เวลาในเอกภพยุคต้นช้ากว่าปัจจุบันห้าเท่า

 

     การแปรแสงของเควซาร์ในเอกภพยุคต้นถูกใช้เพื่อตรวจสอบการยืดออกของเวลา ย้อนกลับไปได้ถึงเพียงหนึ่งพันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง การค้นพบได้เผยให้เห็นช่วงเวลาที่นาฬิกาเดินช้ากว่าที่เป็นในปัจจุบัน 5 เท่า มันยังสร้างความโล่งใจให้กับนักเอกภพวิทยาซึ่งอับจนคำอธิบายให้กับผลสรุปจากการสำรวจเควซาร์ก่อนหน้านี้

     ความจริงที่ว่าเวลาเดินไปแตกต่างกันสำหรับคนที่เดินทางเข้าใกล้ความเร็วแสง เมื่อเทียบกับคนที่อยู่นิ่งกับที่ เป็นหัวใจหลักของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์(twin paradox) สัมพัทธภาพทั่วไปกลับทำนายปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่าการยืดออกของเวลา(time dilation) ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างสนามแรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่พบได้จากการทดลอง

     เมื่อมีการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัว นักฟิสิกส์ก็ตระหนักว่าน่าจะมีการยืดออกของเวลาเกิดขึ้นด้วย ซึ่งจากมุมมองของเรา อดีตน่าจะเดินไปด้วยวิถีที่ช้ากว่า แต่การตรวจสอบว่าช้ากว่าแค่ไหนนั้นก็เป็นเรื่องท้าทาย แต่รายงานฉบับใหม่อาจจะตอบคำถามนี้ได้ Geraint Lewis ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยซิดนีย์ ผู้เขียนหลัก กล่าวในแถลงการณ์ว่า เมื่อมองย้อนเวลากลับไปเมื่อเอกภพมีอายุเพียงหนึ่งพันล้านปีเศษ เราได้เห็นว่าเวลาดูจะเดินช้าลง 5 เท่า ถ้าคุณอยู่ที่นั่นในเอกภพที่ยังเยาว์วัย หนึ่งวินาทีก็ยังยาวนานหนึ่งวินาที แต่สำหรับมุมมองของเรามากกว่า 1.2 หมื่นล้านปีในอนาคต เวลาในยุคต้นดูจะถูกลากให้เดินช้า

     เพื่อตรวจสอบ เราต้องการสิ่งที่เปลี่ยนแปลงความสว่างในช่วงเวลาหนึ่งๆ ที่เราสามารถประเมินได้ ซุปเปอร์โนวาช่วยให้เราตามรอยปรากฏการณ์ประหลาดนี้ไปได้ไกลถึง 7 พันล้านปีก่อนเทียบกับปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม มีซุปเปอร์โนวาเพียงไม่กี่เหตุการณ์ที่สว่างมากพอที่จะมองเห็นได้จากช่วงเวลาก่อนหน้านั้นไปอีก Lewis กล่าวว่า ในขณะที่ซุปเปอร์โนวาทำหน้าที่เหมือนเป็นไฟที่แว้บขึ้นแล้วหายไป ทำให้ศึกษาได้ง่ายกว่า แต่เควซาร์นั้นซับซ้อนมากกว่า เหมือนกับการแสดงดอกไม้ไฟที่ยังคงดำเนินอยู่

Twin Paradox

     สำหรับเควซาร์ห่างไกลที่สุดที่เราเคยพบ ซึ่งย้อนเวลากลับไป 1.3 หมื่นล้านปีนั้น แสงที่สว่างสุดขั้วเกิดขึ้นจากดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ของหลุมดำ เนื่องจากดิสก์มีขนาดค่อนข้างเล็ก การเปลี่ยนแปลงความสว่างจากเควซาร์จึงเกิดขึ้นในเวลาเพียงไม่กี่วันทำให้ตามรอยได้ง่ายกว่า มองเห็นได้จากระยะทางที่ไกลมากๆ ความขรุขระและความปั่นป่วนในดิสก์เป็นสาเหตุให้แสงจากเควซาร์มีการเปลี่ยนแปลงความสว่าง Lewis อธิบาย ความผันแปรของแสงเหล่านี้ แม้ว่าจะไม่สามารถทำนายได้อย่างเบ็ดเสร็จ แต่ก็ไม่ได้เกิดแบบสุ่ม

      มันก็คล้ายๆ กับตลาดหุ้นอยู่บ้าง เขากล่าว ตลอดช่วงเวลายี่สิบสามสิบปีหลังนี้ เราได้เห็นรูปแบบการแปรแสงในเชิงสถิติ โดยมีช่วงเวลาการผันแปร ที่สัมพันธ์กับความสว่างของเควซาร์ และช่วงความยาวคลื่นแสงของมัน ด้วยการใช้ความรู้นี้ เราก็สามารถจับคู่เควซาร์ที่มีรายละเอียดเหล่านี้คล้ายๆ กัน แต่ที่ระยะทางแตกต่างกันมาก และใช้สิ่งนี้เพื่อดูว่าเควซาร์ที่ไกลที่สุดผันแปรแสงไปช้ากว่า หรือไม่

