การกำเนิดเอกภพของจักรวาล

การศึกษาที่ดำเนินการโดยกลุ่มวิจัย Stellar Standard Candles and Distances ซึ่งนำโดย Richard Anderson จากสถาบันฟิสิกส์ของ EPFL ได้เพิ่มชิ้นส่วนใหม่ให้กับปริศนา งานวิจัยของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ในนิตยสารAstronomy & Astrophysicsประสบความสำเร็จในการปรับเทียบดาวเซเฟิด (Cepheid stars) ซึ่งเป็นดาวแปรแสงประเภทหนึ่งที่มีความส่องสว่างผันผวนในช่วงเวลาที่กำหนดได้อย่างแม่นยำที่สุด สำหรับการวัดระยะทางจนถึงปัจจุบัน โดยอิงตามข้อมูลที่รวบรวมโดยองค์การอวกาศยุโรป (ESA) ภารกิจของไกอา การสอบเทียบใหม่นี้ขยายความตึงของฮับเบิลให้มากขึ้น ค่าคงที่ของฮับเบิล (H0) ได้รับการตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ร่วมกับจอร์จ เลอมาตร์ เป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์ดังกล่าวในช่วงปลายทศวรรษที่ 1920 มีหน่วยวัดเป็นกิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก (km/s/Mpc) โดยที่ 1 เมกะพิกเซลมีค่าประมาณ 3.26 ล้านปีแสง การวัดค่า H0 โดยตรงที่ดีที่สุดนั้นใช้ "ขั้นบันไดระยะห่างของจักรวาล" ซึ่งขั้นแรกถูกกำหนดโดยการสอบเทียบความสว่างของ Cepheids แบบสัมบูรณ์ ซึ่งตอนนี้ได้ปรับเทียบใหม่โดยการศึกษาของ EPFL ในทางกลับกัน เซเฟอิดส์ก็ปรับเทียบบันไดขั้นถัดไป ซึ่งเป็นที่ซึ่งซูเปอร์โนวา ซึ่งเป็นการระเบิดที่ทรงพลังของดาวฤกษ์เมื่อสิ้นอายุขัยของพวกมัน ติดตามการขยายตัวของอวกาศเอง บันไดระยะทางนี้วัดโดยซูเปอร์โนวา H0 สำหรับทีม Equation of State of dark energy (SH0ES) ที่นำโดย Adam Riess ผู้ชนะรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2554 ให้ H0 อยู่ที่ 73.0 ± 1.0 km/s/Mpc การแผ่รังสีครั้งแรกหลังบิกแบง นอกจากนี้ยังสามารถระบุ H0 ได้โดยการตีความ CMB ซึ่งเป็นรังสีไมโครเวฟที่แพร่หลายซึ่งหลงเหลือจากบิ๊กแบงเมื่อกว่า 13 พันล้านปีก่อน อย่างไรก็ตาม วิธีการวัด "เอกภพในยุคแรกเริ่ม" นี้ต้องใช้ความเข้าใจทางกายภาพโดยละเอียดที่สุดเกี่ยวกับวิวัฒนาการของเอกภพ ซึ่งทำให้ขึ้นอยู่กับแบบจำลอง ดาวเทียม พลังค์ของ ESA ได้ให้ข้อมูลที่สมบูรณ์ที่สุดใน CMB และตามวิธีนี้ H0 คือ 67.4 ± 0.5 กม./วินาที/Mpc แรงตึงของฮับเบิลอ้างถึงความคลาดเคลื่อนนี้ที่ 5.6 กม./วินาที/Mpc ขึ้นอยู่กับว่าใช้วิธี CMB (เอกภพยุคแรก) หรือวิธีขั้นบันไดระยะทาง (เอกภพช่วงปลาย) ความหมาย โดยนัยที่ว่าการวัดที่ดำเนินการในทั้งสองวิธีนั้นถูกต้อง นั่นคือมีบางอย่างผิดปกติในการทำความเข้าใจกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่ควบคุม จักรวาล โดยธรรมชาติแล้ว ประเด็นสำคัญนี้เน้นย้ำถึงความสำคัญของวิธีการของนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่จะต้องเชื่อถือได้ การศึกษา EPFL ใหม่มีความสำคัญมากเพราะเป็นการเสริมความแข็งแกร่งขั้นแรกของบันไดระยะทางโดยการปรับปรุงการสอบเทียบ Cepheids ในฐานะตัวติดตามระยะทาง การสอบเทียบใหม่ช่วยให้เราสามารถวัดระยะทางทางดาราศาสตร์ได้ภายใน ± 0.9% และสิ่งนี้ช่วยสนับสนุนการวัดเอกภพช่วงปลายได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ ผลลัพธ์ที่ได้รับจาก EPFL โดยความร่วมมือกับทีม SH0ES ช่วยปรับปรุงการวัด H0 ส่งผลให้มีความแม่นยำที่ดีขึ้นและความสำคัญที่เพิ่มขึ้นของแรงตึงของฮับเบิล "การศึกษาของเรายืนยันอัตราการขยาย 73 กม./วินาที/Mpc แต่ที่สำคัญกว่านั้น ยังให้การสอบเทียบ Cepheids ที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากที่สุดในฐานะเครื่องมือในการวัดระยะทางจนถึงปัจจุบัน" Anderson กล่าว "เราได้พัฒนาวิธีการค้นหา Cepheids ที่อยู่ในกระจุกดาวที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์หลายร้อยดวง โดยทดสอบว่าดาวเคลื่อนที่ไปด้วยกันผ่านทางช้างเผือกหรือไม่ ด้วยเคล็ดลับนี้ เราสามารถใช้ประโยชน์จากความรู้ที่ดีที่สุดเกี่ยวกับการวัดพารัลแลกซ์ของ Gaia ในขณะที่ ได้รับประโยชน์จากความแม่นยำที่ได้รับจากดาวสมาชิกกระจุกดาวหลายดวง สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถผลักดันความแม่นยำของพารัลแลกซ์ Gaia ให้ถึงขีดจำกัดและเป็นพื้นฐานที่มั่นคงที่สุดในการวางบันไดระยะทางได้" ทบทวนแนวคิดพื้นฐาน เหตุใดความแตกต่างเพียงไม่กี่กม./วินาที/Mpc จึงมีความสำคัญ เมื่อพิจารณาจากขนาดที่กว้างใหญ่ของเอกภพ "ความแตกต่างนี้มีความสำคัญอย่างมาก" แอนเดอร์สันกล่าว "สมมติว่าคุณต้องการสร้างอุโมงค์โดยขุดเป็นสองด้านตรงข้ามกันของภูเขา หากคุณเข้าใจประเภทของหินอย่างถูกต้องและหากการคำนวณของคุณถูกต้อง หลุมทั้งสองที่คุณขุดก็จะมาบรรจบกันที่ศูนย์กลาง แต่ หากไม่เป็นเช่นนั้นแสดงว่าคุณทำผิดพลาด -- ไม่ว่าคุณจะคำนวณผิดหรือคุณผิดเกี่ยวกับประเภทของหินก็ตาม นั่นคือ สิ่งที่เกิดขึ้นกับค่าคงที่ของฮับเบิล ยิ่งเราได้รับการยืนยันมากขึ้นว่าการคำนวณของเรานั้นถูกต้อง ยิ่งเราสรุปได้ว่าความคลาดเคลื่อนหมายความว่าเราเข้าใจจักรวาลผิด จักรวาลไม่เป็นอย่างที่เราคิด" ความคลาดเคลื่อนมีความหมายอื่นอีกมากมาย มันทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับปัจจัยพื้นฐาน เช่น ธรรมชาติที่แท้จริงของพลังงานมืด ความต่อเนื่องของมิติเวลา และแรงโน้มถ่วง "นั่นหมายความว่าเราต้องคิดใหม่เกี่ยวกับแนวคิดพื้นฐานที่เป็นรากฐานของความเข้าใจโดยรวมของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์" แอนเดอร์สันกล่าว การศึกษาของกลุ่มวิจัยของเขามีส่วนสำคัญในด้านอื่นๆ ด้วย Mauricio Cruz Reyes นักศึกษาระดับปริญญาเอกในกลุ่มวิจัยของ Anderson และผู้เขียนนำรายงานกล่าวว่า "เนื่องจากการวัดของเราแม่นยำมาก จึงให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับเรขาคณิตของทางช้างเผือก" "การสอบเทียบความแม่นยำสูงที่เราพัฒนาขึ้นจะช่วยให้เราระบุขนาดและรูปร่างของทางช้างเผือกในฐานะดาราจักรจานแบนและระยะทางจากดาราจักรอื่นได้ดีขึ้น เป็นต้น งานของเรายังยืนยันความน่าเชื่อถือของข้อมูล Gaia โดยเปรียบเทียบกับข้อมูลที่ถ่าย จากกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ”