การสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์เข้าใจบิ๊กแบงมากขึ้น

ตกลง เรามาเริ่มกันที่ความชัดเจนกันดีกว่า บิ๊กแบงยังไม่ตาย การสังเกตการณ์ล่าสุดโดยกล้องโทรทรรศน์

อวกาศเจมส์ เวบบ์ไม่ได้พิสูจน์หักล้างบิ๊กแบง แม้ว่าจะมีบทความยอดนิยมบางบทความอ้างว่าเป็นอย่างอื่นก็ตาม ถ้านั่นคือทั้งหมดที่คุณต้องการจะได้ยิน ก็ขอให้มีวันที่ดี ที่กล่าวว่าการสังเกตการณ์ล่าสุดของเวบบ์เปิดเผยบางสิ่งที่แปลกประหลาดและไม่คาดฝันเกี่ยวกับจักรวาล และหากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติม ให้อ่านต่อไป

มาเริ่มกันที่ข่าวลือ ข้อมูลใหม่ของเว็บบ์จะแนะนำว่าบิ๊กแบงผิดอย่างไร ข้อมูลประเภทเดียวกันที่ฮับเบิลให้เราเมื่อหลายปีก่อน โดยทั่วไปเราคิดว่าหลักฐานของบิ๊กแบงมีศูนย์กลางอยู่ที่ข้อเท็จจริงสองประการ: อย่างแรก ดาราจักรที่อยู่ไกลออกไปมีการเลื่อนสีแดงที่สูงกว่าดาราจักรที่อยู่ใกล้ และประการที่สอง จักรวาลเต็มไปด้วยพื้นหลังของรังสีไมโครเวฟ

ครั้งแรกแสดงให้เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัวในทุกทิศทาง ในขณะที่ครั้งที่สองแสดงให้เห็นว่าครั้งหนึ่งมันเคยอยู่ในสภาพที่ร้อนจัดและหนาแน่นมาก เหล่านี้เป็นข้อมูลสองในสามเสาหลักที่สนับสนุนบิ๊กแบง ที่สามคือความอุดมสมบูรณ์ขององค์ประกอบในเอกภพยุคแรก

แต่ข้อสังเกตเหล่านี้เป็นเพียงพื้นฐานของโมเดลบิ๊กแบง เราได้ขยายสิ่งเหล่านี้มาเป็นเวลานานเพื่อสร้างแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา หรือที่เรียกว่าแบบจำลอง LCDM นั่นคือจักรวาลที่เริ่มต้นด้วยบิ๊กแบงและเต็มไปด้วยสสาร สสารมืด และพลังงานมืด ทุกอย่างตั้งแต่การเร่งการขยายตัวของจักรวาลไปจนถึงการรวมกลุ่มของกาแลคซี่สนับสนุนโมเดลมาตรฐานนี้ และตัวแบบมาตรฐานจะทำการคาดคะเนเกี่ยวกับการทดสอบเชิงสังเกตอื่นๆ เพื่อให้เราสามารถพิสูจน์ความถูกต้องของมันต่อไปได้ นั่นคือสิ่งที่เรียกร้องล่าสุดของ “หน้าอกใหญ่” เข้ามาเล่น

แผนภูมิแสดงเวลาย้อนหลังที่ฮับเบิลและเว็บบ์สามารถสังเกตได้JWST มองเห็นได้ลึกกว่าฮับเบิลมาก NASA, ESA, ลีอาห์ ฮัสตัก (STScI)หนึ่งในการทดสอบรองเหล่านี้เรียกว่าการทดสอบความสว่างพื้นผิวของ Tolman มันถูกเสนอครั้งแรกในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดย Richard C. Tolman และเปรียบเทียบความสว่างที่เห็นได้ชัดของดาราจักรกับขนาดที่ปรากฏ อัตราส่วนความสว่างต่อขนาดเรียกว่าความสว่างของพื้นผิว

โดยทั่วไป ยิ่งดาราจักรใหญ่เท่าใด ก็ยิ่งควรสว่างมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นความสว่างพื้นผิวของดาราจักรทุกแห่งจึงควรใกล้เคียงกัน ดาราจักรที่อยู่ห่างไกลออกไปจะดูมืดลง แต่ก็มีขนาดที่เล็กกว่าเช่นกัน ดังนั้นความสว่างของพื้นผิวจึงยังคงเท่าเดิม การทดสอบ Tolman คาดการณ์ว่าในเอกภพที่นิ่งและไม่ขยายตัว ความสว่างของพื้นผิวของดาราจักรทั้งหมดควรจะเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงระยะทาง

นี่ไม่ใช่สิ่งที่เราเห็น สิ่งที่เราสังเกตเห็นคือดาราจักรที่อยู่ไกลออกไปมีความสว่างที่พื้นผิวที่หรี่ลงกว่าดาราจักรที่อยู่ใกล้ๆ ปริมาณการหรี่แสงเป็นสัดส่วนกับปริมาณการเปลี่ยนสีแดงที่ดาราจักรมี คุณอาจคิดว่านี่เป็นการพิสูจน์ว่าดาราจักรที่อยู่ห่างไกลทั้งหมดกำลังเร่งออกไปจากเรา แต่จริงๆ แล้วไม่เป็นเช่นนั้น หากดาราจักรที่อยู่ห่างไกลเหล่านั้นกำลังเร่งออกไป คุณจะมีผลการหรี่แสงสองแบบ การเปลี่ยนสีแดงและระยะทางที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ การทดสอบ Tolman คาดการณ์ว่าในเอกภพที่ขยายอย่างง่าย ความสว่างพื้นผิวของดาราจักรควรลดสัดส่วนลงตามสัดส่วนทั้ง redshift และระยะทาง เราจะเห็นแต่ผลของการเปลี่ยนสีแดงเท่านั้น

