กล้องเวบบ์ยืนยัน"ความไม่ลงรอยฮับเบิล" ที่กล้องฮับเบิลพบ

 

     อัตราที่เอกภพกำลังขยายตัว เรียกในชื่อว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) เป็นหนึ่งในตัวแปรพื้นฐานที่สำคัญในการเข้าใจวิวัฒนาการและชะตากรรมของเอกภพ อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างเกิดขึ้นที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension) ระหว่างค่าที่ตรวจสอบได้จากตัวระบุระยะทางชนิดที่แตกต่างกัน กับค่าที่ทำนายจากแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากบิ๊กแบง กล้องเวบบ์ได้ยืนยันว่าสายตาของคมกริบของกล้องฮับเบิลนั้นไม่ผิดเพี้ยนไปเลย ลบข้อสงสัยเกี่ยวกับความสามารถในการตรวจสอบของฮับเบิลไป

     หนึ่งในเป้าหมายสำคัญในการสร้างกล้องฮับเบิล ก็เพื่อใช้พลังในการสำรวจของมันในการหาค่าอัตราการขยายตัวของเอกภพให้ถูกต้อง ก่อนการส่งฮับเบิลในปี 1990 การสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินมีความคลาดเคลื่อนที่สูงมาก เมื่อใช้ค่าเหล่านั้นหาอัตราการขยายตัว เอกภพอาจจะมีอายุตั้งแต่ 1 หมื่นจนถึง 2 หมื่นล้านปี

cosmic distant lladder

     ตลอด 34 ปีที่ผ่านมา ฮับเบิลได้กระชับความคลาดเคลื่อนจนอยู่ในระดับไม่เกิน 1% ให้ค่าอายุเอกภพที่ 1.38 หมื่นล้านปี ซึ่งมาจากการปรับสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางอวกาศ(cosmic distance ladder) โดยตรวจสอบตัวระบุหลักไมล์สำคัญที่รู้จักดี เช่น ดาวแปรแสงเซเฟอิด(Cepheid variable stars) อย่างไรก็ตาม ค่าจากฮับเบิลไม่สอดคล้องกับการตรวจสอบเป็นการสำรวจซึ่งทำโดยดาวเทียมพลังค์(Planck) ซึ่งทำแผนที่ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ(cosmic microwave background) ซึ่งเป็นพิมพ์เขียวว่าเอกภพน่าจะพัฒนาโครงสร้างไปอย่างไรหลังจากที่มันเย็นตัวลงหลังจากบิ๊กแบง

    สิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล ระหว่างสิ่งที่เกิดขึ้นในเอกภพใกล้ๆ เปรียบเทียบกับการขยายตัวของเอกภพยุคต้น ก็ยังคงหลอกหลอนนักเอกภพวิทยาต่อไป ซึ่งอาจมีบางสิ่งที่ซ่อนอยู่ในผืนกาลอวกาศที่เรายังคงไม่เข้าใจ แล้วก็แก้ปัญหาความแตกต่างนี้ต้องใช้ฟิสิกส์แบบใหม่หรือไม่ หรือมันเป็นผลจากความผิดพลาดในการตรวจสอบระหว่างวิธีการที่แตกต่างกัน 2 วิธีที่ใช้เพื่อตรวจสอบอัตราการขยายตัวของอวกาศ

     คำตอบง่ายๆ สำหรับความไม่ลงรอยนี้อาจจะโยนไปให้การสำรวจของฮับเบิลที่ผิดพลาด ซึ่งเป็นผลจากความไม่เที่ยงตรงในการตรวจสอบหลักไมล์ในอวกาศห้วงลึก จึงเป็นส่วนที่กล้องเวบบ์เข้ามาสานต่อ โดยช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ตรวจทานผลจากฮับเบิล โดยเวบบ์ใช้สายตาในช่วงอินฟราเรดสำรวจเซเฟอิดส์ สอดคล้องกับข้อมูลในช่วงตาเห็นจากฮับเบิล เวบบ์ยืนยันว่า สายตาคมกริบของฮับเบิลไม่ผิดเพี้ยน ลบข้อสงสัยกับการตรวจสอบของฮับเบิลได้

