เป็นเวลากว่าศตวรรษนักวิทยาศาสตร์ได้รู้ว่าจักรวาลได้รับการขยายตั้งแต่บิ๊กแบง , เหตุการณ์แรกที่เริ่มต้นทุกอย่างที่เกี่ยวกับพันล้านปีที่ผ่านมา
แต่จนถึงขณะนี้ พวกเขายังไม่สามารถแก้ไขปัญหาที่ยุ่งยากได้ ขยายตัวเร็วแค่ไหน? นั่นเป็นเพราะมีความไม่เท่าเทียมกันระหว่างอัตราโดยประมาณตามการแผ่รังสีที่หลงเหลือจากบิ๊กแบง หรือที่เรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล หรือ CMB ในศัพท์แสงทางวิทยาศาสตร์ และอัตราการก้าวที่เร็วขึ้นอย่างมากจากการสังเกตซุปเปอร์โนวา อัตราการขยายตัวของเอกภพเรียกว่าค่าคงที่ฮับเบิล ดังนั้นความเหลื่อมล้ำจึงเรียกว่า "ความตึงเครียดของฮับเบิล"
นักวิทยาศาสตร์ได้จัดขึ้นความเชื่อที่ว่าเอกภพขยายตัวต่อเนื่องได้รับแรงหนุนจากแรงที่เรียกว่าพลังงานมืดซึ่งดูเหมือนว่าจะได้เริ่มการย้อนกลับของจักรวาล 's deacceleration 7 หรือ 8 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง
พลังงานมืดคืออะไร?
Glenn Starkmanศาสตราจารย์และประธานร่วมของมหาวิทยาลัยที่มีชื่อเสียงและประธานร่วมของGlenn Starkmanกล่าวว่า "พลังงานมืดเป็นแหล่งพลังงานที่สมมุติขึ้นในจักรวาลในปัจจุบัน ซึ่งตามความเข้าใจที่ดีที่สุดของเราเกี่ยวกับจักรวาลนั้นประกอบด้วยพลังงานประมาณร้อยละ 70 ของพลังงานทั้งหมดในจักรวาลภาควิชาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Case Western Reserve
"หลักฐานเบื้องต้นสำหรับการดำรงอยู่ของมันคือการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลที่ดูเหมือนจะเกิดขึ้นในช่วงหลายพันล้านปีที่ผ่านมา" สตาร์คแมนกล่าว "การขับเคลื่อนการขยายตัวดังกล่าวต้องใช้แหล่งพลังงานที่ไม่เจือจางมากขึ้น (หรือเจือจางเพียงเล็กน้อย) เมื่อเอกภพขยายตัว สิ่งนี้ทำให้แหล่งพลังงานส่วนใหญ่ขาดคุณสมบัติ เช่น สสารธรรมดาหรือสสารมืด ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ลดน้อยลง หนาแน่นเมื่อเอกภพใหญ่ขึ้น แบบจำลองพลังงานมืดที่ง่ายที่สุดคือความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่เปลี่ยนแปลงซึ่งสัมพันธ์กับพื้นที่ว่าง ดังนั้น หากอวกาศขยายตัว ความหนาแน่นของพลังงานมืดจะคงที่"
แต่มีหลายอย่างที่ไม่สามารถอธิบายได้เกี่ยวกับพลังงานมืด รวมถึงสาเหตุที่ไม่มีอยู่ตลอด และแม้แต่การรวมพลังงานมืดในแบบจำลองมาตรฐานก็ไม่ได้แก้ไขความเหลื่อมล้ำระหว่างการวัดการขยายตัวของจักรวาลทั้งสอง
และพลังงานมืดต้น?
