วิธี (เกือบ) ไม่มีอะไรสามารถแก้ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของจักรวาลวิทยา | นิตยสารควอนตั้ม

เฉกเช่นเมืองที่สว่างไสวกลางทะเลทรายอันแห้งแล้ง ละแวกกาแล็กซีของเราถูกโอบล้อมด้วยความว่างเปล่าของจักรวาล ซึ่งเป็นพื้นที่ว่างเปล่าขนาดมหึมาจนแทบจะหยั่งไม่ถึง เมื่อเร็ว ๆ นี้ การสำรวจบนท้องฟ้าได้ค้นพบฟองอากาศที่ว่างเปล่าเหล่านี้อีกหลายพันฟอง ตอนนี้ นักวิจัยได้ค้นพบวิธีดึงข้อมูลออกมาจากช่องว่างจักรวาลเหล่านี้ โดยการนับจำนวนช่องว่างในอวกาศ นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นวิธีใหม่ในการสำรวจคำถามที่ยุ่งยากที่สุดสองข้อในจักรวาลวิทยา

“นี่เป็นครั้งแรกที่เราใช้เลขว่างเพื่อดึงข้อมูลจักรวาล” กล่าว อลิซ พิสนีย์นักจักรวาลวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันและสถาบันแฟลตไอรอน และผู้เขียนหนังสือ พิมพ์ล่วงหน้าใหม่ อธิบายการทำงาน “หากเราต้องการก้าวข้ามขอบเขตของวิทยาศาสตร์ เราต้องไปให้ไกลกว่าที่เคยทำไปแล้ว”

นักวิจัยกำลังมองหาเครื่องมือใหม่ ๆ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะพวกเขามีความลึกลับบางอย่างที่ต้องแก้ไข อย่างแรกและน่างงที่สุดคืออัตราที่เอกภพขยายตัว ซึ่งเป็นค่าที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล. เป็นเวลากว่าทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์พยายามประนีประนอมกับการวัดอัตรานี้ที่ขัดแย้งกัน โดยบางคนถึงกับเรียกปัญหานี้ว่า วิกฤตครั้งใหญ่ที่สุดในจักรวาลวิทยา.

นอกจากนี้นักวิจัยยังได้ การวัดที่ขัดแย้งกัน ของความยุ่งเหยิงของสสารจักรวาล—ความหนาแน่นเฉลี่ยของโครงสร้างขนาดใหญ่ สสารมืด กาแล็กซี ก๊าซ และช่องว่างที่กระจายอยู่ทั่วจักรวาลตามฟังก์ชันของเวลา

โดยปกติแล้ว นักดาราศาสตร์จะวัดค่าเหล่านั้นด้วยสองวิธีที่เสริมกัน น่าแปลกที่วิธีการทั้งสองนี้ให้ค่าที่แตกต่างกันสำหรับทั้งค่าคงที่ของฮับเบิลและค่าความแข็งแรงของการรวมกลุ่มของสสาร

ในแนวทางใหม่ของพวกเขา Pisani และเพื่อนร่วมงานของเธอใช้ช่องว่างของจักรวาลเพื่อประเมินค่าทั้งสอง และผลลัพธ์ในช่วงแรกซึ่งดูเหมือนจะเห็นด้วยกับวิธีการแบบดั้งเดิมวิธีหนึ่งมากกว่าวิธีอื่น ๆ กำลังมีส่วนทำให้เกิดความขัดแย้งที่ซับซ้อนขึ้นเอง

“ความตึงเครียดของกล้องฮับเบิลดำเนินมานับสิบปีแล้ว เพราะมันเป็นปัญหาที่ยาก” กล่าว อดัมรีสนักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ ผู้ซึ่งใช้ซูเปอร์โนวาในการประมาณค่าคงที่ของฮับเบิล “ปัญหาที่ชัดเจนได้รับการตรวจสอบและข้อมูลได้รับการปรับปรุง ดังนั้นภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกจึงลึกลงไป”

ตอนนี้ ความหวังคือการศึกษาแทบไม่มีเลยสามารถนำไปสู่บางสิ่งที่ยิ่งใหญ่ได้

สร้างฟองสบู่

ช่องว่างเป็นพื้นที่ของอวกาศที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจักรวาลโดยเฉลี่ย ขอบเขตของพวกมันถูกกำหนดโดยแผ่นขนาดมหึมาและเส้นใยของกาแลคซีที่ถักทอทั่วทั้งจักรวาล ช่องว่างบางแห่งกินพื้นที่หลายร้อยล้านปีแสง และเมื่อรวมกันแล้ว ฟองอากาศเหล่านี้คิดเป็นอย่างน้อย 80% ของปริมาตรของเอกภพ เป็นเวลานานแล้วที่ไม่มีใครให้ความสนใจกับพวกเขามากนัก “ฉันเริ่มการวิจัยในปี 2011 ด้วยช่องว่างประมาณ 200 รายการ” Pisani กล่าว “แต่ตอนนี้เรามีประมาณ 6,000”

