เลนส์ความโน้มถ่วงของซูเปอร์โนวาให้ค่าใหม่สำหรับค่าคงที่ของฮับเบิล - โลกฟิสิกส์

เลนส์ความโน้มถ่วงของซูเปอร์โนวาให้ค่าใหม่สำหรับค่าคงที่ของฮับเบิล - โลกฟิสิกส์

ประทับเวลา: 23 พฤษภาคม 2023 3:44 น

เลนส์โน้มถ่วง
การมาถึงก่อนกำหนด: ภาพสี่ภาพแรกของซูเปอร์โนวาเลนส์โน้มถ่วงจะแสดงเป็นสีเหลือง (เอื้อเฟื้อ: NASA/ESA/JHU/UCLA/UC Berkeley/STScI)

การศึกษาว่าแสงจากซูเปอร์โนวาที่อยู่ห่างไกลถูกเลนส์ด้วยแรงโน้มถ่วงขณะที่มันเดินทางมายังโลกได้อย่างไร ถูกนำมาใช้ในการคำนวณค่าใหม่สำหรับค่าคงที่ของฮับเบิล ซึ่งเป็นตัวแปรสำคัญที่อธิบายการขยายตัวของเอกภพ แม้ว่าผลลัพธ์ล่าสุดนี้จะไม่สร้างความประหลาดใจให้กับนักดาราศาสตร์ แต่ข้อสังเกตที่คล้ายกันนี้ในอนาคตอาจช่วยให้เราเข้าใจได้ว่าทำไมเทคนิคต่างๆ ถึงได้ให้ค่าคงที่ฮับเบิลที่แตกต่างกันมาก

เอกภพมีการขยายตัวนับตั้งแต่มันถูกสร้างขึ้นในบิกแบงเมื่อ 13.7 พันล้านปีก่อน ในปี ค.ศ. 1920 นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เอ็ดวิน ฮับเบิล สังเกตว่าดาราจักรที่อยู่ห่างจากโลกดูเหมือนจะเคลื่อนตัวออกจากโลกเร็วกว่าดาราจักรที่อยู่ใกล้เรามากขึ้น เขาทำสิ่งนี้โดยการวัดการเลื่อนสีแดงของแสงจากกาแลคซีเหล่านี้ ซึ่งเป็นการยืดความยาวคลื่นของแสงที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุถอยห่างจากผู้สังเกต

ความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างระยะทางและความเร็วที่เขาวัดนั้นได้รับการอธิบายโดยค่าคงที่ของฮับเบิล และตั้งแต่นั้นมานักดาราศาสตร์ได้พัฒนาเทคนิคหลายอย่างเพื่อวัดค่าดังกล่าว

อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์รู้สึกงงงวยเนื่องจาก การวัดที่แตกต่างกันได้ให้ค่าคงที่ของฮับเบิลที่แตกต่างกันมาก. การวัดรังสีคอสมิกไมโครเวฟแบ็คกราวด์ (CRB) โดยดาวเทียมพลังค์ขององค์การอวกาศยุโรป ให้ค่าประมาณ 67 กม./วินาที/Mpc อย่างไรก็ตาม การวัดที่เกี่ยวข้องกับการสังเกตการณ์ซูเปอร์โนวาประเภท 1a ที่ทำโดยความร่วมมือของ SH0ES ให้ค่าประมาณ 73 กม./วินาที/Mpc ความไม่แน่นอนในการวัดเหล่านี้อยู่ที่ประมาณ 1–2% ดังนั้นจึงมีความตึงเครียดอย่างชัดเจนระหว่างสองเทคนิค นักดาราศาสตร์ต้องการทราบว่าเหตุใด และกำลังพัฒนาวิธีใหม่ๆ ในการวัดค่าคงที่ของฮับเบิล

ตอนนี้ นักดาราศาสตร์ได้วัดค่าคงที่ของฮับเบิลโดยใช้แสงจากซูเปอร์โนวาที่ระเบิดเมื่อ 9.34 พันล้านปีก่อน ระหว่างทางมายังโลก แสงได้ผ่านกระจุกกาแลคซีและถูกเบี่ยงเบนโดยสนามโน้มถ่วงขนาดมหึมาของกระจุกดาว ซึ่งเน้นแสงมายังโลก เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วง

การกระจายตัวของก้อนเนื้อ

การกระจายมวลเป็นก้อนในกระจุกทำให้เกิดสนามโน้มถ่วงที่ซับซ้อนซึ่งส่งแสงของซูเปอร์โนวาไปตามเส้นทางต่างๆ สู่โลก เมื่อสังเกตเห็นซูเปอร์โนวาครั้งแรกในปี 2014 ปรากฏเป็นจุดแสงสี่จุด เมื่อจุดสี่จุดจางหายไป หนึ่งในห้าก็ปรากฏขึ้นใน 376 วันต่อมา แสงนี้ล่าช้าไปตามเส้นทางที่ยาวกว่าที่ผ่านคลัสเตอร์

