จักรวาลของเราขยายตัวเร็วแค่ไหน?
ค่าคงที่ฮับเบิลเป็นหนึ่งในตัวเลขที่สำคัญที่สุดในจักรวาลวิทยา เพราะมันบอกเราว่าเอกภพขยายตัวเร็วแค่ไหน มีหลายวิธีในการวัดอัตรานี้ อย่างไรก็ตาม การกำหนดความแม่นยำของตัวเลขนี้จำเป็นต่อการทำความเข้าใจคำถามพื้นฐานที่ดีขึ้น เช่น อายุ ประวัติความเป็นมา และองค์ประกอบสำคัญของเอกภพ
การศึกษาใหม่โดยสอง มหาวิทยาลัยชิคาโก นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เสนอวิธีการคำนวณนี้ โดยใช้หลุมดำที่ชนกันคู่หนึ่งและด้วยเหตุนี้จึงเข้าใจ วิวัฒนาการของจักรวาลมันทำมาจากอะไร และมันจะไปไหน
ตามที่นักวิทยาศาสตร์ เทคนิคใหม่ที่เรียกว่า 'สเปกตรัมไซเรน' สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับปี 'วัยรุ่น' ของจักรวาลที่เข้าใจยาก
บางครั้งหลุมดำสองหลุมชนกัน งานนี้มีพลังมากจนทำให้ ระลอกกาลอวกาศ ที่เดินทางข้ามจักรวาล ระลอกคลื่นเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าคลื่นความโน้มถ่วง
US Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) และหอสังเกตการณ์ Virgo ของอิตาลีสามารถรับระลอกคลื่นเหล่านี้บนโลกได้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา LIGO และ Virgo ได้รวบรวมการอ่านจาก .เกือบ 100 คู่ หลุมดำชนกัน.
สัญญาณจากการชนแต่ละครั้งมีข้อมูลเกี่ยวกับ หลุมดำมีขนาดใหญ่เพียงใด. แต่สัญญาณได้เดินทางข้ามอวกาศ และในช่วงเวลานั้น จักรวาลได้ขยายตัว ซึ่งเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของสัญญาณ
Daniel Holz นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของ UChicago หนึ่งในสองผู้เขียนบทความนี้กล่าวว่า “ตัวอย่างเช่น ถ้าคุณเอาหลุมดำไปวางไว้ในเอกภพก่อน สัญญาณก็จะเปลี่ยนไป และมันจะดูเหมือนหลุมดำที่ใหญ่กว่าที่เป็นอยู่”
การกำหนดวิธีการประมาณการว่าสัญญาณเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คำนวณ อัตราการขยายตัวของเอกภพ. อย่างไรก็ตาม ปัญหาคือการปรับเทียบ: พวกเขารู้ได้อย่างไรว่ามันเปลี่ยนไปจากเดิมมากแค่ไหน?
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์แนะนำว่าพวกเขาสามารถใช้ความรู้ใหม่เกี่ยวกับประชากรหลุมดำทั้งหมดเป็นเครื่องมือในการสอบเทียบ ตัวอย่างเช่น หลักฐานปัจจุบันระบุว่าหลุมดำส่วนใหญ่ที่ตรวจพบมีมวลระหว่างห้าถึง 40 เท่าของดวงอาทิตย์
ผู้เขียนคนแรก Jose María Ezquiaga, NASA Einstein Postdoctoral Fellow และ Kavli Institute for Cosmological Physics Fellow ที่ทำงานร่วมกับ Holz ที่ UChicago กล่าวว่า “ดังนั้นเราจึงวัดมวลของหลุมดำที่อยู่ใกล้เคียงและทำความเข้าใจลักษณะของหลุมดำ จากนั้นเราจะมองออกไปไกลๆ และดูว่าหลุมดำเหล่านั้นดูเหมือนจะเปลี่ยนไปมากน้อยเพียงใด และนี่จะช่วยให้คุณวัดการขยายตัวของจักรวาลได้”
นักวิทยาศาสตร์รู้สึกตื่นเต้นเพราะในอนาคต เมื่อความสามารถของ LIGO ขยายตัว วิธีการนี้อาจเปิดหน้าต่างพิเศษให้เข้าสู่ช่วง “วัยรุ่น” ของจักรวาล ประมาณ 10 พันล้านปีก่อน ซึ่งยากต่อการศึกษาด้วยวิธีอื่น
ผู้เขียนตั้งข้อสังเกตว่า “ข้อดีอีกอย่างของวิธีนี้คือช่องว่างในความรู้ทางวิทยาศาสตร์ของเราทำให้เกิดความไม่แน่นอนน้อยลง วิธีการนี้สามารถปรับเทียบเองได้โดยใช้ทั้ง ประชากรหลุมดำระบุและแก้ไขข้อผิดพลาดโดยตรง วิธีอื่นๆ ที่ใช้ในการคำนวณค่าคงที่ฮับเบิลนั้นอาศัยความเข้าใจในปัจจุบันของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์ของดาวและกาแลคซี่ ซึ่งเกี่ยวข้องกับฟิสิกส์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ซับซ้อนจำนวนมาก ซึ่งหมายความว่าการวัดอาจถูกละทิ้งไปเล็กน้อยหากมีบางสิ่งที่เรายังไม่รู้”
“ในทางตรงข้าม วิธีหลุมดำแบบใหม่นี้อาศัยเกือบทุกอย่าง ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ซึ่งได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดีและยืนหยัดต่อต้านทุกวิถีทางที่นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามทดสอบมาจนถึงตอนนี้”
เนื้อไม้ กล่าวว่า, “ยิ่งอ่านค่าจากหลุมดำทั้งหมดได้มากเท่าไร การสอบเทียบก็จะยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น เราต้องการสัญญาณเหล่านี้นับพัน ซึ่งเราควรจะมีในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า และมากยิ่งขึ้นไปอีกในทศวรรษหน้าหรือสองปีถัดไป เมื่อถึงจุดนั้น มันจะเป็นวิธีที่ทรงพลังอย่างเหลือเชื่อในการเรียนรู้เกี่ยวกับจักรวาล”
การอ้างอิงวารสาร:
- Jose María Ezquiaga และ Daniel E. Holz Spectral Sirens: จักรวาลวิทยาจากการกระจายมวลของไบนารีขนาดกะทัดรัด สรีรวิทยา รายได้ Lett. 129, 061102 – เผยแพร่ 3 สิงหาคม 2022 ดอย: 10.1103/PhysRevLett.129.061102
