วิกฤต “ความเครียดฮับเบิล” : จักรวาลขยายตัวเร็วเกินไป !

วันที่ 15 มกราคม ค.ศ. 2025 คณะนักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยดุ๊ก (Duke University) สหรัฐอเมริกา ตีพิมพ์รายงานในวารสาร The Astrophysical Journal Letters ผลการศึกษาอัตราการขยายตัวของจักรวาลที่เร็วขึ้นมาก ตอกย้ำปัญหา “Hubble Tension” หรือ “ความเครียดฮับเบิล” ให้กลายเป็นปัญหาใหญ่ระดับ “วิกฤต” ทางดาราศาสตร์

“เชื่อ คิด และทำ อย่างวิทยาศาสตร์” วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่านไปติดตามเรื่องที่กำลังเป็นหนึ่งในปัญหาใหญ่ของดาราศาสตร์โลกปัจจุบัน คือ ปัญหาเกี่ยวกับกฎของฮับเบิล (Hubble Law) ที่เรียกกันว่า “ความเครียดฮับเบิล” และแนวโน้มทางออกที่นักดาราศาสตร์กำลังมองว่าอาจทำให้เกิดการ “ก้าวกระโดดใหม่” ทางดาราศาสตร์ 

ผลใหม่ล่าสุดการขยายตัวของจักรวาล

โจทย์ตรงๆ ขั้นต้นของเรื่องนี้ คือ ค่าคงที่หรือค่านิจฮับเบิล (Hubble Constant) ในกฎของฮับเบิล ซึ่งก็คือ อัตราการขยายตัวของจักรวาล

คณะนักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยดุ๊ก ใช้วิธีการหาค่านิจฮับเบิลให้ได้อย่างแม่นยำ เริ่มต้นด้วยการหาระยะห่างระหว่างซูเปอร์โนวาประเภท 1a จำนวน 13 ดวง กับกระจุกกาแล็กซีโคมา (Coma Galaxy Cluster) ด้วยวิธีการใหม่เรียก เดซี (DESI : Dark Energy Spectroscopic Instrument) ได้ผลออกมาเป็นประมาณ 320 ล้านปีแสง ซึ่งอยู่ในช่วงระยะกลางๆ ของค่าเดียวกันที่นักดาราศาสตร์หากันมาเป็นเวลาประมาณ 40 ปี และถือว่า น่าเชื่อถือ

จากนั้น คณะนักดาราศาสตร์ก็ใช้ระยะทางนี้ เป็นเสมือนขั้นบันไดแรกจากโลกขึ้นไปหาระยะทางที่ไกลออกไปของจักรวาล จนกระทั่งได้ผลสุดท้ายออกมาเป็นค่าอัตราการขยายตัวของจักรวาล คือ ค่านิจฮับเบิล มีค่า 76.5 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะปาร์เซก (km/s/Mpc : kilometer per second per megaparsec)

ความหมายคือ จักรวาลกำลังขยายตัวเร็วขึ้น 76.5 กิโลเมตรต่อวินาทีของทุก 3.26 ล้านปีแสง

แล้วผลที่ได้มีความหมายอย่างไรในประเด็นที่เรากำลังสนใจ คือ ความเครียดฮับเบิลที่กำลังถูกยกระดับเป็น “วิกฤต”

เรื่องนี้จำเป็นต้องย้อนเวลากลับไปถึงจุดกำเนิด “กฎของฮับเบิล” เมื่อประหนึ่งร้อยปีก่อน 

กำเนิดกฎของฮับเบิล

อย่างเร็วๆ กฎของฮับเบิล เกิดขึ้นในปีค.ศ. 1929 หลังจากที่ เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble : ปี ค.ศ. 1889-1953) ได้เป็นคนแรกที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ (100 นิ้ว) แห่งแรกของโลกที่หอดูดาวเขาวิลสัน ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ทรงพลังการขยายมากที่สุดเวลานั้น ศึกษาท้องฟ้าและจักรวาล

จากกล้องโทรทรรศน์ ฮับเบิลพบว่า สิ่งที่เข้าใจและเรียกกันเป็น เนบิวลาแอนโดรเมดา (Andromeda Nebula) อยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา จริงแล้วเป็น “กาแล็กซี” มิใช่ “เนบิวลา” แถมยังเป็นกาแล็กซีใหญ่กว่ากาแล็กซีทางช้างเผือกเสียอีก