Hubble tension

     ขณะนี้ ฮับเบิลและเวบบ์จับมือกันเพื่อทำการตรวจสอบให้แน่ชัดในระดับความเชื่อมั่นสูง ยิ่งเน้นว่ามีบางสิ่งที่ไม่ใช่ความผิดพลาดจากการตรวจสอบ กำลังส่งผลต่ออัตราการขยายตัว เมื่อตรวจสอบซึ่งกันและกัน การสำรวจของเวบบ์ในปี 2023 ยืนยันความเที่ยงตรงของการตรวจสอบเอกภพขยายตัวจากฮับเบิล อย่างไรก็ตาม ด้วยความหวังที่จะแก้ความไม่ลงรอยฮับเบิล นักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยว่าจะมีความผิดพลาดที่มองไม่เห็นในการตรวจสอบ ซึ่งอาจจะโผล่ขึ้นมาและมองเห็นได้เมื่อเรามองลึกไปในเอกภพเพิ่มขึ้น

     โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในกลุ่มของดาวที่อยู่กันอย่างแออัดซึ่งอาจส่งผลต่อการตรวจสอบความสว่างของดาวที่อยู่ห่างไกล เป็นความผิดพลาดแบบเป็นระบบ ความท้าทายในการสำรวจก็คือ ภาพเซเฟอิดส์ที่อยู่ห่างไกลจากกล้องฮับเบิลนั้นดูเกาะและซ้อนทับกับดาวเพื่อนบ้านมากขึ้นเมื่อระยะทางไกลมากขึ้น จึงต้องตรวจสอบผลกระทบนี้อย่างระมัดระวัง ฝุ่นที่คั่นอยู่ก็ยิ่งทำให้ความคลาดเคลื่อนการตรวจสอบในช่วงตาเห็นยุ่งมากขึ้น เวบบ์ซึ่งสามารถเจาะผ่านฝุ่นและแยกแยะเซเฟอิดส์จากดาวเพื่อนบ้านได้เพราะสายตาของมันในช่วงอินฟราเรดที่คมชัดกว่ากล้องฮับเบิล

     เมื่อปฏิเสธความผิดพลาดจากการตรวจสอบได้แล้ว สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือความเป็นไปได้ของจริงว่า เรากำลังเข้าใจเอกภพแบบผิดๆ Adam Riess นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ในบัลติมอร์ นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลในการร่วมค้นพบความจริงที่ว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง เป็นผลจากปรากฏการณ์ประหลาดที่ขณะนี้เรียกกันว่า พลังงานมืด(dark energy)

ภาพอธิบายสามขั้นตอนพื้นฐานที่นักดาราศาสตร์ใช้คำนวณว่าเอกภพขยายตัวเร็วแค่ไหน โดยทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศที่แม่นยำ โดยเริ่มด้วยการตรวจสอบวัตถุที่ทราบความสว่างที่แท้จริงชนิดต่างๆ เพื่อที่จะคำนวณระยะทางได้ โดยเริ่มจากดาวแปรแสงเซเฟอิด 70 ดวงในเมฆมาเจลลันใหญ่(LMC) จากนั้นก็เปรียบเทียบเซเฟอิดส์ใกล้เคียงกับพวกที่อยู่ไกลออกไปในกาแลคซีที่มีบันไดชนิดอื่นๆ คือซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ(SNe Ia) ด้วย ซึ่งสว่างกว่าเซเฟอิดส์จึงใช้ซุปเปอร์โนวาวัดระยะทางได้ไกลมากขึ้น และคำนวณว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน

     ทีม SH0ES(Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) ซึ่งนำโดย Riess ได้ทำการสำรวจวัตถุที่เป็นหลักไมล์หลัก คือดาวแปรแสงเซเฟอิด เพิ่มเติมด้วยกล้องเวบบ์ ซึ่งขณะนี้พบว่าคล้องจองกับข้อมูลจากกล้องฮับเบิล ขณะนี้เรากำลังขยายครอบคลุมไปถึงสิ่งที่ฮับเบิลได้สำรวจไว้ทั้งหมด และเราก็บอกได้ด้วยความเชื่อมั่นสูงมาก(8 sigma) ว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิลไม่ได้เกิดขึ้นจากความผิดพลาดจากการตรวจสอบ Riess กล่าว

