ค่าคงที่ฮับเบิลจากวิธีการใหม่

 

     การตรวจสอบว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน เป็นกุญแจสู่ความเข้าใจชะตากรรมเอกภพ แต่ยิ่งข้อมูลมีความแม่นยำมากขึ้นก็ยิ่งสร้างความขัดแย้ง เมื่อค่าที่ประเมินได้จากการตรวจสอบภายในเอกภพท้องถิ่นของเรา ไม่ได้สอดคล้องกับการคาดการณ์จากยุคเวลาสั้นๆ หลังจากบิ๊กแบงไม่นาน การประเมินอัตราการขยายตัวหรือที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) ครั้งใหม่จากเอกภพท้องถิ่น ยิ่งตอกย้ำความแตกต่าง

     ด้วยการใช้เทคนิคที่ค่อนข้างใหม่และยังน่าจะแม่นยำมากกว่าในการตรวจสอบระยะทางในอวกาศ ซึ่งใช้ค่าความสว่างดาวเฉลี่ยภายในกาแลคซีทรงรี(elliptical galaxies) ยักษ์ เป็นขั้นสู่บันไดวัดระยะทาง นักดาราศาสตร์ก็คำนวณค่าคงที่ฮับเบิลใหม่ได้ที่ 73.3 ±2.5 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซค(km/s/Mpc) ซึ่งอยู่ตรงกลางของการประเมินค่าอื่นๆ อีก 3 ค่า ซึ่งรวมถึงการประเมินจากมาตรฐานกลางจากซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) นี่หมายความว่า สำหรับทุกๆ เมกะพาร์เซคหรือประมาณ 3.3 ล้านปีแสง หรือ 3 พันล้านล้านล้านกิโลเมตรจากโลก เอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราที่สูงขึ้น 73.3 ±2.5 กิโลเมตรต่อวินาที ค่าเฉลี่ยของเทคนิคอีกสามอย่างอยู่ที่ 73.5 ±1.4 km/s/Mpc

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ได้มีการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลหลายสิบงานโดยใช้แหล่งที่อยู่ใกล้(ในช่องที่ระบุว่า ช่วงหลัง; late) กับที่อยู่ไกล(ในช่องที่ระบุว่า ช่วงต้น; early) ดูเหมือนจะมีความแตกต่างที่ขึ้นอยู่กับว่าการตรวจสอบนั้นอิงกับเอกภพยุคต้นหรือเอกภพปัจจุบัน ตามที่เห็น 

     แต่การประเมินอัตราการขยายตัวในเอกภพท้องถิ่นอ้างอิงจากการตรวจสอบความปั่นป่วน(fluctuation) ในไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ(cosmic microwave background) และจาก ความปั่นป่วนในความหนาแน่นของสสารปกติในเอกภพยุคต้น(baryon acoustic oscillations) กลับให้คำตอบที่แตกต่างอย่างมากที่ 67.4 ±0.5 km/s/Mpc นักดาราศาสตร์ก็ตระหนักถึงความไม่สอดคล้องนี้(ซึ่งเรียกว่า Hubble constant tension) เนื่องจากอัตราการขยายตัวเป็นปัจจัยที่วิกฤติในการเข้าใจฟิสิกส์และวิวัฒนาการของเอกภพ และเป็นกุญแจสู่ความเข้าใจพลังงานมืด(dark energy) ซึ่งเร่งความเร็วอัตราการขยายตัวของเอกภพ และจึงเป็นสาเหตุให้ค่าคงที่ฮับเบิลเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้นกว่าที่คาดไว้จากระยะทางจากโลกที่ไกลเพิ่มขึ้น พลังงานมืดมีอยู่ประมาณสองในสามของมวลและพลังงานทั้งหมดในเอกภพ แต่ก็ยังคงเป็นปริศนา

     สำหรับการประเมินค่าครั้งใหม่ นักดาราศาสตร์ตรวจสอบความปั่นป่วนของความสว่างพื้นผิวกาแลคซีทรงรียักษ์ 63 แห่ง เพื่อตรวจสอบระยะทาง และสร้างกราฟระยะทางกับความเร็วของกาแลคซีแต่ละแห่ง เพื่อให้ได้ค่า H0 ความปั่นป่วนของความสว่างพื้นผิว(surface brightness fluctuation; SBF) เป็นเทคนิคที่เป็นอิสระจากเทคนิคอื่น และมีศักยภาพในการให้การประเมินระยะทางที่แม่นยำมากขึ้นกว่าวิธีการอื่นๆ ในขอบเขตภายในระยะทาง 100 Mpc จากโลก(330 ล้านปีแสง) กาแลคซี 63 แห่งในตัวอย่างที่ทำการตรวจสอบอยู่ในระยะทางตั้งแต่ 15 ถึง 99 เมกะพาร์เซค ทำให้เรามองย้อนเวลากลับไปได้เพียงเสี้ยวหนึ่งในความเป็นมาของเอกภพ