แต่การศึกษาใหม่ 2 ชิ้นที่ยังไม่ได้เผยแพร่ ซึ่งทั้งสองอิงจากข้อมูลที่รวบรวมระหว่างปี 2556 ถึง พ.ศ. 2559 โดยกล้องโทรทรรศน์จักรวาลวิทยาอาตากามา (ACT)อาจช่วยชี้ให้เห็นถึงแนวทางแก้ไขปัญหาที่เป็นไปได้ นักวิจัยเชื่อว่าพวกเขาได้พบร่องรอยของพลังงานมืดประเภท "แรกเริ่ม" ที่มีอยู่ใน 300,000 ปีแรกหลังบิกแบง นี้ล่าสุดบทความในวารสาร Nature โดยDavide Castelvecchiเผยแพร่เอกสารสองครั้งแรกหนึ่งโดยทีม ACT และอื่น ๆโดยกลุ่มอิสระที่รวมวิเวียน Poulinนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Montpellier ในฝรั่งเศสและเพื่อนร่วมงาน Tristian แอลสมิ ธ และ Alexa Bartlett ของวิทยาลัยสวาร์ธมอร์
แนวคิดเรื่องพลังงานมืดในยุคแรกๆ ถูกเสนอโดย Poulin เมื่อไม่กี่ปีก่อนจากนั้นเป็นนักศึกษาดุษฎีบัณฑิตที่ Johns Hopkins University, Smith และเพื่อนร่วมงาน เพื่อเป็นแนวทางในการแก้ปัญหา
"พลังงานมืดในช่วงต้นเป็นข้อเสนอสำหรับพลังงานมืดอีกรูปแบบหนึ่ง กล่าวคือ เห็นได้ชัดว่าไม่เกี่ยวข้องกับพลังงานมืดที่ก่อให้เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วในปัจจุบัน" สตาร์คแมนอธิบาย EDE "จะมีบทบาทสำคัญในจักรวาลเมื่อนานมาแล้ว เมื่อจักรวาลมีขนาดเล็กลงและร้อนขึ้นกว่าที่เป็นอยู่ประมาณ 10,000 เท่า" เขากล่าวว่าแนวคิดนี้เป็นแนวคิดที่ "ได้รับการคิดค้นขึ้นเพื่อแก้ไขความขัดแย้งลึกลับบางอย่างเกี่ยวกับประวัติของอัตราการขยายตัวของจักรวาล"
ตามที่บทความ Nature อธิบายไว้ พลังงานมืดในยุคแรกๆ จะไม่แข็งแกร่งพอที่จะทำให้จักรวาลขยายตัวอย่างรวดเร็วในอีกพันล้านปีต่อมา แต่จะมีอิทธิพลทางอ้อมโดยทำให้อนุภาคมูลฐานหรือพลาสมาซึ่งก่อตัวขึ้นหลังจากบิกแบงไม่นานเพื่อทำให้เย็นลงเร็วขึ้น ในทางกลับกัน จะส่งผลต่อวิธีการวัดพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล โดยเฉพาะอย่างยิ่งการวัดอายุและอัตราการขยายตัวของเอกภพโดยพิจารณาจากระยะที่คลื่นเสียงสามารถเดินทางในพลาสมาก่อนที่มันจะเย็นลงเป็นก๊าซ และส่งผลให้เร็วขึ้น อัตราการขยายตัวที่ใกล้เคียงกับที่นักดาราศาสตร์คำนวณจากวัตถุท้องฟ้า
พลังงานมืดในช่วงต้นเป็นวิธีแก้ปัญหาเชิงทฤษฎีที่ยุ่งยาก แต่ "มันเป็นแบบจำลองเดียวที่เราสามารถทำงานได้" ตามที่Mark Kamionkowskiนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของ Johns Hopkins University หนึ่งในผู้เขียนบทความเกี่ยวกับพลังงานมืดช่วงต้นปี 2018 อธิบายให้ธรรมชาติฟัง
บทสรุปไม่ชัดเจน
การศึกษาทั้งสองอาจช่วยสนับสนุนกรณีของพลังงานมืดในช่วงต้น แต่หนึ่งในนักวิจัยที่เกี่ยวข้องกล่าวว่าเขายังไม่มั่นใจอย่างสิ้นเชิงและเตือนว่าจำเป็นต้องมีการทำงานมากขึ้นเพื่อให้ได้ข้อสรุปที่ชัดเจน
"ฉันเคยสงสัยเกี่ยวกับแบบจำลองพลังงานมืดในยุคแรกๆ เนื่องจากปัญหาที่พวกเขาเผชิญในการวัดที่แม่นยำสูงของการกระจายตัวของดาราจักรและสสารในจักรวาลขนาดใหญ่ ('โครงสร้างขนาดใหญ่' หรือ LSS)" มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ผู้ช่วยศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์J. Colin Hillผู้เขียนร่วมในการศึกษาวิจัยของทีม ACT ได้บันทึกลงในอีเมล (คำถามของ Hill เกี่ยวกับแนวคิดนี้สะท้อนให้เห็นในบทความนี้ซึ่งเขาร่วมเขียนในปี 2020 และในรายงานฉบับต่อมาด้วย และเขายังกล่าวถึงบทความอื่นโดยนักวิจัยคนอื่นๆ ที่ทำให้เกิดปัญหาที่คล้ายคลึงกัน)
