ค่าคงที่จักรวาลเกี่ยวข้องกับการขยายตัวของเอกภพอย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

ถ้ามองท้องฟ้ายามค่ำคืน ทุกอย่างดูเหมือนสงบนิ่ง แต่เมื่อมองออกไปถึงกาแล็กซีที่อยู่ไกลมาก นักดาราศาสตร์พบว่าเอกภพกำลังขยายตัว และการขยายตัวในช่วงหลังยังเร่งขึ้นด้วย

เรื่องนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องกลับมาพิจารณาส่วนหนึ่งในสมการของไอน์สไตน์ ซึ่งเคยถูกนำมาใช้กับคำถามเกี่ยวกับเอกภพเมื่อกว่าร้อยปีก่อน ส่วนที่ว่านั้นเรียกว่า ค่าคงที่จักรวาล เขียนแทนด้วยอักษรกรีกแลมบ์ดา หรือ Λ

ค่าคงที่จักรวาลเป็นวิธีหนึ่งในการอธิบาย พลังงานมืด ซึ่งเป็นชื่อเรียกสิ่งที่เชื่อว่าอยู่เบื้องหลังการขยายตัวแบบเร่งของเอกภพ ในแบบจำลองมาตรฐาน ค่านี้ทำตัวเสมือนพลังงานของสุญญากาศที่มีความหนาแน่นคงที่ แต่ยังไม่มีข้อยืนยันว่าพลังงานมืดคือค่าคงที่จักรวาลจริง ๆ

นักดาราศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่าเอกภพเร่งขยาย?

ช่วงปลายทศวรรษ 1990 นักวิจัยศึกษาซูเปอร์โนวาชนิดหนึ่งที่ใช้ช่วยประมาณระยะทางได้ เมื่อนำระยะทางมาเปรียบเทียบกับการเลื่อนไปทางแดงของแสงจากกาแล็กซี ก็พบหลักฐานว่าการขยายตัวของเอกภพในช่วงหลังไม่ได้ชะลอลงตามที่เคยคาด แต่กลับเร่งขึ้น

การเลื่อนไปทางแดงในที่นี้เกิดจากแสงที่เดินทางผ่านอวกาศซึ่งกำลังขยายตัว ทำให้ความยาวคลื่นของแสงยืดออก การสังเกตวัตถุที่อยู่ไกลจึงช่วยให้ย้อนดูได้ว่าเอกภพขยายตัวอย่างไรในอดีต เพราะแสงจากวัตถุเหล่านั้นใช้เวลานานกว่าจะเดินทางมาถึงเรา

นอกจากซูเปอร์โนวา นักวิทยาศาสตร์ยังใช้ข้อมูลจากรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพและการกระจายตัวของกาแล็กซีมาประกอบกัน หลักฐานแต่ละชนิดวัดคนละแง่มุม และช่วยตรวจสอบว่าแบบจำลองอธิบายภาพรวมได้ดีเพียงใด

พื้นที่กำลังขยาย ไม่ใช่ทุกอย่างพองตาม

ลองนึกถึงจุดเล็ก ๆ บนผิวลูกโป่ง เมื่อเป่าลูกโป่งให้พอง ระยะห่างระหว่างจุดจะเพิ่มขึ้น ภาพนี้ช่วยให้จินตนาการถึงการขยายตัวของอวกาศระหว่างกาแล็กซีที่อยู่ห่างกันได้ โดยไม่จำเป็นต้องมีกาแล็กซีใดเป็นศูนย์กลางของการขยายตัว

แต่ลูกโป่งเป็นเพียงภาพเปรียบเทียบ เอกภพไม่ได้จำเป็นต้องเป็นผิวลูกโป่งที่พองอยู่ในห้องขนาดใหญ่ และวัตถุที่ยึดเหนี่ยวกันอยู่แล้ว เช่น คน โลก ระบบสุริยะ หรือกาแล็กซีของเรา ก็ไม่ได้ขยายตามภาพเปรียบเทียบนี้ เพราะแรงยึดเหนี่ยวในระบบเหล่านั้นมีบทบาทเหนือการขยายตัวในระดับดังกล่าว

จากสมการของไอน์สไตน์สู่คำถามใหม่

ไอน์สไตน์เพิ่มค่าคงที่จักรวาลลงในสมการสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อพยายามสร้างแบบจำลองเอกภพที่อยู่นิ่ง ต่อมาเมื่อพบหลักฐานว่าเอกภพขยายตัว แนวคิดเรื่องเอกภพอยู่นิ่งก็หมดความจำเป็น แต่หลังจากค้นพบการขยายตัวแบบเร่ง ค่าคงที่นี้กลับกลายเป็นคำอธิบายที่นักจักรวาลวิทยานำมาศึกษาอีกครั้ง

ตามแบบจำลองมาตรฐาน พลังงานมืดคิดเป็นประมาณ 68% ของปริมาณมวลและพลังงานรวมของเอกภพในปัจจุบัน ตัวเลขนี้เป็นผลจากการวิเคราะห์ข้อมูลภายใต้แบบจำลอง ไม่ได้หมายความว่าเรามองเห็นพลังงานมืดโดยตรง ส่วนสสารมืดเป็นอีกเรื่องหนึ่ง แม้ทั้งสองอย่างจะมีคำว่า ‘มืด’ เหมือนกัน แต่สสารมืดเกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงและการก่อตัวของโครงสร้างในเอกภพ

นักวิทยาศาสตร์ยังศึกษาความเป็นไปได้อื่นด้วย เช่น พลังงานมืดที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา หรือการที่ความเข้าใจเรื่องแรงโน้มถ่วงในระดับเอกภพอาจต้องปรับแก้ การวัดให้ละเอียดขึ้นจึงสำคัญ เพราะแต่ละแนวคิดทำนายประวัติการขยายตัวและการเติบโตของโครงสร้างต่างกัน

ภารกิจอย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศยูคลิดขององค์การอวกาศยุโรปจึงสำรวจกาแล็กซีจำนวนมาก เพื่อศึกษาทั้งการขยายตัวและการก่อตัวของโครงสร้างในเอกภพ ข้อมูลเหล่านี้อาจช่วยแยกได้ว่าแนวคิดใดสอดคล้องกับธรรมชาติมากที่สุด

ตอนนี้คำตอบที่ชัดที่สุดคือ ค่าคงที่จักรวาลเป็นส่วนประกอบของแบบจำลองที่ใช้อธิบายการเร่งขยายได้ ส่วนธรรมชาติแท้จริงของพลังงานมืดยังเป็นคำถามเปิด และคำตอบนั้นอาจช่วยให้เราคาดการณ์อนาคตอันไกลโพ้นของเอกภพได้แม่นยำขึ้น