ภาพซูเปอร์โนวาที่ฉายซ้ำ 5 ครั้ง บ่งบอกอัตราการขยายตัวของเอกภพ

หนึ่งในคำถามสำคัญซึ่งเป็นที่ถกเถียงกันอย่างมากในวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ยุคปัจจุบัน ได้แก่เรื่องของ “ค่าคงที่ฮับเบิล” (Hubble constant) หรืออัตราการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งเชื่อกันว่ากำลังเพิ่มพูนอย่างรวดเร็วขึ้นเรื่อย ๆ แต่อัตราการขยายตัวนี้ควรจะเป็นเท่าใดกันแน่ ?

ปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้นเพราะผลการตรวจวัดค่าคงที่ฮับเบิลซึ่งได้จากเทคนิควิธีต่าง ๆ นั้นไม่เท่ากัน ซ้ำร้ายผลที่ได้ยังห่างไกลกันมากถึง 10% เลยทีเดียว ทำให้เกิดภาวะวิกฤตของวิชาจักรวาลวิทยาที่เรียกว่า “ความขัดแย้งฮับเบิล” (Hubble tension) ซึ่งก็คือความแตกต่างระหว่างค่าคงที่ฮับเบิลใหม่ที่สูงกว่า ซึ่งวัดด้วยความสว่างของดาวแปรแสงและซูเปอร์โนวาที่อยู่ใกล้โลก กับค่าคงที่ฮับเบิลเดิมซึ่งวัดด้วยการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (CMB) จากห้วงอวกาศลึก

ด้วยเหตุนี้ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จำนวนไม่น้อยจึงได้พยายามลองหาวิธีการทางเลือก เพื่อนำมาวัดค่าคงที่ฮับเบิลให้ได้อย่างแม่นยำอีกครั้ง ซึ่งอาจเป็นหลักฐานที่ใช้ตัดสินยืนยันได้ว่า ค่าคงที่ในความขัดแย้งฮับเบิลตัวไหนที่มีความถูกต้องใกล้เคียงความเป็นจริงมากที่สุด

รายงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Science และ The Astrophysical Journal เมื่อไม่นานมานี้ เผยถึงผลงานของดร. แบรด ทักเกอร์ จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย และดร. แพทริก เคลลี จากมหาวิทยาลัยมินนิโซตาของสหรัฐฯ ซึ่งทั้งสองใช้วิธีการใหม่ตรวจวัดค่าคงที่ฮับเบิล โดยศึกษาจากภาพเหตุการณ์ซูเปอร์โนวาประหลาดที่ “ฉายซ้ำ” ให้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้เห็นถึง 5 ครั้ง

ดร. ทักเกอร์ระบุในบทความของเขาที่ตีพิมพ์บนเว็บไซต์ The Conversation ว่าพวกเขาได้ศึกษาเหตุการณ์ที่ดาวฤกษ์สิ้นอายุขัยและระเบิดออกอย่างรุนแรงครั้งหนึ่ง ซึ่งเหตุการณ์ซูเปอร์โนวานี้มีชื่อว่า Supernova Refsdal

แสงสว่างจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาดังกล่าวไม่ได้ปรากฏให้เห็นเพียงครั้งเดียว แต่เกิดเป็นภาพซ้ำซ้อนในห้วงอวกาศให้กล้องฮับเบิลจับภาพได้ถึง 5 ครั้งในเฟรมเดียว ซึ่งเป็นผลจากปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง (Gravitational lensing) นั่นเอง

เมื่อแสงเดินทางเฉียดเข้าใกล้หลุมดำหรือกาแล็กซีมวลมหาศาล ลำแสงจะถูกความโน้มถ่วงบิดให้โค้งงอ จนภาพของวัตถุในฉากหลังที่ปรากฏต่อสายตาผู้สังเกตการณ์ดูขยายใหญ่ขึ้นเหมือนมองผ่านเลนส์ อีกทั้งภาพยังมีลักษณะบิดเบี้ยวเป็นวงแหวนหรือปรากฏขึ้นซ้ำหลายภาพในเฟรมเดียวได้ด้วย

