เรากำลังทำอะไรผิดเกี่ยวกับจักรวาล
มันอาจจะเล็กไปหน่อย: ปัญหาการตรวจวัดที่ทำให้ดาวบางดวงมองใกล้หรือไกลกว่าพวกมันสิ่งที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถแก้ไขได้ด้วยการปรับแต่งเล็กน้อยเพื่อวัดระยะทางข้ามอวกาศ มันอาจเป็นเรื่องใหญ่: ข้อผิดพลาด - หรือชุดของข้อผิดพลาด - ในจักรวาลหรือความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล หากเป็นเช่นนั้นประวัติพื้นที่และเวลาทั้งหมดของเราอาจสับสน แต่ไม่ว่าปัญหาคืออะไรมันกำลังทำการสำรวจที่สำคัญของเอกภพที่ไม่เห็นด้วยซึ่งกันและกัน: วัดทางเดียวจักรวาลดูเหมือนจะขยายตัวในอัตราที่แน่นอน วัดอีกวิธีหนึ่งจักรวาลดูเหมือนว่าจะขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกัน และในฐานะที่เป็นกระดาษใหม่แสดงให้เห็นความแตกต่างเหล่านั้นมีขนาดใหญ่ขึ้นในปีที่ผ่านมาแม้ในขณะที่การวัดมีความแม่นยำมากขึ้น
"เราคิดว่าหากความเข้าใจในจักรวาลวิทยาของเราถูกต้องแล้วการวัดที่แตกต่างกันทั้งหมดควรให้คำตอบเดียวกันกับเรา" Katie Mack นักดาราศาสตร์วิชาทฤษฎีที่ North Carolina State University (NCSU) และผู้เขียนบทความใหม่ .
การวัดที่มีชื่อเสียงที่สุดสองการทำงานแตกต่างจากกันมาก สิ่งแรกนั้นขึ้นอยู่กับ Cosmic ไมโครเวฟ Background (CMB): รังสีไมโครเวฟที่เหลือจากช่วงเวลาแรกหลังจาก Big Bang จักรวาลวิทยาได้สร้างแบบจำลองเชิงทฤษฎีของประวัติศาสตร์ทั้งหมดของจักรวาลบนรากฐาน CMB - แบบจำลองที่พวกเขามั่นใจมากและนั่นจะต้องใช้ฟิสิกส์ใหม่ทั้งหมดเพื่อทำลาย แม็คกล่าวว่าพวกมันผลิตจำนวนคงที่ของฮับเบิลอย่างแม่นยำหรือ H0 ซึ่งควบคุมจำนวนความเร็วของจักรวาลที่กำลังขยายตัว
การตรวจวัดครั้งที่สองนั้นใช้ซุปเปอร์โนวาและดาวที่กะพริบในกาแลคซีใกล้เคียงซึ่งรู้จักกันในนามเซเฟอิดส์ นักดาราศาสตร์ได้รับสิ่งที่พวกเขาเชื่อว่าเป็นมาตรวัดค่าคงที่ของฮับเบิลได้แม่นยำเพียงใด และวิธีการนั้นให้ H0 ที่แตกต่างกัน
“ ถ้าเราได้รับคำตอบที่แตกต่างนั่นหมายความว่ามีบางอย่างที่เราไม่รู้” แม็คบอกกับวิทยาศาสตร์สด "นี่เป็นเรื่องเกี่ยวกับไม่เพียง แต่ทำความเข้าใจกับอัตราการขยายตัวของเอกภพในปัจจุบัน - ซึ่งเป็นสิ่งที่เราสนใจ - แต่เข้าใจว่าจักรวาลวิวัฒนาการมาได้อย่างไรการขยายตัวของวิวัฒนาการและเวลาว่างได้ทำสิ่งนี้ทั้งหมด เวลา."
Weikang Lin ยังเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านจักรวาลวิทยาที่ NCSU และผู้เขียนนำรายงานกล่าวว่าเพื่อพัฒนาภาพรวมของปัญหาทีมจึงตัดสินใจที่จะรวบรวมวิธีต่าง ๆ ทั้งหมดของการ "บังคับ" H0 ไว้ในที่เดียว กระดาษยังไม่ได้รับการตรวจสอบหรือเผยแพร่อย่างเป็นทางการและมีอยู่ในเซิร์ฟเวอร์ preprint arXiv
นี่คือความหมายของ "ข้อ จำกัด ": การวัดทางฟิสิกส์มักจะไม่ได้คำตอบที่แน่นอน แต่จะ จำกัด ขอบเขตของคำตอบที่เป็นไปได้ และโดยการดูข้อ จำกัด เหล่านี้ด้วยกันคุณสามารถเรียนรู้มากมายเกี่ยวกับสิ่งที่คุณกำลังศึกษา ยกตัวอย่างเช่นเมื่อมองดูกล้องโทรทรรศน์คุณอาจเรียนรู้ว่าจุดแสงในอวกาศนั้นอาจเป็นสีแดงสีเหลืองหรือสีส้ม บางคนอาจบอกคุณว่ามันสว่างกว่าแสงอื่น ๆ ในอวกาศ แต่สว่างน้อยกว่าดวงอาทิตย์ อีกคนหนึ่งอาจบอกคุณว่ามันกำลังเคลื่อนที่ข้ามท้องฟ้าอย่างรวดเร็วเท่าดาวเคราะห์ ไม่มีข้อ จำกัด ใด ๆ ที่จะบอกคุณได้ด้วยตัวเอง แต่พวกเขาแนะนำให้คุณดูดาวอังคารด้วยกัน
Lin, Mack และผู้เขียนร่วมคนที่สามของพวกเขานักศึกษาบัณฑิตวิทยาลัย NCSU Liqiang Hou มองไปที่ข้อ จำกัด ของค่าคงที่สองค่า: H0 และสิ่งที่เรียกว่า "ส่วนมวล" ของจักรวาลแสดงเป็นΩmซึ่งจะบอกคุณว่าเอกภพมากแค่ไหน คือพลังงานและมีความสำคัญเพียงใด การวัดค่า H0 หลายตัวนั้น จำกัด Ωmด้วยเช่นกันหลินกล่าวดังนั้นมันจึงมีประโยชน์ที่จะมองมันด้วยกัน
ที่ผลิตพล็อตที่มีสีสันนี้:
รูปไข่สีม่วงแดงยาวเหยียดที่มีป้ายกำกับ WMAP เป็นช่วงของเศษส่วนมวลที่เป็นไปได้และค่าคงที่ฮับเบิลซึ่งเคยเป็นไปได้จากการศึกษาครั้งสำคัญของนาซ่าในอดีตของ CMB หรือที่รู้จักกันในชื่อวิลกินสันโพรบ Anisotropy คอลัมน์สีเหลืองที่มีชื่อว่า CV SN (ย่อมาจาก "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") หมายถึงการวัด Cepheid-supernova ซึ่งไม่ได้ จำกัด ส่วนมวลของเอกภพ แต่ จำกัด H0 แถบสีแดงระบุว่า SN P (ย่อมาจาก "Type-Ia Supernovae Pantheon") เป็นข้อ จำกัด ที่สำคัญในส่วนมวลของเอกภพ
คุณจะเห็นว่าขอบของ WMAP และ CV SN ทับซ้อนส่วนใหญ่อยู่นอกแถบสีแดง นั่นเป็นภาพของความคลาดเคลื่อนเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาแม็คกล่าวว่ามีความสำคัญพอที่จะต้องกังวลว่าการวัดทั้งสองได้เปลี่ยนคำตอบที่แตกต่างกัน แต่ก็ไม่สำคัญเท่าที่จะทำให้พวกมันขัดกับการปรับแต่งเล็กน้อย
แต่ในปีที่ผ่านมามีการวัด CMB ใหม่จากกลุ่มที่เรียกว่าการทำงานร่วมกันของพลังค์ The Planck Collaboration ซึ่งเปิดตัวชุดข้อมูลล่าสุดในปี 2018 วางข้อ จำกัด ที่เข้มงวดมากเกี่ยวกับเศษส่วนมวลและอัตราการขยายตัวของเอกภพแสดงด้วยเศษไม้สีดำบนพล็อตที่ชื่อว่า Planck
ทีนี้ผู้เขียนเขียนภาพจักรวาลที่แตกต่างกันสองภาพออกมา พลังค์และ WMAP - พร้อมกับวิธีการอื่น ๆ เพื่อ จำกัด H0 และΩm - ทั้งหมดเข้ากันได้ไม่มากก็น้อย มีสถานที่บนพล็อตในวงกลมของเส้นประสีขาวที่พวกเขาทุกคนอนุญาตให้มีคำตอบที่คล้ายกันว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหนและมีจำนวนเท่าไร คุณสามารถเห็นได้ว่ารูปร่างเกือบทั้งหมดในโครงเรื่องผ่านวงกลมนั้น