"ประเด็นสำคัญจากเอกสารสามฉบับที่เชื่อมโยงข้างต้นคือโมเดลพลังงานมืดยุคแรกๆ ที่พอดีกับข้อมูล CMB และ Riess, et al., การคาดคะเนข้อมูล H0 สำหรับ LSS ที่ไม่ตรงกับข้อมูลจากการสำรวจเหล่านี้" Hill เขียนใน อีเมล. "ด้วยเหตุนี้ เราจึงสรุปได้ว่าอาจจำเป็นต้องมีแบบจำลองทางทฤษฎีที่แตกต่างกัน หรืออย่างน้อยต้องมีการปรับเปลี่ยนสถานการณ์พลังงานมืดในยุคแรกๆ บางส่วน"
ในการศึกษาใหม่ที่เพื่อนร่วมงานของ Hill และ ACT เพิ่งโพสต์ พวกเขาไม่ได้พิจารณาข้อมูล LSS ในการวิเคราะห์ แต่เน้นที่ข้อมูล CMB เกือบทั้งหมดแทน "เป้าหมายคือการดูว่าข้อมูล Planck และ ACT CMB ให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันในบริบทของพลังงานมืดช่วงแรกหรือไม่ เราพบว่าข้อมูลเหล่านี้ให้ผลลัพธ์ที่ต่างออกไปบ้าง ซึ่งเป็นปริศนาสำคัญที่ตอนนี้เรากำลังทำงานกันอย่างหนักเพื่อพยายามทำความเข้าใจ จากของฉัน มุมมอง ปัญหา LSS สำหรับสถานการณ์พลังงานมืดตอนต้นยังไม่ได้รับการแก้ไข "
"นอกจากนี้ ข้อมูลพลังค์ด้วยตัวมันเอง (ซึ่งยังคงเป็นชุดข้อมูลที่แม่นยำที่สุดในจักรวาลวิทยา) ไม่ได้แสดงความพึงพอใจต่อพลังงานมืดในช่วงต้น" ฮิลล์อธิบาย "ดังนั้น แม้จะมีคำใบ้ที่เราได้เห็นในข้อมูล ACT สำหรับพลังงานมืดในยุคแรก ฉันก็ยังคงระแวดระวังว่าแบบจำลองนี้อาจเป็นเรื่องราวสุดท้ายจริงๆ หรือไม่ เราจำเป็นต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อหาคำตอบ"
หากมีอยู่จริง พลังงานมืดในยุคแรกๆ จะคล้ายกับแรงที่เชื่อกันว่าเป็นตัวขับเคลื่อนอัตราการขยายตัวของเอกภพในปัจจุบัน แต่ก็ยังต้องมีการทบทวนแบบจำลองทางทฤษฎีอย่างมีนัยสำคัญ
"ความแตกต่างที่สำคัญคือพลังงานมืดในยุคแรกนี้ต้องมีบทบาทในช่วงเวลาสั้นๆ ในประวัติศาสตร์จักรวาลเท่านั้น จากนั้นจะต้อง 'หายไป'" ฮิลล์กล่าว "เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ เราได้สร้างแบบจำลองฟิสิกส์อนุภาคของสนามใหม่ (ในทางเทคนิค สนามคล้ายแกน) ที่ทำหน้าที่เร่งการขยายตัวของเอกภพในช่วงสั้นๆ ก่อนที่จะรวมตัวกันอีกครั้ง แต่แล้วก็จางหายไปอย่างรวดเร็วและไม่เกี่ยวข้อง"
"ในทางตรงกันข้าม ภาพชั้นนำในปัจจุบันสำหรับพลังงานมืดมาตรฐานก็คือว่ามันเป็นเพียงค่าคงที่จักรวาลวิทยา ซึ่งน่าจะมาจากพลังงานสุญญากาศ" ฮิลล์กล่าวต่อ “พลังงานรูปแบบนี้ไม่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ว่าพลังงานมืดมาตรฐานนั้นอาจเกิดจากสนามพื้นฐานใหม่ที่เรายังไม่เข้าใจ ในกรณีนี้ มันอาจจะพัฒนาตามเวลาก็ได้ และมัน จึงสามารถแบกรับความคล้ายคลึงบางอย่างกับแบบจำลองพลังงานมืดยุคแรก ๆ ที่กล่าวถึงข้างต้นได้”
"อีกครั้ง เราต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อตรวจสอบคำถามเหล่านี้ได้แม่นยำยิ่งขึ้น และหวังว่าจะได้คำตอบในทศวรรษหน้า" ฮิลล์กล่าว "โชคดีที่การทดลองที่ทรงพลังมากมายกำลังจะออนไลน์เร็วๆ นี้" เขากล่าวถึงสิ่งอำนวยความสะดวกต่างๆ เช่นหอดูดาวไซมอนส์ซึ่งจะศึกษา CMB เช่นเดียวกับหอดูดาวรูบินและกล้องโทรทรรศน์อวกาศยูคลิดและโรมันซึ่งจะรวบรวมข้อมูลใหม่เกี่ยวกับ LSS “มันน่าจะน่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นสิ่งที่เราพบ” เขากล่าว
