พลังงานมืด

จนถึงปลายทศวรรษ 1990 นักดาราศาสตร์คาดว่าการขยายตัวของเอกภพควรช้าลงเรื่อย ๆ เพราะแรงโน้มถ่วงของสสารทั้งหมดดึงกันไว้ คำถามสำคัญคือจะช้าลงมากจนเอกภพหดกลับหรือไม่

การค้นพบที่ไม่มีใครคาดคิด

ในปี ค.ศ. 1998 ทีมนักดาราศาสตร์สองทีมที่ทำงานแยกกัน (Supernova Cosmology Project นำโดยซอล เพิร์ลมัตเตอร์ และ High-Z Supernova Search Team นำโดยไบรอัน ชมิดต์ และอดัม รีส) ใช้ซูเปอร์โนวาชนิด Ia ซึ่งมีความสว่างจริงใกล้เคียงกันวัดระยะดาราจักรไกล ๆ ทั้งสองทีมพบว่าซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลจางกว่าที่ควรเป็น แปลว่าอยู่ไกลกว่าที่คาด ข้อสรุปคือการขยายตัวของเอกภพไม่ได้ช้าลง แต่กลับเร่งขึ้น ในช่วงราว 5,000 ถึง 6,000 ล้านปีที่ผ่านมา ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2011

พลังงานมืดคืออะไร

สิ่งที่ผลักให้เอกภพขยายตัวเร็วขึ้นถูกเรียกว่าพลังงานมืด คิดเป็นราว 68% ของพลังงานทั้งหมดในเอกภพ คำอธิบายที่ง่ายที่สุดคือค่าคงที่จักรวาลวิทยา คือพลังงานที่มีอยู่ในอวกาศว่างเปล่าเอง ยิ่งอวกาศขยาย ก็ยิ่งมีพลังงานนี้มากขึ้น ไอน์สไตน์เคยใส่ค่าคงที่นี้ในสมการตั้งแต่ปี ค.ศ. 1917 เพื่อให้เอกภพหยุดนิ่ง แต่ภายหลังถอดออกเมื่อพบว่าเอกภพขยายตัว และมันกลับมามีบทบาทอีกครั้งด้วยเหตุผลที่ต่างไปโดยสิ้นเชิง

ปัญหาคือ เมื่อนักฟิสิกส์ใช้ทฤษฎีควอนตัมคำนวณพลังงานของอวกาศว่าง ผลที่ได้มากกว่าค่าที่วัดได้จริงอย่างมหาศาล ความไม่ลงรอยนี้เป็นหนึ่งในปัญหาใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์

เอกภพทำมาจากอะไร

จากรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง ซูเปอร์โนวา และแผนที่ดาราจักร พลังงานทั้งหมดในเอกภพปัจจุบันแบ่งเป็นพลังงานมืดราว 68% สสารมืดราว 27% และสสารปกติที่ประกอบเป็นดาว แก๊ส และตัวเราเพียงราว 5% ความหนาแน่นของพลังงานมืดเมื่อคิดเป็นมวลมีเพียงราว

หรือเท่ากับความหนาแน่นของพลังงานมืดเมื่อคิดเป็นมวลเท่ากับมวลของอะตอมไฮโดรเจนราวสี่อะตอมต่อลูกบาศก์เมตร น้อยจนไม่มีผลใด ๆ ในห้องทดลองหรือในระบบสุริยะ แต่เพราะมันอยู่ทั่วทุกลูกบาศก์เมตรของอวกาศ เมื่อรวมกันทั้งเอกภพจึงมากกว่าสสารทั้งหมด

ทำไมพลังงานมืดจึงชนะในที่สุด

นักจักรวาลวิทยาบรรยายสสารแต่ละชนิดด้วยค่า w = p / (\rho c^2) คืออัตราส่วนความดันต่อความหนาแน่น เมื่อเอกภพขยายด้วยตัวประกอบสเกล a ความหนาแน่นจะเปลี่ยนตาม

