บทนำ
ประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อนจักรวาลที่เรารู้จักเริ่มขึ้น ช่วงเวลานี้ที่รู้จักกันในชื่อบิกแบงคือเมื่ออวกาศเริ่มขยายตัวอย่างรวดเร็ว ในช่วงเวลาของบิกแบงจักรวาลที่สังเกตได้ (รวมถึงวัสดุสำหรับกาแลคซีอย่างน้อย 2 ล้านล้านกาแลคซี) พอดีกับพื้นที่น้อยกว่าหนึ่งเซนติเมตรข้าม ตอนนี้เอกภพที่สังเกตได้คือ 93 พันล้านปีแสงและยังคงขยายตัว
มีคำถามมากมายเกี่ยวกับบิกแบงโดยเฉพาะเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ (ถ้ามี) แต่นักวิทยาศาสตร์รู้บางสิ่ง อ่านต่อไปเพื่อค้นพบสิ่งที่น่าเหลือเชื่อเกี่ยวกับจุดเริ่มต้นของทุกสิ่ง
จักรวาลกำลังขยายตัว
จนถึงปี 1929 ต้นกำเนิดของจักรวาลถูกปกคลุมไปด้วยตำนานและทฤษฎีทั้งหมด แต่ในปีนั้นนักดาราศาสตร์ผู้กล้าหาญชื่อเอ็ดวินฮับเบิลได้ค้นพบบางสิ่งที่สำคัญมากเกี่ยวกับจักรวาลซึ่งเป็นสิ่งที่จะเปิดทางใหม่ในการทำความเข้าใจกับอดีต: สิ่งทั้งหมดกำลังขยายตัว
ฮับเบิลทำการค้นพบของเขาโดยการวัดบางสิ่งที่เรียกว่าเรดชิฟต์ซึ่งเป็นการเปลี่ยนไปสู่ความยาวคลื่นแสงสีแดงที่ยาวขึ้นซึ่งมองเห็นได้ในกาแลคซีที่ห่างไกลมาก (ยิ่งวัตถุที่อยู่ห่างออกไปไกลเท่าไรก็ยิ่งมีความชัดเจนมากขึ้น) ฮับเบิลพบว่าเรดชิฟต์เพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามระยะทางในกาแลคซีไกลโพ้นซึ่งบ่งชี้ว่าเอกภพไม่หยุดนิ่ง มันขยายตัวทุกที่ทุกเวลา
ฮับเบิลสามารถคำนวณอัตราการขยายตัวซึ่งเป็นตัวเลขที่เรียกว่าค่าคงที่ฮับเบิลตามที่องค์การนาซ่าระบุ มันเป็นการค้นพบครั้งนี้ที่อนุญาตให้นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์กลับคืนมาและตั้งทฤษฎีว่าจักรวาลเคยบรรจุไว้ในจุดเล็ก ๆ พวกเขาเรียกช่วงเวลาแรกของการขยายบิกแบง
รังสีพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล
ในเดือนพฤษภาคมปี 1964 Arno Penzias และ Robert Wilson นักวิจัยที่ Bell Telephone Laboratories กำลังทำงานเพื่อสร้างเครื่องรับวิทยุตัวใหม่ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ เสาอากาศของพวกเขายังคงเก็บเสียงหึ่ง ๆ แปลก ๆ ที่ดูเหมือนมาจากทุกที่ตลอดเวลา พวกเขาคิดว่าอาจเป็นนกพิราบในอุปกรณ์ แต่การลบรังไม่ได้ทำอะไรเลย ไม่มีความพยายามอื่นใดในการลดการรบกวน ในที่สุดพวกเขาก็ตระหนักว่าพวกเขากำลังหยิบของจริงขึ้นมา
สิ่งที่พวกเขาตรวจพบก็คือแสงแรกของจักรวาลคือรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล การแผ่รังสีนี้มีอายุย้อนกลับไปประมาณ 380,000 ปีหลังจากบิกแบงเมื่อเอกภพเย็นลงในที่สุดพอที่จะโฟตอน (อนุภาคที่คล้ายคลื่นที่ทำให้เกิดแสง) เพื่อเดินทางอย่างอิสระ การค้นพบนี้ให้การสนับสนุนทฤษฎีบิ๊กแบงและความคิดที่ว่าจักรวาลขยายตัวเร็วกว่าความเร็วแสงในช่วงแรก (นั่นเป็นเพราะพื้นหลังของจักรวาลค่อนข้างสม่ำเสมอแนะนำการขยายตัวทุกอย่างในคราวเดียวจากจุดเล็ก ๆ )