     เพื่อตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีจนถึง 100 เมกะพาร์เซค นี่เป็นวิธีการที่น่ามหัศจรรย์ Chung-Pei Ma นักเอกภพวิทยา ศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์และฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าว นี่เป็นรายงานฉบับแรกที่รวบรวมข้อมูลชุดใหญ่ในบริบทเดียวกัน จาก 63 กาแลคซี เพื่อเป้าหมายในการศึกษา H0 โดยใช้วิธีการ SBF Ma นำการสำรวจกาแลคซีท้องถิ่น MASSIVE ซึ่งให้ข้อมูลกาแลคซี 43 แห่ง สองในสามของที่ใช้ในการวิเคราะห์ใหม่นี้

      ข้อมูลจากกาแลคซีทั้ง 63 แห่งนี้ถูกรวบรวมและวิเคราะห์โดย John Blakeslee นักดาราศาสตร์ที่ NOIRLab ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ(NSF) เขาเป็นผู้เขียนคนแรกในรายงานซึ่งเผยแพร่ใน Astrophysical Journal โดยมี Joseph Jensen จากมหาวิทยาลัยยูท่าห์วัลลีย์ ในโอเรม Blakeslee ซึ่งนำทีมงานเจ้าหน้าที่วิทยาศาสตร์ที่สนับสนุนหอสังเกตการณ์ช่วงตาเห็นและอินฟราเรดของ NSF เป็นผู้บุกเบิกการใช้ SBF เพื่อตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซี และ Jensen ก็เป็นหนึ่งในคนแรกๆ ที่ปรับใช้วิธีการนี้ในช่วงอินฟราเรด ทั้งสองทำงานด้วยกันกับ Ma ในการวิเคราะห์นี้

      เรื่องราวทั้งหมดของดาราศาสตร์ก็คือความพยายามในการเข้าใจขนาดที่แท้จริงของเอกภพ ซึ่งจะบอกเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ของมัน Blakeslee กล่าว ย้อนกลับไปถึงการเดินทางของ เจมส์ คุ้ก สู่ตาฮิติ ในปี 1769 เพื่อตรวจสอบการผ่านหน้า(transit) ของดาวศุกร์จนนักวิทยาศษสตร์สามารถคำนวณขนาดที่แท้จริงของระบบสุริยะได้ วิธีการ SBF นั้นถูกปรับใช้ได้กว้างขวางมากขึ้นกับประชากรกาแลคซีที่พัฒนาแล้วทั่วไปในเอกภพท้องถิ่น และแน่นอนว่าถ้าเรามีกาแลคซีมากพอด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ วิธีการก็จะมีศักยภาพที่จะให้การตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลท้องถิ่นที่ดีที่สุด กล้องเวบบ์ซึ่งมีพลังมากกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล มีกำหนดส่งในเดือนตุลาคมปีนี้

 กาแลคซีทรงรียักษ์

     ค่าคงที่ฮับเบิลเป็นสันหลังของความสนใจมาหลายทศวรรษ นับตั้งแต่ที่ เอ็ดวิน ฮับเบิล ได้ตรวจสอบอัตราการขยายตัวท้องถิ่นได้เป็นครั้งแรก และให้คำตอบที่เยอะกว่าค่าเฉลี่ยถึง 7 เท่า ซึ่งบอกว่าเอกภพนั้นแท้จริงแล้วมีอายุน้อยกว่าดาวที่เก่าแก่ที่สุดของมัน ปัญหา(ตอนนั้นและจนถึงขณะนี้) ซ่อนอยู่ในการระบุตำแหน่งของวัตถุในอวกาศที่ให้เงื่อนงำบางอย่างว่าพวกมันอยู่ห่างไกลแค่ไหน

     ตลอดหลายปี นักดาราศาสตร์ต่อขั้นบันไดเพื่อเข้าถึงระยะทางที่ไกลขึ้น ซึ่งเริ่มต้นด้วยการคำนวณระยะทางถึงวัตถุที่อยู่ใกล้มากพอที่เหมือนจะขยับไปเล็กน้อยเนื่องจากพารัลแลกซ์(parallax) เมื่อโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ดาวแปรแสงที่เรียกว่า เซเฟอิดส์(Cepheids) จะนำคุณออกไปไกลขึ้น เนื่องจากความสว่างของพวกมันมีความสัมพันธ์กับคาบการแปรแสง และซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) ก็พาคุณไปไกลมากกว่า เป็นไปได้ที่จะระบุความสว่างสัมบูรณ์(absolute brightness) จากรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงไปตามเวลา และจากนั้นก็คำนวณระยะทางจากความสว่างปรากฏ(apparent brightness) เมื่อมองจากโลก

