งานวิจัยใหม่ยืนยันว่าแรงโน้มถ่วงคงที่ตลอดอายุของจักรวาล

นักดาราศาสตร์รู้มานานกว่าศตวรรษแล้วว่าจักรวาลขยายตัวตั้งแต่บิกแบง ในช่วงแปดพันล้านปีแรก อัตราการขยายตัวค่อนข้างคงที่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงรั้งไว้ อย่างไรก็ตามต้องขอบคุณภารกิจดังกล่าว กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลนักดาราศาสตร์ได้เรียนรู้ว่าอัตราการขยายตัวเร่งขึ้นเมื่อประมาณห้าพันล้านปีก่อน สิ่งนี้นำไปสู่ทฤษฎีที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่าแรงลึกลับอยู่เบื้องหลังการขยายตัว (เรียกว่าพลังงานมืด) ในขณะที่บางคนโต้แย้งว่าแรงโน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา

นี่เป็นสมมติฐานที่ขัดแย้งกัน เพราะมันหมายความว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (ซึ่งได้รับการยืนยันในเก้าวิธีตั้งแต่วันอาทิตย์) ไม่ถูกต้อง แต่จากการศึกษาใหม่โดยความร่วมมือด้านการสำรวจพลังงานมืด (DES) ระหว่างประเทศ ธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงยังคงเหมือนเดิมตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล การค้นพบนี้เกิดขึ้นก่อนกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นต่อไป 2 ตัว (Nancy Grace Roman และ: ยูคลิด) ถูกส่งไปยังอวกาศเพื่อทำการตรวจวัดแรงโน้มถ่วงและบทบาทในการวิวัฒนาการของจักรวาลได้แม่นยำยิ่งขึ้น

ความร่วมมือ DES ประกอบด้วยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยและสถาบันต่างๆ ในสหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร แคนาดา ชิลี สเปน บราซิล เยอรมนี ญี่ปุ่น อิตาลี ออสเตรเลีย นอร์เวย์ และสวิตเซอร์แลนด์ ผลงานในปีที่สามของพวกเขาถูกนำเสนอในการประชุมระหว่างประเทศว่าด้วยฟิสิกส์อนุภาคและจักรวาลวิทยา (COSMO’22) ซึ่งจัดขึ้นที่เมืองริโอเดจาเนโรตั้งแต่วันที่ 22 ถึง 26 สิงหาคม พวกเขายังได้รับการตีพิมพ์ในผลการสำรวจพลังงานมืดปีที่ 3 ข้อจำกัดในการขยาย CDM ของแลมบ์ดาด้วยเลนส์ที่อ่อนแอและการรวมกลุ่มของกาแลคซี” ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร American Physical Society การตรวจร่างกาย D:.

ลบโฆษณาทั้งหมดในจักรวาลวันนี้!

เข้าร่วม Patreon ของเราในราคาเพียง $3!

รับประสบการณ์โฆษณาฟรีตลอดชีวิต

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งเขาสรุปไว้ในปี 1915 อธิบายว่าความโค้งของกาลอวกาศเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อมีแรงโน้มถ่วง เป็นเวลากว่าศตวรรษแล้วที่ทฤษฎีนี้ทำนายได้อย่างแม่นยำเกือบทุกอย่างในจักรวาลของเรา ตั้งแต่วงโคจรของดาวพุธและเลนส์โน้มถ่วงไปจนถึงการมีอยู่ของหลุมดำ แต่ระหว่างทศวรรษ 1960 และ 1990 มีการค้นพบความคลาดเคลื่อนสองประการที่ทำให้นักดาราศาสตร์สงสัยว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ถูกต้องหรือไม่ ประการแรก นักดาราศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของโครงสร้างขนาดใหญ่ (เช่น ดาราจักรและกระจุกดาราจักร) ไม่สอดคล้องกับมวลที่สังเกตได้

สิ่งนี้ทำให้เกิดทฤษฎีที่ว่าจักรวาลเต็มไปด้วยมวลที่มองไม่เห็นซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสสาร “ปกติ” (เช่น “เรืองแสง” หรือที่มองเห็นได้) ด้วยแรงโน้มถ่วง ในเวลาเดียวกัน การสังเกตการขยายตัวของเอกภพ (และวิธีที่มันอยู่ภายใต้ความเร่ง) ได้ก่อให้เกิดทฤษฎีพลังงานมืดและแบบจำลองสสารมืดเย็นของแลมบ์ดา (แลมบ์ดา CDM) ของจักรวาล สสารมืดเย็นคือการตีความว่ามวลนี้ประกอบด้วยอนุภาคขนาดใหญ่ที่เคลื่อนที่ช้า ในขณะที่แลมบ์ดาแสดงถึงพลังงานมืด ในทางทฤษฎี แรงทั้งสองนี้คิดเป็น 95% ของพลังงานมวลรวมของจักรวาล แต่ความพยายามทั้งหมดเพื่อค้นหาหลักฐานโดยตรงของพวกมันล้มเหลว

