต่ในช่วงเวลาที่สสารปกติยังถูกผูกติดกับโฟตอน สถานการณ์ไม่ได้เป็นการยุบตัวของสสารภายใต้แรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว เพราะองค์ประกอบเดียวกันที่กำลังถูกแรงโน้มถ่วงบีบอัดนั้นยังอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงดันจากรังสีด้วย
.
.
ก่อนการเกิด CMB โฟตอนและ baryons มีการปฏิสัมพันธ์กันอย่างแน่นหนาผ่านการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอน จนสามารถอธิบายระบบโดยประมาณเป็น photon–baryon fluid ได้ โฟตอนจึงไม่ได้เป็นเพียงรังสีที่ลอยอยู่ภายในสสาร แต่เป็นองค์ประกอบที่มีส่วนต่อพลวัตของของไหลโดยตรง เมื่อบริเวณหนึ่งถูกแรงโน้มถ่วงบีบให้หนาแน่นขึ้น การบีบอัดดังกล่าวจะทำให้ความดันของรังสีเพิ่มขึ้น และแรงดันนั้นจะต้านการยุบตัวของสสารธรรมดา
.
ESA อธิบายว่าการแข่งขันระหว่างแรงโน้มถ่วงที่ดึงของไหลสสาร–รังสีเข้าหากันกับแรงดันรังสีที่ผลักกลับ เป็นกลไกที่ทำให้เกิดการสลับระหว่างบริเวณที่ถูกบีบอัดและบริเวณที่คลายตัว หรือ compression และ rarefaction ซึ่งเป็นต้นกำเนิดของ acoustic oscillations ในเอกภพยุคแรก
การทำความเข้าใจกระบวนการนี้จำเป็นต้องเลิกมองแรงโน้มถ่วงกับแรงดันรังสีเป็นแรงสองชนิดที่กำลัง “ต่อสู้กัน” ในความหมายแบบง่าย ๆ เพราะสิ่งที่เกิดขึ้นจริงเป็นพลวัตต่อเนื่องของระบบเดียวกัน หากบริเวณหนึ่งมีความหนาแน่นสูงขึ้น
.
.
แรงโน้มถ่วงจะส่งเสริมให้สสารเคลื่อนเข้าสู่บริเวณนั้น การสะสมของสสารทำให้การบีบอัดเพิ่มขึ้น แต่ photon–baryon fluid มีความดันที่เพิ่มขึ้นตามการบีบอัด เมื่อแรงดันมากพอ การเคลื่อนที่ไม่ได้ดำเนินต่อไปในทิศทางเดิมอย่างไม่มีที่สิ้นสุด ระบบจะเกิดการผลักกลับและเริ่มเคลื่อนออกจากสภาวะที่ถูกอัด
.
เมื่อการขยายตัวของบริเวณนั้นดำเนินต่อไป ความหนาแน่นจะลดลง ความดันรังสีก็ลดลงตาม ขณะที่แรงโน้มถ่วงยังคงมีบทบาทในการดึงระบบกลับเข้าสู่บริเวณศักย์โน้มถ่วงเดิม ผลที่ได้จึงมีลักษณะคล้ายระบบที่มี restoring force หรือแรงคืนสภาพ กล่าวคือ เมื่อระบบถูกเบี่ยงออกจากสภาวะสมดุล พลวัตภายในระบบมีแนวโน้มผลักให้มันกลับมาและสามารถทำให้เกิดการแกว่งผ่านตำแหน่งสมดุลไปอีกด้านหนึ่งได้
นี่คือหัวใจของ acoustic oscillation
.
ในกรณีนี้ “การสั่น” ไม่ได้หมายความว่าสสารแต่ละอนุภาคกำลังสั่นอยู่กับที่เหมือนเม็ดทรายบนพื้น แต่หมายถึง perturbation ของความหนาแน่นและความดันกำลังเปลี่ยนแปลงและแพร่ผ่านตัวกลาง ในบริเวณหนึ่งของ fluid อาจเกิด compression ขณะที่บริเวณที่อยู่ถัดออกไปกำลังเข้าสู่ rarefaction จากนั้นสถานะเหล่านี้สามารถแพร่ต่อไปยังบริเวณข้างเคียง ทำให้รูปแบบของการรบกวนเคลื่อนที่ผ่านพลาสมา
.
หลักการนี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับสิ่งที่เราเรียกว่า “เสียง” ในฟิสิกส์ทั่วไป เสียงในอากาศเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของความดันและความหนาแน่นที่แพร่ผ่านตัวกลาง อากาศไม่ได้ถูกส่งจากปากของผู้พูดไปยังหูของผู้ฟังทั้งก้อน แต่อนุภาคในตัวกลางถ่ายทอดการรบกวนต่อกันเป็นลำดับ สิ่งที่เดินทางไปตามตัวกลางคือรูปแบบของการรบกวน
.
.
ในจักรวาลยุคแรก ตัวกลางนั้นไม่ใช่อากาศ แต่เป็นพลาสมาที่มีโฟตอนและสสารปกติเป็นองค์ประกอบสำคัญ และเนื่องจากโฟตอนกับ baryons ถูก coupling กันอย่างแน่นหนา การเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นจึงสามารถตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วงและแรงดันรังสีในลักษณะที่เกิดเป็นคลื่นความดันได้ ESA ระบุโดยตรงว่ารูปแบบ compression และ rarefaction ที่เกิดจากการแข่งขันระหว่างแรงโน้มถ่วงกับ radiation pressure ทำให้เกิดรูปแบบของ sound waves ใน fluid ของเอกภพยุคแรก
.
อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างทางฟิสิกส์ที่ต้องระวังอย่างมากระหว่าง acoustic wave กับ electromagnetic wave โฟตอนสามารถเดินทางในสุญญากาศด้วยความเร็วแสง แต่ acoustic wave ต้องอาศัยตัวกลางที่สามารถมีความหนาแน่น ความดัน และการตอบสนองต่อการบีบอัดได้ ดังนั้นความเร็วของ acoustic wave จึงถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของตัวกลาง ไม่ใช่ด้วยค่าความเร็วแสงโดยตรง
.
สำหรับ photon–baryon fluid ความเร็วเสียงสามารถเขียนในรูปของคุณสมบัติของระบบได้ โดยในกรณีที่ baryon loading ยังมีผลน้อย ความเร็วเสียงเข้าใกล้ค่าประมาณ c/\sqrt{3} ส่วนเมื่อสัดส่วนของ baryons เพิ่มขึ้น ความเฉื่อยของของไหลก็เพิ่มขึ้น ทำให้ความเร็วเสียงลดลงจากค่านั้น สมการของการสั่นในแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐานจึงมี sound speed ที่ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่าง baryon density กับ radiation density ไม่ได้เป็นค่าคงที่ตลอดประวัติศาสตร์ของเอกภพ
.
