บันไดระยะทางจักรวาล: วัดระยะไปถึงขอบเอกภพ

การวัดระยะทางเป็นปัญหาที่ยากที่สุดอย่างหนึ่งในดาราศาสตร์ ภาพถ่ายบอกเพียงทิศทาง ไม่บอกว่าวัตถุอยู่ใกล้หรือไกล ดาวจาง ๆ ดวงหนึ่งอาจเป็นดาวแคระที่อยู่ใกล้ หรือดาวยักษ์ที่อยู่ไกลมากก็ได้

ขั้นที่ 1: ระบบสุริยะ

ระยะทางถึงดวงจันทร์วัดได้ด้วยการยิงเลเซอร์ไปที่แผ่นสะท้อนที่นักบินอวกาศอะพอลโลวางไว้ แม่นถึงระดับมิลลิเมตร ระยะถึงดาวเคราะห์วัดด้วยเรดาร์ และขนาดของหน่วยดาราศาสตร์ทราบได้แม่นยำมาก

ขั้นที่ 2: พารัลแลกซ์

ใช้วงโคจรของโลกเป็นเส้นฐาน วัดระยะดาวได้โดยตรงด้วยเรขาคณิต ดาวเทียมไกอาขยายขั้นนี้ไปได้หลายพันปีแสง ครอบคลุมดาวแปรแสงเซเฟอิดหลายดวง

ขั้นที่ 3: ดาวแปรแสงเซเฟอิด

ในปี ค.ศ. 1912 เฮนเรียตตา สวอน ลีวิตต์ ศึกษาดาวแปรแสงในเมฆแมเจลแลนเล็ก ซึ่งอยู่ห่างเราเท่า ๆ กันทุกดวง และพบว่าดาวที่สว่างกว่าเปลี่ยนแสงด้วยคาบยาวกว่า ความสัมพันธ์คาบกับกำลังส่องสว่างนี้ทำให้เซเฟอิดกลายเป็นเทียนมาตรฐาน วัดคาบแล้วก็รู้ความสว่างจริง เทียบกับความสว่างที่เห็นก็ได้ระยะทาง

เซเฟอิดสว่างกว่าดวงอาทิตย์หลายพันถึงหลายหมื่นเท่า จึงเห็นได้ในดาราจักรที่ห่างถึงราวร้อยล้านปีแสง ในปี ค.ศ. 1923 เอ็ดวิน ฮับเบิล พบเซเฟอิดในเนบิวลาแอนดรอเมดา และพิสูจน์ได้ว่ามันเป็นดาราจักรอีกดวงที่อยู่นอกทางช้างเผือก

ขั้นที่ 4: ซูเปอร์โนวาประเภท Ia

การระเบิดของดาวแคระขาวที่ถึงขีดจำกัดจันทรเศขร ให้ความสว่างสูงสุดใกล้เคียงกันเสมอ (หลังแก้ด้วยความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างกับความเร็วที่จางลง) สว่างพอจะเห็นได้ไกลหลายพันล้านปีแสง แต่เกิดน้อย ดาราจักรหนึ่งเกิดเพียงราวครั้งเดียวต่อศตวรรษ จึงต้องปรับเทียบด้วยดาราจักรใกล้ ๆ ที่มีทั้งเซเฟอิดและเคยเกิดซูเปอร์โนวา

ขั้นที่ 5: กฎของฮับเบิล

สำหรับดาราจักรที่ไกลมาก ใช้การเลื่อนทางแดงร่วมกับกฎของฮับเบิล v = H_0 d (ยิ่งไกลยิ่งถอยห่างเร็ว) และแบบจำลองการขยายตัวของเอกภพ ค่าคงที่ฮับเบิล H_0 ต้องปรับเทียบจากขั้นก่อน ๆ ทั้งหมด

วิธีเสริมอื่น ๆ

• ความสัมพันธ์ทัลลีกับฟิชเชอร์ ดาราจักรกังหันที่หมุนเร็วกว่ามีกำลังส่องสว่างมากกว่า
• ปลายสาขาดาวยักษ์แดง ดาวยักษ์แดงสว่างได้มากที่สุดที่ระดับหนึ่งเกือบคงที่ ใช้แทนเซเฟอิดได้
• คลื่นความโน้มถ่วง สัญญาณจากการชนกันของดาวนิวตรอนบอกระยะทางได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้บันได จึงเรียกว่าไซเรนมาตรฐาน

ทำไมสำคัญ

ทุกขั้นพึ่งขั้นก่อนหน้า ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในขั้นล่างจึงสะสมไปถึงขั้นบน การวัดค่าคงที่ฮับเบิลจากบันไดนี้ได้ราว 73 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ขณะที่การคำนวณจากรังสีไมโครเวฟพื้นหลังได้ราว 67 ความต่างนี้คือความขัดแย้งค่าคงที่ฮับเบิล ซึ่งยังเป็นหนึ่งในปริศนาที่ร้อนแรงที่สุดในจักรวาลวิทยาปัจจุบัน