ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง: ซิกแซกไอน์สไตน์
ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ นักดาราศาสตร์ได้พบปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า ซิกแซกไอน์สไตน์ เป็นครั้งแรก โดยเป็นภาพของเควซาร์แห่งหนึ่งที่ปรากฏซ้ำกัน 6 ครั้งในภาพเพียงภาพเดียว การเรียงตัวเช่นนี้เกิดขึ้นได้ต้องขอบคุณปรากฏการณ์ที่ถูกเสนอขึ้นครั้งแรกโดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ในปี 1915 ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) และมันก็ช่วยนักวิทยาศาสตร์จัดการกับปัญหาวิกฤติทางเอกภพวิทยา
ระบบแห่งนี้ ซึ่งมีชื่อว่า J1721+8842 นั้นประกอบด้วย เควซาร์(quasar) ซึ่งเป็นแกนกลางของกาแลคซีที่มีกำลังสว่างสูงสุดขั้ว ถูกกาแลคซีสองแห่งขยายและบิดแสงในเหตุการณ์ที่ต่างกัน แต่ทั้งสองกลับเรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์แบบ ไม่เพียงแต่พบได้ยากมากๆ แต่ยังเป็นตัวอย่างที่น่าทึ่งของการบิดเบนห้วงกาลอวกาศที่น่าฉงนตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้เสนอไว้ แต่ซิกแซกแห่งนี้ก็ยังมีพลังแผงที่เลนส์ความโน้มถ่วงทั่วๆ ไปไม่มีด้วย
ไดอะแกรมแดสงว่าความโค้งของกาลอวกาศนำไปสู่ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงได้อย่างไร
ซิกแซกไอน์สไตน์แห่งแรกที่มนุษย์ได้เห็นนี้ น่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ไขปัญหาปริศนาที่ใหญ่ที่สุดในทางเอกภพวิทยา 2 อย่างได้ ปริศนาแรกก็คือธรรมชาติของพลังงานมืด(dark energy) หรือพลังที่ผลักดันให้เอกภพขายตัวด้วยความเร่ง ซึ่งมีอยู่ถึง 70% ของปริมาณสสารและพลังงานทั้งหมดในเอกภพ และปริศนาที่สองก็คือ ความไม่สอดคล้องเมื่อนักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบระดับความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ ที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant)
Martin Million สมาชิกทีมค้นพบ และนักเอกภพวิทยาที่มหาวิทยาลัยเสตนฟอร์ด กล่าวว่า ผมขนลุกเลย ไม่ใช่แค่เพราะมันเป็นปรากฏการณ์ประหลาดในธรรมชาติที่น่าทึ่ง แต่ยังเพราะระบบแห่งนี้น่าจะเป็นแหล่งที่เรารอคอยในการตรวจสอบตัวแปรทางเอกภพวิทยาต่างๆ ระบบเลนส์แห่งนี้ได้ให้ศักยภาพในการระบุทั้งค่าคงที่ฮับเบิล และสมการสถานะของพลังงานมืด ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งไม่เคยเป็นไปได้มาก่อน