ความแตกต่างนี้มีความหมายต่อเรื่องของเราอย่างมาก เพราะคำว่า “เสียงของจักรวาล” ไม่ได้หมายความว่าโฟตอนกำลังเดินทางไปพร้อมกับเสียงด้วยความเร็วเท่ากัน หรือมีเสียงในรูปแบบเดียวกับที่หูมนุษย์ได้ยินบนโลก สิ่งที่กำลังแพร่คือการเปลี่ยนแปลงของความหนาแน่นและความดันในของไหลยุคแรก ขณะที่แสงหรือโฟตอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของระบบนั้นเอง
.
ยิ่งไปกว่านั้น การสั่นของ photon–baryon fluid ไม่ได้เกิดขึ้นโดยไม่มีโครงสร้างตั้งต้น เพราะ perturbations ที่เกิดขึ้นในช่วงแรกเป็นตัวกำหนดว่าบริเวณใดเริ่มเข้าสู่การบีบอัดและบริเวณใดมีการรบกวนในอีกเฟสหนึ่ง ดังนั้น primordial fluctuations และ acoustic oscillations จึงเป็นสองขั้นตอนที่ต่อเนื่องกันในกระบวนการเดียวกัน ความผันผวนแรกเริ่มให้เงื่อนไขตั้งต้น ส่วนแรงโน้มถ่วงและแรงดันรังสีกำหนดว่าความผันผวนเหล่านั้นจะวิวัฒน์อย่างไรหลังจากเข้าสู่ photon–baryon fluid
.
ความแตกต่างระหว่าง baryonic matter กับ dark matter ก็เข้ามามีบทบาทในขั้นนี้ด้วย แรงโน้มถ่วงกระทำต่อทั้งสององค์ประกอบ แต่ radiation pressure ของโฟตอนไม่ได้ผลัก dark matter ในลักษณะเดียวกับที่มีต่อ baryons เพราะ dark matter ไม่ได้ coupling กับโฟตอนแบบเดียวกัน ในช่วงก่อนการปลดปล่อย CMB จึงมีส่วนหนึ่งของโครงสร้างโน้มถ่วงที่สามารถเติบโตได้โดยไม่ถูก radiation pressure ต้านโดยตรง
ขณะที่ baryonic matter ยังคงถูกผูกอยู่กับ photon–baryon fluid ความแตกต่างนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่รูปแบบ acoustic oscillations ใน CMB สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับสัดส่วนของ baryonic matter และ dark matter ในจักรวาลได้
.
.
ภาพทางฟิสิกส์จึงซับซ้อนกว่าระบบลูกตุ้มธรรมดา เพราะไม่มีแรงเพียงสองแรงที่คงที่ตลอดเวลา จักรวาลกำลังขยายตัว ความหนาแน่นของรังสีและสสารเปลี่ยนไป อัตราการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอนเปลี่ยนตามอุณหภูมิและความหนาแน่น และความสัมพันธ์ระหว่าง pressure กับ density ของ fluid ก็เปลี่ยนตามองค์ประกอบของระบบด้วย ดังนั้น acoustic oscillations จึงเป็นพลวัตของระบบที่กำลังวิวัฒน์ ไม่ใช่คลื่นที่มีความเร็วและคุณสมบัติคงที่เหมือนคลื่นเสียงในอากาศภายในห้อง
.
เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลง photon–baryon coupling จะค่อย ๆ อ่อนลง การกระเจิงระหว่างโฟตอนกับอิเล็กตรอนลดลง และเมื่อเกิด recombination จนมีอะตอมเป็นกลางจำนวนมาก โฟตอนก็สามารถเดินทางได้อย่างอิสระมากขึ้น กระบวนการนี้เกิดขึ้นประมาณ 380,000 ปีหลัง Big Bang และเป็นจุดที่สถานะของ photon–baryon fluid เปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญ หลังจากนั้นสสารปกติไม่ได้ถูกบังคับให้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับโฟตอนอีกต่อไป และการเติบโตของโครงสร้างภายใต้แรงโน้มถ่วงก็สามารถดำเนินต่อไปในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างจากยุคก่อนหน้า
.
แต่ก่อนที่ coupling จะสิ้นสุด ระบบได้สะสมประวัติของการสั่นเอาไว้แล้ว ความแตกต่างของเฟสระหว่าง perturbations ในสเกลต่าง ๆ ทำให้เมื่อเรามองย้อนกลับไปยังเวลาที่ CMB ถูกปลดปล่อย เราไม่ได้เห็นเพียงภาพของบริเวณร้อนและเย็นแบบสุ่ม แต่พบรูปแบบทางสถิติที่มีโครงสร้างเป็นชุดของ acoustic peaks ใน power spectrum รูปแบบเหล่านี้เป็นผลจากการที่ perturbations ใน photon–baryon fluid ผ่านวิวัฒนาการของ compression และ rarefaction ในช่วงก่อน recombination
.
ดังนั้นสิ่งที่เรียกว่า “เสียง” ในจักรวาลยุคแรกจึงมีความหมายที่แม่นยำกว่าการเปรียบเทียบกับเสียงที่มนุษย์ได้ยินมาก มันคือ การสั่นของ perturbations ในของไหลที่มีแรงดันและแรงโน้มถ่วงทำงานร่วมกัน และมีเงื่อนไขทางกายภาพที่ทำให้การรบกวนสามารถแพร่จากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่งได้ ในภาษาของจักรวาลวิทยา เรากำลังพูดถึง acoustic modes ของ photon–baryon plasma
.
สิ่งที่น่าสนใจคือกระบวนการนี้ทำให้จักรวาลยุคแรกมีสิ่งที่อาจเรียกได้ว่าเป็น “จังหวะ” ในความหมายทางฟิสิกส์ ไม่ใช่จังหวะที่มีผู้ฟัง ไม่ใช่เสียงที่ถูกบันทึกด้วยเครื่องมือ และไม่ใช่คลื่นเสียงที่เดินทางผ่านสุญญากาศ แต่เป็นวิวัฒนาการตามเวลาของความหนาแน่นและความดันซึ่งถูกกำหนดโดยสมการทางฟิสิกส์ของของไหลและแรงโน้มถ่วง
.