แต่การวัดที่ตรงที่สุดจากการศึกษาจริง ๆ ว่าสิ่งที่อยู่ห่างไกลในจักรวาลท้องถิ่นของเราและความเร็วในการเคลื่อนที่นั้นไม่เห็นด้วย การวัดเซเฟอิดอยู่ทางด้านขวาและไม่ใช่แถบข้อผิดพลาด (บิตสีเหลืองจาง ๆ แสดงถึงช่วงของค่าที่น่าจะเป็น) ผ่านวงกลมที่ประ และนั่นเป็นปัญหา
“ มีกิจกรรมมากมายในพื้นที่นี้ในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมา” Risa Wechsler ผู้เชี่ยวชาญด้านจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าวซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับบทความนี้ "ดังนั้นจึงเป็นเรื่องดีที่เห็นทุกอย่างสรุปการจัดวางไว้ในรูปของ H0 และΩmซึ่งเป็นพารามิเตอร์พื้นฐาน
ยัง Wechsler บอกวิทยาศาสตร์สดเป็นสิ่งสำคัญที่จะไม่ข้ามไปยังข้อสรุปใด ๆ
“ ผู้คนตื่นเต้นกับเรื่องนี้เพราะอาจหมายถึงว่ามีฟิสิกส์ใหม่และนั่นน่าตื่นเต้นจริงๆ” เธอกล่าว
เป็นไปได้ว่าโมเดล CMB นั้นผิดพลาดไปในทางใดทางหนึ่งและนั่นนำไปสู่ข้อผิดพลาดที่เป็นระบบในการที่นักฟิสิกส์เข้าใจจักรวาล
“ ทุกคนจะรักสิ่งนั้นนักฟิสิกส์ชอบที่จะทำลายแบบจำลองของพวกเขา” Wechsler กล่าว “ แต่รุ่นนี้ใช้งานได้ดีมากดังนั้นก่อนหน้านี้ของฉันคือต้องมีหลักฐานที่แข็งแกร่งพอสมควรที่จะโน้มน้าวฉัน”
การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเป็นการยากที่จะเทียบการวัดเซเฟอิดจากจักรวาลท้องถิ่นกับคนอื่น ๆ โดยการแนะนำฟิสิกส์ชิ้นใหม่เพียงชิ้นเดียวแม็คกล่าว
เป็นไปได้แม็คกล่าวว่าการคำนวณซุปเปอร์โนวา - เซเฟอิดนั้นผิด บางทีนักฟิสิกส์กำลังวัดระยะทางในจักรวาลท้องถิ่นของเราผิดและนั่นนำไปสู่การวินิจฉัยผิด มันยากที่จะจินตนาการว่าการวินิจฉัยผิดจะเป็นเช่นไรเธอพูด นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จำนวนมากได้ทำการวัดระยะทางในพื้นที่จากรอยขีดข่วนและได้ผลลัพธ์ที่คล้ายกัน ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งที่ผู้เขียนยกขึ้นก็คือเราอาศัยอยู่ในกลุ่มก้อนแปลก ๆ ของเอกภพที่มีกาแลคซีน้อยลงและมีแรงโน้มถ่วงน้อยลง
เธอตอบว่าอาจเป็นคำตอบของปัญหา แต่มีแนวโน้มว่าจะห่างกันเป็นปีหรือหลายสิบปี
“ มันเป็นสิ่งใหม่ในจักรวาลหรือเป็นสิ่งที่เราไม่เข้าใจเกี่ยวกับการวัดของเรา” เธอกล่าว
Wechsler กล่าวว่าเธอจะเดิมพันในช่วงหลัง - อาจมีบางอย่างที่ไม่ถูกต้องเกี่ยวกับแถบข้อผิดพลาดที่เกี่ยวข้องกับการวัดบางส่วนและเมื่อได้รับการแก้ไขแล้วรูปภาพจะพอดีกันมากขึ้น
การวัดที่กำลังจะมาอาจทำให้ความขัดแย้งขัดแย้งกันไม่ว่าจะเป็นการอธิบายออกไปหรือทำให้ระดับความสูงเพิ่มขึ้นจึงจำเป็นต้องมีสาขาวิชาฟิสิกส์ใหม่ กล้องโทรทรรศน์สำรวจสรุปผลขนาดใหญ่ซึ่งมีกำหนดการออนไลน์ในปี 2563 ควรค้นหาซุปเปอร์โนวาหลายร้อยล้านดวงซึ่งควรปรับปรุงชุดข้อมูลที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ใช้เพื่อวัดระยะทางระหว่างกาแลคซี ในที่สุดแม็คกล่าวว่าการศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงจะดีพอที่จะ จำกัด การขยายตัวของเอกภพเช่นกันซึ่งน่าจะเพิ่มความแม่นยำอีกระดับหนึ่งให้กับจักรวาลวิทยา เธอบอกว่านักฟิสิกส์อาจพัฒนาเครื่องมือที่ไวต่อแสงมากพอที่จะรับชมวัตถุที่ขยายออกจากกันในเวลาจริง
แต่ในตอนนี้นักดาราศาสตร์วิทยายังคงรอคอยและสงสัยว่าทำไมการตรวจสอบเอกภพของพวกเขาจึงไม่สมเหตุสมผล