ในช่วง 376 วันนั้น เอกภพได้ขยายตัว ซึ่งหมายความว่าความยาวคลื่นของแสงที่มาถึงล่าช้านั้นเปลี่ยนเป็นสีแดง จากการวัดเรดชิฟต์พิเศษนี้ ทีมที่นำโดย แพทริคเคลลี่ แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตาสามารถคำนวณค่าคงที่ของฮับเบิลได้ ทีมงานใช้โมเดลการกระจายมวลที่แตกต่างกันหลายแบบสำหรับคลัสเตอร์ โดยได้ค่าคงที่ 64.8 km/s/Mpc หรือ 66.6 km/s/Mpc

การวัดการหน่วงเวลาของซูเปอร์โนวาในแวบแรกดูเหมือนว่าจะสนับสนุนค่าคงที่ของฮับเบิลของพลังค์มากกว่า SH0ES อย่างไรก็ตาม การวัดการหน่วงเวลาของแสงควอซาร์ก่อนหน้านี้ที่สังเกตได้จาก H0LiCOW การทำงานร่วมกันให้ค่า 73.3 km/s/Mpc ซึ่งใกล้เคียงกับ SH0ES มาก

แม้ว่าสิ่งนี้อาจดูสับสน แต่เพื่อนร่วมงานของเคลลี่ ตอมมาโซ เทรอู แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลีส ชี้ว่าผลตรวจล่าสุดไม่น่าแปลกใจ

“พวกเขาไม่แตกต่างกันมากนัก” เขากล่าว “ภายใต้ความไม่แน่นอน การวัดใหม่นี้สอดคล้องกับทั้งสาม [Planck, SH0ES และ H0LiCOW]”

เชอรี่ ซูหยู ของสถาบันมักซ์พลังค์สำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์ในเยอรมนี ซึ่งเป็นผู้นำโครงการ H0LiCOW และไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการวัดการหน่วงเวลาใหม่เหล่านี้ ก็ไม่จำเป็นต้องเห็นความขัดแย้งเช่นกัน

คำสัญญาในอนาคต

“ค่านี้ [จากซูเปอร์โนวา] มาจากระบบเลนส์เดี่ยว และด้วยแถบข้อผิดพลาด การวัดจึงสอดคล้องกันทางสถิติกับผลลัพธ์จากเลนส์ควาซาร์ของ H0LiCOW” เธอกล่าว

ความไม่แน่นอนในการวัดการหน่วงเวลาของซูเปอร์โนวานั้นเกี่ยวข้องกับการกระจายมวลในกาแลคซี - สสารมืดและสสารแบริออน (ปกติ) มีอยู่มากน้อยเพียงใด และกระจายไปทั่วกระจุกดาวอย่างไร ทีมของ Kelly และ Treu ใช้แบบจำลองต่างๆ กัน และความแตกต่างระหว่างแบบจำลองทำให้เกิดความไม่แน่นอนในค่าคงที่ฮับเบิลเป็นส่วนใหญ่

“ความแม่นยำของการวัดค่าคงที่ของฮับเบิลต่ำที่นำเสนอนี้ไม่เพียงพอที่จะโต้แย้งกับค่า SH0ES ที่สูงขึ้น” กล่าว แดเนียล มอร์ล็อค แห่งอิมพีเรียลคอลเลจ ลอนดอน ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยด้วย

ถึงกระนั้น Mortlock ก็คิดว่าการคำนวณค่าคงที่ของฮับเบิลจากการวัดการหน่วงเวลาของซูเปอร์โนวานี้เป็นจุดสังเกต จนถึงขณะนี้ มีการค้นพบซูเปอร์โนวาที่มีเลนส์เพียง XNUMX-XNUMX แห่งเท่านั้น แต่ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า หอดูดาว Vera C. Rubin ในชิลีซึ่งมีกล้องโทรทรรศน์สำรวจขนาดยักษ์ 8.4 เมตร เผยแพร่ทางออนไลน์ว่าจำนวนการค้นพบซูเปอร์โนวาแบบใช้เลนส์น่าจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก

งาน "น่ารัก"

“โดยรวมแล้ว ฉันคิดว่ามันเป็นผลงานที่น่ารักในการวัดผลนี้ แต่บางทีสิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดของสิ่งนี้คือคำสัญญาในอนาคต เนื่องจากการสำรวจอย่าง Rubin จะค้นพบระบบประเภทนี้อีกมากมาย” Mortlock กล่าว

ด้วยจำนวนของซูเปอร์โนวาที่มีเลนส์เพิ่มขึ้นจะทำให้การวัดค่าคงที่ของฮับเบิลมีความแม่นยำมากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดแถบข้อผิดพลาดและยืนยันว่าข้อมูลเหล่านี้สนับสนุนผลลัพธ์ของพลังค์หรือ SH0ES นักทฤษฎีบางคนมีด้วยซ้ำ แนะนำว่าฟิสิกส์ใหม่ อาจจำเป็นต้องอธิบายความตึงเครียดของฮับเบิล โดยสมมติว่ามันเป็นเรื่องจริงและไม่ใช่ข้อผิดพลาดที่ระบบไม่รู้จักในการสังเกต

“เห็นได้ชัดว่าจำเป็นต้องมีความแม่นยำมากขึ้นในการคลี่คลายความตึงเครียดของฮับเบิล” Treu สรุป “แต่นี่เป็นก้าวแรกที่สำคัญ”

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์