      การสำรวจเซเฟอิดส์ด้วยเวบบ์ของทีมครั้งแรกในปี 2023 ประสบความสำเร็จเมื่อแสดงว่าฮับเบิลมาถูกทางในการตรวจสอบบันไดวัดระยะทางในอวกาศขั้นแรก นักดาราศาสตร์ใช้หลากหลายวิธีการเพื่อตรวจสอบระยะทางเปรียบเทียบในเอกภพ ขึ้นอยู่กับวัตถุที่ต้องการสำรวจ โดยรวมๆ แล้วเทคนิคเหล่านั้นถูกเรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศ ซึ่งแต่ละขั้นหรือเทคนิคการตรวจสอบก็พึ่งพาการตรวจเทียบมาตรฐาน(calibrate) ในขั้นก่อนหน้า

     แต่นักดาราศาสตร์บางคนบอกว่า เมื่อขยับไปที่บันไดวัดระยะทางในอวกาศขั้นที่สอง อาจจะมีปัญหาได้เนื่องจากการตรวจสอบดาวแปรแสงเซเฟอิดมีความเที่ยงตรงน้อยลงตามระยะทาง ความไม่เที่ยงตรงเหล่านั้นอาจเกิดจากแสงของเซเฟอิดส์ที่ผสมกลมกลืนกับดาวที่อยู่ใกล้ๆ เป็นผลกระทบที่น่าจะรุนแรงมากขึ้นด้วยระยะทาง เมื่อดาวเกาะกลุ่มอยู่ด้วยกันบนท้องฟ้าและแยกแยะออกจากกันและกันได้ยากมากขึ้น

ในกลางภาพทั้งสองเป็นดาวชนิดพิเศษที่ใช้เป็นหลักไมล์ในการตรวจสอบระยะทางที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด ภาพทั้งสองละเอียดในระดับพิกเซล ภาพจากกล้องเวบบ์มีความคมชัดในช่วงอินฟราเรดใกล้มากกว่าภาพจากฮับเบิล(ซึ่งทำงานในช่วงตาเห็นเป็นหลัก) ด้วยสายตาที่คมกริบของเวบบ์ จึงมองเห็นเซเฟอิดส์ได้ชัดเจนมากขึ้นกำจัดสิ่งที่อาจทำให้สับสนอื่นๆ ออกไป เวบบ์ได้ยืนยันความเที่ยงตรงในการสำรวจเซเฟอิดส์ของกล้องฮับเบิล ซึ่งใช้ตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพและอายุได้

    การรวมฮับเบิลเข้ากับเวบบ์ช่วยให้เราเข้าถึงสิ่งที่ดีที่สุดทั้งสองส่วน เราพบว่าการตรวจสอบของฮับเบิลยังเชื่อถือได้กระทั่งแม้เมื่อเราขยับไปสู่บันไดวัดระยะทางในอวกาศที่ไกลออกไปมากขึ้น Riess กล่าว การสำรวจครั้งใหม่จากเวบบ์รวมถึงกาแลคซีต้นสังกัด 5 แห่งที่มีซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernova) 8 เหตุการณ์ซึ่งมีเซเฟอิดส์รวม 1 พันดวง และขยับออกไปไกลที่สุดเท่าที่เคยตรวจสอบเซเฟอิดส์ได้ ก็คือ NGC 5468 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 130 ล้านปีแสง

     นี่ครอบคลุมส่วนที่เราเคยสำรวจด้วยกล้องฮับเบิลไว้ทั้งหมด ดังนั้นเราจึงยาวไปถึงจุดสิ้นสุดของบันไดขั้นที่สองของบันไดวัดระยะทางในอวกาศ Gagandeep Anand จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศในบัลติมอร์ ซึ่งดำเนินงานกล้องฮับเบิลและกล้องเวบบ์ให้กับนาซา

     โดยรวมแล้ว การยืนยันความไม่ลงรอยฮับเบิลของกล้องเวบบ์และกล้องฮับเบิล ทำให้หอสังเกตการณ์อื่นๆ อาจจะจบปริศนานี้ได้ เช่น กล้องโทรทรรศน์โรมัน(Nancy Grace Roman Space Telescope) ของนาซา และปฏิบัติการยูคลิด(Euclid) ของอีซา