      การประเมิน H0 ในปัจจุบันที่ดีที่สุดมาจากการหาระยะทางโดยซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอในกาแลคซีที่ห่างไกล แม้ว่าวิธีการที่ใหม่กว่า อย่าง การหน่วงเวลา(time delays) ซึ่งเกิดจากปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงของเควซาร์ที่ห่างไกล และความสว่างของเมเซอร์น้ำ(water maser) ที่โคจรรอบหลุมดำ ทั้งหมดก็ให้ค่าที่ใกล้เคียงกัน

      ส่วนเทคนิคที่ใช้ความปั่นป่วนความสว่างพื้นผิวเป็นหนึ่งในวิธีการที่ใหม่ที่สุด และพึ่งพิงความจริงที่ว่ากาแลคซีทรงรียักษ์นั้นเก่าแก่และมีประชากรดาวฤกษ์อายุมากซึ่งเป็นดาวยักษ์แดงเกือบทั้งหมด สามารถใช้เพื่อให้ค่าความสว่างอินฟราเรดเฉลี่ยทั่วพื้นผิวได้ นักวิจัยได้เก็บภาพอินฟราเรดความละเอียดสูงของกาแลคซีแต่ละแห่งด้วยกล้องมุมกว้าง 3(WFC3) บนกล้องฮับเบิล และตรวจสอบว่าแต่ละพิกเซลในภาพแตกต่างจาก “ค่าเฉลี่ย” ไปมากแค่ไหน ยิ่งความปั่นป่วนเกิดขึ้นค่อนข้างราบเรียบทั่วภาพ กาแลคซีก็ยิ่งอยู่ห่างไกลออกไป เมื่อปรับความขรุขระที่เกิดจาก “สิว” อย่างพื้นที่ที่กำลังก่อตัวดาว ซึ่งผู้เขียนตัดออกจากการวิเคราะห์นี้

     ทั้ง Blakeslee และ Ma ก็ไม่ได้ประหลาดใจที่อัตราการขยายตัวที่ได้ใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากเอกภพท้องถิ่นอื่นๆ แต่พวกมันก็ไปตกอยู่ในความไม่ลงรอยกับการประเมินค่าจากเอกภพยุคต้น เป็นความขัดแย้งที่นักดาราศาสตร์หลายคนบอกว่าน่าจะหมายถึงว่าทฤษฎีเอกภพวิทยาปัจจุบันของเรายังผิด หรืออย่างน้อยก็ไม่สมบูรณ์

      การทำนายจากเอกภพยุคต้นนั้นมีพื้นฐานจากทฤษฎีเอกภพวิทยาที่สามัญที่สุดที่เรียกว่า สสารมืดเย็นแลมป์ดา(lambda cold dark matter; ΛCDM) ซึ่งรวมปัจจัยเพียงไม่กี่อย่างเพื่ออธิบายวิวัฒนาการของเอกภพ แล้วการประเมินอัตราการขยายตัวครั้งใหม่นี้ได้ส่งหนามตำที่หัวใจของทฤษฎีนี้หรือไม่ ผมคิดว่ามันดันให้หนามตำลึกเข้าไปอีก Blakeslee กล่าว แต่มัน(ΛCDM) ก็ยังคงอยู่ บางคนก็คิดว่า จากการตรวจสอบเอกภพท้องถิ่นเหล่านี้ ผู้สำรวจคงทำผิดพลาด แต่มันก็ยิ่งยากมากขึ้นเรื่อยๆ ที่จะอ้างว่าผิดพลาด ซึ่งจะต้องเป็นความผิดพลาดอย่างเป็นระบบในแนวโน้มเดียวกันสำหรับวิธีการที่แตกต่างกันหลายทาง คือ ทั้งการตรวจสอบซุปเปอร์โนวา, SBF, เลนส์ความโน้มถ่วง, เมเซอร์น้ำ ดังนั้น เมื่อเรามีการตรวจสอบที่เป็นอิสระมากขึ้น หนามนี้ก็ยิ่งตำลึกมากขึ้น

