matichon

อนาคต ของจักรวาลจะเป็นอย่างไร เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ครุ่นคิดหาคำตอบมาช้านานแล้ว ทฤษฎีฟิสิกส์ทำนายอนาคตของจักรวาลว่าอาจเป็นไปได้สามแบบขึ้นอยู่กับอำนาจของ แรงโน้มถ่วง (Gravitational force) ในจักรวาล

แบบ แรก ถ้าปริมาณมวลสารและพลังงานในจักรวาลมีไม่มากพอ แรงโน้มถ่วงก็ไม่สามารถดึงดูดให้จักรวาลหดตัวกลับมาได้ จักรวาลก็จะขยายตัวไปเรื่อยๆ จากนั้นพลังงานในดวงดาว กาแล็กซี่จะถูกเผาผลาญจนหมด จักรวาลก็จะเข้าสู่ช่วงความหนาวเย็นที่เรียกว่าบิ๊ก ชิล (Big Chill)

แบบที่สอง ถ้าปริมาณมวลสารและพลังงานมีมาก แรงโน้มถ่วงจะดึงดูดให้จักรวาลขยายตัวช้าลง และในที่สุดก็จะดึงดูดให้จักรวาลหดตัวกลับมาจนกาแล็กซี่และ ดวงดาวชนกันจนลุกเป็นเปลวเพลิง จักรวาลก็พังทลายลงที่เรียกกันว่าบิ๊ก ครันช์ (Big Crunch)

แบบที่สาม ถ้าปริมาณมวลสารและพลังงานมีค่าในระดับที่แรงโน้มถ่วงสมดุลกับการขยายตัว จักรวาลก็ขยายตัวไปเรื่อยๆ แต่ช้าลง

นักวิทยาศาสตร์สามารถหาคำตอบ ว่าจุดจบของจักรวาลจะเป็นแบบใดด้วยการวัดอัตราความเร็วในการขยายตัวของ จักรวาล

ในอดีต นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่รวมทั้ง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เชื่อว่าจักรวาลมีลักษณะสถิต (static) ไม่มีจุดกำเนิด ไม่มีจุดจบ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงและคงอยู่ชั่วนิจนิรันดร์

ทว่า ในปี 1917 ไอน์สไตน์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายธรรมชาติของจักรวาล ผลที่ได้ตรงกันข้ามกับความเชื่อของเขา นั่นคือจักรวาลในอนาคตจะต้องพังทลายลงแบบบิ๊กครันช์ด้วยอำนาจแรงโน้มถ่วงของ สสารในจักรวาล แต่ด้วยความเชื่อว่าจักรวาลคงที่ไอน์สไตน์จึงแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มค่าหนึ่ง ขึ้นมาเรียกว่าค่า "คงที่ของจักรวาล" (Cosmological Constant) ใน สมการของเขาเพื่อทำหน้าที่ต้านแรงโน้มถ่วงซึ่งจะพยุงจักรวาลเอาไว้ไม่ให้พัง ทลายลง

ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ทั่วไปคิดว่า มันเป็นเพียงอุบายทางคณิตศาสตร์ของไอน์สไตน์เท่านั้นซึ่งไอน์สไตน์เองก็ไม่ รู้ว่าแรงต้านแรงโน้มถ่วงจะมีอยู่จริงหรือไม่

แต่แล้วในปลาย ทศวรรษที่ 1920 เอ็ดวิน ฮับเบิล นักดาราศาสตร์อเมริกันก็ทำให้นักวิทยาศาสตร์ที่เชื่อว่าจักรวาลมีลักษณะคง ที่ต้องตกตะลึงเมื่อพบว่ากาแล็กซี่ที่อยู่ไกลๆ กำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากกัน นั่นหมายความว่าจักรวาลกำลังขยายตัวไม่ได้คงที่แต่อย่างใด

เมื่อไอน์สไตน์ได้พบกับ เอ็ด วิน ฮับเบิล ฮับเบิลได้แสดงให้ไอน์สไตน์เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัวจริงๆ หลังจากนั้น ไอน์สไตน์จึงยกเลิกค่าคงที่ของจักรวาลของเขา และกล่าวว่า เป็น "ความ ผิดพลาดครั้งยิ่งใหญ่ในชีวิตของข้าพเจ้า"