กราฟทั้ง 6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างปรากฏหรืออันดับความสว่าง(magnitude) กับคาบการแปรแสง จากความสัมพันธ์ฯ ก็สามารถทราบความสว่างที่แท้จริงและคำนวณระยะทางได้ จุดสีแดงเป็นการตรวจสอบใหม่จากเวบบ์ ในขณะที่จุดสีเทามาจากกล้องฮับเบิล

     ในตอนนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าบันไดวัดระยะทางที่ฮับเบิลและเวบบ์สำรวจได้หยั่งรากอย่างมั่นคงที่ด้านหนึ่งของแม่น้ำ(H0 ราว 73 km/s/Mpc) และแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากบิ๊กแบงที่พลังค์สำรวจจากช่วงเริ่มต้นเอกภพ ก็หยั่งรากอย่างแข็งแรงที่อีกด้าน(67 km/s/Mpc) แล้วจะสำรวจการขยายตัวของเอกภพที่เปลี่ยนแปลงในช่วงหลายพันล้านปีระหว่างปลายทั้งสองนี้ได้โดยตรงหรือไม่ Riess กล่าวว่า เราอยากจะรู้แค่ว่าเรากำลังพลาดอะไรไปหรือเปล่าที่จะเชื่อมโยงช่วงเริ่มต้นของเอกภพ กับสภาพปัจจุบัน การค้นพบนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 6 กุมภาพันธ์ 2024

     Wendy Freedman จากมหาวิทยาลัยชิคาโก ผู้นำร่วมทีมซึ่งทำการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลอย่างเที่ยงตรงได้เป็นทีมแรกในปี 2001 และขณะนี้ เธอนำทีมคาร์เนกี้-ชิคาโก ก็ทำงานเพื่อระบุอัตราการขยายตัวเอกภพ โดยใช้วิธีการอื่น เช่นผ่านการสำรวจดาวยักษ์แดง ด้วยวิธีการนี้ Freedman ได้ค่าคงที่ฮับเบิลที่สอดคล้องกับการตรวจสอบจากเอกภพยุคต้นมากกว่า แต่กระนั้นเธอก็คิดว่ายังต้องการข้อมูลเพิ่มขึ้นจากแหล่งที่แตกต่างอื่นๆ อีกมาก ก่อนที่เราจะบอกได้ว่าความไม่ลงรอยฮับเบิลนั้นมีรากฐานจากปํญหาด้านการตรวจสอบจริงหรือไม่

     การตรวจสอบวัตถุที่อยู่ห่างไกลนั้นท้าทายอย่างมาก เธอกล่าว นี่เป็นเหตุผลที่เราตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลโดยใช้หนทางต่างๆ เนื่องจากวิธีการใดๆ ที่เราใช้ก็อาจมีความคลาดเคลื่อนในระบบของมันเอง เทคโนโลจีใหม่อย่างกล้องเวบบ์จะช่วยให้เราคืบหน้าได้มากขึ้น ทีมของฉันกำลังตรวจสอบไม่เพียงแต่เซเฟอิดส์ แต่ยังตรวจดาวยักษ์แดงซึ่งเราเคยสำรวจพวกมันด้วยฮับเบิล และยังมีการตรวจสอบชนิดใหม่ๆ โดยใช้ดาวคาร์บอน และพวกมันทั้งสามชนิดก็พบได้ในกาแลคซีแห่งเดียวกัน ที่เคยพบเซเฟอิดส์และซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ อยู่ด้วย

ภาพ NGC 5468 ซึ่งอยู่ไกลออกไป 130 ล้านปีแสง จากการรวมข้อมูลจากกล้องเวบบ์และฮับเบิล นี่เป็นกาแลคซีที่ไกลที่สุดเท่าที่ฮับเบิลเคยจำแนกดาวแปรแสงเซเฟอิดได้ ระยะทางที่คำนวณได้จากเซเฟอิดส์ได้รับการตรวจทานโดยการคำนวณจากซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอในกาแลคซีแห่งนี้ด้วย

