กล้องเวบบ์เน้นย้ำ "ความไม่ลงรอยฮับเบิล"

 

การสำรวจร่วมจากกล้อง NIRCam บนกล้องเวบบ์ และ WFC3 ของฮับเบิล แสดงกาแลคซีกังหัน NGC 5584 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 72 ล้านปีแสง

     อัตราที่เอกภพกำลังขยายตัว ซึ่งเรียกในชื่อว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) เป็นหนึ่งในตัวแปรพื้นฐานเพื่อความเข้าใจวิวัฒนาการและชะตากรรมสุดท้ายของเอกภพ อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างของค่าคงที่ที่ได้จากการศึกษาตัวระบุระยะทาง กับค่าที่ทำนายจากแสงเรืองไล่หลังของบิ๊กแบง(ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ-ผู้แปล) ความแตกต่างนี้เรียกในชื่อว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension)

      กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ทำการสำรวจครั้งใหม่เพื่อสืบสวนและปรับปรุงหลักฐานของความไม่ลงรอยนี้ Adam Riess นักดาราศาสตร์รางวัลโนเบล(ร่วมสาขาฟิสิกส์ปี 2011 จากการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง) จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ และสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ(STScI) นำเสนองานวิจัยล่าสุดที่ใช้การสำรวจของเวบบ์เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลจากละแวกท้องถิ่น ซึ่งนอกจากจะไม่ได้คลี่คลายแล้ว ยังยิ่งตอกย้ำความไม่ลงรอยนี้

      เวลาคุณมองป้ายไกลๆ คุณเคยมองไม่ออกมั้ย มันบอกอะไร แปลว่าอะไร แม้แต่ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุด “ป้าย” ที่นักดาราศาสตร์ต้องการจะอ่านก็ยังดูเล็กมากๆ จนเราเพ่งดูก็ยังมองไม่ออก ป้ายที่นักเอกภพวิทยาต้องการจะอ่านก็คือ ป้ายจำกัดความเร็วเอกภพ ซึ่งบอกเราว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน เป็นตัวเลขที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล

     ป้ายของเรานั้นเขียนไว้บนดาวฤกษ์ในกาแลคซีที่ห่างไกล ความสว่างของดาวชนิดจำเพาะในกาแลคซีเหล่านั้นบอกเราว่าพวกมันอยู่ห่างไกลแค่ไหน และจึงบอกว่าแสงของมันใช้เวลานานแค่ไหนเพื่อเดินทางมาถึงเรา และเรดชิพท์ของกาแลคซีก็บอกเราว่าเอกภพขยายตัวอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งจะบอกเราถึงอัตราการขยายตัว

ภาพจากศิลปินแสดงเทียนมาตรฐานในอวกาศ

     ดาวฤกษ์ชนิดที่จำเพาะมากที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด(Cepheid variables) ให้การตรวจสอบระยะทางที่แม่นยำที่สุดกับเรามาเกินร้อยปี ก็เพราะดาวเหล่านี้สว่างเจิดจ้ามาก พวกมันเป็นดาวซุปเปอร์ยักษ์ มีกำลังสว่าง(luminosity) หลายแสนเท่าของดวงอาทิตย์ ยิ่งกว่านั้น พวกมันหดพอง(pulsate; ขยายและหดในแง่ของขนาด) ในคาบเวลาหลายสัปดาห์ ซึ่งบ่งชี้ถึงกำลังสว่างเปรียบเทียบของพวกมัน ยิ่งคาบยาวเท่าใด พวกมันก็ยิ่งมีความสว่างที่แท้จริงสูงตามไปด้วย

