การขยายตัวเพิ่มขึ้น

เลนส์แรงโน้มถ่วงสูงที่สร้างโดยกระจุกดาวขนาดใหญ่เป็นเครื่องมือที่ทรงพลัง แต่พวกเขาไม่ธรรมดา แสงจากดาราจักรส่วนใหญ่ไม่ผ่านเข้าใกล้กระจุก เช่น Abell 2744 ระหว่างทางมายังโลก แต่มีกระจุกดาวขนาดเล็กจำนวนมากและแม่น้ำสายยาวของกาแลคซี่ ที่รู้จักกันในชื่อไส้หลอดของดาราจักร ซึ่งซอมซ่อกับแสงและสร้างเลนส์ที่อ่อนแอ Joshua Frieman นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จาก Fermi National Accelerator Laboratory ในเมืองบาตาเวีย รัฐอิลลินอยส์ กล่าวว่า “วัตถุที่อยู่ห่างไกลทุกวัตถุมีภาพบิดเบี้ยวด้วยจำนวนเล็กน้อย

การบิดเบือนที่ละเอียดอ่อนนั้นอาจเป็นกุญแจสำคัญในการไขความลึกลับที่ยากที่สุดประการหนึ่งในดาราศาสตร์สมัยใหม่: อะไรเป็นสาเหตุให้การขยายตัวของจักรวาลเร็วขึ้น?

ซุปเปอร์โนวาในดาราจักรอื่นปรากฏขึ้นไกลเกินกว่าที่คาดไว้จากเอกภพที่กำลังขยายตัวทีละน้อย เมื่อประมาณ 7 พันล้านปีก่อน มีบางอย่างเหยียบคันเร่งจักรวาลและทำให้การขยายตัวเร็วขึ้น

นักวิจัยเรียกพลังที่น่ารังเกียจนี้ว่า “พลังงานมืด” ( SN: 5/5/12, p. 17 ) 

พวกเขาไม่รู้แน่ชัดว่ามันคืออะไร แต่แนวคิดหนึ่งก็คือมันเป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของพื้นที่ที่อยู่ที่นั่นเสมอโดยซ่อนตัวอยู่เบื้องหลัง เมื่อถึงจุดหนึ่ง เมื่อเอกภพขยายออก ความหนาแน่นของสสารและพลังงานก็ลดลงมากพอที่พลังงานมืดจะเข้ามาครอบงำ

แนวคิดนี้เริ่มต้นจากไอน์สไตน์เมื่อเขาตระหนักว่าทฤษฎีของเขาบรรยายถึงจักรวาลที่ไม่เสถียรซึ่งแรงโน้มถ่วงสามารถดึงดาวทั้งหมดของมันเข้าด้านในด้วยการยุบตัวครั้งใหญ่ นั่นไม่ได้เกิดขึ้นอย่างชัดเจน ดังนั้นเขาจึงแก้สมการของเขาเหลวไหลและเพิ่มใน “ค่าคงที่จักรวาล” เพื่อทำให้สิ่งต่างๆ ถูกต้อง

ไอน์สไตน์เขียนในปี 1917 ว่า “เพื่อที่จะได้มุมมองที่สอดคล้องกันนี้ เราต้องยอมรับที่จะแนะนำการขยายสมการสนามของความโน้มถ่วง ซึ่งไม่ได้ถูกพิสูจน์โดยความรู้ที่แท้จริงของเราเกี่ยวกับความโน้มถ่วง”

เขาล้มเลิกความคิดนี้หลังจากที่ Edwin Hubble รายงานในปี 1929 ว่าดาราจักรต่างๆ ดูเหมือนจะถอยห่างจากกันและกันด้วยความเร็วที่มากขึ้นเรื่อยๆ ยิ่งอยู่ห่างกันมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งเป็นการค้นพบที่บอกเป็นนัยว่าจักรวาลกำลังขยายตัว แต่การบัญชีเชิงสร้างสรรค์ของไอน์สไตน์กลับกลายเป็นกระแสนิยมอีกครั้ง วันนี้ค่าคงที่จักรวาลวิทยาของเขาอาจเป็นพารามิเตอร์ที่อธิบายว่าพลังงานมืดขยายจักรวาลอย่างไร

นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องรู้บางสิ่งเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลังงานมืด ตัวอย่างเช่น พลังงานมืดคงที่จริง ๆ หรือเปล่า เอลลิสถามหรือว่ามันเปลี่ยนไปตามกาลเวลา? “จนกว่าเราจะวัดมันเป็นหน้าที่ของเวลา” เขากล่าว “เราไม่รู้”

