ควาซาร์ที่มีเลนส์ความโน้มถ่วงสองภาพสามารถช่วยได้ในที่สุดหาว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน

จักรวาลขยายตัวเร็วแค่ไหน? นั่นเป็นคำถามที่นักดาราศาสตร์ไม่สามารถตอบได้อย่างถูกต้อง พวกเขามีชื่อสำหรับอัตราการขยายตัวของจักรวาล: ค่าคงที่ฮับเบิลหรือกฎของฮับเบิล แต่การตรวจวัดยังคงมีค่าต่าง ๆ กันอยู่และนักดาราศาสตร์ก็โต้เถียงกันไปมาหลายสิบปี

แนวคิดพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการวัดค่าคงที่ฮับเบิลคือการมองหาแหล่งกำเนิดแสงที่ห่างไกลซึ่งมักจะเป็นซุปเปอร์โนวาหรือดาวแปรปรวนที่เรียกว่า 'เทียนมาตรฐาน' และวัดการเปลี่ยนแสงสีแดง แต่ไม่ว่านักดาราศาสตร์จะทำมันได้อย่างไรพวกเขาไม่สามารถสร้างมูลค่าที่ตกลงกันไว้ได้เพียงค่าที่หลากหลาย การศึกษาใหม่ที่เกี่ยวข้องกับควาซาร์และเลนส์ความโน้มถ่วงอาจช่วยแก้ไขปัญหานี้ได้

ว่าจักรวาลกำลังขยายตัวไม่ได้มีปัญหา เรารู้จักกันมาประมาณ 100 ปีแล้ว แสงจากกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลถูกเปลี่ยนเป็นสีแดงเมื่อพวกมันเคลื่อนที่ห่างจากเราและการวัดที่กะแดงทำให้เกิดค่าที่แตกต่างกันสำหรับการขยายตัวทั่วไป

“ ฮับเบิลยึดค่ามาตราส่วนทางกายภาพของจักรวาลอย่างต่อเนื่อง”

Simon Birrer นักวิชาการหลังปริญญาเอก UCLA และนักเขียนหลักของการศึกษา

อัตราการขยายตัววัดเป็นกิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะไบต์ซึ่งเขียนเป็น (km / s) / Mpc ตัวอย่างเช่นสิ่งที่กำลังขยายตัวในอัตรา 10 (km / s) / Mpc หมายความว่าจุดสองจุดในอวกาศ 1 เมกะพิกเซลแยกออกจากกัน (เทียบเท่ากับ 3.26 ล้านปีแสง) กำลังวิ่งออกจากกันด้วยความเร็ว 10 กิโลเมตรต่อ ที่สอง

เมื่อมีการค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1920 อัตราการขยายตัวคิดเป็น 625 kps / Mpc แต่เริ่มในปี 1950 งานวิจัยที่ดีกว่าวัดได้ว่าน้อยกว่า 100 kps / Mpc ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาการศึกษาหลายชิ้นได้วัดอัตราการขยายตัวและเกิดขึ้นด้วยความเร็วระหว่างประมาณ 67 ถึง 77 kps / Mpc

แต่วิทยาศาสตร์จะไม่ยอมรับคำตอบมากมายสำหรับสิ่งที่ควรมีค่าเดียว มันคงไม่เป็นวิทยาศาสตร์ถ้าเป็นเช่นนั้น ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงพยายามใช้วิธีต่าง ๆ ในการวัดค่าคงที่ฮับเบิลเพื่อดูว่าพวกมันสามารถทำให้ถูกต้องได้หรือไม่เพราะค่าคงที่ฮับเบิลนั้นเป็นมากกว่าการวัดการขยายตัวของเอกภพ

“ ค่าคงที่ฮับเบิลยึดค่ามาตราส่วนทางกายภาพของจักรวาล” Simon Birrer นักวิชาการหลังปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยยูซีแอลเอและผู้เขียนนำการศึกษากล่าว หากไม่มีค่าที่แน่นอนสำหรับค่าคงที่ฮับเบิลนักดาราศาสตร์ไม่สามารถกำหนดขนาดของกาแลคซีระยะไกลได้อย่างแม่นยำอายุของจักรวาลหรือประวัติศาสตร์การขยายตัวของเอกภพ ดังนั้นการทำให้ถูกต้องเป็นเรื่องใหญ่

การศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสารรายเดือนของ Royal Astronomical Society กำลังพยายามหาวิธีใหม่ในการวัดค่าคงที่ของฮับเบิล การวิจัยนำโดยทีมนักดาราศาสตร์ที่ UCLA และอาศัยควาซาร์ระยะไกลซึ่งแสงผ่านเลนส์ความโน้มถ่วงก่อนที่มันจะถึงโลก

ควาซาร์เป็นวัตถุที่สว่างเป็นพิเศษ พวกเขายังเรียกนิวเคลียสกาแล็คซีแบบแอคทีฟด้วยเพราะพวกเขาคิดว่าจะเกิดจากหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซี การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้นเกิดจากจานสะสมมวลหมุนรอบหลุมดำ เมื่อแผ่นดิสก์ของสสารรอบหลุมเร็วขึ้นมันจะเปล่งพลังงานจำนวนมหาศาล

เนื่องจากควาซาร์มีความส่องสว่างมากจึงสามารถมองเห็นได้ในระยะไกล สิ่งนี้ทำให้พวกเขาไม่เพียง แต่เป็นวัตถุแห่งการศึกษาที่น่าสนใจ แต่ยังมีประโยชน์ในฐานะเครื่องหมายสำหรับศึกษากฎของฮับเบิล