หลังยุคสมัยของ ฮับเบิล นักวิทยาศาสตร์ยังเชื่อว่า จักรวาลจะขยายตัวช้าลงด้วยอำนาจแรงโน้มถ่วงของกาแล็กซี่ ดวงดาวและพลังงานอื่นๆ ในจักรวาล

ในปี 1998 ความเชื่อนี้ถูกลบล้างโดยผลการค้นพบของนักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มจากการศึกษา ซูเปอร์โนวา (Supernovae) ชนิด Type-1a หรือการระเบิดของดาวฤกษ์ที่หมดอายุขัยในกาแล็กซี่ที่อยู่ห่างไกลซึ่งพบว่า แสงจากซุปเปอร์โนวา จางกว่าที่ควรจะเป็น นั่นก็หมายความว่าซูเปอร์โนวานั้นอยู่ห่างไกลกว่าที่ควรจะเป็นเช่นกัน
 

นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณระยะทาง ของซุปเปอร์โนวาได้จากความสว่างของมัน และสามารถคำนวณอัตราความเร็วในการเคลื่อนที่ของซุปเปอร์โนวาได้ด้วย

หาก จักรวาลขยายตัวในอัตราหน่วง (Slowing expansion) หรือช้าลง ซุปเปอร์โนวาจะมีความสว่างน้อยกว่าที่คาดเอาไว้ประมาณ 20% ตรงกันข้ามหากจักรวาลขยายตัวด้วยอัตราเร่ง ตำแหน่งของซุปเปอร์โนวาจะอยู่ไกลออกไปทำให้ความสว่างของมันน้อยกว่ากรณีแรก

ปรากฏการณ์ นี้จึงอธิบายได้ว่า จักรวาลกำลังขยายตัวในอัตราเร่ง (Accelerating expansion) ไม่ได้ขยายตัวช้าลงอย่างที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อกันมา นาน เพราะหากจักรวาลขยายตัวช้าลงกาแล็กซี่จะเคลื่อนที่เข้าใกล้กัน และจะทำให้ดวงดาวหรือเทหวัตถุในกาแล็กซี่มีความสว่างเมื่อมองจากโลก

สิ่ง ที่พบทำให้นักวิทยาศาสตร์คิดว่าค่าคงที่ของจักรวาลของไอน์สไตน์ที่ทำหน้าที่ ต้านแรงโน้มถ่วงอาจมีอยู่จริง

ต่อมาในปี 2001 ทีมนักวิทยาศาสตร์นำโดย อดัม รีสส์ แห่ง สถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ (Space Telescope Science Institute) และศาสตราจารย์ของมหาวิทยาลัยจอห์นฮ็อปกิ้น ยืนยันความจริงนี้อีกครั้งหนึ่งจากผลการศึกษาซุปเปอร์โนวา SN1997ff ซึ่งอยู่ไกลจากโลกหนึ่งหมื่นล้านปีแสงโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ซึ่งพบว่าจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งจริงๆ นั่นหมายความว่าแรงต้านแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์มีอยู่จริง และมัน ยังเอาชนะแรงโน้มถ่วงของสสารในจักรวาลอีกด้วย

ทีมนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการขยาย ตัวด้วยอัตราเร่งของจักรวาลเกิดขึ้นเมื่อห้าพันล้านปีที่ผ่านมา ณ ช่วงเวลานั้น กาแล็กซี่ต่างๆ อยู่ห่างจากกันซึ่งมีผลทำให้แรงโน้มถ่วงของกาแล็กซี่อ่อนกำลัง ในขณะที่มีแรงต้านแรงโน้มถ่วงจากพลังงานลึกลับผลักให้จักรวาลขยายตัวและจะ ขยายตัวออกไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด

แรงลึกลับ นี้คืออะไรและจะมีผลอย่างไรต่ออนาคตของจักรวาล? มันอาจเป็นปริศนาใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์ ที่ยังไม่มีใครสามารถอธิบายได้ นักวิทยาศาสตร์เรียกแรงลึกลับนี้ว่าพลังงานมืด (Dark Energy)

การ ศึกษาโดยใช้กล้องอวกาศฮับเบิลที่ผ่านมาพบว่าในช่วงเวลาประมาณพันล้านปีแรกๆ ของจักรวาลซึ่งกำเนิดจากบิ๊กแบงเมื่อ 13.7 พันล้านปีนั้นจักรวาลมีความหนาแน่นมาก ดังนั้น แรงโน้มถ่วงของสสารปกติและสสารมืดจึงดึงดูดจักรวาลให้ขยายตัวในอัตราหน่วง คือขยายตัวช้าลงเรื่อยๆ