ฟองอากาศมีแนวโน้มที่จะขยายตัวเนื่องจากภายในฟองอากาศไม่มีแรงดึงดูดภายในมากนัก สิ่งภายนอกมักจะอยู่ห่างๆ และกาแลคซีใดๆ ที่เริ่มต้นภายในความว่างเปล่าจะถูกดึงออกไปด้านนอกโดยแรงโน้มถ่วงของโครงสร้างที่กำหนดขอบของโมฆะ ด้วยเหตุนี้ในความว่างเปล่า “เกิดขึ้นน้อยมาก” Pisani กล่าว “ไม่มีการควบรวม ไม่มีฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ซับซ้อน สิ่งนี้ทำให้พวกเขาจัดการได้ง่ายมาก”

แต่รูปร่างของโมฆะแต่ละอันนั้นแตกต่างกัน ซึ่งอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์ระบุได้ยาก “เราต้องการให้แน่ใจว่าช่องว่างของเรานั้นแข็งแกร่ง” Pisani กล่าว “ต้องว่างเปล่าแค่ไหน แล้วฉันจะวัดมันได้อย่างไร”

ปรากฎว่าคำจำกัดความของ "ไม่มีอะไร" ขึ้นอยู่กับประเภทของข้อมูลที่นักดาราศาสตร์ต้องการดึงออกมา Pisani และเพื่อนร่วมงานเริ่มต้นด้วยเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าไดอะแกรม Voronoi ซึ่งระบุรูปร่างที่ประกอบกันเป็นโมเสก 3 มิติ ไดอะแกรมเหล่านี้มักใช้เพื่อศึกษาสิ่งต่างๆ เช่น ฟองในโฟมและเซลล์ในเนื้อเยื่อชีวภาพ

ในงานปัจจุบัน Pisani และเพื่อนร่วมงานของเธอปรับแต่ง Voronoi tessellations เพื่อระบุช่องว่างประมาณ 6,000 ในข้อมูลจากโครงการแผนที่ดาราจักรขนาดมหึมาที่เรียกว่า การสำรวจด้วยสเปกโทรสโกปีของ Baryon Oscillation (เจ้านาย).

"ความว่างเปล่าเป็นส่วนเสริมของแคตตาล็อกของกาแลคซี" กล่าว เบนจามิน วันเดลต์นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยซอร์บอนน์ในปารีสซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษานี้ "เป็นวิธีใหม่ในการตรวจสอบโครงสร้างจักรวาล"

เมื่อ Pisani และเพื่อนร่วมงานมีแผนที่แห่งความว่างเปล่าแล้ว พวกเขาออกเดินทางเพื่อดูว่ามันจะเปิดเผยอะไรเกี่ยวกับเอกภพที่กำลังขยายตัว

บางสิ่งบางอย่างจากไม่มีอะไร

ความว่างเปล่าของจักรวาลทุกแห่งเป็นหน้าต่างสู่ความขัดแย้งที่ยิ่งใหญ่ของจักรวาล ด้านหนึ่งมีพลังงานมืด พลังลึกลับที่ทำให้จักรวาลของเราขยายตัวเร็วขึ้น พลังงานมืดมีอยู่แม้ในที่ว่าง ดังนั้นมันจึงครอบงำฟิสิกส์ของความว่างเปล่า ในอีกด้านหนึ่งของความขัดแย้งมีแรงดึงดูดซึ่งพยายามดึงความว่างเปล่าเข้าด้วยกัน จากนั้นความยุ่งเหยิงของสสารก็เพิ่มรอยย่นให้กับช่องว่าง

พิซานีและเพื่อนร่วมงานรวมถึง โซเฟีย คอนทารินี แห่งมหาวิทยาลัยโบโลญญา จำลองว่าการขยายตัวของเอกภพจะส่งผลต่อจำนวนช่องว่างขนาดต่างๆ กันอย่างไร ในแบบจำลองของพวกเขา ซึ่งทำให้พารามิเตอร์จักรวาลวิทยาอื่นๆ จำนวนหนึ่งคงที่ อัตราการขยายตัวที่ช้าลงทำให้เกิดความหนาแน่นที่สูงขึ้นของช่องว่างที่มีขนาดเล็กและยับยู่ยี่มากขึ้น ในทางกลับกัน หากการขยายตัวเร็วขึ้นและสสารไม่จับตัวเป็นก้อน พวกเขาคาดว่าจะพบมากขึ้น ช่องว่างขนาดใหญ่และเรียบ

จากนั้นกลุ่มจะเปรียบเทียบการทำนายแบบจำลองกับการสังเกตจากการสำรวจ BOSS จากนี้ พวกเขาสามารถประเมินทั้งความซุ่มซ่ามและค่าคงที่ของฮับเบิลได้