การค้นพบของฮับเบิลครั้งนี้ นับเป็นการค้นพบ (โดยทางปฏิบัติ มิใช่โดยทางทฤษฎี) ทางดาราศาสตร์ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งศตวรรษที่ยี่สิบ เพราะเป็นการค้นพบที่เปลี่ยนความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างหรือองค์ประกอบของจักรวาล ซึ่งตั้งแต่เก่าแก่โบราณนานมาเป็นเวลาหลายพันปี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หลังการค้นพบโดยกาลิเลโอ (ค.ศ. 1564-1642) ว่า ทางช้างเผือกที่เห็นในท้องฟ้า จริงๆแล้ว ประกอบด้วยดวงดาวจำนวนมหาศาล ซึ่งเริ่มต้นความเข้าใจถึงรายละเอียดโครงสร้างจักรวาลยุคใหม่ว่า จักรวาลมิได้ประกอบด้วยกาแล็กซีเพียงกาแล็กซีเดียว คือ กาแล็กซีทางช้างเผือกเท่านั้น 

แต่ฮับเบิลมิได้ค้นพบเพียงแอนโดรเมดาว่า เป็นอีกหนึ่งกาแล็กซีคล้ายทางช้างเผือก เขาได้ค้นพบว่า จักรวาลประกอบด้วยกาแล็กซีนับล้านกาแล็กซีทีเดียว (โดยข้อมูลในปัจจุบันอย่างหยาบๆ จักรวาลประกอบด้วยกาแล็กซีทั้งหมดประมาณหนึ่งแสนล้านกาแล็กซี พอๆ กับจำนวนดาวฤกษ์ในกาแล็กซีทางช้างเผือกว่า มีอยู่ประมาณหนึ่งแสนล้านดวง)

ยิ่งไปกว่านั้น ฮับเบิลยังได้ค้นพบอีกว่าบรรดากาแล็กซีจำนวนมหาศาลที่ประกอบเป็นจักรวาล ล้วนแต่กำลังเคลื่อนที่หนีห่างออกไปจากโลก ซึ่งหมายความว่า จักรวาลกำลังขยายตัว

แล้วในปีค.ศ. 1929 ฮับเบิลจึงตีพิมพ์สรุปผลการค้นพบของเขาออกมา เป็นสมการเรียกกันต่อมาว่า กฎของฮับเบิล หรือ Hubble Law มีสาระสำคัญที่สุด คือ จักรวาลกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร็วคงที่ เรียก ค่านิจฮับเบิล หรือ Hubble Constant

ในการตีพิมพ์กฎของฮับเบิลครั้งแรก ฮับเบิลได้ค่านิจฮับเบิลเป็น 500 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก (km/s/Mpc)

กฎของฮับเบิลกับทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์

การค้นพบทางทฤษฎีวิทยาศาสตร์ยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งศตวรรษที่ยี่สิบ ซึ่งเป็นผลงานของนักวิทยาศาสตร์เพียงคนเดียว คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์

ไอน์สไตน์ตั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปขึ้นมาในปี ค.ศ. 1915 ต่อมา ในปี ค.ศ. 1917 ไอน์สไตน์ทดลองใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของตนเองกับสภาพของจักรวาล โดยคาดหวังว่า ผลจะออกมาสอดคล้องกับสภาพของจักรวาลแบบสภาวะคงที่ (Steady State universe) ที่ยึดถือกันตลอดมา...

แต่ไอน์สไตน์กลับพบว่า จักรวาลตามทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป เป็นจักรวาลที่มีสภาพไม่คงที่ คือ มีการขยายตัว ซึ่งไอน์สไตน์ก็ตกใจ และจึงใส่ “cosmological constant” หรือ “ค่านิจจักรวาล” เข้าไปในผลจากสัมพัทธภาพภาคทั่วไป เพื่อทำให้จักรวาลมีสภาพคงที่ 

แม้แต่เมื่อนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ เช่น จอร์จ เลอแมตร์ (Georges Lemaître) นักบวชและนักฟิสิกส์ชาวเบลเยียม ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์อย่างตรงๆ และได้ผลแบบเดียวกับไอน์สไตน์ว่า จักรวาลกำลังขยายตัว และยังเดินหน้าต่อพบว่า จักรวาลมีกำเนิดจากจุดเริ่มต้น ซึ่งต่อมาก็คือ “บิกแบง” (Big Bang) ไอน์สไตน์ก็ยังไม่เชื่อ แม้แต่ผลจากฮับเบิลที่สรุปออกมาเป็นกฎของฮับเบิลในปี ค.ศ. 1929 ว่า จักรวาลกำลังขยายตัว ไอน์สไตน์ก็ยังไม่ยอมเชื่อ...

จนกระทั่งเมื่อในปี ค.ศ. 1931 และฮับเบิลได้แสดงให้ไอน์สไตน์เห็น ทั้งกาแล็กซีจำนวนมหาศาล และการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีต่างๆ ที่แสดงถึงการขยายตัวของจักรวาล ไอน์สไตน์จึง “แสดงความยินดีกับฮับเบิล” และยอมรับในที่สุดว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของตนเอง ใช้ได้! ถูกต้อง! โดยไม่ต้องมี “ค่านิจจักรวาล”

 “ความเครียดฮับเบิล” กับ “รางวัลโนเบล”

ในช่วงเวลาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1929 มา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความก้าวหน้าของกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ ทั้งบนโลกและในอวกาศ รวมทั้งขีดความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ยุคต่อๆมาที่เพิ่มการ “มองเห็น” ไปถึงคลื่นวิทยุ , ไมโครเวฟ , รังสีอินฟราเรด , รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมา ดาราศาสตร์โลกก็เกิดความก้าวหน้าแบบก้าวกระโดดมากมาย...

แล้วปัญหาเกี่ยวกับกฎของฮับเบิลก็จึงเริ่มปรากฏและยิ่งชัดเจนขึ้น !

อย่างตรงๆ ปัญหาเกี่ยวกับกฎของฮับเบิล ก็คือ ค่านิจฮับเบิล ซึ่งปรากฏว่า ยิ่งนักดาราศาสตร์มีเครื่องมือคือ กล้องโทรทรรศน์และวิธีการศึกษาจักรวาลได้ละเอียดมากขึ้นเท่าใด ก็ปรากฏว่า เกิดการคลาดเคลื่อนกับค่านิจฮับเบิลที่มีอยู่มากขึ้น จนกระทั่งเรียกกันเป็น “ความเครียดฮับเบิล”

ความเครียดฮับเบิลที่ถูกโหมให้หนักขึ้น แต่ก็ทำให้เกิดความก้าวหน้าแบบก้าวกระโดดของดาราศาสตร์เกิดขึ้น ไม่กี่ปีก่อนขึ้นศตวรรษที่ยี่สิบเอ็ด จนกระทั่งผู้ทำให้เกิดการก้าวกระโดดนี้ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เป็นจำนวนสามคน คือ :-

หนึ่ง : ซอล เพิร์ลมัตเตอร์ (Saul Perlmutter : ค.ศ. 1959 - ) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน

สอง : ไบรอัน พี. ชมิตด์ (Brian P. Schmidt : ค.ศ. 1967 - ) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวออสเตรเลีย

สาม : อะดัม จี. รีสส์ (Adam G. Riess : ค.ศ. 1969) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน

สามนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทำงานแยกกันเป็นสองทีม โดย ซอล เพิร์ลมัตเตอร์ ทำงานแบบทีมคนเดียว ส่วนอีกสองคนทำงานร่วมกันเป็นหนึ่งทีม ทั้งสองทีมต่างทำงานเป็นอิสระต่อกัน แต่ใช้วิธีการเดียวกัน และมีเป้าหมายตรงกัน คือ ใช้วิธีการศึกษาซูเปอร์โนวาที่อยู่ห่างไกลจากโลกมาก เพื่อหาอัตราการขยายตัวของจักรวาลให้แม่นยำถูกต้องมากที่สุด

แต่ผลการศึกษาของทั้งสองทีมที่ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1998 พบตรงกันว่า แทนที่จักรวาลจะกำลังขยายตัวช้าลง ดังที่เข้าใจกันมา จักรวาลกลับกำลังขยายตัวเร็วขึ้น

เป็นผลที่คาดกันไม่ถึงในวงการดาราศาสตร์จริงๆ และนับเป็นการค้นพบที่สำคัญมากที่สุดทางดาราศาสตร์ ก่อนขึ้นศตวรรษที่ยี่สิบเอ็ด ซึ่งต่อมา ทั้งสามนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 2011 สำหรับผลงานที่คาดกันไม่ถึงนี้

วิกฤต “ความเครียดฮับเบิล” กับทางออก!

ในรายงานล่าสุดของคณะนักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยดุ๊กตีพิมพ์วันที่ 15 มกราคม ค.ศ. 2025 ซึ่งมี อะดัม จี. รีสส์ ร่วมเป็นทีมอยู่ด้วย และได้ค่านิจฮับเบิลออกมาเป็น 76.5 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซกนั้น เห็นได้ชัดว่าต่ำกว่าค่านิจฮับเบิลที่ฮับเบิลเองใช้เมื่อแรกเสนอกฎของฮับเบิลเมื่อปี ค.ศ. 1929 คือ 500 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซกอย่างมาก

แต่ในสภาพที่เกิดขึ้น ยิ่งความก้าวหน้าในการศึกษาทางดาราศาสตร์เพิ่มมากขึ้นเท่าใด ค่านิจฮับเบิลก็วัดได้แตกต่าง...จริงๆ คือน้อยกว่า...ค่าที่ฮับเบิลเองวัดได้ตลอดมา

จนกระทั่งมาถึงปัจจุบัน ค่านิจฮับเบิลที่วัดโดยนักดาราศาสตร์ด้วยวิธีการต่างๆ ได้ผลออกมาเป็น 2 ค่าที่กำลัง “เป็นเสมือนคู่แข่งขัน” กันคือ ระหว่างประมาณ 67 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก กับประมาณ 76 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก

สองตัวเลขที่ดูแตกต่างกันไม่มาก แต่เป็นสองตัวเลขที่มีนัยสำคัญสำหรับประเด็นเรื่องความเครียดฮับเบิลที่ถูกจัดให้เป็นประเด็นขัดแย้งระดับวิกฤตของ “ความเครียดฮับเบิล”

เพราะอะไร ?

ก็เพราะตัวเลขทั้งสอง เป็นตัวเลขจากสองแนวคิดที่ต่างกัน มิใช่ความคลาดเคลื่อนหรือความบกพร่องจากวิธีการวัด ตัวเลขที่ต่ำกว่า เป็นตัวเลขจากวิธีการหาค่านิจฮับเบิลจากข้อมูลที่โยงกับกำเนิดของจักรวาลโดยตรง คือ วัดจากหลักฐานที่หลงเหลืออยู่ถึงปัจจุบันของ “บิกแบง” เรียก cosmic microwave background radiation หรือ CMB (รังสีไมโครเวฟฉากหลังคอสมิก) โดยค่าดีที่สุดถึงขณะนี้ ได้จาก (ยาน) หอดูดาวอวกาศพลังค์ (Planck Space Observatory) ของอีซา (ESA : ระหว่างปีค.ศ. 2009-2013)

ส่วนค่าที่วัดได้ล่าสุดโดยทีมมี อะดัม จี. รีสส์ ร่วมอยู่ด้วย ซึ่งสอดคล้องกับค่าที่วัดได้โดยทีมงานอื่นๆ เป็นค่าที่วัดโดยอาศัยข้อมูลสภาพที่กำลังเป็นอยู่ของจักรวาล โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ยุคใหม่ล่าสุด คือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ (James Webb Space Telescope) ซึ่งเริ่มต้นใช้งานได้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2022 และกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ที่ทำงานมาตั้งแต่เมื่อปี ค.ศ. 1990 ถึงปัจจุบัน เป็นเวลากว่าสามสิบปีแล้ว และก็ยังใช้งานได้ดีอยู่

จากการยืนยันของค่านิจ 2 ค่าที่แตกต่างกันว่า มิได้เกิดจากความผิดพลาดหรือคลาดเคลื่อนในวิธีการวัด  แล้วปัญหาอยู่ที่จุดไหน ?