จนกระทั่งเมื่อประมาณ 5-6 พันล้านปีก่อนหรือพลังงานมืดสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของสสารปกติและสสารมืด ใน "สงครามแรงดึงดูดในจักรวาล" ได้ เป็นผลให้จักรวาลขยายตัวในอัตราเร่งมาตราบจนกระทั่งถึงทุกวันนี้

ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ประมาณว่า จักรวาลประกอบด้วยสสารปกติ 4% สสารมืด (Dark Matter) 21% และอีก 75% เป็นพลังงานมืด

สสารปกติก็คือ กาแล็กซี่ เนบิวลา และเทหวัตถุทั้งหลาย อย่างเช่นดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ดาวหาง เป็นต้น ส่วนสสารมืดคือสสารในจักรวาลที่เรามองไม่เห็นแต่รู้ว่ามีอยู่เพราะอิทธิพล จากแรงโน้มถ่วงของมันต่อสสารปกติ

ล่าสุด เป็นอีกครั้งหนึ่งที่ทีมนักวิทยาศาสตร์ค้นพบหลักฐานอิทธิพลของพลังงานมืดที่ มีต่อการขยายตัวของจักรวาล จากการวัดการขยายตัวของจักรวาลเมื่อ 9 พันล้านปีก่อนโดยโดยใช้กล้องอวกาศฮับเบิล ศึกษาซุปเปอร์โนวาระยะไกลที่สุดเท่าที่เคยศึกษามาจำนวน 23 ดวง เป็นเวลา 3 ปี

ทีมนักวิทยาศาสตร์ซึ่งนำโดย อดัม รีสส์ พบว่า พลังงานมืดผลักจักรวาลให้ขยายตัวอย่างน้อยที่สุดตั้งแต่เมื่อ 9 พันล้านปีก่อน หรือเมื่อจักรวาลมีอายุได้ 4.4 พันล้านปี ไม่ใช่เมื่อ 5-6 พันล้านปีก่อนจากการค้นพบก่อนหน้านี้

แม้ว่าการค้นพบใหม่ นี้จะได้ร่องรอยที่สำคัญว่าพลังงานมืดเป็นส่วนประกอบของจักรวาลและมีบทบาท ต่อจักรวาลมานานแล้วก็ตาม แต่มันก็ยังไกลต่อการพิสูจน์ว่าพลังงานมืดคืออะไร

มาริโอ ลิวิโอ หนึ่งในทีมนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ เปรียบเทียบว่า พื้นผิวโลกปกคลุมด้วยน้ำมากกว่า 70% และ มนุษย์ได้ค้นพบคุณสมบัติของน้ำมานานหลายศตวรรษแล้ว แต่สำหรับ พลังงานมืด นักวิทยาศาสตร์ยังอยู่ในขั้นตอนแรกของการหาคุณสมบัติของมันเท่านั้นเอง

อย่าง ไรก็ตาม การค้นพบในครั้งนี้นับเป็นก้าวสำคัญต่อการศึกษาจักรวาลและพลังงานมืดเพราะ นักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบสมบัติของซุปเปอร์โนวาเก่าแก่กับซุปเปอร์โน วาที่เพิ่งเกิดขึ้นในปัจจุบันซึ่งพบว่าองค์ประกอบทางเคมีของซุปเปอร์โนวา เมื่อ 9 พันล้านปีก่อนคล้ายกับองค์ประกอบทางเคมีของซุปเปอร์โนวาที่เกิดในปัจจุบัน ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ซุปเปอร์โนวาเป็นเครื่องมือในการสำรวจจักรวาล เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับธรรมชาติของพลังงานมืดได้อย่างมั่นใจ

รีสส์ กล่าวว่า "มันมีความสำคัญทีเดียวเพราะเราใช้ (ซุปเปอร์โนวา) เป็นเครื่องมือในการวัดจักรวาลและเราจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องมั่นใจว่าความ เข้าใจของเราเกี่ยวกับธรรมชาติของซุปเปอร์โนวาไม่ได้เปลี่ยนแปลงไป"

ปัจจุบัน จักรวาลยังมีแนวโน้มขยายตัวด้วยอัตราเร่งไปเรื่อยๆ ถ้าเป็นเช่นนี้ต่อไป จุด จบของจักรวาลคือความหนาวเย็นหรือ Big Chill