พลังงานมืดแข่งขันกับสสารมืด 

สารที่เข้าใจยากที่รวบรวมกาแลคซีและกระจุกของพวกมัน — เพื่อสร้างนั่งร้านสำหรับจักรวาล สถานที่ที่อะตอมสามารถรวมตัวกันและก่อตัวเป็นดาวและดาวเคราะห์ สสารมืดดึงสิ่งต่าง ๆ เข้าด้วยกันและพลังงานมืดพยายามแยกมันออกจากกัน “มันเป็นการต่อสู้ครั้งยิ่งใหญ่” Frieman กล่าว

Frieman เป็นผู้นำโครงการที่เรียกว่าDark Energy Surveyซึ่งส่วนหนึ่งใช้เวลาห้าปีในการติดตามว่าการชักเย่อครั้งนี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป การสำรวจกำลังมองหาเลนส์ความโน้มถ่วงต่ำที่สร้างขึ้นโดยนั่งร้านนั้น แคชที่ซ่อนอยู่ของสสารมืดทำให้ภาพของกาแล็กซีหลายพันดวงเบ้เล็กน้อยซึ่งมีท้องฟ้าผืนเดียวกัน โดยการวัดความบิดเบี้ยวที่ละเอียดอ่อนมากของดาราจักรประมาณ 200 ล้านกาแล็กซี นักวิจัยกำลังทำแผนที่กระจุกสสารมืดย้อนกลับไปในช่วงเวลาที่เอกภพมีขนาดประมาณครึ่งหนึ่งในปัจจุบัน ( SN: 5/16/15, p. 9 ) การรู้ว่าความโกลาหลของจักรวาลเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตั้งแต่นั้นมา จะช่วยให้นักวิจัยเข้าใจว่าพลังงานมืดเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรหรืออย่างไร

ทีม Dark Energy อยู่ในปีที่สามและเริ่มวิเคราะห์ข้อมูลจากซีซันแรก Frieman คาดว่าข้อมูลที่รวมกันในช่วงสองปีแรกควรเริ่มแยกแยะแนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับพลังงานมืด

ระลอกคลื่นในอวกาศแม้แต่กับเลนส์โน้มถ่วง บางสิ่งก็อยู่ไกลเกินไปหรือเลือนลางเกินกว่าจะมองเห็นได้ โชคดีที่จักรวาลของ Einstein มีวิธีแก้ไข นั่นคือ คลื่นความโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงเกิดขึ้นเมื่อมวลย่นโครงสร้างของกาลอวกาศ เช่นเดียวกับลูกบอลที่กระเด็นออกจากแผ่นยาง มวลที่เร่งความเร็วควรส่งคลื่นความโน้มถ่วงออกไป ซึ่งเป็นระลอกคลื่นที่ทำให้อวกาศยืดออกและบีบตัว

การสร้างความพลิ้วไหวที่ตรวจพบได้ต้องใช้เหตุการณ์ภัยพิบัติ การชนกันของหลุมดำ การรวมตัวกันของดาวนิวตรอนและแม้แต่บิ๊กแบงเอง ( SN: 2/21/15, p. 13 ) ควรส่งคลื่นในอวกาศที่สะท้อนไปทั่วจักรวาล หากมีวิธีรับรู้คลื่นของกาลอวกาศเหล่านี้ นักดาราศาสตร์ก็สามารถตรวจสอบสิ่งที่พัดไปมารอบจักรวาลที่อาจมองไม่เห็นได้

การค้นหาสัญญาณดังกล่าวกำลังดำเนินการอยู่ที่หอดูดาว Laser Interferometer Gravitational-Wave หรือ LIGO ซึ่งเป็นโรงงานแฝดในรัฐลุยเซียนาและรัฐวอชิงตัน หากคลื่นซัดเหนือพื้นโลก ระยะห่างที่แม่นยำระหว่างกระจกคู่หนึ่งที่ห้อยอยู่ที่ปลายท่อตั้งฉากยาว 4 กิโลเมตรจะสั่นเมื่อช่องว่างระหว่างกระจกขยายและหดตัว เลเซอร์ที่สะท้อนกลับภายในหลอดเหล่านี้สามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงในระยะทางที่น้อยกว่าหนึ่งในพันของความกว้างของโปรตอน

นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงทางอ้อมแล้ว ในปี 1974 โจเซฟ เทย์เลอร์ ( SN: 7/11/15, p. 4 ) และรัสเซลล์ ฮูลส์ จากนั้นที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ แอมเฮิร์สต์ ได้ค้นพบพัลซาร์คู่แรกซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่หมุนอย่างรวดเร็วซึ่งโคจรรอบดาวข้างเคียง ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า พัลซาร์จะเคลื่อนเข้าหาส่วนที่มองไม่เห็นด้วยอัตรา 3.5 เมตรต่อปี ซึ่งเป็นการคาดคะเนของวงโคจรที่แน่นแฟ้นโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปหากทั้งคู่แผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกมา การค้นพบนี้ทำให้ Taylor และ Hulse ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1993