การเกิดภาพที่ปรากฏขึ้นซ้ำซ้อนแบบนี้ เป็นเพราะแสงจากซูเปอร์โนวาที่แผ่ออกไปทุกทิศทางในจักรวาล เดินทางมาถึงอุปกรณ์รับภาพด้วยเส้นทางที่แตกต่างกัน รวมทั้งใช้เวลาเดินทางมาถึงแบบช้าเร็วไม่เท่ากันอีกด้วย เปรียบเสมือนรถไฟ 5 ขบวนที่เดินทางออกจากสถานีเดียวกันแต่ใช้เส้นทางต่างกัน เช่นบางขบวนแล่นผ่านเทือกเขา บ้างก็เลียบชายฝั่งทะเลหรือแล่นผ่านตัวเมือง แต่ท้ายที่สุดแล้วจะมาถึงสถานีปลายทางเดียวกันในเวลาที่ต่างกัน

ความแตกต่างในการเดินทางของลำแสงเหล่านี้ สามารถจะนำมาใช้วัดอัตราการขยายตัวของเอกภพได้ โดยใช้วิธีดั้งเดิมที่เรียกว่า “เทียนมาตรฐาน” (Standard candles) ซึ่งใช้ค่าความสว่างที่แท้จริงของดาวแปรแสงเซฟีด (Cepheid) หรือค่าความสว่างของซูเปอร์โนวา อันเปรียบเสมือนแสงเทียนในห้วงจักรวาลที่มืดมิด มาเป็นหมุดหมายสำหรับการวัดระยะทางในห้วงอวกาศ

เทคนิคเทียนมาตรฐานนี้ใช้หลักการเดียวกับสิ่งที่เราเห็นเมื่อมองดูแสงไฟริมทางหลวง โดยความสว่างของแสงไฟจะสัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างผู้สังเกตการณ์กับเสาไฟ ซึ่งแล้วแต่ว่าเสาไฟจะอยู่ใกล้ตัวเราจนดูสว่างจ้า หรือแสงดูมืดมัวลงเมื่อเสาไฟตั้งอยู่ไกลออกไป

เมื่อปี 1929 เอ็ดวิน ฮับเบิล นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ใช้ความสว่างของดาวแปรแสงเซฟีดในกาแล็กซีอื่นมาคำนวณหาระยะทางในห้วงอวกาศได้ และในเวลาต่อมาวิธีนี้ถูกนำมาใช้วัดอัตราการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งเป็นที่มาของค่าคงที่ฮับเบิลนั่นเอง

ผลการวัดค่าคงที่ฮับเบิลจากความสว่างของภาพซูเปอร์โนวาที่ปรากฏซ้ำกัน 5 ครั้ง โดยทีมของดร. ทักเกอร์ และดร. เคลลี พบว่าได้ผลใกล้เคียงกับค่าดั้งเดิมที่วัดจากการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (CMB) แม้ตำแหน่งที่ตั้งของซูเปอร์โนวาและวิธีการตรวจวัดของพวกเขาทั้งสอง จะคล้ายคลึงกับของทีมนักดาราศาสตร์ผู้วัดค่าคงที่ฮับเบิลใหม่ได้สูงกว่าก็ตาม

ดร. ทักเกอร์กล่าวสรุปว่า ค่าคงที่ฮับเบิลที่ทีมของเขาวัดได้ยังคงต้องผ่านการตรวจสอบอีกหลายขั้นตอน เพื่อให้แน่ใจว่ามีความถูกต้องแม่นยำมากน้อยเพียงใด ส่วนวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์นั้นก็ยังต้องทำการทดลองเพิ่มเติมอีกมาก ก่อนจะหาข้อสรุปที่แน่นอนว่าด้วยค่าคงที่ฮับเบิลที่ถูกต้องได้