สัมพัทธภาพทั่วไปบอกว่าวัตถุที่มีมวลจะทำให้เกิดความโค้งในผืนกาลอวกาศ ยิ่งวัตถุมีมวลมาก มันก็ยิ่งทำให้กาลอวกาศ “บุ๋ม” มากขึ้น เมื่อแรงโน้มถ่วงกำเนิดจากความโค้งนี้ วัตถุยิ่งมีมวลสูงขึ้น ก็จะมีอิทธิพลแรงโน้มถ่วงมากขึ้นตามไปด้วย
เลนส์ความโน้มถ่วงเกิดขึ้นเมื่อแสงจากแหล่งแสงที่พื้นหลัง เดินทางผ่านวัตถุเลนส์มวลสูงในเส้นทางมาที่โลก ซึ่งก็จะเดินทางตามความโค้งอวกาศที่เกิดขึ้นระหว่างทางด้วย ทำให้เส้นทางของมันเลี้ยวไป แสงจากแหล่งที่พื้นหลังจะใช้เส้นทางที่แตกต่างกันรอบวัตถุเลนส์ เข้าใกล้ก้อนมวลเลนส์ที่ระยะทางแตกต่างกัน ซึ่งก็จะโค้งในระดับที่ต่างกัน นี่หมายความว่า แสงจากแหล่งพื้นหลังแห่งเดียวกันนี้ ก็จะมาถึงกล้องตัวเดียวกัน ในเวลาที่ต่างกัน
ไดอะแกรมอธิบายเลนส์ความโน้มถ่วง แบบวงแหวนไอน์สไตน์(บน) และกางเขนไอน์สไตน์(ล่าง)
ด้วยเหตุนี้ วัตถุเปล่งแสงที่พื้นหลังแห่งเดี่ยวๆ จึงสามารถปรากฏขึ้นในหลายสถานที่ ในภาพเดียวได้ วัตถุเหล่านี้อาจเรียงตัวเป็นวงแหวนไอน์สไตน์(Einstein Ring) กางเขนไอน์สไตน์(Einstein Cross) และในกรณีที่เป็นอัตลักษณ์ล่าสุดนี้ ก็คือ ซิกแซกไอน์สไตน์(Einstein zig-zag)
กล้องเวบบ์ไม่ใช่กล้องโทรทรรศน์ตัวแรกที่พบ J1721+8842 เควซาร์ที่ผ่านเลนส์แห่งนี้ ถูกพบโดย Cameron Lemon ในปี 2017 โดยการสำรวจ Pan- STARRS ที่หอสังเกตการณ์ฮาลีคาลา ในฮาวาย ในตอนแรก เควซาร์ดูเหมือนจะเป็นภาพเพียง 4 ภาพ อย่างไรก็ตาม ความไวของเวบบ์ได้เผยให้เห็นว่า กาแลคซีสองแห่งนั้น แท้จริงแล้วรวมๆ แล้วสร้างภาพเควซาร์ 6 ภาพ โดยมีกาแลคซีที่ห่างไกลกว่าในการเรียงตัวนี้ ก็ถูกขยายโดยกาแลคซีที่อยู่ใกล้กว่าด้วย
โดยปกติ เลนส์ความโน้มถ่วงเกิดขึ้นจากกาแลคซีแห่งเดียวที่สร้างภาพแหล่งที่พื้นหลังสองหรือสี่ภาพ ขึ้นอยู่กับการเรียงตัว ในกรณีนี้ เป็นการเรียงตัวที่พิเศษมากระหว่างกาแลคซี 2 แห่ง กับเควซาร์ที่พื้นหลัง สร้างรูปแบบเป็นพหุภาพ 6 ภาพออกมา เราเรียกมันว่า ซิกแซกไอน์สไตน์ ก็เพราะเส้นทางในช่วงตาเห็นของภาพสองภาพในพหุภาพทั้งหมด ได้ผ่านกาแลคซีแห่งแรกที่ด้านหนึ่ง ก่อนที่จะถูกสะท้อนกลับด้วยกาแลคซีแห่งที่สองที่อีกด้านหนึ่ง เส้นทางนี้สร้างซิกแซกระหว่างสองกาแลคซีนี้
การตรวจสอบสเปคตรัมเลนส์ความโน้มถ่วง ซิกแซกไอน์สไตน์ ยืนยันพหุภาพซ้ำซ้อน และคุณลักษณะของวัตถุเลนส์ที่ซ้อน
ผู้เขียนนำงานวิจัยและนักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Frederic Dux กล่าวว่า นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าการเรียงตัวที่สมบูรณ์แบบระหว่างวัตถุที่แตกต่างกันทั้งสาม ได้สร้างเลนส์ความโน้มถ่วงขึ้นมา โดยปกติ เลนส์ความโน้มถ่วงน่าจะมีวัตถุมาเกี่ยวข้องเพียง 2 เท่านั้นคือ กาแลคซีที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ และกาแลคซีอีกแห่งที่อยู่ด้านหลังทำหน้าที่เป็นแหล่งแสง ซึ่งแสงจะเลี้ยวไปรอบพื้นหน้า Dux กล่าว