     Lewis และ Brenden Brewer ผู้เขียนร่วม นักสถิติจากมหาวิทยาลัยแห่งอ๊อคแลนด์ ไม่ได้เป็นคนแรกๆ ที่มองเห็นถึงศักยภาพในการใช้เควซาร์เป็นนาฬิกามาตรฐานเพื่อตรวจสอบการยืดออกของเวลาในเอกภพยุคต้น แต่ความพยายามก่อนหน้านี้ได้สร้างผลสรุปที่ชวนปวดหัว การศึกษางานหนึ่งไม่พบความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางของเควซาร์กับการยืดออก ถ้าเป็นจริง ก็น่าจะเป็นความท้าทายต่อพื้นฐานความเข้าใจกฎทางฟิสิกส์ของเรา

      ในความพยายามที่ป้องกันปัญหานี้ นักฟิสิกส์บางคนจึงเสนอว่าความผันแปรแสงที่เราได้เห็นไม่ได้มาจากตัวเควซาร์เอง แต่เป็นการรบกวนที่เกิดจากหลุมดำวิ่งผ่านระหว่างเรากับเควซาร์ ไม่มีหลักฐานใดๆ ว่ามุมมองของเราได้รับผลจากหลุมดำที่ยังตรวจไม่พบ ดังนั้น จึงพิจารณาว่าผลสรุปมีอะไรผิดพลาดกันแน่ Lewis บอกว่า ถ้าการแปรแสงเกิดขึ้นจากบางสิ่งที่คั่นระหว่างเรากับเควซาร์ ก็หมายความว่า เรายังไม่เข้าใจเควซาร์และฟิสิกส์ของดิสก์สะสมมวลสารของมันแต่อย่างใดเลย

      นักฟิสิกส์บางคนกระทั่งบอกว่าควรต้องเขียนทฤษฎีเอกภพวิทยาขึ้นซะใหม่ เช่น ยกเลิกแนวคิดที่ว่าเอกภพกำลังขยายตัว อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนจะไม่ต้องหักมุมแรงอย่างนี้ เมื่อ Lewis และ Brewer ใช้ตัวอย่างเควซาร์ 190 แห่ง ในระยะทางที่กว้างตั้งแต่ 2.5 พันล้านจนบางส่วนย้อนกลับไปได้ถึง 1.2 หมื่นล้านปีก่อน ซึ่งรวบรวมได้จาก SDSS(Sloan Digital Sky Survey), Pan-STARRS และการสำรวจพลังงานมืด

ภาพจากศิลปินแสดงดิสก์สะสมมวลสารใน ULAS J1120+0641 เป็นเควซาร์ซึ่งอยู่ไกลมากแห่งหนึ่ง ที่ได้รับพลังจากหลุมดำมวลมหาศาลที่มีมวลสูง 2 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์

     รวมกับการสำรวจที่ทำโดยทีมมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ซึ่งสำรวจความสว่างของเควซาร์ถี่กว่าการศึกษาก่อนหน้านั้นและทำในพหุความยาวคลื่น(multiple wavelengths) ครอบคลุมเวลา 2 ทศวรรษ ทั้งสองจัดกลุ่มเควซาร์ตามกำลังสว่างที่แท้จริง(intrinsic luminosity) เราจัดกลุ่มเควซาร์ที่สว่างไว้ด้วยกัน และเควซาร์ที่สลัวก็อยู่ด้วยกัน Lewis กล่าว กาเปรียบเทียบระหว่างเควซาร์ในแต่ละกลุ่ม ช่วยให้ประเมินคาบการผันแปรที่น่าเชื่อถือมากขึ้นและพบการยืดออกของเวลา

     ผู้เขียนได้รายงานรูปแบบของการยืดออกของเวลาซึ่งยิ่งเพิ่มขึ้น เมื่อย้อนเวลาไปไกลขึ้นในเอกภพยุคต้น เหมือนอย่างที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้บอกไว้ ความผันแปรเกิดขึ้นแบบสโลว์โมชั่นเมื่อเทียบกับเควซาร์ที่อยู่ใกล้กว่า การศึกษาเผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy  ก้าวต่อไปก็คือการศึกษาเพื่อทำการวิเคราะห์ซ้ำ กับกลุ่มตัวอย่างเควซาร์ที่มีขนาดใหญ่กว่านี้ จากกาแลคซีที่ย้อนเวลากลับไปไกลกว่านั้น

แหล่งข่าว iflscience.com : time ran five times slower in the early universe, quasars reveal
                space.com : time appeared to move 5 times more slowly in 1^st billion years after Big Bang, quasar “clocks” reveal
                Sydney.edu.au : quasar “clocks” show universe running five times slower soon after the Big Bang   
                sciencealert.com : time appears to have run 5 times slower in the early universe
                 scientificamerican.com : time flowed five times slower shortly after the Big Bang