รู้ได้อย่างไรว่า “เอกภพ” ขยายตัวด้วยอัตราเร่ง

3 นักวิจัยผู้พบเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งจากการศึกษา ซูเปอร์โนวา คว้าโนเบลฟิสิกส์ 2011 (ซ้ายไปขวา) ไบรอัน ชมิดท์ , ซอล พอลมุตเตอร์และ อดัม รีสส์ (เอเอฟพี)

ผลงานของนักวิทยาศาสตร์ที่ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปีล่าสุด เป็นผลงานจากการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่ง แล้วพวกเขาทราบได้อย่างไรว่าอาณาจักรอันกว้างใหญ่ไพศาลที่โลกเราซ่อนตัวอยู่ในมุมหนึ่งของกาแกลซีเล็กๆ กำลังขยายตัว

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2011 ตกเป็นของ ซอล เพิร์ลมุตเตอร์ (Saul Perlmutter) จากห้องปฏิบัติการเบิร์กเลย์สหรัฐฯ (Berkeley National Laboratory) ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ ไบรอัน ชมิดท์ (Brian Schmidt) จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย (Australian National University) และ อดัม รีสส์ (Adam Riess) จากมหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกินส์ (Johns Hopkins University) ในบัลติมอร์ แมรีแลนด์ สหรัฐฯ จากการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่ง จากการศึกษาการระเบิดของดวงดาวที่เรียกว่าซูเปอร์โนวา (Supernova) ชนิด Ia

ทั้งนี้ ข้อมูลจากหอดูดาวอวกาศรังสีเอกซ์จันทรา (Chandra X-Ray Observatory) ขององค์การบริหารการบินอวกาศสหรัฐฯ (นาซา) อธิบายว่า ทุกๆ 50 ปีหรือประมาณนี้ ดาวขนาดใหญ่ในกาแลกซีของเราจะระเบิดตัวเองเป็นซูเปอร์โนวา ซึ่งนับเป็นหนึ่งในเหตุการณ์รุนแรงที่สุดของเอกภพ และแรงจากการระเบิดจะกระตุ้นให้เกิดแสงวาบจากการแผ่รังสี รวมถึงคลื่นกระแทก (shock wave) คล้ายเสียงโซนิคบูม (sonic boom) และเดิมทีการแบ่งชนิดซูเปอร์โนวาจะแบ่งตามคุณสมบัติทางแสงของซูเปอร์โนวานั้นๆ แต่ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์จำแนกประเภทตามชนิดของดาวที่ระเบิด

ซูเปอร์โนวาชนิด Ia นั้นเป็นการระเบิดอย่างทันทีทันใดเนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เชิงความร้อนหรือเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear) ทำให้ดาวแคระขาวแตกสลาย และยังมีซูเปอร์โนวาชนิด Ib, ชนิด Ic และชนิด II ซึ่งเกิดจากการยุบตัวของใจกลางดวงดาวขนาดยักษ์ โดยการระเบิดชนิด II นั้นจะทิ้งร่องรอยของไฮโดรเจน และเศษซากมวลจากการระเบิดออกมาด้วย แต่การระเบิดชนิด Ia ไม่เหลือเศษซากทิ้งไว้

สำหรับซูเปอร์โนวาชนิด II จะเกิดขึ้นในบริเวณที่มีดาวอายุน้อยที่สว่างใสอยู่เป็นจำนวนมาก อย่างเช่นบริเวณแขนของกาแลกซีก้นหอย (spiral galaxy) แต่ไม่พบในกาแลกซีวงรี (elliptical galaxy) ซึ่งเป็นที่อยู่ของดาวแก่ๆ ที่มีมวลน้อย และเนื่องจากดาวอายุน้อยมักมีมวลมากกว่า 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และหลักฐานร่วมอื่นๆ จึงนำไปสู่ข้อสรุปว่าซูเปอร์โนวาชนิดนี้เกิดจากดาวที่มีมวลมหาศาล

ตรงข้ามกันสำหรับซูเปอร์โนวาชนิด Ia นั้นพบได้ในกาแลกซีทุกประเภท และเป็นซูเปอร์โนวาที่เกิดจากดาวแคระขาว ซึ่งเป็นเศษซากของดาวฤกษ์คล้ายๆ กับดวงอาทิตย์ โดยเป็นดาวที่อัดแน่นด้วยอะตอมของคาร์บอนกับออกซิเจน ซึ่งดาวชนิดนี้เป็นดาวที่ความเสถียรที่สุด ตราบเท่าที่มวลซึ่งเหลืออยู่ยังคงต่ำกว่าค่าขีดจำกัดจันทรสิกขาร์ (Chandrasekhar limit) คือ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

อย่างไรก็ดี หากดาวในระบบดาวคู่ (binary star) ดึงสสารจากดาวแคระขาวที่อยู่เป็นคุ่หรือรวมเข้ากับดาวแคระขาวในระบบ จะทำให้มวลของดาวเกินขีดจำกัดดังกล่าว และอุณหภูมิใจกลางของดาวก็จะเพิ่มสูงขึ้น แล้วจุดชนวนให้เกิการระเบิดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งปลดปล่อยพลังงานออกมามหาศาล โดยการระเบิดกินเวลาประมาณ 10 วินาที และไม่ทิ้งเศษซากเอาไว้ แต่จะมีเมฆฝุ่นฟุ้งกระจายเรืองแสงสว่างสดใสอยู่นานหลายสัปดาห์ เป็นไปตามการสลายตัวของนิกเกิลรังสีที่เกิดจากการระเบิดกลายเป็นโคบอลต์และสลายตัวเป็นเหล็กต่อไป

เนื่องจากซูเปอร์โนวาชนิด Ia ทั้งหมดเกิดขึ้นจากดาวที่มีมวลประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งผลิตแสงออกมาในปริมาณเท่ากัน ซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับเป็นตัวชี้ระยะทาง หากซูเปอร์โนวาชนิดนี้ในตำแหน่งหนึ่งมีแสงหรี่กว่าซูเปอร์โนวาชนิดเดียวอีกตำแหน่งหนึ่ง ในตำแหน่งซูเปอร์โนวาที่แสงหรี่กว่าจะอยู่ไกลกว่า ซึ่งเป็นระยะทางที่สามารถคำนวณได้ และนักวิทยาศาสตร์ได้นำซูเปอร์โนวาชนิดนี้ไปคำนวณหาอัตราการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งนำไปสู่การค้นพบที่น่าตกตะลึงว่าเอกภพของเรากำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่ง ซึ่งอัตราเร่งที่เกิดขึ้นนี้อาจเป็นเพราะเอกภพเต็มไปด้วยสิ่งที่เรียกว่า “พลังงานมืด” (dark energy)

ทางด้าน อดัม สมิธ (Adam Smith) จากเว็บไซต์รางวัลโนเบลได้สัมภาษณ์เพิร์ลมุตเตอร์เป็นเวลาสั้นๆ ตามธรรมเนียมหลังการประกาศผลสาขาฟิสิกส์เมื่อวันที่ 4 ต.ค.ที่ผ่านมา โดยช่วงหนึ่งของการสัมภาษณ์สมิธได้ถามว่า มีใครทราบหรือยังว่าพลังงานมืดที่ผลักให้เอกภพขยายตัวนั้นเป็นอย่างไร ซึ่งเพิร์ลมุตเตอร์ตอบว่า ยัง และไม่เพียงแค่ไม่ทราบว่าคืออะไร แต่ยังไม่ทราบด้วยว่าพลังงานมืดนั้นเป็นพลังงานอีกชนิดของเอกภพด้วยหรือไม่

ส่วน รีสส์ซึ่งร่วมกับชมิดท์ศึกษาซูเปอร์โนวาแข่งกับทีมของเพิร์ลมุตเตอร์ให้สัมภาษณ์สมิธตามธรรมเนียมเช่นกัน และบอกถึงชั่วขณะที่ทีมของเขาวิเคราะห์ข้อมูลและได้ข้อสรุปว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งนั้น เขาบอกกับตัวเองว่า คำตอบดังกล่าวต้องผิดแน่ เขาคงทำการผิดพลาดครั้งใหญ่และต้องหาให้ได้ว่าข้อผิดพลาดดังกล่าวคืออะไร แต่เมื่อทีมของเพิร์ลมุตเตอร์พบในสิ่งเดียวกันเขาจึงเชื่อแน่ว่าคำตอบที่ได้นั้นถูกต้อง โดยทั้งสองทีมต่างวัดระยะทางของซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลออกไปประมาณ 5 พันล้านปีแสง

ซูเปอร์โนวาชนิด Ia เป็นประโยชน์แก่นักดาราศาสตร์เพราะนักดาราศาสตร์ใช้การส่องสว่างของการระเบิดนี้เป็นเสมือน "เทียน" เพื่อใช้วัดระยะทางวัตถุในเอกภพที่อยู่ไกลๆ โดยการทำความความเข้มแสงและฟังก์ชันเวลา ซึ่งทีมวิจัยของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้สุดได้วัดการบิดเบี้ยวของแสงจากซูเปอร์โนวาชนิด Ia เพื่อดูว่ากาแลกซีเคลื่อนห่างจากกันเร็วแค่ไหน เพื่อดูความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ

แสงซึ่งเดินทางมาถึงเราผ่านอวกาศที่กำลังขยายตัว จะยืดขยายออกและกลายเป็นสีแดงมากขึ้น เรียกว่าเป็นปรากฏการณ์ "เรดชิฟท์" (redshifted) และแสงจากซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลกว่าจะเป็นสีแดงมากกว่าแสงจากซูเปอร์โนวาที่อยู่ใกล้กว่า เพราะเดินทางผ่านเอกภพที่กำลังขยายตัวด้วยระยะทางที่ไกลกว่าและใช้เวลานานกว่า

หากแต่ทีมวิจัยก็พบด้วยว่าแสงจากซูเปอร์โนวาในตำแหน่งใกล้สุดนั้นเกิดเรดชิฟท์อย่างผิดสัดส่วน อันเป็นผลจากสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์สรุปได้ว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วกว่าเดิมมาก หรืออีกแง่หนึ่งการขยายตัวของเอกภพมีอัตราเร่ง ซึ่งดวงดาว กาแลกซีและกลุ่มกาแลกซีทั้งหมดกำลังเคลื่อนตัวเร็วขึ้นๆ
ซูเปอร์โนวาชนิด Ia (เอเอฟพี/นาซา)