     เซเฟอิดส์จึงเป็นเหมือนไม้บรรทัดทองที่ใช้ตรวจสอบระยะทางของกาแลคซีในระดับหลายร้อยล้านปีแสงหรือไกลกว่านั้น เป็นขั้นที่สำคัญอย่างยิ่งยวดในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิล โชคร้ายที่ดาวในกาแลคซีเกาะกลุ่มอยู่ด้วยกันในพื้นที่อวกาศขนาดเล็ก เมื่อมองจากโลกที่อยู่ไกล เราจึงมักจะไม่มีความละเอียดเพียงพอที่จะแยกแยะพวกมันออกจากเพื่อนบ้านได้

     เป้าหมายที่สำคัญประการหนึ่งในการสร้างกล้องฮับเบิลก็คือเพื่อแก้ปัญหานี้ ก่อนการส่งฮับเบิลในปี 1990 และการตรวจสอบเซเฟอิดส์ของฮับเบิล อัตราการขยายตัวของเอกภพมีความคลาดเคลื่อนสูง จนนักดาราศาสตร์ไม่แน่ใจว่าเอกภพขยายตัวมา 1 หมื่นล้านหรือ 2 หมื่นล้านปีแล้ว นั้นเป็นเพราะอัตราการขยายตัวที่สูงจะทำให้การคำนวณได้เอกภพที่มีอายุน้อยกว่า และอัตราการขยายตัวที่ช้ากว่าจะให้อายุเอกภพที่เก่าแก่กว่า

ไดอะแกรมอธิบายพลังรวมจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์และฮับเบิล ในการระบุระยะทางที่แม่นยำสู่ดาวแปรแสงกลุ่มที่จำเพาะกลุ่มหนึ่ง ซึ่งใช้เพื่อเทียบมาตรฐาน(calibrate) อัตราการขยายตัวของเอกภพ

      ฮับเบิลมีความละเอียดในช่วงตาเห็นที่ดีกว่ากล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินใดๆ ก็เพราะมันลอยอยู่เหนือชั้นบรรยากาศโลกซึ่งทำให้ภาพเบลอ ด้วยเหตุนี้ มันจึงสามารถจำแนกเซเฟอิดส์แต่ะดวงในกาแลคซีที่อยู่ไกลกว่า 1 ร้อยล้านปีแสงได้ และตรวจสอบระยะเวลาที่เซเฟอิดส์ใช้เปลี่ยนแปลงความสว่างได้ อย่างไรก็ตาม เรายังต้องสำรวจเซเฟอิดส์ในช่วงอินฟราเรดใกล้เพื่อดูแสงที่วิ่งผ่านฝุ่นที่คั่นอยู่ ฝุ่นจะดูดกลืนและทำให้แสงสีฟ้ากระเจิง ทำให้วัตถุไกลโพ้นดูสลัวและลวงเราให้เชื่อว่าพวกมันอยู่ไกลกว่าที่เป็นจริง

     โชคร้ายที่สายตาในช่วงแสงสีแดงของฮับเบิลไม่ได้คมชัดเหมือนช่วงแสงสีฟ้าของมัน ดังนั้นแสงจากเซเฟอิดส์ที่เราเห็นจึงผสมรวมกับดาวอื่นๆ ที่อยู่ในพื้นที่การสำรวจ เรารับมือได้เพียงแสงผสมโดยเฉลี่ย(ในทางสถิติ) ในแบบเดียวกับที่คุณหมอระบุน้ำหนักตัวของคุณโดยลบน้ำหนักเสื้อผ้าเฉลี่ยออกจากน้ำหนักที่อ่านได้จากตาชั่ง แต่ก็เพิ่มสัญญาณรบกวนให้การตรวจสอบ เสื้อผ้าของคนบางคนอาจจะหนักกว่าคนอื่นๆ

      อย่างไรก็ตาม สายตาในช่วงอินฟราเรดที่คมชัดเป็นหนึ่งในพลังวิเศษของกล้องเจมส์เวบบ์ ด้วยกระจกที่ใหญ่และระบบทัศนศาสตร์ที่ไว มันจึงแยกแยะแสงจากเซเฟอิดส์ออกจากดาวเพื่อนบ้านโดยมีแสงผสมเพียงเล็กน้อย ในช่วงปีแรกในการทำงานของเวบบ์กับโครงการนักสำรวจทั่วไป 1685(General Observers program 1685) เราได้รวบรวมการสำรวจเซเฟอิดส์จากฮับเบิลเป็น 2 ขั้นพร้อมกับสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศ(cosmic distance ladder)