แน่นอนว่ามีหลายขณะที่เกิดปรากฏการณ์เลนส์ขึ้นจากหลายกาแลคซีในคราวเดียว เช่น ในกระจุกกาแลคซี ในกรณีดังกล่าว ผลที่เกิดจากตัวหักเหแสงที่แตกต่างกันนั้นรวมๆ กันสร้างผลแบบอ่อนๆ ขึ้นมา คุณไม่น่าจะได้พบกาแลคซีแห่งเดียวที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ที่เยี่ยมสุดๆ การเรียงตัวแค่นั้นยังดีไม่พอ
ในกรณีของ J1721+8842 นั้น กาแลคซีที่อยู่ใกล้ที่สุดในระบบเลนส์นี้ อยู่ห่างออกไปจนแสงของมันใช้เวลา 2.3 พันล้านปีเพื่อเดินทางมาที่โลก ในขณะที่แสงของกาแลคซีที่ห่างไกลออกไปอีก เดินทางมาถึง 1.02 หมื่นล้านปี แต่แม้จะมีระยะทางที่กว้างไกลคั่นระหว่างกาแลคซีทั้งสอง Dux บอกว่าพวกมันก็ยังเรียงตัวกันอย่างพอดีจนทั่งคู่ทำหน้าที่ตรวจจับแสงจากเควซาร์แห่งหนึ่งที่อยู่ห่างออกไป 11 พันล้านปีแสง ในขณะที่กาแลคซีพื้นหน้าก็ยังทำหน้าที่เป็นเลนส์ให้กับกาแลคซีตรงกลางด้วย
แบบจำลองแสดงเส้นทางของแสงจากเลนส์ซ้อน J1721+8842 กลางภาพเป็นกาแลคซีทรงรีสีเหลือง ที่ล้อมรอบด้วยจุดแสงที่สว่าง 6 แห่ง เป็นเควซาร์ที่ถูกขยายแสง รอบๆ สองจุดเป็นวงโค้งสีแดงก็เป็นภาพจากกาแลคซีแห่งแรกที่ถูกขยายโดยกาแลคซีคั่นกลางแห่งที่สอง(ใกล้ F และ E)
นี่พบได้ยาก เราคาดว่าจะมีเควซาร์ที่ผ่านเลนส์เพียง 1 ในห้าหมื่นที่น่าจะมีการเรียงตัวแบบนี้ และเราก็เพิ่งพบภาพเควซาร์ที่ผ่านเลนส์เพียง 300 แห่งเท่านั้น ดังนั้นเราจึงโชคดีมากๆ ที่ได้พบสักครั้ง Dux กล่าว เราไม่อาจจะพบแบบนี้ได้อีกเลย
Dux อธิบายว่าทีมได้เริ่มปรับปรุงแบบจำลองของ J1721+8842 เพื่อตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลแล้ว เควซาร์ที่ผ่านเลนส์เกือบทั้งหมดถูกใช้เพื่อประโยชน์ประการนี้ แต่ความจริงก็คือ เควซาร์นี้มีเลนส์เกิดขึ้น 2 เหตุการณ์ที่ต่างกันทำให้ระบุแบบจำลองปรากฏการณ์เลนส์ได้ดีขึ้นมาก และความคลาดเคลื่อนในค่าคงที่ฮับเบิลก็จะน้อยลง นี่เป็นสิ่งที่น่าสนใจมากในช่วงเวลาที่เอกภพวิทยาอาจอยู่ในสภาพวิกฤติเนื่องจากสิ่งที่เราเรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension)