Surface Brightness Fluctuation ใช้กับกาแลคซีทรงรี(Elliptical galaxies) ซึ่งมีประชากรส่วนใหญ่เป็นดาวยักษ์แดง โดยตรวจสอบความสว่างของแต่ละพิกเซลเปรียบเทียบกับความสว่างเฉลี่ย ด้วยข้อสันนิษฐานว่ากาแลคซีที่อยู่ไกลกว่า จะมีการแปรผันความสว่างที่ราบเรียบกว่า

     Ma สงสัยว่าความคลาดเคลื่อนที่นักดาราศาสตร์รวมไว้ในการตรวจสอบ ซึ่งสะท้อนทั้งความผิดพลาดอย่างเป็นระบบและความผิดพลาดในเชิงสถิตินั้นเป็นการมองโลกในแง่ดีเกินไป และบางทีการประเมินจากทั้งสองส่วนก็ยังคงสามารถประสานกันได้อีกครั้ง เธอกล่าวว่า ฉันคิดว่าความจริงมันอยู่ในแท่งความคลาดเคลื่อน(error bars) แต่การสันนิษฐานว่าแท่งความคลาดเคลื่อนของทุกๆ คนไม่ได้เป็นการประเมินที่ต่ำเกินไป ความไม่ลงรอยก็ยังคงอยู่

     นักดาราศาสตร์บางคนอย่าง George Efstathiou จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร เองก็คิดว่าการตรวจสอบเอกภพท้องถิ่นทั้งหมดมีความผิดพลาดในระบบ แต่ยิ่งมีการศึกษาที่เผยแพร่จากกลุ่มต่างๆ มากขึ้น โดยใช้เทคนิคที่เป็นอิสระที่แตกต่างกัน และพิจารณาที่ส่วนที่แตกต่างกันบนท้องฟ้า ก็ยิ่งเป็นไปได้น้อยที่จะได้คำตอบที่ผิดเหมือนกัน สำหรับการคำนวณจากไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพก็ไม่น่าจะมีปัญหาด้วย เมื่อการตรวจสอบจากปฏิบัติการพลังค์(Planck) ขององค์กรอวกาศยุโรป ก็เป็นผลสรุปที่ดีที่สุดงานหนึ่ง  

     ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์ตัวเบ้งในแขนงนี้คนหนึ่ง Wendy Freedman เพิ่งเผยแพร่การศึกษางานหนึ่งที่ระบุค่าคงที่ฮับเบิลที่ 69.8 ±1.9 km/s/Mpc ทำให้อุณหภูมิความขัดแย้งยิ่งสูงขึ้นไปอีก ผลสรุปล่าสุดจาก Adam Riess นักดาราศาสตร์ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลปี 2011 สาขาฟิสิกส์ร่วมจากการค้นพบพลังงานมืด(dark energy) ได้รายงานค่าไว้ที่ 73.2±1.3 km/s/Mpc Riess ยังเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ ยูซี เบิร์กลีย์ เพื่อทำการวิจัยนี้ และเขาได้รับรางวัลร่วมกับ Saul Perlmutter จากยูซีเบิร์กลีย์ เช่นกัน และ Brian P. Schmidt  

NGC 1453 กาแลคซีทรงรียักษ์ในกลุ่มดาวแม่น้ำ(Eridanus) เป็นหนึ่งในกาแลคซี 63 แห่งที่ใช้เพื่อคำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพท้องถิ่น

MASSIVE galaxies

     H0 ค่าใหม่ที่ได้เป็นผลพลอยได้จากการสำรวจกาแลคซีใกล้เคียงอื่นๆ 2 งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การสำรวจ MASSIVE ของ Ma ซึ่งใช้กล้องภาคพื้นดินและในอวกาศเพื่อทำการศึกษากาแลคซีที่มีขนาดใหญ่ที่สุด 100 แห่งภายในระยะทาง 100 Mpc จากโลก เป้าหมายหลักก็เพื่อตรวจมวลของหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซีทีละแห่ง เพื่อทำเช่นนั้น ต้องมีการตรวจสอบระยะทางอย่างแม่นยำ และวิธีการ SBF ก็เป็นวิธีที่ดีที่สุดในการตรวจสอบระยะทาง เธอกล่าว

     ทีมสำรวจ MASSIVE ใช้วิธีการนี้เมื่อปีที่แล้วเพื่อตรวจสอบระยะทางไปถึงกาแลคซีทรงรียักษ์ NGC 1453 ในกลุ่มดาวแม่น้ำ(Eridanus) บนซีกฟ้าใต้ เมื่อรวมกับค่าระยะทางที่ 166 ล้านปีแสง กับข้อมูลการตรวจสอบสเปคตรัมอย่างรุ่มลึกจากกล้องโทรทรรศน์เจมิไน และแมกโดนัลด์ ซึ่งช่วยให้นักศึกษาของ Ma คือ Chris Liepold และ Matthew Quenneville ได้ตรวจสอบความเร็วของดาวใกล้ใจกลางของกาแลคซี พวกเขาก็สรุปได้ว่า NGC 1453 มีหลุมดำในใจกลางที่มีมวลเกือบ 3 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์