หากมองระบบในช่วงเวลาหนึ่ง บริเวณหนึ่งกำลังถูกบีบอัด ขณะที่บริเวณอื่นกำลังคลายตัว ต่อมาเฟสเหล่านั้นเปลี่ยนตำแหน่งและวิวัฒน์ต่อไป รูปแบบการรบกวนสามารถแพร่กระจายออกจากบริเวณต้นกำเนิด และสเกลของการแพร่กระจายก่อน photon decoupling จะกลายเป็นหนึ่งในมาตราส่วนสำคัญของจักรวาลวิทยา นั่นคือ sound horizon ซึ่งจะมีบทบาทสำคัญต่อการตีความ acoustic peaks ใน CMB และต่อมา BAO ในการกระจายตัวของกาแล็กซี
.
ตรงนี้ทำให้ความหมายของ “เสียง” ในชื่อเรื่องชัดเจนขึ้น เราไม่ได้กำลังพูดถึงเสียงในความหมายของประสาทสัมผัส แต่กำลังพูดถึงปรากฏการณ์ที่มีโครงสร้างทางคณิตศาสตร์และทางกายภาพเดียวกับระบบคลื่นความดัน คือมีตัวกลาง มีการบีบอัด มีการคลายตัว มีความเร็วการแพร่ และมีเงื่อนไขที่กำหนดว่าสัญญาณการรบกวนสามารถเดินทางได้ไกลเพียงใดก่อนถึงช่วงเวลาที่ coupling ระหว่างสสารกับรังสีเปลี่ยนไป
.
จากความผันผวนแรกเริ่มที่มีขนาดเล็กมาก จึงเกิดกระบวนการต่อเนื่องขึ้นมาได้ดังนี้ ความแตกต่างของความหนาแน่นสร้างความแตกต่างของศักย์โน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงผลักให้ photon–baryon fluid เข้าสู่การบีบอัด การบีบอัดเพิ่มแรงดันรังสี แรงดันทำให้ระบบคลายตัว และการสลับระหว่างสองสภาวะทำให้ perturbation เกิดการสั่นและแพร่ผ่านของไหล กระบวนการนี้คือสิ่งที่ทำให้ primordial fluctuations สามารถกลายเป็น acoustic oscillations
.
หลักฐานของกระบวนการนี้ไม่ได้อยู่ในคำว่า “เสียง” แต่ถูกเก็บไว้ในรูปแบบที่สามารถวัดได้จริง ความผันผวนของ CMB และ acoustic peaks ใน power spectrum เป็นร่องรอยของพลวัตดังกล่าว และภายหลังเมื่อโครงสร้างของจักรวาลเติบโต ร่องรอยของ acoustic scale ยังปรากฏในรูปแบบการกระจายตัวของกาแล็กซีในฐานะ baryon acoustic oscillations หรือ BAO ด้วย
.
ดังนั้น ณ จุดนี้ เราไม่ได้อยู่กับเพียงคำถามว่าจักรวาลยุคแรก “มีความไม่สม่ำเสมอ” หรือไม่อีกแล้ว เรากำลังเห็นว่าความไม่สม่ำเสมอนั้นสามารถเข้าสู่ระบบที่มี แรงโน้มถ่วงเป็นตัวเร่งการบีบอัด และแรงดันรังสีเป็นส่วนหนึ่งของแรงคืนสภาพ จนเกิดการสั่นที่มีสเกล ความเร็ว และประวัติการวิวัฒน์ที่สามารถทิ้งร่องรอยไว้ในข้อมูลจักรวาลได้
และเมื่อเรารู้แล้วว่าการสั่นนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร คำถามต่อไปจึงไม่ใช่ว่า “มีเสียงหรือไม่” แต่คือ การสั่นนี้มีความถี่เท่าใด เดินทางได้ไกลแค่ไหน และเหตุใดมันจึงทิ้งรูปแบบที่เราสามารถตรวจพบได้ในจักรวาลปัจจุบัน
คำตอบจะนำไปสู่สิ่งที่เรียกว่า Acoustic Oscillations และมาตราส่วนที่สำคัญที่สุดของมัน - Sound Horizon.
.
.
.
01.5 Acoustic Oscillations
Acoustic Oscillations คือชื่อที่ใช้เรียกการสั่นของ perturbations ใน photon–baryon fluid ของจักรวาลยุคแรก ก่อนที่โฟตอนจะหลุดออกจากการ coupling กับสสารปกติอย่างมีประสิทธิภาพ ระบบนี้ไม่ได้ประกอบด้วยสสารที่กระจายตัวอยู่นิ่ง ๆ แต่เป็นของไหลที่มีความหนาแน่น ความดัน การเคลื่อนที่ และแรงโน้มถ่วงทำงานร่วมกันตลอดเวลา เมื่อมีความผันผวนของความหนาแน่นเกิดขึ้น ความผันผวนนั้นจึงสามารถเปลี่ยนแปลงตามเวลาและแพร่ผ่านตัวกลางในรูปแบบของคลื่นความดันได้
.
กระบวนการเริ่มต้นจาก primordial perturbation ซึ่งเป็นความแตกต่างเล็ก ๆ ของความหนาแน่นและศักย์โน้มถ่วง บริเวณที่มีความหนาแน่นสูงกว่าค่าเฉลี่ยจะสร้างบริเวณศักย์โน้มถ่วงที่ดึง photon–baryon fluid เข้าหาตัวเอง
การเคลื่อนที่เข้าด้านในทำให้เกิดการบีบอัด เมื่อของไหลถูกบีบอัด ความดันของรังสีจะเพิ่มขึ้น และแรงดันดังกล่าวจะต่อต้านการยุบตัว เมื่อการผลักกลับทำให้บริเวณนั้นขยายออก ความหนาแน่นและความดันก็ลดลง ระบบจึงเคลื่อนออกจากสภาวะที่ถูกอัดไปสู่สภาวะที่เบาบางกว่า ก่อนที่แรงโน้มถ่วงจะสามารถเปลี่ยนพลวัตกลับไปสู่การบีบอัดอีกครั้ง
.
.
การสลับระหว่าง compression และ rarefaction นี้เป็นแกนกลางของ acoustic oscillation ESA อธิบายว่าการแข่งขันระหว่างแรงโน้มถ่วงซึ่งดึงของไหลสสาร–รังสีเข้าหากันกับแรงดันรังสีของโฟตอนซึ่งผลักกลับ ทำให้เกิดชุดของการบีบอัดและการคลายตัวอย่างเป็นจังหวะทั่ว photon–baryon fluid และรูปแบบดังกล่าวปรากฏเป็น acoustic oscillations ในข้อมูล CMB ในเวลาต่อมา
.
คำว่า oscillation จึงมีความหมายมากกว่าการบอกว่ามี “คลื่น” เกิดขึ้น เพราะมันบอกถึงวิวัฒนาการของ perturbation ตามเวลา หากพิจารณาบริเวณหนึ่งในช่วงที่แรงโน้มถ่วงกำลังทำให้เกิดการบีบอัด ความหนาแน่นจะเพิ่มขึ้นจนแรงดันของรังสีเริ่มมีอิทธิพลมากขึ้น จากนั้นการเคลื่อนที่ของของไหลจะเปลี่ยนทิศทางเข้าสู่ระยะ rarefaction เมื่อการคลายตัวดำเนินต่อไป สภาวะของระบบจะเปลี่ยนอีกครั้ง และ perturbation สามารถเข้าสู่รอบใหม่ได้
.
ในเชิงคณิตศาสตร์ ระบบจึงมีลักษณะคล้าย oscillator ที่มีแรงคืนสภาพ แม้จะไม่ใช่ oscillator แบบอุดมคติที่มีมวลหนึ่งก้อนติดกับสปริงก็ตาม เพราะตัวกลางกำลังขยายตัวและคุณสมบัติทางกายภาพของระบบเปลี่ยนไปตามเวลา ความหนาแน่นของ baryons และ radiation ลดลง อัตราการกระเจิงของโฟตอนกับอิเล็กตรอนเปลี่ยนแปลง และความเร็วเสียงของ fluid ก็เปลี่ยนไปตามองค์ประกอบของระบบ ดังนั้น acoustic oscillations ในจักรวาลจึงเป็น oscillator ที่วิวัฒน์ไปพร้อมกับจักรวาล ไม่ใช่คลื่นที่มีคุณสมบัติคงที่ตลอดประวัติศาสตร์
.
ประเด็นนี้ทำให้ต้องเปลี่ยนภาพจาก “เสียงหนึ่งเสียง” ไปเป็น ชุดของโหมดการสั่นจำนวนมาก
ความผันผวนแรกเริ่มไม่ได้มีเพียงขนาดเดียว แต่ประกอบด้วย perturbations ในหลายมาตราส่วน แต่ละมาตราส่วนมีความยาวคลื่นของตัวเองและเริ่มต้นด้วยเฟสที่แตกต่างกัน เมื่อเข้าสู่ photon–baryon fluid แต่ละโหมดจึงมีเวลาสำหรับการวิวัฒน์แตกต่างกัน บางโหมดอาจยังอยู่ในช่วงต้นของการบีบอัด ขณะที่บางโหมดผ่านการบีบอัดสูงสุดมาแล้วและกำลังเข้าสู่ rarefaction และบางโหมดสามารถผ่านวงจรการสั่นหลายช่วงก่อนที่ photon decoupling จะเกิดขึ้น
.
.
ดังนั้นจักรวาลยุคแรกไม่ได้มี “ความถี่เสียงหลัก” เพียงความถี่เดียว แต่มี spectrum ของ perturbation modes จำนวนมหาศาล แต่ละโหมดมี wavelength และ phase ของตัวเอง และตอบสนองต่อประวัติการขยายตัวของจักรวาลกับคุณสมบัติของ photon–baryon fluid ในลักษณะที่แตกต่างกัน การรวมกันของโหมดเหล่านี้เป็นสิ่งที่ทำให้สนามของความหนาแน่นและความเร็วในพลาสมายุคแรกมีโครงสร้างซับซ้อน
.
แนวคิดนี้อธิบายได้ว่าทำไมคำว่า acoustic จึงเหมาะกับปรากฏการณ์นี้ในทางฟิสิกส์ แม้จะไม่มีมนุษย์หรือสิ่งมีชีวิตใดกำลังได้ยินเสียงอยู่ก็ตาม ในฟิสิกส์ คลื่นเสียงคือการรบกวนเชิงกลที่แพร่ผ่านตัวกลาง โดยเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของความดันและความหนาแน่น ตัวกลางอาจเป็นก๊าซ ของเหลว หรือพลาสมา ขณะที่ในจักรวาลยุคแรก ตัวกลางคือ photon–baryon fluid ซึ่งมีคุณสมบัติที่ทำให้การรบกวนสามารถแพร่ในรูปของ acoustic mode ได้
.
สิ่งนี้แตกต่างอย่างชัดเจนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสงสามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้ เพราะ electromagnetic field สามารถแพร่กระจายได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางแบบของไหล แต่ acoustic wave ต้องอาศัยระบบที่สามารถถูกบีบอัดและตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของความดันได้ การที่ acoustic oscillation เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรกจึงไม่ได้หมายความว่าเสียงสามารถเดินทางผ่านสุญญากาศของจักรวาลปัจจุบันได้ แต่หมายความว่า ในเวลานั้นจักรวาลมีตัวกลางทางกายภาพที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับการแพร่ของคลื่นความดัน
.
ความเร็วของการแพร่ก็เป็นอีกประเด็นที่ต้องแยกออกจากความเร็วแสงอย่างชัดเจน ความเร็วเสียงของ photon–baryon fluid ไม่เท่ากับ c เพราะสิ่งที่กำลังแพร่คือ perturbation ของของไหล ไม่ใช่โฟตอนที่กำลังเดินทางอย่างอิสระ ในขีดจำกัดที่ radiation มีอิทธิพลเด่นและ baryon loading ยังมีผลน้อย ความเร็วเสียงเข้าใกล้ประมาณ c/\sqrt{3} แต่เมื่อ baryons มีส่วนต่อความเฉื่อยของของไหลมากขึ้น ความเร็วเสียงจะต่ำลงจากค่านี้
.
สมการพื้นฐานของคลื่นสามารถเขียนในรูป v=f\lambda ซึ่งช่วยให้เห็นว่าความเร็ว ความถี่ และความยาวคลื่นสัมพันธ์กันอย่างไร แต่ในกรณีของจักรวาลยุคแรก เราไม่ควรนำสมการนี้ไปใช้เหมือนกับคลื่นเสียงคงที่ในห้อง เพราะทั้งตัวกลางและความเร็วเสียงเปลี่ยนแปลงไปตามการขยายตัวของจักรวาล สิ่งที่สำคัญกว่าค่าความถี่ใดค่าหนึ่งคือการติดตามว่า perturbation แต่ละโหมดสามารถแพร่และสั่นได้มากเพียงใดก่อนที่สภาวะของระบบจะเปลี่ยนไป
.
.