     Riess เองก็เห็นด้วยที่จะใช้กล้องเวบบ์เพื่อตรวจสอบดาวแบบต่างๆ (รวมถึงดาวยักษ์แดง, ดาวแปรแสงมิรา และดาวยักษ์ที่หลอมฮีเลียม) เพื่อหาค่าคงที่ฮับเบิล อย่างไรก็ตาม เขาบอกว่าถ้ามีความผิดพลาดในการสำรวจ ก็น่าแปลกที่วัตถุที่สำรวจในเอกภพใกล้เคียงนั้นก็จะต้องแสดงความผิดพลาดในแบบเดียวกัน ผมอยากจะบอกว่าผมได้กลิ่นตุๆ ว่าแบบจำลองเอกภพวิทยาจะมีปัญหา ง

ในกลางภาพทั้งสองเป็นดาวชนิดพิเศษที่ใช้เป็นหลักไมล์ในการตรวจสอบระยะทางที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด ภาพทั้งสองละเอียดในระดับพิกเซล ภาพจากกล้องเวบบ์มีความคมชัดในช่วงอินฟราเรดใกล้มากกว่าภาพจากฮับเบิล(ซึ่งทำงานในช่วงตาเห็นเป็นหลัก) ด้วยสายตาที่คมกริบของเวบบ์ จึงมองเห็นเซเฟอิดส์ได้ชัดเจนมากขึ้นกำจัดสิ่งที่อาจทำให้สับสนอื่นๆ ออกไป เวบบ์ได้ยืนยันความเที่ยงตรงในการสำรวจเซเฟอิดส์ของกล้องฮับเบิล ซึ่งใช้ตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพและอายุได้

กราฟทั้ง 6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างปรากฏหรืออันดับความสว่าง(magnitude) กับคาบการแปรแสง จากความสัมพันธ์ฯ ก็สามารถทราบความสว่างที่แท้จริงและคำนวณระยะทางได้ จุดสีแดงเป็นการตรวจสอบใหม่จากเวบบ์ ในขณะที่จุดสีเทามาจากกล้องฮับเบิล

พื้นที่สำรวจด้วย NIRCam ซ้อนทับบนภาพสีจาก Digitized Sky Survey จากกาแลคซีต้นสังกัด(บน) 4 แห่ง และภาพ NIRCam RGB แสดงตำแหน่งของเซเฟอิดส์(วงกลมสีฟ้า; ล่าง)

ภาพ NGC 5468 ซึ่งอยู่ไกลออกไป 130 ล้านปีแสง จากการรวมข้อมูลจากกล้องเวบบ์และฮับเบิล นี่เป็นกาแลคซีที่ไกลที่สุดเท่าที่ฮับเบิลเคยจำแนกดาวแปรแสงเซเฟอิดได้ ระยะทางที่คำนวณได้จากเซเฟอิดส์ได้รับการตรวจทานโดยการคำนวณจากซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอในกาแลคซีแห่งนี้ด้วย

ภาพอธิบายสามขั้นตอนพื้นฐานที่นักดาราศาสตร์ใช้คำนวณว่าเอกภพขยายตัวเร็วแค่ไหน โดยทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศที่แม่นยำ โดยเริ่มด้วยการตรวจสอบวัตถุที่ทราบความสว่างที่แท้จริงชนิดต่างๆ เพื่อที่จะคำนวณระยะทางได้ โดยเริ่มจากดาวแปรแสงเซเฟอิด 70 ดวงในเมฆมาเจลลันใหญ่(LMC) จากนั้นก็เปรียบเทียบเซเฟอิดส์ใกล้เคียงกับพวกที่อยู่ไกลออกไปในกาแลคซีที่มีบันไดชนิดอื่นๆ คือซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ(SNe Ia) ด้วย ซึ่งสว่างกว่าเซเฟอิดส์จึงใช้ซุปเปอร์โนวาวัดระยะทางได้ไกลมากขึ้น และคำนวณว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน

แหล่งข่าว esawebb.org : Webb and Hubble telescopes affirm universe’s expansion rate, puzzle persists
                sciencealert.com : JWST and Hubble agree on the universe’s expansion, and it’s a major problem    
                skyandtelescope.com : Webb telescope measures universe’s expansion
                 space.com : James Webb Space Telescope complicates expanding universe paradox by checking Hubble’s work