แผนที่ท้องฟ้า
การค้นพบพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลเปิดหน้าต่างเข้าสู่ต้นกำเนิดของจักรวาล ในปี 1989 องค์การนาซ่าเปิดตัวดาวเทียมที่เรียกว่า Cosmic Background Explorer (COBE) ซึ่งตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในการแผ่รังสีพื้นหลัง ผลที่ได้คือ "ภาพเด็ก" ของเอกภพตามที่องค์การนาซ่าระบุซึ่งแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นแรกในเอกภพที่กำลังขยายตัว ความผันแปรเล็ก ๆ น้อย ๆ เหล่านี้อาจก่อให้เกิดรูปแบบของกาแลคซีและพื้นที่ว่างเปล่าซึ่งรู้จักกันในชื่อเว็บจักรวาลของกาแลคซีที่เราเห็นในเอกภพทุกวันนี้
หลักฐานโดยตรงของภาวะเงินเฟ้อ
พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิคยังช่วยให้นักวิจัยค้นหา "ปืนสูบบุหรี่" สำหรับเงินเฟ้อ - การขยายตัวครั้งใหญ่ที่เร็วกว่าแสงที่เกิดขึ้นที่บิ๊กแบง (แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ถือได้ว่าไม่มีอะไรเร็วไปกว่าแสงผ่านอวกาศ แต่มันก็ไม่เป็นการละเมิด แต่อวกาศก็ขยายออกไป) ในปี 2559 นักฟิสิกส์ประกาศว่าพวกเขาตรวจพบโพลาไรเซชันชนิดพิเศษ พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล โพลาไรเซชันนี้เรียกว่า "โหมด B" โพลาไรซ์โหมด B เป็นหลักฐานโดยตรงครั้งแรกของคลื่นความโน้มถ่วงจากบิ๊กแบง คลื่นความโน้มถ่วงถูกสร้างขึ้นเมื่อวัตถุขนาดใหญ่ในอวกาศเร่งความเร็วหรือชะลอตัวลง (สิ่งแรกที่เคยค้นพบมาจากการชนกันของหลุมดำสองหลุม) โหมด B เป็นวิธีใหม่ในการตรวจสอบการขยายตัวของเอกภพในยุคต้น ๆ โดยตรงและอาจจะคิดได้ว่าอะไรเป็นแรงผลักดัน
ยังไม่มีมิติเพิ่มเติม
หนึ่งในผลของการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงคือมันอนุญาตให้นักวิทยาศาสตร์ค้นหามิติเพิ่มเติมนอกเหนือจากสามมิติปกติ ตามทฤษฎีทฤษฎีคลื่นความโน้มถ่วงน่าจะสามารถข้ามไปยังมิติที่ไม่รู้จักได้ถ้ามีมิติเหล่านั้น ในเดือนตุลาคม 2560 นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากการชนของดาวนิวตรอนสองดวง พวกเขาวัดเวลาที่คลื่นพาเดินทางจากดวงดาวมายังโลกและไม่พบหลักฐานการรั่วไหลของมิติพิเศษใด ๆ
ผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนกรกฎาคม 2561 ในวารสารจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์ดาราศาสตร์แนะนำว่าหากมีมิติอื่นอยู่ที่นั่นมันมีขนาดเล็ก - มันจะส่งผลกระทบต่อพื้นที่ของจักรวาลน้อยกว่า 1 ไมล์ (1.6 กิโลเมตร) นั่นหมายความว่าทฤษฎีสตริงซึ่งวางตัวว่าจักรวาลทำจากสตริงสั่นสะเทือนขนาดเล็กและคาดการณ์อย่างน้อย 10 มิติที่เป็นวัยรุ่นอาจยังคงเป็นจริง
เร่งขยายตัว ...