     เพื่อตรวจสอบ H0 Blakeslee ได้คำนวณระยะทางจาก SBF สู่กาแลคซี 43 แห่งในโครงการสำรวจ MASSIVE นี้ โดยมีพื้นฐานจากการสำรวจของกล้องฮับเบิลที่ทำกับกาแลคซีแต่ละแห่งตั้งแต่ 45 จนถึง 90 นาที อีก 20 แห่งมาจากการสำรวจอีกงานซึ่งใช้กล้องฮับเบิลเพื่อถ่ายภาพกาแลคซีขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กาแลคซีที่มีซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ อยู่

     กาแลคซีทั้ง 63 แห่งเกือบทั้งหมดมีอายุระหว่าง 8 ถึง 12 พันล้านปี ซึ่งหมายความว่า พวกมันมีประชากรดาวสูงอายุสีแดงจำนวนมาก ซึ่งเป็นกุญแจสู่วิธีการ SBF และยังสามารถใช้เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการคำนวณระยะทางแบบนี้ได้ ในรายงาน Blakeslee ได้ใช้ทั้ง ดาวแปรแสงเซเฟอิด และเทคนิคที่ใช้ดาวยักษ์แดงที่สว่างที่สุดในกาแลคซี ซึ่งเรียกกันว่าเทคนิคยอดของกิ่งยักษ์แดง(tip of red giant branch-TRGB) เพื่อขยับระยะทางสู่กาแลคซีที่ไกลออกไป ซึ่งก็ให้ผลสรุปที่สอดคล้องกัน เทคนิค TRGB พึ่งพาความจริงที่ว่าดาวยักษ์แดงที่สว่างที่สุดในกาแลคซีจะมีความสว่างสัมบูรณ์ที่ใกล้เคียงกัน

แหล่งคลื่นความโน้มถ่วงสามารถทำหน้าที่เป็นไซเรนมาตรฐาน ช่วยให้มีการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลอย่างเป็นอิสระ

     เป้าหมายก็คือทำให้วิธีการ SBF นี้เป็นอิสระอย่างสิ้นเชิงกับวิธีการซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่ต้องใช้เซเฟอิดส์เพื่อเทียบมาตรฐาน(calibrate) โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์เพื่อทำการเทียบมาตรฐานกิ่งยักษ์แดงให้กับ SBFs Blakeslee กล่าว กล้องเวบบ์มีศักยภาพที่จะลดแท่งความคลาดเคลื่อนสำหรับ SBF ลงได้ Ma กล่าวเสริม ฉันไม่ได้ตั้งใจจะตรวจสอบ H0 แต่มันก็เป็นผลผลิตที่ดีเยี่ยมจากการสำรวจของเรา Ma กล่าว แต่ฉันเป็นนักเอกภพวิทยาและก็เฝ้าดูมันด้วยความสนใจอย่างมาก

     Hsin-Yu Chen จากเอ็มไอที สมาชิกทีมความร่วมมือ LIGO และผู้เขียนการศึกษาที่บุกเบิกการใช้คลื่นความโน้มถ่วงเพื่อตรวจสอบอัตราการขยายตัวก็บอกว่าทุกๆ คนไม่เห็นด้วยเกี่ยวกับธรรมชาติของความไม่สอดคล้องระหว่างการตรวจสอบจากเอกภพยุคต้น กับเอกภพยุคปัจจุบัน ด้วย LIGO และ Virgo ซึ่งจะเริ่มดำเนินงานที่มีความไวมากขึ้นอีกครั้งในปีหน้า ก็จะมีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงใหม่ๆ อีกมากมายให้ได้วิเคราะห์ Chen ทำนายว่าจะมีเหตุการณ์เพียงพอในทางสถิติในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าที่จะให้การตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลด้วยความคลาดเคลื่อนเพียง 2% แต่สำหรับตอนนี้ การตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลจากทั้งสองทางที่ประสานกันไม่ได้ ก็ต้องหาทางที่จะเรียนรู้ที่จะอยู่กับปรปักษ์นี้

แหล่งข่าว phys.org : how fast is the universe expanding? Galaxies provide one answer.
                iflscience.com : how fast is the universe expanding? Astronomers are still perplexed, new results show
                skyandtelescope.com – new studies agree: the universe is expanding faster than expected