จากนั้นพวกเขาจึงเปรียบเทียบการวัดด้วยวิธีแบบดั้งเดิมสองวิธีในการวัดค่าเหล่านี้ วิธีแรกใช้การระเบิดของจักรวาลชนิดหนึ่งที่เรียกว่าซุปเปอร์โนวาประเภท Ia ประการที่สองอาศัยพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB) ซึ่งเป็นรังสีที่เหลือจากบิกแบง

ข้อมูลโมฆะเผยให้เห็นค่าคงที่ของฮับเบิลซึ่งแปรผันน้อยกว่า 1% จากการประมาณการของ CMB ผลลัพธ์สำหรับความซุ่มซ่ามนั้นดูยุ่งเหยิงมากขึ้น แต่ก็สอดคล้องกับ CMB อย่างใกล้ชิดมากกว่าซูเปอร์โนวาประเภท Ia

ที่น่าประหลาดใจก็คือ ช่องว่างในการสำรวจของ BOSS นั้นอยู่ใกล้ในอวกาศและเวลามากกว่าซุปเปอร์โนวาประเภท Ia ที่เพิ่งเกิดขึ้น ทำให้น่าแปลกใจเล็กน้อยที่การวัดความว่างเปล่านั้นใกล้เคียงกับ CMB ในยุคดึกดำบรรพ์มากกว่า อย่างไรก็ตาม วันเดลต์เสนอว่าผลลัพธ์ที่ได้อาจเปิดเผยความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับเอกภพ

"มีข้อมูลเชิงลึกอย่างหนึ่งที่ทำให้เส้นผมของฉันตั้งขึ้น" เขากล่าว ภายในความว่างเปล่า โครงสร้างไม่เคยก่อตัวและวิวัฒนาการ ดังนั้นความว่างเปล่า “จึงเป็นไทม์แคปซูลของเอกภพยุคแรก”

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้าฟิสิกส์ของเอกภพยุคแรกแตกต่างจากฟิสิกส์ของยุคปัจจุบัน ความว่างเปล่าอาจรักษามันไว้

อนาคตของการไม่มี

คนอื่นคิดว่ายังเร็วเกินไปที่จะสรุปผลจากผลลัพธ์ใหม่

แม้จะมีช่องว่างนับพัน แถบข้อผิดพลาดของการศึกษาก็ยังใหญ่เกินกว่าจะสรุปอะไรได้ “การวิเคราะห์นี้ทำได้ดีมาก” กล่าว รูธ เดอร์เรอร์นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยเจนีวาซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัย แต่ Durrer ตั้งข้อสังเกตว่าผลลัพธ์ยังไม่ถึงนัยสำคัญทางสถิติ Durrer กล่าวว่า “หากอลิซต้องการอยู่ในกลุ่มของการวัดค่าคงที่ของฮับเบิลที่ดีอย่างน่าอัศจรรย์ เธอต้องไปให้ถึงขีดจำกัด 1% ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างมาก” Durrer กล่าว

พิซานีกล่าวว่าเธอถือว่างานนี้เป็นเครื่องพิสูจน์แนวคิด อาจต้องใช้เวลาอีกสิบปี และความช่วยเหลือจากภารกิจในอนาคต เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Nancy Grace Roman ของ NASA และหอดูดาว SPHEREx เพื่อรวบรวมข้อมูลโมฆะให้เพียงพอเพื่อให้เทียบเท่ากับการวัดซูเปอร์โนวา CMB และ Type Ia ที่ขัดแย้งกัน

Durrer ยังชี้ให้เห็นว่าบางทีข้อโต้แย้งเหล่านี้ - ความพยายามในการประนีประนอมความตึงเครียดของจักรวาล - ล้วนเป็นเรื่องที่น่ากังวลใจและความขัดแย้งเชิงสังเกตอาจชี้ให้เห็นถึงความเป็นจริงที่นักวิทยาศาสตร์ไม่ควรพยายามลบล้าง

“ซุปเปอร์โนวาและกลุ่ม CMB กำลังทำการตรวจวัดที่แตกต่างกันมาก” เธอกล่าว “ดังนั้น อาจมีฟิสิกส์ใหม่ที่อธิบายว่าทำไมเราไม่ควรเห็นสิ่งเดียวกัน”

หมายเหตุบรรณาธิการ: Alice Pisani ได้รับเงินทุนจาก มูลนิธิไซมอนส์ซึ่งให้ทุนแก่นิตยสารอิสระด้านบรรณาธิการเล่มนี้ด้วย การตัดสินใจระดมทุนของมูลนิธิ Simons ไม่มีอิทธิพลต่อการรายงานข่าวของเรา รายละเอียดเพิ่มเติมคือ สามารถใช้ได้ที่นี่.