Image Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).
หนึ่งในพื้นฐานที่สำคัญที่สุดในการศึกษาและเข้าใจถึงวิวัฒนาการของเอกภพคือ “ค่าคงที่ของฮับเบิล” ซึ่งอธิบายถึงอัตราการขยายตัวของเอกภพ แต่อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่ของฮับเบิลที่ได้จากการสังเกตการณ์นั้น มีค่าเกินกว่าที่คาดไว้มาก ซึ่งเรียกว่า “Hubble Tention” โดยในปี 2023 นี้ Adam Riess จาก Johns Hopkins University ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี 2011 ได้ใช้กล้องเจมส์ เว็บบ์ ในการสังเกตการณ์เพื่อวัดค่าคงที่ของฮับเบิล
Adam Riess กล่าวว่า “เมื่อใดที่เราลองพยายามสังเกตบริเวณขอบการมองเห็นของเรา เมื่อนั้นมันมักจะสังเกตได้ยากเสมอ” และนั่นคือสิ่งที่นักดาราศาสตร์กำลังศึกษาอยู่ นักดาราศาสตร์ศึกษาค่าคงที่ของฮับเบิล เพื่อทราบถึงอัตราการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งการที่จะศึกษาเกี่ยวกับอัตราการขยายตัวของเอกภพนั้น จำเป็นจะต้องมีการสังเกตการณ์ดาวแปรแสงชนิดเซฟิอิดส์ (Cepheid variable stars) ในกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลออกไป อย่างกาแล็กซี NGC 5584 นักดาราศาสตร์ได้คำนวณระยะเวลาที่แสงจากดาวแปรแสงนั้นเดินทางมาถึงตัวรับสัญญาณบนกล้องเจมส์ เว็บบ์ พร้อมทั้งวิเคราะห์ร่วมกับการขยายตัวของเอกภพในช่วงเวลานั้น ซึ่งได้จากการศึกษาปรากฏการณ์การเลื่อนทางแดง (Redshift)
Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan (STScI).
สาเหตุที่ดาวแปรแสงชนิดเซฟิอิดส์เป็นดาวที่นักดาราศาสตร์สนใจศึกษาก็เพราะว่า ดาวแปรแสงชนิดนี้มีความสว่างค่อนข้างมาก ซึ่งง่ายต่อการรับสัญญาณมากกว่าดาวอื่น ๆ และถือเป็นกุญแจชิ้นสำคัญสำหรับการวัดระยะทางของกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปกว่าร้อยล้านปีแสง ซึ่งจะนำไปสู่การคำนวณค่าคงที่ของฮับเบิลในที่สุด
ในอดีต กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถูกส่งขึ้นไปในอวกาศเพื่อหลีกเลี่ยงค่าความแปรปรวนของแสงอันเนื่องมาจากการดูดกลืนแสงในชั้นบรรยากาศ ทำให้ข้อมูลที่ได้จากกล้องฮับเบิลมีความชัดเจนและเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาวิจัยเป็นอย่างมาก สรุปได้ว่า “ถ้าอัตราการขยายตัวของเอกภพมาก อายุของเอกภพจะน้อย”
อย่างไรก็ตาม การที่นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาดาวแปรแสงนี้อีกครั้ง ก็เพราะว่าในปัจจุบันเรามีกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีประสิทธิภาพมากกว่ากล้องฮับเบิลในอดีต ซึ่งก็คือกล้องเจมส์ เว็บบ์ เพื่อให้ได้มาซึ่งข้อมูลที่ถูกต้องและแม่นยำมากขึ้น อุปกรณ์หลักที่ใช้คือ NIR Cam หรือกล้องอินฟราเรดช่วงใกล้ที่ติดตั้งไปบนกล้องเจมส์ เว็บบ์ โดย NIR Cam นี้จะรับสัญญาณภาพที่ไม่มีการบดบังของฝุ่นในเอกภพ (ฝุ่นเหล่านี้ดูดกลืนช่วงแสงสีน้ำเงิน) ทำให้นักวิจัยได้ภาพที่มีความชัดเจนมากกว่าในอดีต กล่าวคือ ถูกรบกวนโดยแสงจากดาวข้างเคียงน้อยกว่า
ในปีแรกที่มีการส่งกล้องเจมส์ เว็บบ์ ขึ้นไปบนอวกาศ นักวิจัยได้ใช้กล้องเจมส์ เว็บบ์ ศึกษาดาวแปรแสงเซฟิอิดส์ ซึ่งมีขั้นตอนหลัก ๆ 3 ขั้นตอน โดยขั้นตอนแรกคือ การศึกษาดาวแปรแสงเซฟิอิดส์ในกาแล็กซีที่ทราบระยะห่างชัดเจนแล้ว (ใช้ปรับเทียบความสว่างที่แท้จริงของดาวแปรแสงเซฟิอิดส์) ขั้นตอนที่ 2 คือการสังเกตการณ์ดาวแปรแสงเซฟิอิดส์ในกาแล็กซีที่เกิด Type Ia Supernovae สองขั้นตอนที่กล่าวไปข้างต้น นำไปใช้ปรับเทียบหาความสว่างที่แท้จริงของกาแล็กซี (มีการศึกษาดาวแปรแสงเซฟิอิดส์มากกว่า 320 ดวง) และในขั้นตอนสุดท้ายคือการสังเกตกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปมากเท่าที่จะสังเกตได้ เพื่อคำนวณหาอัตราการขยายตัวของเอกภพต่อไป
Image Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), and G. Anand (STScI).
แต่ถึงแม้จะมีการศึกษาที่ละเอียดและลึกซึ้งเพียงนี้ ก็ยังตอบคำถามที่ว่า “ทำไมค่าคงที่ที่ได้จากการสังเกตการณ์ถึงมีค่ามากกว่าค่าที่คาดการณ์ไว้มากขนาดนั้น” ก็ยังไม่สามารถตอบได้อย่างชัดเจน โดยในขั้นตอนต่อไปที่จะต้องศึกษาให้ลึกลงไปอีกคือ ศึกษาเกี่ยวกับรังสีที่ยังหลงเหลืออยู่จากการระเบิดบิ๊กแบง จากนั้นสร้างแบบจำลองเพื่ออธิบายถึงการวิวัฒนาการของเอกภพตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน
การทราบถึงค่าคงที่ของฮับเบิลที่มากกว่าค่าที่คาดไว้มากขนาดนี้ เป็นโจทย์ระยะยาวของนักดาราศาสตร์ในทศวรรษนี้เลยก็ว่าได้ “Hubble Tention” คือสิ่งที่บ่งบอกอย่างชัดเจนว่า “ยังมีองค์ความรู้บางอย่างที่มนุษย์ยังไม่รู้เกี่ยวกับเอกภพนี้อีกมากมาย” และนี่คืออีกหนึ่งเหตุผลที่ต้องมีการทำการทดลอง “หลายซ้ำ” เพื่อเพิ่มความแม่นยำให้กับผลการทดลอง
อ้างอิง
[1] : Hubble Constant Tension Mystery Deepens: Webb Space Telescope Measures the Universe’s Expansion Rate