เลนส์แรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นเมื่อแหล่งกำเนิดแสงจากวัตถุที่อยู่ไกลออกไปอย่างมากควาซาร์ในการศึกษานี้พบกาแลคซีแทรกแซงก่อนที่มันจะไปถึงผู้สังเกตการณ์บนโลก มวลสูงของกาแลคซีก็เพียงพอที่จะโค้งงอแสงคล้ายกับที่เลนส์แก้วทำ ผลที่ได้คือ "เอฟเฟกต์กระจก" ภาพด้านล่างแสดงลักษณะที่ปรากฏ การค้นพบเลนส์ความโน้มถ่วงนั้นสัมพันธ์กับไอน์สไตน์มากที่สุดแม้ว่าจะไม่ได้สังเกตจนกระทั่งปี 1979

การศึกษาครั้งนี้มุ่งเน้นไปที่ควาซาร์คู่ ควาซาร์คู่ซึ่งบางครั้งเรียกว่าควอซาร์คู่นั้นไม่ได้เป็นควาซาร์สองแห่งซึ่งอยู่ใกล้กัน แต่เป็นผลของการใช้เลนส์ความโน้มถ่วง ด้วยควอซาร์สองดวงแสงของพวกมันจะถูกหุ้มรอบกาแลคซีที่กำลังเคลื่อนที่ก่อนที่จะถึงโลกสร้างภาพควาซาร์สองรูป ไม่มีการศึกษาก่อนหน้านี้ที่ใช้เพื่อพยายามกำหนดอัตราการขยายตัวของเอกภพ

เมื่อแสงจากควาซาร์ก้มลงรอบกาแลคซีซึ่งสร้างภาพสองควาซาร์เดียวกันมันจึงสร้างโอกาสในการสังเกตการณ์ที่ไม่เหมือนใคร แสงที่สร้างภาพแยกของควาซาร์จะเดินทางไปตามเส้นทางที่แตกต่างกันไปในแต่ละภาพ เนื่องจากแสงจากควาซาร์มีความผันผวนจึงมีความล่าช้าระหว่างการกะพริบในแต่ละภาพสองภาพ

ด้วยการวัดระยะเวลาหน่วงระหว่างกะพริบและด้วยการทราบมวลของกาแลคซีที่กำลังเคลื่อนที่ทีมได้อนุมานระยะทางระหว่างโลกกาแลคซีแบบเลนส์และควาซาร์ การรู้ว่ากะแดงและกาแล็กซี่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ประเมินว่าจักรวาลกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน

การศึกษาครั้งนี้มุ่งเน้นไปที่ควาซาร์คู่ที่เรียกว่า SDSS J1206 + 4332 และยังอาศัยข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลราศีเมถุนและทิศตะวันตกเฉียงเหนือ หอสังเกตการณ์ Keck และจากการตรวจสอบจักรวาลของเลนส์ความโน้มถ่วงหรือ COSMOGRAIL เครือข่าย ทีมใช้เวลาหลายปีในการถ่ายภาพประจำวันของควาซาร์คู่ซึ่งให้การวัดที่แม่นยำมากของการหน่วงเวลาระหว่างกะพริบ เมื่อรวมกับข้อมูลอื่นมันทำให้นักดาราศาสตร์เป็นหนึ่งในการวัดที่ดีที่สุดของค่าคงที่ฮับเบิล

“ ความงามของการวัดนี้คือมันเสริมอย่างสมบูรณ์และเป็นอิสระจากผู้อื่น” Tommasso Treu ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ UCLA และผู้เขียนอาวุโสของกระดาษกล่าว

ดังนั้นมันขยายตัวเร็วแค่ไหน?

“ …จักรวาลนั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย

Tommasso Treu ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของ UCLA

ทีมสร้างค่าฮับเบิลคงที่ 72.5 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะไบต์ สิ่งนี้ทำให้มันสอดคล้องกับการวัดอื่น ๆ ที่ใช้ซุปเปอร์โนวาไกลโพ้นเป็นเทียนมาตรฐานเพื่อวัดค่าคงที่ฮับเบิล แต่มันสูงกว่าการวัดประมาณ 7% ที่ใช้พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเพื่อวัด

นี่ไม่ใช่จุดสิ้นสุดของการถกเถียงเรื่องกฎหมายของฮับเบิล ยังคงมีความแตกต่างซึ่งจู้จี้ระหว่างวิธีการวัด มันหมายความว่าอะไร? “ หากมีความแตกต่างที่แท้จริงระหว่างค่าเหล่านั้นก็หมายความว่าจักรวาลนั้นซับซ้อนกว่าเล็กน้อย” Treu กล่าว Treu ยังกล่าวอีกว่าหนึ่งในการวัดหรือแม้แต่ทั้งสามอย่างนั้นผิด

ทีมจะยังคงอยู่กับวิธีการวัดควาซาร์เลนส์ พวกเขากำลังดูควาซาร์ 40 เท่าเพื่อหวังให้การวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพแม่นยำยิ่งขึ้น

แหล่งที่มา:

• บทความวิจัย: H0LiCOW - IX การวิเคราะห์ทางดาราศาสตร์ของควาซาร์ SDSS 1206 + 4332 ที่มีการถ่ายภาพเป็นสองเท่าและการวัดใหม่ของค่าคงที่ฮับเบิล
• ข่าวประชาสัมพันธ์จาก UCLA: การพบกันสองครั้งสามารถช่วยแก้ไขข้อพิพาทเกี่ยวกับความเร็วของจักรวาลที่กำลังขยายตัว
• H0LiCOW
• รายการ Wikipedia: กฎหมายของฮับเบิล