ทางออกของ “ความเครียดฮับเบิล” ให้พ้นจากวิกฤต คืออะไร ?  อย่างไร !

ตัวตัดสิน ก็คือ ค่านิจฮับเบิลที่ถูกต้องจริง จะต้องมีเพียง “ค่าเดียว” ซึ่งหมายความว่า จะต้องมีการพิสูจน์หรือตรวจสอบให้ได้ว่า ค่านิจฮับเบิล 2 ค่านั้น ในที่สุด จะต้องเหลืออยู่เพียง “ค่าเดียว” หรือมี “ค่าใหม่” เข้ามาแทนที่ทั้งสองค่าดีที่สุดในปัจจุบัน

นักดาราศาสตร์หลายคนหลายคณะทั่วโลก กำลังพยายามช่วยกันแก้ปัญหาวิกฤตความเครียดฮับเบิลนี้อยู่ !

ทางออกหรือต้นเหตุของวิกฤตความเครียดฮับเบิลที่เสนอกันขึ้นมา มีเช่น :-

• ความคลาดเคลื่อนจากการวัด ถึงแม้คณะนักดาราศาสตร์ที่ทำงานการวัดได้ยืนยันว่า ไม่มีความบกพร่องในการวัด แต่ก็ยังมีการเสนอว่า น่าจะพิจารณาอีกครั้ง !
• ปัญหาของ “ทฤษฎี” กล่าวคือ ชี้ไปที่ตัวทฤษฎีหรือแบบจำลองการขยายตัวของจักรวาล คือ กฎของฮับเบิลเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จากกลุ่มนักดาราศาสตร์ที่มั่นใจมากในความแม่นยำของวิธีการวัดค่านิจฮับเบิล
• พลังงานมืด หรือจะเป็นผลจากพลังงานมืด (dark energy) ที่ประกอบเป็น 70% ขององค์ประกอบของจักรวาล โดยที่ยังเป็น “ตัวลึกลับ” อย่างที่สุดท้าทายนักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันอยู่
• สสารมืด หรือจะเป็นผลจากสสารมืด (dark matter) ที่เป็นประมาณ 26% ขององค์ประกอบของจักรวาล ที่ลึกลับน้อยกว่าพลังงานมืด แต่ก็ยังลึกลับอยู่อย่างมากสำหรับนักดาราศาสตร์โลกปัจจุบัน

อย่างไรก็ตาม สำหรับนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ถึงแม้จะยอมรับว่า “ความเครียดฮับเบิล” กำลังอยู่ในภาวะวิกฤตแล้ว...

แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกอีกเช่นกัน ก็ตระหนักและคาดหวังว่า :-

จากวิกฤตความเครียดฮับเบิล ก็จะต้องเกิด “องค์ความรู้ใหม่” ที่จะทำให้โลกดาราศาสตร์ก้าวกระโดดไปข้างหน้าได้อีก...

เพราะ...ในโลกวิทยาศาสตร์... “วิกฤต” คือ “โอกาส” เสมอ !

ผู้เขียนเชื่อว่า ท่านผู้อ่านที่เป็นนักดาราศาสตร์เอง หรือสนใจเรื่องราวทางดาราศาสตร์ ท่านก็คงจะกำลังรู้สึก “ตื่นเต้น” กับปริศนาชวนพิศวงที่กำลังเกิดกับกฎของฮับเบิล ดังเช่นที่ผู้เขียนกำลังรู้สึก และกำลังเอาใจช่วยนักดาราศาสตร์ที่กำลังทำงานแก้ “วิกฤต” เรื่องนี้อยู่...

และก็จะวิเศษอย่างยิ่ง ที่ “ผู้แก้วิกฤต” นี้ได้ จะเป็นนักดาราศาสตร์ไทย ซึ่งในปัจจุบันกำลังทำงานอยู่กับข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ และกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ ทั้งบนโลกและในอวกาศอยู่...

และอย่างแน่นอน ถ้าผู้เขียนได้เห็นรายงานการแก้วิกฤตนี้โดยมีนักดาราศาสตร์ไทยร่วมอยู่ด้วย ก็จะ “รีบ” นำมาเล่าสู่ท่านผู้อ่านทันที...

แล้วท่านผู้อ่านเอง คิดเรื่องนี้อย่างไรครับ !