สสาร (w = 0) เจือจางลงตาม a^{-3} เพราะปริมาตรเพิ่ม รังสี (w = 1/3) ลดลงเร็วกว่าตาม a^{-4} เพราะความยาวคลื่นถูกยืดด้วย แต่ค่าคงที่จักรวาลวิทยามี w = -1 ความหนาแน่นจึงคงที่ไม่ว่าเอกภพจะขยายเท่าไร ช่วงแรกสสารจึงครองเอกภพ แต่เมื่อสสารเจือจางลงเรื่อย ๆ พลังงานมืดก็แซงขึ้นมาเมื่อราว 4,000 ล้านปีก่อน

เมื่อเอกภพขยายตัว สสารเจือจางลงเพราะปริมาตรเพิ่มขึ้น รังสีเจือจางเร็วกว่านั้นอีกเพราะความยาวคลื่นถูกยืดออกด้วย แต่พลังงานมืดในรูปค่าคงที่จักรวาลวิทยาเป็นพลังงานของอวกาศเอง ความหนาแน่นจึงคงที่ไม่ว่าเอกภพจะขยายเท่าไร ช่วงแรกสสารจึงครองเอกภพ แต่เมื่อสสารเจือจางลงเรื่อย ๆ พลังงานมืดก็แซงขึ้นมาเมื่อราว 4,000 ล้านปีก่อน

ส่วนจะทำให้การขยายตัวเร่งหรือช้าลง ดูได้จากสมการความเร่งของเอกภพ

ถ้าความดันติดลบมากพอ คือ w ต่ำกว่า -1/3 วงเล็บจะติดลบ และการขยายตัวจะเร่งขึ้น พลังงานมืดจึงทำหน้าที่เหมือนแรงโน้มถ่วงแบบผลักในขนาดของเอกภพ

สิ่งที่ทำให้พลังงานมืดเร่งการขยายตัวได้คือมันมีความดันติดลบ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ความดันก็ก่อแรงโน้มถ่วงได้เหมือนมวล ความดันที่ติดลบมากพอจึงให้ผลตรงข้าม พลังงานมืดจึงทำหน้าที่เหมือนแรงโน้มถ่วงแบบผลักในขนาดของเอกภพ

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์

ทฤษฎีควอนตัมทำนายว่าอวกาศว่างมีพลังงานจากอนุภาคเสมือนที่เกิดและหายไปตลอดเวลา ถ้าคำนวณแบบตรงไปตรงมา ค่าที่ได้มากกว่าค่าที่วัดได้จริงราว 10¹²⁰ เท่า ซึ่งถูกเรียกว่าเป็นคำทำนายที่ผิดมากที่สุดในประวัติศาสตร์ฟิสิกส์ ยังไม่มีใครรู้ว่าทำไมค่าจริงจึงเล็กแต่ไม่เป็นศูนย์

ข่าวล่าสุดและอนาคตของเอกภพ

ผลการวัดจากโครงการ DESI ในปี ค.ศ. 2024 ถึง 2025 ซึ่งทำแผนที่สามมิติของดาราจักรหลายสิบล้านแห่ง บ่งชี้ว่าพลังงานมืดอาจไม่คงที่ แต่ค่อย ๆ อ่อนลงตามเวลา ความเชื่อมั่นทางสถิติอยู่ที่ราว 3 ถึง 4 ซิกมาขึ้นกับชุดข้อมูลที่นำมารวม ยังไม่ถึง 5 ซิกมาที่นักฟิสิกส์ถือว่ายืนยันการค้นพบ ถ้ายืนยันได้จะเปลี่ยนความเข้าใจเรื่องเอกภพครั้งใหญ่ กล้อง Euclid ของ ESA หอดูดาวเวรา รูบิน และกล้องโรมัน ถูกออกแบบมาเพื่อตอบคำถามนี้โดยตรง อนาคตของเอกภพขึ้นกับว่าพลังงานมืดเป็นอย่างไร ถ้าคงที่ เอกภพจะขยายตัวต่อไปเรื่อย ๆ จนดาราจักรอื่นหายไปจากขอบฟ้า และค่อย ๆ เย็นลงจนมืด