การค้นพบที่แปลกประหลาดที่สุดอย่างหนึ่งในวิชาฟิสิกส์คือจักรวาลไม่เพียง แต่ขยายตัว แต่กำลังขยายตัวในอัตราเร่ง
การค้นพบนี้มีอายุย้อนไปถึงปี 2541 เมื่อนักฟิสิกส์ประกาศผลของโครงการระยะยาวหลายโครงการซึ่งวัดได้โดยเฉพาะซุปเปอร์โนวาหนักที่เรียกว่าซูเปอร์โนวาประเภท Ia ผลลัพธ์ (ซึ่งชนะนักวิจัย Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt และ Adam G. Reiss รางวัลโนเบลในปี 2011) เปิดเผยแสงที่อ่อนแอกว่าที่คาดไว้จากซุปเปอร์โนวาที่อยู่ไกลที่สุดเหล่านี้ แสงที่อ่อนแอนี้แสดงให้เห็นว่าอวกาศกำลังขยายตัว: ทุกสิ่งในเอกภพกำลังค่อยๆห่างจากทุกสิ่ง
นักวิทยาศาสตร์เรียกคนขับว่าการขยายตัวนี้ "พลังงานมืด" ซึ่งเป็นกลไกลึกลับที่สามารถสร้างพลังงานได้ถึง 68% ของจักรวาล พลังงานมืดนี้ดูเหมือนจะมีความสำคัญต่อการสร้างทฤษฎีการเริ่มต้นของเอกภพในการสังเกตการณ์ที่กำลังดำเนินการอยู่ในขณะนี้เช่นที่วิลคินสันไมโครเวฟโพลิส Anisotropy Probe (WMAP) ซึ่งเป็นเครื่องมือที่สร้างแผนที่ที่แม่นยำที่สุดของจักรวาล พื้นหลังไมโครเวฟ
... ยิ่งเร็วกว่าที่คิด
ผลลัพธ์ใหม่จากกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลซึ่งเปิดตัวเมื่อเดือนเมษายน 2562 ได้ไขปริศนาของจักรวาลที่กำลังขยายตัว การตรวจวัดจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศแสดงให้เห็นว่าการขยายตัวของเอกภพเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้ 9% จากการสำรวจก่อนหน้า สำหรับกาแลคซีระยะทาง 3.3 ล้านปีแสงจากโลกแปลเป็น 46 ไมล์ต่อวินาที (74 กม. ต่อวินาที) เร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้ก่อนหน้านี้
ทำไมเรื่องนี้ถึงต้นกำเนิดของจักรวาล เพราะนักฟิสิกส์จะต้องขาดอะไรไป ตามที่องค์การนาซ่าระบุว่าอาจมี "ความโกลาหล" พลังงานมืดแยกกันสามอย่างในช่วงบิกแบงและหลังจากนั้นไม่นาน การระเบิดดังกล่าวทำให้เกิดสิ่งที่เราเห็นในวันนี้ ครั้งแรกอาจเริ่มขยายตัวเริ่มต้น; วินาทีนั้นอาจเกิดขึ้นเร็วกว่ามากโดยทำหน้าที่เหมือนเหยียบหนักเหยียบคันเร่งของจักรวาลทำให้จักรวาลขยายตัวเร็วกว่าที่เคยเชื่อ พลังงานความมืดครั้งสุดท้ายอาจอธิบายการขยายตัวของเอกภพในทุกวันนี้
ยังไม่มีการพิสูจน์สิ่งนี้ - แต่นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหา นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสที่หอดูดาวแม็คโดนัลแห่งออสตินกำลังใช้เครื่องมือกล้องโทรทรรศน์ที่ได้รับการอัพเกรดใหม่เพื่อค้นหาพลังงานมืดโดยตรง โครงการกล้องโทรทรรศน์พลังงานมืด Hobby-Eberly (HETDEX) กำลังตรวจวัดแสงสลัวจากกาแลคซีไกลถึง 11 พันล้านปีแสงซึ่งจะช่วยให้นักวิจัยเห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในการเร่งความเร็วของเอกภพเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขายังจะได้ศึกษาเสียงสะท้อนจากการรบกวนในจักรวาลอายุ 400,000 ปีที่สร้างขึ้นในซุปหนาแน่นของอนุภาคที่ประกอบขึ้นทุกอย่างหลังจากบิ๊กแบง สิ่งนี้จะเปิดเผยความลึกลับของการขยายตัวและอธิบายพลังงานมืดที่ผลักดันมัน