ทางเลือกเดียวที่เป็นไปได้คือต้องแก้ไขสัมพัทธภาพเพื่อพิจารณาความคลาดเคลื่อนเหล่านี้ เพื่อดูว่าเป็นกรณีนี้หรือไม่ สมาชิก DES ใช้ Victor M. กล้องโทรทรรศน์ Blanco ขนาด 4 เมตรที่หอดูดาว Cerro Telolo Inter-American ในชิลีเพื่อสังเกตการณ์กาแลคซีที่อยู่ห่างออกไป 5 พันล้านปีแสง พวกเขาหวังว่าจะทราบว่าแรงโน้มถ่วงผันผวนในช่วง 5 พันล้านปีที่ผ่านมา (นับตั้งแต่การเร่งความเร็วเริ่มต้น) หรือระยะทางในจักรวาลหรือไม่ พวกเขายังตรวจสอบข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อื่น ๆ รวมถึงดาวเทียม Planck ของ ESA ซึ่งทำแผนที่พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาล (CMB) มาตั้งแต่ปี 2552

พวกเขามองอย่างใกล้ชิดว่าภาพที่เห็นมีการบิดเบือนเล็กน้อยอันเนื่องมาจากสสารมืด (เลนส์โน้มถ่วง) อย่างไร เป็นภาพแรกที่จะออก กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ภาพประกอบ (JWST) นักวิทยาศาสตร์สามารถอนุมานความแรงของแรงโน้มถ่วงโดยการวิเคราะห์ว่าเลนส์โน้มถ่วงบิดเบือนพื้นที่มากน้อยเพียงใด จนถึงตอนนี้ DES Collaboration ได้วัดรูปร่างของกาแล็กซีมากกว่า 100 ล้านกาแล็กซี่ และการสังเกตทั้งหมดตรงกับการคาดการณ์ของสัมพัทธภาพทั่วไป ข่าวดีก็คือทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังคงมีอยู่ แต่นั่นก็หมายความว่าความลึกลับของพลังงานมืดยังคงมีอยู่

ความประทับใจของศิลปินที่มีต่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมัน Nancy Grace ซึ่งตั้งชื่อตามผู้อำนวยการด้านดาราศาสตร์คนแรกของ NASA เครดิต: NASA

โชคดีที่นักดาราศาสตร์ไม่ต้องรอนานก่อนที่จะมีข้อมูลใหม่และมีรายละเอียดมากขึ้น อย่างแรกคือ ESA ยูคลิด ภารกิจซึ่งมีกำหนดจะเปิดตัวภายในปี 2566 อย่างช้าที่สุด ภารกิจนี้จะทำแผนที่เรขาคณิตของจักรวาล โดยย้อนไป 8 พันล้านปีเพื่อวัดผลกระทบของสสารมืดและพลังงานมืด NASA จะเข้าร่วมในเดือนพฤษภาคม 2027 กล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมันแนนซี่เกรซซึ่งจะมีอายุมากกว่า 11 พันล้านปี สิ่งเหล่านี้จะเป็นการสำรวจจักรวาลวิทยาที่มีรายละเอียดมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา และคาดว่าจะเป็นหลักฐานที่น่าสนใจที่สุดสำหรับ (หรือต่อต้าน) แบบจำลอง Lambda-CDM

ในฐานะผู้ร่วมวิจัย Agnes Ferte ซึ่งทำการวิจัยในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ JPL กล่าวในการแถลงข่าวล่าสุดของ NASA:

“ยังมีที่ว่างให้ท้าทายทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ เนื่องจากการวัดมีความแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ แต่เรายังมีหนทางอีกยาวไกลก่อนที่เราจะพร้อมสำหรับยุคลิดและโรมัน ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่เราจะต้องร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกในเรื่องนี้ต่อไป เช่นเดียวกับที่เราทำกับการสำรวจพลังงานมืด”

นอกจากนี้ ข้อสังเกตที่ให้ไว้ เว็บ ดาวฤกษ์และกาแล็กซียุคแรกสุดในเอกภพจะช่วยให้นักดาราศาสตร์สร้างแผนภูมิวิวัฒนาการของเอกภพได้ตั้งแต่ยุคแรกๆ ความพยายามนี้มีศักยภาพที่จะตอบความลึกลับเร่งด่วนที่สุดของจักรวาล สิ่งเหล่านี้รวมถึงความสัมพันธ์และมวลที่สังเกตได้และการขยายตัวของจักรวาลที่ตรงกัน แต่ยังสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกว่าแรงโน้มถ่วงและแรงพื้นฐานอื่น ๆ ในจักรวาล (ตามที่อธิบายโดยกลศาสตร์ควอนตัม) โต้ตอบกันอย่างไร – ทฤษฎีของทุกสิ่ง (ToE)

หากมีสิ่งหนึ่งที่บ่งบอกถึงยุคดาราศาสตร์ในปัจจุบัน นั่นก็คือการสำรวจระยะยาวและเครื่องมือรุ่นต่อไปมารวมกันเพื่อทดสอบว่าอะไรเป็นเนื้อหาของทฤษฎีมาจนถึงปัจจุบัน ความก้าวหน้าที่อาจเกิดขึ้นได้นั้นจะทำให้ทั้งเราพอใจและสับสน แต่ท้ายที่สุด พวกมันจะปฏิวัติวิธีที่เรามองดูจักรวาล

การอ่านเพิ่มเติม: นาซ่า: