การศึกษาซูเปอร์โนวาแสดงให้เห็นว่าพลังงานมืดอาจซับซ้อนกว่าที่เราคิด

การศึกษาซูเปอร์โนวาแสดงให้เห็นว่าพลังงานมืดอาจซับซ้อนกว่าที่เราคิด

ประทับเวลา: 12 มกราคม 2024 10:00 น

จักรวาลทำมาจากอะไร? คำถามนี้ผลักดันนักดาราศาสตร์มานานหลายร้อยปี

ในช่วงไตรมาสของศตวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสิ่งต่าง ๆ “ปกติ” เช่น อะตอมและโมเลกุลที่ประกอบเป็นคุณ ฉัน โลก และเกือบทุกอย่างที่เรามองเห็นนั้นมีเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ของจักรวาลเท่านั้น อีก 25 เปอร์เซ็นต์เป็น “สสารมืด” ซึ่งเป็นสสารที่ไม่รู้จักซึ่งเราไม่สามารถมองเห็นได้ แต่เราสามารถตรวจจับได้ว่ามันส่งผลต่อสสารปกติอย่างไรผ่านแรงโน้มถ่วง

ส่วนที่เหลืออีก 70 เปอร์เซ็นต์ของจักรวาลประกอบด้วย “พลังงานมืด” ค้นพบในปี 1998 นี่เป็นรูปแบบพลังงานที่ไม่รู้จัก เชื่อกันว่ากำลังทำให้จักรวาลขยายตัวในอัตราที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ

In การศึกษาใหม่เร็วๆ นี้ ที่จะตีพิมพ์ใน วารสารดาราศาสตร์เพื่อนร่วมงานของฉันและฉันได้วัดคุณสมบัติของพลังงานมืดอย่างละเอียดมากขึ้นกว่าที่เคย ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าอาจเป็นพลังงานสุญญากาศสมมุติที่ไอน์สไตน์เสนอเป็นครั้งแรก หรืออาจเป็นบางสิ่งที่แปลกและซับซ้อนกว่าที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา

พลังงานมืดคืออะไร?

เมื่อไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อกว่าศตวรรษก่อน เขาตระหนักว่าสมการของเขาแสดงให้เห็นว่าจักรวาลควรจะขยายตัวหรือหดตัว สิ่งนี้ดูเหมือนจะผิดสำหรับเขา ดังนั้นเขาจึงเพิ่ม "ค่าคงที่ทางจักรวาล" ซึ่งเป็นพลังงานชนิดหนึ่งที่มีอยู่ในพื้นที่ว่าง เพื่อสร้างสมดุลให้กับแรงโน้มถ่วงและทำให้จักรวาลคงที่

ต่อมา เมื่อผลงานของเฮนเรียตตา สวอน เลวิตต์ และเอ็ดวิน ฮับเบิล แสดงให้เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัวอย่างแท้จริง ไอน์สไตน์ก็ละทิ้งค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยา โดยเรียกมันว่า "ความผิดพลาดครั้งใหญ่ที่สุด"

อย่างไรก็ตาม ในปี 1998 ทีมนักวิจัยสองทีมพบว่าการขยายตัวของเอกภพกำลังเร่งตัวอย่างรวดเร็ว นี่หมายความว่าอาจมีบางสิ่งที่ค่อนข้างคล้ายกับค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาของไอน์สไตน์ซึ่งอาจมีอยู่จริง ซึ่งเป็นสิ่งที่เราเรียกว่าพลังงานมืดในปัจจุบัน

นับตั้งแต่การวัดครั้งแรก เราใช้ซูเปอร์โนวาและยานสำรวจอื่นๆ ในการวัดธรรมชาติของ พลังงานมืด. จนถึงขณะนี้ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นของพลังงานมืดในจักรวาลดูเหมือนจะคงที่

ซึ่งหมายความว่าความแข็งแกร่งของพลังงานมืดยังคงเท่าเดิม แม้ว่าจักรวาลจะเติบโตขึ้นก็ตาม ดูเหมือนว่ามันจะไม่ได้แผ่กระจายไปน้อยลงเมื่อจักรวาลใหญ่ขึ้น เราวัดสิ่งนี้ด้วยตัวเลขที่เรียกว่า w. ค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาของไอน์สไตน์อยู่ในชุดเอฟเฟกต์ w ถึง –1 และการสังเกตก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นว่านี่เป็นเรื่องที่ถูกต้อง

การระเบิดดาวเป็นแท่งวัดจักรวาล

เราจะวัดสิ่งที่อยู่ในจักรวาลได้อย่างไรและมันเติบโตเร็วแค่ไหน? เราไม่มีเทปวัดขนาดใหญ่หรือเครื่องชั่งขนาดยักษ์ ดังนั้นเราจึงใช้ "เทียนมาตรฐาน" แทน: วัตถุต่างๆ เข้ามา ช่องว่าง ที่เรารู้จักความสดใสของพระองค์

ลองนึกภาพเป็นเวลากลางคืน และคุณกำลังยืนอยู่บนถนนสายยาวที่มีเสาไฟสองสามต้น เสาเหล่านี้ล้วนมีหลอดไฟแบบเดียวกัน แต่เสาที่อยู่ไกลออกไปจะจางกว่าเสาที่อยู่ใกล้เคียง

ดาวดวงเล็กๆ กำลังกลืนวัตถุจากดวงที่ใหญ่กว่ามาก
ในซูเปอร์โนวาประเภท Ia ดาวแคระขาวค่อยๆ ดึงมวลจากดาวฤกษ์ข้างเคียงอย่างช้าๆ ก่อนที่จะระเบิด เครดิตภาพ: NASA / JPL-คาลเทค, CC BY

เนื่องจากแสงจะจางลงตามสัดส่วนของระยะทาง ถ้าเราทราบกำลังของหลอดไฟและสามารถวัดความสว่างของหลอดไฟได้ เราก็จะสามารถคำนวณระยะห่างถึงเสาไฟได้

สำหรับนักดาราศาสตร์ หลอดไฟคอสมิกทั่วไปคือดาวระเบิดชนิดหนึ่งที่เรียกว่าซูเปอร์โนวาประเภท Ia เหล่านี้เป็นดาวแคระขาวซึ่งมักจะดูดสสารจากดาวฤกษ์ข้างเคียงและเติบโตจนมีมวลถึง 1.44 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นจุดที่พวกมันระเบิด ด้วยการวัดความเร็วของการระเบิด เราสามารถระบุได้ว่าการระเบิดนั้นสว่างแค่ไหนและด้วยเหตุนี้จึงอยู่ห่างจากเรามากเพียงใด

การสำรวจพลังงานมืด

พื้นที่ การสำรวจพลังงานมืด เป็นความพยายามครั้งใหญ่ที่สุดในการวัดพลังงานมืด นักวิทยาศาสตร์มากกว่า 400 คนจากหลายทวีปทำงานร่วมกันมาเกือบทศวรรษเพื่อสำรวจท้องฟ้าทางใต้ซ้ำแล้วซ้ำเล่า

การสังเกตซ้ำๆ ทำให้เรามองหาการเปลี่ยนแปลง เช่น ดาวฤกษ์ที่เพิ่งระเบิดใหม่ๆ ยิ่งคุณสังเกตบ่อยเท่าไร คุณก็จะวัดการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้ดีขึ้นเท่านั้น และยิ่งคุณค้นหาพื้นที่มากเท่าไร คุณก็จะพบซูเปอร์โนวาได้มากขึ้นเท่านั้น

ภาพถ่ายอาคารหอดูดาวที่สว่างไสวด้วยแสงสีแดงโดยมีท้องฟ้าเต็มไปด้วยดวงดาวเป็นพื้นหลัง
กล้องโทรทรรศน์ Cerro Tololo Inter-American Observatory ขนาด 4 เมตร ซึ่งใช้ในการสำรวจพลังงานมืด เครดิตภาพ: เรย์ดาร์ ฮาห์น / Fermilab, CC BY

ผลลัพธ์แรกบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของพลังงานมืดที่ใช้ซูเปอร์โนวาเพียงไม่กี่โหลเท่านั้น ผลลัพธ์ล่าสุดจากการสำรวจพลังงานมืดใช้ดาวระเบิดประมาณ 1,500 ดวง ซึ่งให้ความแม่นยำมากกว่ามาก

การสำรวจพบซูเปอร์โนวาหลายประเภทหลายพันชนิดโดยใช้กล้องที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษซึ่งติดตั้งบนกล้องโทรทรรศน์บลังโกขนาด 4 เมตรที่หอดูดาวอินเตอร์อเมริกันเซอร์โร-โทโลโลในชิลี ในการพิจารณาว่าอันไหนเป็นประเภท Ia (ชนิดที่เราต้องการในการวัดระยะทาง) เราใช้กล้องโทรทรรศน์แองโกลออสเตรเลียขนาด 4 เมตรที่หอดูดาวไซดิงสปริงในรัฐนิวเซาท์เวลส์

กล้องโทรทรรศน์แองโกลออสเตรเลียทำการตรวจวัดเพื่อแยกสีของแสงจากซุปเปอร์โนวา ซึ่งช่วยให้เราเห็น "ลายนิ้วมือ" ของแต่ละองค์ประกอบในการระเบิด

ซูเปอร์โนวาประเภท Ia มีลักษณะเฉพาะบางอย่าง เช่น ไม่มีไฮโดรเจนและซิลิคอน และเมื่อมีซูเปอร์โนวาที่เพียงพอ การเรียนรู้ของเครื่องทำให้เราสามารถจำแนกซูเปอร์โนวานับพันได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ซับซ้อนกว่าค่าคงที่จักรวาลวิทยา

ในที่สุด หลังจากทำงานมานานกว่าทศวรรษและศึกษาซูเปอร์โนวาประเภท Ia ประมาณ 1,500 ดวง การสำรวจพลังงานมืดก็ได้ผลิตการวัดใหม่ที่ดีที่สุด w. เราพบว่า w = –0.80 ± 0.18 จึงอยู่ระหว่าง –0.62 ถึง –0.98

นี่เป็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจมาก มันใกล้กับ –1 แต่ก็ไม่แม่นยำนัก หากต้องการเป็นค่าคงที่ทางจักรวาลวิทยาหรือพลังงานของพื้นที่ว่าง ค่าดังกล่าวจะต้องเป็น –1 พอดี

สิ่งนี้จะทิ้งเราไปที่ไหน? ด้วยแนวคิดที่ว่าอาจจำเป็นต้องใช้แบบจำลองพลังงานมืดที่ซับซ้อนกว่านี้ บางทีอาจเป็นแบบจำลองที่พลังงานลึกลับนี้ได้เปลี่ยนแปลงไปตามชีวิตของจักรวาล

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: ซากซูเปอร์โนวาประเภท Ia ซึ่งเป็นดาวระเบิดชนิดหนึ่งที่ใช้วัดระยะทางในจักรวาล NASA / CXC / U.Texas, CC BY

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์