     ขั้นแรกเกี่ยวข้องกับการสำรวจเซเฟอิดส์ในกาแลคซีแห่งหนึ่งที่ทราบระยะทางโดยวิธีทางเรขาคณิต ซึ่งช่วยให้เราเทียบมาตรฐาน(calibrate) กำลังสว่างที่แท้จริงของเซเฟอิดส์ ขั้นที่สองก็คือ สำรวจเซเฟอิดส์ในกาแลคซีที่มีซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) ที่เพิ่งเกิดเร็วๆ นี้ NGC 4258 และ NGC 5584

บันไดสามขั้นในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลของกล้องฮับเบิล นักดาราศาสตร์ใช้วิธีตรีโกณมิติหรือพารัลแลกซ์
(parallax) หาระยะทางสู่เซเฟอิดส์ในทางช้างเผือก เมื่อเทียบมาตรฐาน(calibrate) เซเฟอิดส์ในระยะใกล้ได้ ก็ขยับไปสู่เซเฟอิดส์ในกาแลคซีใกล้ๆ ที่มีซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอเกิดขึ้นไม่นานด้วย เมื่อใช้เซเฟอิดส์เพื่อเทียบมาตรฐานให้กับซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ก็สำรวจซุปเปอร์โนวาในกาแลคซีที่ห่างไกล เพื่อหาระยะทาง จากค่าระยะทางต่างๆ ก็สามารถคำนวณค่าคงที่ฮับเบิลได้

     การรวมขั้นตอนสองขั้นแรก สู่ระยะทางสู่ซุปเปอร์โนวาก็เพื่อเทียบมาตรฐานกำลังสว่างที่แท้จริงของซุปเปอร์โนวา ขั้นที่สามก็คือ สำรวจซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่อยู่ไกลออกไปในที่ที่มีการขยายตัวของเอกภพ และตรวจสอบได้โดยการเปรียบเทียบระยะทางที่ได้จากความสว่างและเรดชิพท์ของกาแลคซีต้นสังกัดซุปเปอร์โนวา ก้าวต่างๆ เหล่านี้เรียกว่า บันไดระยะทาง ซึ่งเราเพิ่งทำการตรวจสอบด้วยเวบบ์จากขั้นที่หนึ่งและสอง ซึ่งช่วยให้เราทำบันไดระยะทางสำเร็จ และเปรียบเทียบกับการตรวจสอบก่อนหน้าโดยฮับเบิล การสำรวจของเวบบ์ได้กำจัดสัญญาณรบกวนในการตรวจสอบเซเฟอิดส์อันเนื่องจากความละเอียดในช่วงอินฟราเรดใกล้ของฮับเบิล

     การปรับปรุงลักษณะนี้เป็นสิ่งที่เราทีมงานนักดาราศาสตร์เฝ้าฝันถึง เราสำรวจเซเฟอิดส์มากกว่า 320 ดวงในสองขั้นตอนแรก เรายืนยันว่าการตรวจสอบก่อนหน้านี้โดยฮับเบิลนั้นเที่ยงตรง แม้จะมีสัญญาณกวนเยอะกว่า เรายังได้สำรวจต้นสังกัดของซุปเปอร์โนวา 4 แห่งด้วยเวบบ์ และได้เห็นผลสรุปที่คล้ายๆ กันจากกลุ่มตัวอย่างทั้งหมด  

