megastudy

กฎของฮับเบิลและการขยายตัวของอวกาศ

ผลจากการสังเกตการณ์ดาราจักรและเควซาร์อันไกลโพ้นพบว่าวัตถุเหล่านั้นมีการเคลื่อนไปทางแดง กล่าวคือ แสงที่ส่งออกมาจากวัตถุเหล่านั้นมีความคลาดเคลื่อนของความยาวคลื่นที่ยาวมากขึ้น เราสามารถมองเห็นได้โดยการตรวจสอบสเปคตรัมความถี่ของวัตถุเปรียบเทียบกับรูปแบบการเปลี่ยนแปลงในการกระจายหรือดูดกลืนแถบคลื่นความถี่ที่สอดคล้องกับปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคทางเคมีกับแสง ปรากฏการณ์การเคลื่อนไปทางแดงที่พบล้วนสอดคล้องเป็นอันหนึ่งอันเดียวกันแม้จะทำการสังเกตการณ์วัตถุเหล่านั้นในทิศทางต่างๆ กัน หากอธิบายการเคลื่อนไปทางแดงด้วยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เราจะสามารถคำนวณความเร็วของวัตถุที่เหลื่อมช้าลงได้ สำหรับดาราจักรบางแห่ง มีความเป็นไปได้มากที่จะประมาณระยะห่างด้วยบันไดระยะห่างของจักรวาล เมื่อนำความเร็วที่เหลื่อมลงมาเปรียบเทียบกับระยะห่างที่คำนวณได้ เราจะได้สมการความสัมพันธ์เชิงเส้นซึ่งรู้จักกันในชื่อกฎของฮับเบิล ดังนี้^[1]

${\displaystyle \mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">=</span>{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}}$

โดยที่

${\displaystyle �}$ หมายถึง ความเร็วเหลื่อมลงของดาราจักรหรือวัตถุห่างไกล

${\displaystyle �}$ หมายถึง ระยะห่างระหว่างการเคลื่อนที่ของวัตถุที่สังเกต

${\displaystyle {\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}}$ หมายถึง ค่าคงที่ของฮับเบิล ซึ่งอยู่ระหว่าง 70.10 ± 1.3 กิโลเมตร/วินาที/เมกะพาร์เซก โดยวัดจาก WMAP^[20]

กฎของฮับเบิลสามารถอธิบายความเป็นไปได้อยู่สองทาง ทางหนึ่งคือเราอยู่ที่ศูนย์กลางของการระเบิดของดาราจักร ซึ่งขัดแย้งกับหลักการพื้นฐานโคเปอร์นิคัสอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ อีกทางหนึ่งคือเอกภพมีการขยายตัวอย่างสม่ำเสมอกันในทุกๆ แห่ง การขยายตัวอย่างเป็นเอกภาพนี้เคยมีการทำนายได้ก่อนหน้านี้แล้วจากสมการสัมพัทธภาพทั่วไปของอเล็กซานเดอร์ ฟรีดแมน ที่คำนวณไว้ในปี ค.ศ. 1922^[4] และจากงานของฌอร์ฌ เลอแม็ทร์ ในปี ค.ศ. 1927^[5] ก่อนหน้าที่ฮับเบิลจะทำการสังเกตการณ์และวิเคราะห์ออกมาในปี ค.ศ. 1929 และมันยังเป็นหลักการสำคัญของทฤษฎีบิกแบงที่พัฒนาขึ้นโดยฟรีดแมน เลอแม็ทร์ โรเบิร์ตสัน และวอล์คเกอร์

ทฤษฎีนี้มีเงื่อนไขอยู่ว่า ความสัมพันธ์ ${\displaystyle \mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">=</span>\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}}$ จะต้องดำรงอยู่ตลอดเวลา เมื่อ D เป็นระยะห่างที่แท้จริง ${\displaystyle \mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">=</span>\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">/</span>\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}}$ และ ${\displaystyle �}$, ${\displaystyle �}$, ${\displaystyle �}$ ล้วนแต่เปลี่ยนแปลงค่าไปเมื่อเอกภพขยายตัว (เหตุนี้เราจึงต้องเขียนว่า ${\displaystyle {\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">�</span>}}_{\mathrm{<span\; style="color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0</span>}}}$ เพื่อระบุ "ค่าคงที่" ของฮับเบิล ณ วันปัจจุบัน) เนื่องจากระยะห่างที่สังเกตมีค่าน้อยกว่าขนาดของเอกภพในสังเกตการณ์อย่างมาก ปรากฏการณ์เคลื่อนไปทางแดงของฮับเบิลจึงสามารถพิจารณาโดยใช้หลักการเดียวกันกับปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ได้ อย่างไรก็ดี พึงตระหนักว่าการเคลื่อนไปทางแดงไม่ใช่การคลาดเคลื่อนแบบเดียวกับดอปเปลอร์ เป็นแต่เพียงผลจากการขยายตัวของเอกภพระหว่างช่วงเวลาหนึ่ง และแสงมีการเปล่งออกมาระหว่างช่วงเวลาที่สังเกตอยู่^[24]

ห้วงอวกาศที่อยู่ภายใต้มาตรวัดการขยายตัวแสดงออกมาให้เห็นได้จากการสังเกตการณ์โดยตรงของหลักการพื้นฐานจักรวาลวิทยาและหลักการพื้นฐานโคเปอร์นิคัส ซึ่งเมื่อพิจารณาร่วมกับกฎของฮับเบิลแล้วก็ไม่มีคำอธิบายอื่นใดอีก การเคลื่อนไปทางแดงในทางดาราศาสตร์ถือเป็นปรากฏการณ์เฉพาะตัวที่เป็นหนึ่งเดียว^[1] มันช่วยสนับสนุนแนวคิดหลักการพื้นฐานจักรวาลวิทยาว่า เอกภพมีหน้าตาเหมือนกันหมดไม่ว่าจะมองจากทิศทางใด รวมถึงข้อมูลสังเกตการณ์อื่นๆ อีกมาก ถ้าการเคลื่อนไปทางแดงนี้เป็นผลจากการระเบิดตัวออกจากจุดศูนย์กลางแห่งอื่นซึ่งไม่ใช่ตำแหน่งของเรา มันไม่ควรให้ภาพที่คล้ายคลึงกันจากการมองในมุมต่างกันได้