เมื่อมองจากกรอบนี้ ความยาวคลื่นจึงกลายเป็นตัวแปรสำคัญมาก โหมดที่มี wavelength ใหญ่สามารถมีพลวัตแตกต่างจากโหมดขนาดเล็ก เพราะระยะทางที่ perturbation ต้องแพร่ผ่านตัวกลางและเวลาที่มีให้เกิดการสั่นก่อน decoupling แตกต่างกัน ขนาดของระบบที่สามารถตอบสนองเชิงสาเหตุถึงกันได้ในช่วงเวลาหนึ่งจึงเป็นข้อจำกัดพื้นฐานของการเกิด oscillation ในแต่ละสเกล
.
นี่นำไปสู่แนวคิดเรื่อง sound horizon ซึ่งหมายถึงระยะทางสูงสุดที่ acoustic disturbance สามารถแพร่ได้ตั้งแต่ช่วงต้นของจักรวาลจนถึงเวลาที่โฟตอน decouple จากสสารปกติ ESA ใช้แนวคิดนี้เป็นมาตราส่วนสำคัญในการตีความตำแหน่งของ acoustic oscillations ใน CMB และอธิบายว่าตำแหน่งของ acoustic feature แรกสัมพันธ์กับขนาดของบริเวณที่คลื่นเสียงสามารถเดินทางได้ก่อน CMB ถูกปลดปล่อย
.
อย่างไรก็ตาม sound horizon ไม่ควรถูกจินตนาการเป็น “ขอบของเสียง” ที่มีผนังล้อมรอบจักรวาล มันเป็นระยะทางเชิงฟิสิกส์ที่กำหนดโดยการรวมความเร็วเสียงตามเวลาที่จักรวาลกำลังขยายตัว กล่าวอีกแบบหนึ่งคือมันเป็นผลรวมของระยะทางที่ perturbation สามารถเดินทางได้ในช่วงเวลาที่ photon–baryon fluid ยังสามารถรองรับ acoustic propagation ได้
.
.
เมื่อเวลาผ่านไป perturbations ในแต่ละโหมดจึงสะสม phase ของการสั่นแตกต่างกัน และเมื่อถึงยุค recombination ระบบก็หยุดมีคุณสมบัติแบบเดิมที่ทำให้ photon–baryon acoustic oscillations ดำเนินต่อไป โฟตอนสามารถเดินทางได้อิสระมากขึ้น ขณะที่รูปแบบของ perturbations ที่เกิดขึ้นก่อนหน้านั้นถูกทิ้งไว้เป็นร่องรอยใน CMB NASA และ ESA ต่างใช้ acoustic oscillations เป็นส่วนหนึ่งของคำอธิบายว่าความผันผวนเล็ก ๆ ใน plasma ยุคแรกสามารถทิ้งลายเซ็นไว้ในข้อมูล CMB และต่อมาในโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาลได้อย่างไร
.
เมื่อพิจารณาใน Fourier space ภาพของ “คลื่น” จะยิ่งชัดขึ้น เพราะ primordial perturbation field สามารถแยกออกเป็นโหมดที่มี wavenumber แตกต่างกัน แต่ละโหมดมีสมการวิวัฒน์ของตัวเอง และการวัด CMB ไม่ได้แสดงคลื่นแต่ละลูกให้เราเห็นโดยตรง สิ่งที่สังเกตได้คือผลรวมทางสถิติของโหมดจำนวนมหาศาลที่ถูกถ่ายทอดผ่านพลวัตของ photon–baryon fluid ก่อน recombination
.
ผลลัพธ์ของกระบวนการนี้ปรากฏใน power spectrum ของ CMB ในรูปของ acoustic peaks ตำแหน่งและแอมพลิจูดของ peaks สะท้อนว่าโหมดต่าง ๆ ผ่านสภาวะการบีบอัดหรือการคลายตัวมาอย่างไรในเวลาที่โฟตอนถูกปลดปล่อยออกจาก plasma NASA ระบุว่าความไม่สมมาตรของ CMB ในสเกลย่อยองศาเผยให้เห็นลายเซ็นของ acoustic oscillations ของ photon–baryon fluid ที่ redshift ประมาณ 1100 ขณะที่ ESA อธิบายว่ารูปแบบ oscillation ใน power spectrum เกิดจากพลวัตของ fluid ก่อนการปลดปล่อย CMB
.
ผลที่ตามมาคือ เราไม่ได้ตรวจพบ “เสียง” โดยตรง แต่ตรวจพบ ผลทางกายภาพของการสั่น การวัดอุณหภูมิและ polarization ของ CMB ทำให้สามารถย้อนสร้างข้อมูลเกี่ยวกับ perturbations และวิวัฒนาการของ fluid ได้ และเมื่อมองไปยังยุคที่โครงสร้างกาแล็กซีก่อตัว ร่องรอยของ acoustic scale เดียวกันยังปรากฏในรูปแบบการกระจายตัวของสสารที่เรียกว่า Baryon Acoustic Oscillations หรือ BAO
.
NASA อธิบายว่าเมื่อคลื่นหยุดแพร่หลังการเปลี่ยนสถานะของพลาสมา ร่องรอยของ ripple เหล่านั้นยังคงอยู่และถูกยืดออกตามการขยายตัวของจักรวาล ก่อนจะปรากฏเป็นความแตกต่างเล็ก ๆ ในการกระจายตัวของกาแล็กซี
.
จึงมีความแตกต่างสำคัญระหว่างสิ่งที่เกิดขึ้นในยุคแรกกับสิ่งที่เราสังเกตในปัจจุบัน ในยุคแรกมี การแพร่ของ acoustic perturbations จริงใน photon–baryon fluid แต่ในจักรวาลปัจจุบันเราไม่ได้มี plasma แบบเดียวกันและไม่ได้กำลังฟังคลื่นเหล่านั้นโดยตรง สิ่งที่เหลืออยู่คือร่องรอยทางสถิติของกระบวนการที่เคยเกิดขึ้น และร่องรอยนั้นสามารถถูกอ่านจาก CMB และโครงสร้างขนาดใหญ่ของสสารได้
.
นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมภาพแบบภาพยนตร์ที่มี “เสียงหนึ่งเสียงระเบิดออกจาก Big Bang แล้วเดินทางผ่านจักรวาลจนมาถึงโลก” จึงไม่ตรงกับฟิสิกส์ของปรากฏการณ์นี้ สิ่งที่เกิดขึ้นมีลักษณะเป็นสนามของ perturbations จำนวนมหาศาล ซึ่งแต่ละโหมดมีสเกลและวิวัฒนาการของตัวเอง คลื่นเหล่านั้นไม่ได้เดินทางจากจุดศูนย์กลางหนึ่งไปยังผู้ฟังที่อยู่ปลายทาง เพราะ Big Bang ไม่ได้มีศูนย์กลางในอวกาศ และ acoustic perturbations ไม่ได้เป็นเสียงที่ถูกส่งผ่านสุญญากาศมาถึงเราในปัจจุบัน
.