     ผลสรุปที่ได้ยังคงไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใด เอกภพจึงดูจะขยายตัวเร็วมาก เราสามารถทำนายอัตราการขยายตัวของเอกภพจากการดูภาพเมื่อยังเยาว์วัย(ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ; cosmic microwave background) และจากนั้นก็ทำแบบจำลองที่ดีที่สุดว่ามันจะเติบโตอย่างไรเพื่อบอกว่าในปัจจุบันเอกภพน่าจะขยายตัวเร็วแค่ไหน ความเป็นจริงก็คือ อัตราการขยายตัวปัจจุบันเกินเลยจากค่าที่ทำนายไว้พอสมควร เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นมานานนับสิบปีในสิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล หมายเหตุ การตรวจสอบเอกภพจาก CMB ให้ค่าคงที่ฮับเบิลราว 67 km/s/Mpc ในขณะที่การใช้ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอหรือเซเฟอิดส์ให้ค่าคงที่ 73 km/s/Mpc

ค่าคงที่ฮับเบิลที่ได้จากโครงการสำรวจที่ใช้วิธีการต่างๆ โดยแบ่งเป็นสองส่วน คือจากการตรวจสอบไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ(CMB) ซึ่งเป็นซากแสงจากเอกภพยุคต้นและทำนายว่าเอกภพจะพัฒนาอย่างไร กับการตรวจสอบเอกภพท้องถิ่นโดยใช้เทียนมาตรฐานเป็นบันไดวัดระยะทาง โดยรวมแล้ว วิธีการทั้งสองส่วนมีความคลาดเคลื่อน้อยลงเรื่อยๆ จนเริ่มเห็นความแตกต่างอย่างชัดเจน ซึ่งเราเรียกความต่างนี้ว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล       

     Riess กล่าวว่า ความเป็นไปได้ที่น่าตื่นเต้นที่สุดก็คือ ความไม่ลงรอยนี้เป็นเงื่อนงำของบางสิ่งที่เราพลาดไปในความเข้าใจเอกภพ มันยังอาจจะบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของพลังงานมืดพิศวง(exotic dark energy), สสารมืดพิศวง(exotic dark matter) เป็นความเข้าใจเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงในแบบปรับปรุงใหม่ หรือการมีอยู่ของอนุภาคหรือสนามที่เป็นอัตลักษณ์ ราวกับว่าพลังงานมืดและสสารมืดแบบปกติ ยังไม่น่าปวดหัวพอ

      คำอธิบายที่สุดโต่งไปอีกก็คือ เป็นความผิดพลาดในการตรวจสอบขั้นตอนต่างๆ มารวมกัน(แต่นักดาราศาสตร์ก็กำจัดความผิดพลาดในแต่ละครั้งโดยใช้วิธีการที่เป็นอิสระแบบอื่น) ดังนั้น จึงเป็นเหตุผลที่มีความสำคัญอย่างยิ่งที่ต้องทำการตรวจสอบซ้ำโดยมีความถูกต้องสูงขึ้น  

     ด้วยเวบบ์ที่ยืนยันการตรวจสอบจากฮับเบิล การตรวจสอบของเวบบ์ได้ให้หลักฐานที่แน่ชัดที่สุดเท่าที่เคยมีว่า ความผิดพลาดอย่างเป็นระบบทอดๆ ในการตรวจสอบปริมาณแสงของเซเฟอิดส์จากฮับเบิล ไม่ได้มีบทบาทสำคัญในความไม่ลงรอยฮับเบิลนี้ ด้วยเหตุนี้ ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจมากขึ้นจึงยังคงอยู่ และปริศนาของความไม่ลงรอยก็ลึกลงไปอีก รายงานเผยแพร่ใน Astrophysical Journal และออนไลน์บน arXiv.org

  

แหล่งข่าว phys.org : Webb confirms accuracy of universe’s expansion rate, deepens mystery of Hubble constant tension  
               iflscience.com : JWST confirms universe’s rate of expansion and one of physics’ biggest mysteries
               space.com : James Webb Space Telescope deepens major debate over universe’s expansion rate