ความไม่ลงรอยฮับเบิลเกิดขึ้นจากความจริงที่ว่าการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลในเอกภพยุคแรกๆ และคาดถึงวิวัฒนาการของค่านี้ต่อมาในอีก 13.8 พันล้านปีของเอกภพ(โดยใช้แบบจำลองเอกภพวิทยาที่ดีที่สุด) ควรจะนำไปสู่ค่าคงที่ใกล้เคียงกับที่นักดาราศาสตร์ตรวจสอบได้เมื่อสำรวจเอกภพท้องถิ่น และหาค่าคงที่ฮับเบิลจากอายุปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างอย่างรุนแรงระหว่างค่าทั้งสองที่ได้
ภาพJ1721+8842 ตามที่เห็นในโครงการ Pan-STARRS ในปี 2017 ดูเหมือนจะประกอบด้วยภาพเพียงสี่ภาพจากเควซาร์ที่เกิดปรากฏการณ์เลนส์
อาจเป็นความผิดพลาดจากการตรวจสอบ หรือเปล่า ก่อนที่จะบอกว่าเป็นวิกฤติจริงๆ เราต้องตามล่าหาความผิดพลาดที่อาจมีและปรับปรุงการตรวจสอบค่าของเราต่อไป Dux กล่าว ด้วยการลดความคลาดเคลื่อนในวิธีการตรวจสอบเหล่านี้ เลนส์ซิกแซกไอน์สไตน์น่าจะให้ค่าคงที่ที่ใกล้เคียงมากขึ้น
นอกจากนี้ เลนส์แห่งนี้ยังสามารถใช้เพื่อระบุสมการสถานะของพลังงานมืดในเอกภพได้ในคราวเดียวกัน Dux กล่าว นี่เป็นสิ่งที่น่าสนใจอย่างมาก เมื่อได้สมการนี้และค่าคงที่ฮับเบิลออกมา ก็หมายความว่าเราอาจขจัดปมปัญหาทั้งสองได้ในทิศทางที่แตกต่างกัน และก็ยังสอดคล้องกับข้อมูลจากการสำรวจด้วย ด้วยระบบแห่งนี้ เราอาจจะสภาพน่ากระอักกระอ่วนนี้ได้
J1721+8842 ยังมีประโยชน์ในทางอื่นๆ ด้วย เช่น การศึกษากาแลคซีที่ขยายที่อยู่ห่างไกลออกไป เนื่องจากมันทำหน้าที่ทั้งเป็นเลนส์และเป็นแหล่งแสงด้วย โดยปรากฏเป็นวงโค้งเบี้ยวๆ สีแดง เราจึงสามารถหามวลของมันได้อย่างแม่นยำ เรายังได้สเปคตรัมจากเวบบ์ในการศึกษาประวัติการก่อตัวดาวของกาแลคซีนี้ และความขรุขระของสสาร นี่เป็นโอกาสที่แท้จริงเป็นครั้งแรกที่จะตอบคำถามสำหรับกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลอย่างนั้น
แม้ว่ากล้องเวบบ์จะเป็นเครื่องมือที่ดีที่สุดในการค้นหาธรรมชาติอันแท้จริงของJ1721+8842 ในฐานะของซิกแซกไอน์สไตน์ แต่มันก็ไม่ใช่เครื่องมือที่ดีที่สุดในการตามล่าหาการเรียงตัวที่พิสดารอย่างนี้เพิ่มเติมได้อีก กล้องเวบบ์ให้การสำรวจพื้นที่ขนาดเล็กบนท้องฟ้าในแบบห้วงลึก สำหรับการค้นพบซิกแซกให้มากขึ้น เราต้องการการสำรวจทั่วท้องฟ้า Dux กล่าว ซึ่งไกอาและโครงการอย่าง Pan-STARRS, ยูคลิด หรือ LSST ของกล้องรูบินในอนาคต จะเป็นเครื่องมือที่เหมาะสมในการสำรวจหา งานวิจัยนี้เผยแพร่บนเวบก่อนตีพิมพ์ arXiv
แหล่งข่าว space.com : James Webb Space Telescope spots 1st “Einstein zig-zag”- here’s why scientists are thrilled
iflscience.com : first known double gravitational lens is a cosmic telescope into the distant universe
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