สิ่งที่มนุษย์สามารถทำได้ในเวลาต่อมาคือการนำข้อมูลที่บันทึกผลของ oscillations เหล่านี้มาวิเคราะห์และแปลงให้อยู่ในรูปแบบที่ประสาทสัมผัสของมนุษย์รับรู้ได้ JPL เองอธิบายไฟล์ Sounds of the Ancient Universe ว่าเป็นการนำ primordial sound waves ที่ถูกตรวจพบผ่านข้อมูลของ Planck มาแปลเป็นความถี่ที่มนุษย์สามารถได้ยิน โดยเสียงที่เราได้ยินจึงเป็นผลจากกระบวนการแปลงข้อมูล ไม่ใช่การบันทึกเสียงดั้งเดิมด้วยไมโครโฟน
.
ดังนั้นก่อนจะเดินต่อไปสู่การแปลข้อมูลจักรวาลให้กลายเป็นเสียง เราจำเป็นต้องแยกคำสองคำออกจากกันให้ชัดเจนเสียก่อน คือ “acoustic phenomenon” กับ “audible sound” ปรากฏการณ์แรกมีอยู่จริงในพลาสมายุคแรกและสามารถทิ้งร่องรอยที่ตรวจวัดได้ ส่วนอย่างหลังเป็นประสบการณ์ทางประสาทสัมผัสของมนุษย์ ซึ่งต้องอาศัยความถี่และตัวกลางที่เหมาะสมกับระบบการได้ยิน
และความแตกต่างนี้ทำให้เกิดคำถามถัดไปที่สำคัญกว่าคำถามว่า “จักรวาลมีเสียงหรือไม่”
.
.
เสียงในความหมายทางฟิสิกส์คืออะไร และเมื่อเราเรียก acoustic oscillations ของจักรวาลว่า “เสียง” เรากำลังหมายถึงปรากฏการณ์เดียวกับเสียงที่มนุษย์ได้ยินจริงหรือเพียงใช้คำเดียวกันเพื่ออธิบายกลไกที่มีโครงสร้างคล้ายกัน
คำถามนี้จะเป็นจุดเริ่มต้นของ 01.6 ซึ่งต้องแยกให้ชัดระหว่าง คลื่นความดันทางฟิสิกส์, เสียงที่เกิดในตัวกลาง, และ เสียงที่มนุษย์รับรู้ผ่านระบบการได้ยิน.
.
.
.
01.6 “เสียง” ในความหมายทางฟิสิกส์คืออะไร
ในชีวิตประจำวัน คำว่า “เสียง” หมายถึงปรากฏการณ์ที่มนุษย์รับรู้ผ่านระบบการได้ยิน เราพูด ฟังดนตรี ได้ยินเสียงเครื่องยนต์ เสียงฟ้าร้อง หรือเสียงวัตถุกระทบกัน และในแต่ละกรณีสิ่งที่เกิดขึ้นทางกายภาพเริ่มจากการสั่นหรือการเปลี่ยนแปลงของแหล่งกำเนิด ก่อนถ่ายทอดการรบกวนผ่านตัวกลางจนมาถึงหู ระบบการได้ยินจะแปลงการเปลี่ยนแปลงของความดันที่แก้วหูให้เป็นสัญญาณประสาท และสมองจึงสร้างประสบการณ์ที่เรารับรู้ว่าเป็นเสียง กระบวนการทั้งหมดนี้ทำให้คำว่า “เสียง” ในภาษาทั่วไปผูกติดกับประสบการณ์ของผู้ฟังอย่างแน่นหนา
.
.
ในทางฟิสิกส์ เราต้องแยกส่วนของกระบวนการเหล่านี้ออกจากกัน เพราะ คลื่นเสียงที่เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพ กับ เสียงในฐานะประสบการณ์การได้ยินของมนุษย์ ไม่ใช่สิ่งเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของความดันในอากาศสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่มีมนุษย์อยู่ใกล้ ๆ และคลื่นความดันสามารถเดินทางผ่านตัวกลางได้โดยไม่จำเป็นต้องมีระบบประสาทใดมารับรู้ การได้ยินจึงเป็นผลจากการที่ระบบชีวภาพตรวจจับและประมวลผลปรากฏการณ์ทางกายภาพนั้น ไม่ใช่เงื่อนไขที่ทำให้คลื่นทางกายภาพเกิดขึ้น
.
ในความหมายทางฟิสิกส์ที่เหมาะกับเรื่องนี้ เสียงเป็นปรากฏการณ์ของ การรบกวนเชิงกลที่แพร่ผ่านตัวกลางซึ่งมีความยืดหยุ่นและมีความเฉื่อย ตัวกลางสามารถเป็นก๊าซ ของเหลว ของแข็ง หรือพลาสมาได้ โดยรายละเอียดของการแพร่จะแตกต่างกันตามคุณสมบัติของตัวกลาง ในก๊าซและของเหลว คลื่นเสียงโดยทั่วไปเป็นคลื่นตามยาว
กล่าวคืออนุภาคของตัวกลางเกิดการเคลื่อนที่สั่นไปตามทิศทางที่คลื่นแพร่ ทำให้เกิดบริเวณที่มีความดันและความหนาแน่นสูงสลับกับบริเวณที่มีความดันและความหนาแน่นต่ำ
.
.
ภาพของคลื่นจึงไม่ควรถูกเข้าใจว่าอนุภาคทั้งหมดของตัวกลางถูกส่งจากจุดกำเนิดไปยังปลายทางพร้อมกับคลื่น ในคลื่นเสียง อนุภาคของตัวกลางส่วนใหญ่มีการเคลื่อนที่ไปกลับรอบสภาวะสมดุล ขณะที่รูปแบบของการรบกวนสามารถแพร่ผ่านตัวกลางไปเป็นระยะทางไกลกว่าอนุภาคแต่ละตัวมาก สิ่งที่ถ่ายทอดต่อกันจึงเป็นพลังงาน โมเมนตัม และรูปแบบของการรบกวน ไม่ใช่การขนส่งตัวกลางทั้งก้อนจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง
.
การโยนก้อนหินลงในผิวน้ำช่วยสร้างภาพทางสัญชาตญาณเกี่ยวกับแนวคิดนี้ได้ แม้รายละเอียดของคลื่นผิวน้ำจะไม่เหมือนคลื่นเสียงในอากาศ แต่เราสามารถเห็นได้ว่ารูปแบบของการรบกวนแพร่กระจายออกจากบริเวณต้นกำเนิด ขณะที่น้ำแต่ละส่วนไม่ได้เดินทางออกไปพร้อมกับแนวคลื่นทั้งหมด สิ่งที่เคลื่อนผ่านระบบคือรูปแบบของการรบกวนที่ส่งต่อจากบริเวณหนึ่งไปยังบริเวณถัดไป
.
.
สำหรับคลื่นเสียงในก๊าซ หลักการนี้เห็นได้จากการเปลี่ยนแปลงของความดัน เมื่อแหล่งกำเนิดสั่น อากาศบริเวณใกล้เคียงจะถูกบีบอัดและคลายตัวสลับกัน การบีบอัดบริเวณหนึ่งส่งผลต่อบริเวณข้างเคียง และการรบกวนจึงแพร่ต่อไปเป็นลำดับ ความเร็วของคลื่นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง เช่น ความหนาแน่น ความยืดหยุ่น และสมการสถานะของมัน ไม่ได้ถูกกำหนดโดยความเร็วของแหล่งกำเนิดเพียงอย่างเดียว
.
หลักการนี้อธิบายได้ว่าทำไมเสียงจึงแตกต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า แสงไม่จำเป็นต้องมีตัวกลางแบบของไหลเพื่อแพร่ผ่านสุญญากาศ ขณะที่คลื่นเสียงในความหมายทางกลต้องมีระบบทางกายภาพที่สามารถตอบสนองต่อการรบกวนและถ่ายทอดการรบกวนต่อไปได้ หากไม่มีตัวกลางที่เหมาะสม คลื่นเสียงก็ไม่สามารถแพร่ผ่านบริเวณนั้นได้ แม้ว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะยังสามารถเดินทางผ่านบริเวณเดียวกันได้ก็ตาม
.
เมื่อหลักการนี้ถูกนำไปใช้กับจักรวาลยุคแรก ตัวกลางที่เรากำลังพูดถึงจึงแตกต่างจากสิ่งแวดล้อมรอบตัวมนุษย์โดยสิ้นเชิง มันคือ photon–baryon fluid ซึ่งเป็นระบบที่โฟตอนและสสารปกติยังมีการปฏิสัมพันธ์กันอย่างแน่นหนา สสารอยู่ในสภาวะพลาสมาและโฟตอนยังไม่สามารถเดินทางได้อย่างอิสระเป็นระยะทางไกลเหมือนหลัง recombination ในระบบนี้การรบกวนของความหนาแน่นสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความดันและการเคลื่อนที่ของของไหล ขณะที่แรงโน้มถ่วงและแรงดันรังสีร่วมกันกำหนดวิวัฒนาการของ perturbations
.
ดังนั้น เมื่อจักรวาลวิทยาใช้คำว่า acoustic oscillations เราไม่ได้หมายความว่ามีเสียงแบบที่มนุษย์ได้ยินลอยอยู่ในอวกาศ แต่หมายถึงโหมดการสั่นของ photon–baryon fluid ที่มีลักษณะทางฟิสิกส์สอดคล้องกับคลื่นความดัน การบีบอัดและการคลายตัวแพร่ผ่านตัวกลางในช่วงที่จักรวาลยังร้อนและหนาแน่น และพลวัตดังกล่าวสามารถอธิบายได้ด้วยสมการของของไหลและแรงโน้มถ่วง
.
จุดนี้จำเป็นต้องระวังคำว่า “ตัวกลาง” เช่นกัน เพราะจักรวาลยุคแรกไม่ใช่ห้องที่มีพลาสมาลอยอยู่ภายในพื้นที่ว่างอีกชั้นหนึ่ง พลาสมานั้นเป็นส่วนหนึ่งของสภาวะของจักรวาลในขณะนั้นเอง และกำลังขยายตัวไปพร้อมกับปริภูมิ การพูดว่าคลื่นแพร่ “ผ่านจักรวาล” จึงไม่ควรถูกจินตนาการว่าเป็นคลื่นที่เดินทางจากจุดศูนย์กลางหนึ่งผ่านอวกาศที่มีอยู่ก่อนแล้ว แต่เป็น perturbation ที่วิวัฒน์ภายในระบบจักรวาลที่กำลังขยายตัว
.
นอกจากนี้ การเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “เสียง” ไม่ได้หมายความว่าความถี่ของมันอยู่ในช่วงที่หูมนุษย์สามารถได้ยิน ในทางอะคูสติก ความถี่เป็นจำนวนรอบของการสั่นต่อหน่วยเวลา แต่ acoustic modes ของจักรวาลยุคแรกมีสเกลเวลาและความยาวคลื่นแตกต่างจากคลื่นเสียงที่มนุษย์พบในชีวิตประจำวันอย่างมหาศาล การนำข้อมูลเหล่านี้มาทำให้มนุษย์ได้ยินในภายหลังจึงเป็นกระบวนการอีกขั้นหนึ่ง ซึ่งต้องแยกออกจากปรากฏการณ์ทางกายภาพดั้งเดิมอย่างชัดเจน
.
.
ความแตกต่างนี้สำคัญต่อการตีความข้อมูลจากจักรวาลวิทยา เพราะเราไม่ควรพูดว่า “นักวิทยาศาสตร์บันทึกเสียง Big Bang ได้” ในความหมายเดียวกับการใช้ไมโครโฟนบันทึกเสียงเครื่องดนตรี สิ่งที่นักจักรวาลวิทยาตรวจวัดคือผลของ perturbations และ acoustic oscillations ที่ถูกประทับไว้ในข้อมูลทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิและ polarization ของ Cosmic Microwave Background รวมถึงรูปแบบการกระจายตัวของสสารในจักรวาลยุคหลัง
.
ในแง่นี้ สิ่งที่มนุษย์มีอยู่จึงไม่ใช่ เสียงดั้งเดิม แต่เป็น ข้อมูลที่หลงเหลือจากกระบวนการทางฟิสิกส์ซึ่งครั้งหนึ่งเคยมีลักษณะเป็น acoustic oscillations ความแตกต่างระหว่างสองสิ่งนี้จะกลายเป็นประเด็นสำคัญมากขึ้นเมื่อมีการนำข้อมูลจากจักรวาลวิทยามาแปลงเป็นเสียงที่มนุษย์สามารถฟังได้ เพราะการแปลงข้อมูลให้เป็นเสียงไม่ได้ย้อนเวลากลับไปสร้างเสียงดั้งเดิมขึ้นมาใหม่ แต่เป็นการกำหนดวิธีหนึ่งในการแสดงข้อมูลด้วยระบบการได้ยินของมนุษย์
.
.
ก่อนจะไปถึงขั้นนั้น เราจึงต้องย้อนกลับไปดูว่าการสั่นเหล่านี้ทิ้งอะไรไว้เมื่อจักรวาลเปลี่ยนจากพลาสมาร้อนหนาแน่นไปสู่สภาวะที่โฟตอนสามารถเดินทางได้อย่างอิสระมากขึ้น
เมื่อเกิด recombination และ photon decoupling ประมาณ 380,000 ปีหลัง Big Bang การ coupling ระหว่างโฟตอนกับสสารปกติลดลงอย่างมาก โฟตอนจึงสามารถเดินทางได้ไกลขึ้นและในที่สุดรังสีที่หลุดออกมาในช่วงนั้นก็คือสิ่งที่เราตรวจพบในปัจจุบันในฐานะ Cosmic Microwave Background รูปแบบความไม่สม่ำเสมอของ CMB จึงทำหน้าที่เสมือนภาพบันทึกสภาวะของจักรวาลในช่วงเวลานั้น ขณะที่ acoustic oscillations ก่อนหน้าได้ทิ้งผลกระทบไว้ในรูปแบบของ anisotropies และ acoustic peaks ที่สามารถวัดได้ใน power spectrum
.
.
การเปลี่ยนจาก “คลื่นที่กำลังเกิดขึ้น” ไปเป็น “ร่องรอยของคลื่น” เป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของเรื่อง เพราะหลังจาก photon decoupling เราไม่ได้มี photon–baryon fluid แบบเดิมที่สามารถรองรับการสั่นในลักษณะเดียวกันอีกต่อไป แต่ผลของการสั่นก่อนหน้านั้นไม่ได้หายไปโดยไร้ร่องรอยทั้งหมด รูปแบบที่เกิดขึ้นในช่วงก่อน decoupling ถูกบันทึกไว้ในสถานะของจักรวาล และต่อมาถูกถ่ายทอดผ่านการก่อตัวของโครงสร้างขนาดใหญ่
.
ร่องรอยดังกล่าวปรากฏใน CMB และในเวลาต่อมาปรากฏเป็น Baryon Acoustic Oscillations หรือ BAO ในการกระจายตัวของกาแล็กซี นั่นหมายความว่าปรากฏการณ์ acoustic oscillation ไม่ได้เป็นเพียงเหตุการณ์ชั่วคราวที่เกิดขึ้นในอดีตแล้วสูญหายไปทั้งหมด แต่มีผลต่อรูปแบบของโครงสร้างที่สามารถวัดได้ในจักรวาลปัจจุบัน ESA และ NASA ใช้ acoustic scale และร่องรอยจากการสั่นดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาประวัติการขยายตัวและโครงสร้างของจักรวาล
.
เมื่อมองย้อนกลับไปตลอด Chapter 01 ภาพจึงต่อเนื่องกันตั้งแต่ primordial fluctuations ซึ่งเป็นความไม่สม่ำเสมอเล็ก ๆ ในเอกภพยุคแรก ความแตกต่างของความหนาแน่นเหล่านั้นสร้างศักย์โน้มถ่วงและกระตุ้นการบีบอัด ขณะที่ radiation pressure ตอบสนองต่อการบีบอัดและผลักระบบกลับ การสลับระหว่าง compression และ rarefaction ทำให้เกิด acoustic oscillations ใน photon–baryon fluid และเมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลงจนโฟตอน decouple ร่องรอยของพลวัตเหล่านั้นก็ถูกทิ้งไว้ในข้อมูลที่เราสามารถตรวจวัดได้ในเวลาหลายพันล้านปีต่อมา
.
ด้วยเหตุนี้ คำว่า “เสียงของจักรวาล” จึงมีความหมายที่แม่นยำที่สุดเมื่อใช้เป็นคำอธิบายของปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ในยุคแรก ไม่ใช่คำกล่าวว่าจักรวาลมีเสียงที่มนุษย์สามารถได้ยินได้โดยตรง เรามีคลื่นความดัน มีการสั่น มีความถี่ มีความยาวคลื่น มีความเร็วการแพร่ และมีตัวกลางที่รองรับการแพร่ของ perturbation แต่ไม่มีผู้ฟังที่อยู่ในจักรวาลยุคแรก ไม่มีระบบการได้ยินของมนุษย์ และไม่มีไมโครโฟนใดกำลังบันทึกเหตุการณ์นั้น
สิ่งที่เหลืออยู่คือข้อมูล
.
.
ข้อมูลเกี่ยวกับความผันผวนเริ่มแรก ข้อมูลเกี่ยวกับการบีบอัดและการคลายตัว ข้อมูลเกี่ยวกับพลวัตของ photon–baryon fluid และข้อมูลเกี่ยวกับสภาวะของจักรวาลในช่วงที่โฟตอนหลุดออกจากการปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติ ข้อมูลเหล่านี้สามารถเดินทางมาถึงเราได้ในรูปของรังสี และสามารถถูกวิเคราะห์ด้วยเครื่องมือทางดาราศาสตร์และแบบจำลองจักรวาลวิทยา
ดังนั้น เมื่อมนุษย์พูดว่า “เราได้ยินเสียงของจักรวาลยุคแรก” ประโยคนี้จำเป็นต้องถูกแปลกลับเป็นภาษาทางวิทยาศาสตร์ก่อนว่า เรากำลังนำข้อมูลเกี่ยวกับ acoustic phenomena ที่เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรกมาแสดงในรูปแบบเสียงที่ระบบการได้ยินของมนุษย์สามารถรับรู้ได้
.
.
คำว่า “ได้ยิน” จึงเกิดขึ้นภายหลังเหตุการณ์จริงหลายพันล้านปี และเกิดขึ้นผ่านเครื่องมือ การวิเคราะห์ข้อมูล และการแปลงข้อมูล ไม่ได้เกิดจากเสียงดั้งเดิมเดินทางจากยุค Big Bang มาถึงหูของเราโดยตรง
เมื่อแยกสองสิ่งนี้ออกจากกัน เราจึงสามารถเข้าสู่คำถามของบทถัดไปได้อย่างแม่นยำว่า จักรวาลเก็บร่องรอยของ acoustic oscillations เอาไว้ที่ใด และเราสามารถอ่านร่องรอยเหล่านั้นจากข้อมูลที่เดินทางมาถึงเราได้อย่างไร
เพราะหลังจากคลื่นเหล่านั้นหยุดทำงานในรูปแบบเดิมแล้ว สิ่งที่ยังอยู่ต่อมาคือ Cosmic Record - บันทึกทางกายภาพของการสั่นที่เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรก.
.
.
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