ความจริงข้อนี้ทำให้บางคนเสนอจักรวาลที่คงที่ซึ่งแสงจะสูญเสียพลังงานไปตามธรรมชาติเมื่อเวลาผ่านไป เป็นสมมติฐานที่เรียกว่าเหนื่อยง่าย และเป็นที่นิยมมากในหมู่คู่ต่อสู้ของบิ๊กแบง หากเอกภพหยุดนิ่งและแสงอ่อนลง การทดสอบ Tolman จะทำนายสิ่งที่เราสังเกตเห็นได้อย่างแม่นยำ จึงไม่เกิดบิ๊กแบง

ย้อนกลับไปในปี 2014 Eric Lerner และคณะ ตีพิมพ์บทความที่ทำตรงประเด็นนี้ มันทำให้เกิดความวุ่นวายของ “บิ๊กแบงเดด!” บทความในสื่อยอดนิยม การอ้างสิทธิ์ล่าสุดเกี่ยวกับ Webb ที่ฆ่าบิ๊กแบงเริ่มต้นด้วยบทความยอดนิยมโดย Eric Lerner คนเดียวกัน ดังนั้นเราจึงอยู่ที่นี่ ในความเป็นธรรม ย้อนกลับไปในปี 2014 การสังเกตการณ์ของฮับเบิลสนับสนุนข้ออ้างของเลอร์เนอร์ และข้อสังเกตล่าสุดของเวบบ์ก็เช่นกัน แต่สิ่งที่เลอร์เนอร์ละเว้นจากบทความโดยสะดวกก็คือการสังเกตการณ์ของฮับเบิลและเวบบ์ยังสนับสนุนโมเดล LCDM ด้วย

เป็นความเข้าใจผิดทั่วไปที่การเปลี่ยนแปลงทางแดงพิสูจน์ให้เห็นว่ากาแล็กซีกำลังเร่งออกไปจากเรา พวกเขาไม่ได้ กาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไปไม่ได้เร่งผ่านอวกาศ อวกาศเองก็กำลังขยายตัว ทำให้ระยะห่างระหว่างเรามากขึ้น เป็นความแตกต่างเล็กน้อย แต่หมายความว่ากาแล็กซี่เรดชิฟต์เกิดจากการขยายตัวของจักรวาล ไม่ใช่การเคลื่อนที่แบบสัมพัทธ์ นอกจากนี้ยังหมายความว่าดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจะดูใหญ่กว่าในจักรวาลคงที่เล็กน้อย พวกมันอยู่ไกลและเล็ก แต่การขยายพื้นที่ทำให้ภาพมายาดูใหญ่ขึ้น ด้วยเหตุนี้ ความสว่างพื้นผิวของดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจึงหรี่ลงเพียงสัดส่วนกับการเลื่อนแดงเท่านั้น

แผนภูมิแสดงการทำงานของดอปเปลอร์เอฟเฟกต์ รวมทั้งดาราจักรที่ถอยกลับCosmic redshift ไม่ได้เกิดจากเอฟเฟกต์ Doppler เครดิต:แน่นอน เรารู้ว่าแสงเมื่อยล้านั้นผิดเพราะพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล จักรวาลที่สงบนิ่งและสว่างไสวจะไม่มีความร้อนเหลือจากลูกไฟดึกดำบรรพ์ ไม่ต้องพูดถึงข้อเท็จจริงที่ว่าดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจะดูพร่ามัว (แต่ไม่เป็นเช่นนั้น) และมหานวดาราที่อยู่ห่างไกลจะไม่ถูกขยายเวลาด้วยการขยายตัวของจักรวาล โมเดลเดียวที่สนับสนุนหลักฐานทั้งหมดคือบิ๊กแบง ข้อโต้แย้งของ Lerner เป็นเรื่องเก่าที่ได้รับการพิสูจน์หักล้างมานานแล้ว

ทั้งหมดที่กล่าวมา กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ได้พบสิ่งผิดปกติบางอย่าง ที่สำคัญที่สุด มันได้พบดาราจักรและดาราจักรที่อยู่ห่างไกลออกไปมากกว่าที่ควรจะเป็น และอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่ปฏิวัติวงการในแบบจำลองมาตรฐานของเรา

ความเข้าใจในปัจจุบันของเราคือหลังจากเกิดบิ๊กแบง จักรวาลได้ผ่านช่วงเวลาที่เรียกว่ายุคมืด ในช่วงเวลานี้ แสงแรกของจักรวาลได้จางหายไป และดาวฤกษ์ดวงแรกและดาราจักรก็ยังไม่ก่อตัวขึ้น เว็บบ์มีความอ่อนไหวมากจนสามารถเห็นกาแลคซีที่อายุน้อยที่สุดบางส่วนที่เกิดขึ้นหลังยุคมืด เราคาดว่าดาราจักรอายุน้อยเหล่านั้นจะมีจำนวนน้อยลงและมีการพัฒนาน้อยกว่าดาราจักรรุ่นหลังๆ แต่การสังเกตของเว็บบ์พบว่าดาราจักรอายุน้อยๆ ที่ขยับตัวไปทางแดงมาก ซึ่งทั้งธรรมดาและโตเต็มที่อย่างน่าประหลาดใจ

เป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์ข้อมูลคาดไม่ถึงและคาดไม่ถึง นั่นเป็นเหตุผลที่เราต้องการสร้างกล้องโทรทรรศน์เว็บบ์ตั้งแต่แรก และมันบอกเราว่าถึงแม้โมเดลบิ๊กแบงจะไม่ผิด แต่ข้อสันนิษฐานบางอย่างของเราอาจเป็นแบบนั้น

 

 

 

Releated