นี่คือวิดีโอ YouTube ที่ Hill พูดถึงพลังงานมืดตอนต้น:
สตาร์คแมนกล่าวว่าสิ่งสำคัญคือต้องระวังกับการกล่าวอ้างที่ "ไม่ธรรมดา" ดังกล่าว เว้นแต่หลักฐานจะชัดเจนและน่าสนใจ ในขณะที่เขาชี้ให้เห็น มีหลักฐานต่อต้าน EDE เช่นกัน "ผลการวิจัยในปัจจุบันแสดงให้เห็นถึงความตึงเครียดที่เพิ่มขึ้นระหว่างชุดข้อมูลทดลองสองชุดของการสังเกตพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล - จากดาวเทียม Planckขององค์การอวกาศยุโรปซึ่งบินในตอนต้นของทศวรรษที่ผ่านมาและจากกล้องโทรทรรศน์จักรวาลวิทยาอาตากามาในปัจจุบัน แบบแรกดูเหมือนจะไม่สนับสนุนแนวคิดเรื่องพลังงานมืดในยุคแรก ขณะที่อย่างหลังไม่สนับสนุนแนวคิดนี้ ความตึงเครียดระหว่างการทดลองดังกล่าวเป็นเรื่องปกติและน่าหงุดหงิด เป็นเรื่องที่น่าดึงดูดใจที่จะบอกว่าข้อมูลเพิ่มเติมจาก ACT จะช่วยแก้ปัญหาได้ แต่เพียงแค่ทำให้ข้อมูลพลังค์ที่กรอกสมบูรณ์ไปด้วยข้อมูล ACT มากขึ้นจะไม่อธิบายว่าทำไมข้อมูลพลังค์ถึงไม่สนับสนุน EDE ความตึงเครียดดูเหมือนจะต้องการความเข้าใจที่แก้ไขของหนึ่งในการทดลองเหล่านี้ เพื่อที่จะให้กรณีที่ชัดเจนไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง"
Wendy Freedmanศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยชิคาโก ซึ่งทำงานเกี่ยวกับการวัดการขยายตัวของจักรวาล คิดว่าการไล่ตามแบบจำลองทางเลือกต่างๆ เป็นสิ่งสำคัญ
แบบจำลองแลมบ์ดาเย็นสสารมืด (LCDM)
"ปัจจุบันเรามีแบบจำลองจักรวาลวิทยามาตรฐาน ซึ่งเรียกว่าแบบจำลองแลมบ์ดาเย็นสสารมืด (LCDM)" ฟรีดแมนผู้เขียนบทความนี้ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 17 กันยายน พ.ศ. 2564 บนฮับเบิลคอนสแตนท์ใน The Astrophysical Journal อธิบายไว้ใน อีเมล์. "ในแบบจำลองนั้น ประมาณ 1/3 ของสสารทั้งหมด + ความหนาแน่นของพลังงานเกิดจากสสาร (ส่วนใหญ่เป็นสสารมืด) และ 2/3 เกิดจากส่วนประกอบของพลังงานมืด"
"อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน เราไม่รู้ถึงธรรมชาติของสสารมืดหรือพลังงานมืด" ฟรีดแมนกล่าวต่อ "แต่ LCDM ให้ความเหมาะสมอย่างยิ่งกับการทดลองและการสังเกตต่างๆ ที่หลากหลาย เมื่อพิจารณาจากความรู้ของเราแล้ว การทดสอบแบบจำลองมาตรฐานเป็นสิ่งสำคัญอย่างชัดเจน ความคลาดเคลื่อนที่เห็นได้ชัดเจนในปัจจุบันระหว่างค่าคงที่ฮับเบิลที่อนุมานจาก CMB การวัดและการวัดในท้องถิ่นอาจเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงฟิสิกส์ใหม่ ๆ นี่คือเหตุผลที่ฉันบอกว่าการตรวจสอบโมเดลอื่น ๆ นอกเหนือจาก lambda CDM เป็นสิ่งสำคัญ "
แต่ Freedman เพิ่มคำเตือนที่สำคัญ: "อีกทางหนึ่ง อาจมีข้อผิดพลาดเชิงระบบที่ยังไม่ทราบสาเหตุซึ่งทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนที่เห็นได้ชัด ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะลดความไม่แน่นอนในการวัดค่าคงที่ของฮับเบิลในปัจจุบัน"
ตอนนี้น่าสนใจ
หากพลังงานมืดในตอนต้นปรากฏว่ามีอยู่จริง การหาค่าประมาณอายุของเอกภพจะส่งผลให้จักรวาลมีอายุน้อยกว่า 1.4 พันล้านปีในปัจจุบันซึ่งอยู่ที่ 13.8 พันล้านปี
