เครื่องมือที่ชื่อว่า “DESI” จะสร้างแผนภูมิกาแลคซีได้มากถึง 40 ล้านกาแล็กซี่ มากกว่าการสำรวจครั้งก่อนๆ ถึง 10 เท่า
การสำรวจท้องฟ้าครั้งใหม่ที่มีความทะเยอทะยานถูกกำหนดให้ทำแผนที่จักรวาลในสามมิติ จัดทำแผนภูมิการกระจายของกาแลคซีนับสิบล้านแห่ง และจุดสนใจเกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาลในระดับที่ใหญ่ที่สุด นักดาราศาสตร์หวังว่าโครงการที่เรียกว่า DESI สำหรับเครื่องมือสเปกโตรสโกปีพลังงานมืดจะไขปริศนาของพลังงานมืดและอาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงด้วย
ในมุมท้องถิ่นของเราในจักรวาล กาแล็กซีและกระจุกดาราจักรเป็นโครงสร้างที่โดดเด่น กระจุกดาราจักรเหล่านี้ดูเหมือนจะถูกพันรวมกันเป็นเส้นใยขนาดมหึมา ซึ่งทอดยาวไปหลายล้านปีแสง โดยมีช่องว่างขนาดใหญ่แยกเส้นใยออกจากกัน นักดาราศาสตร์ไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าโครงสร้างอันอุดมสมบูรณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ในช่วงเวลาของบิกแบงเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน คาดว่าจักรวาลจะมีเนื้อเดียวกันเกือบเท่ากัน สิ่งผิดปกติใด ๆ ที่อาจเกิดขึ้นจะได้รับการขยายโดยแรงโน้มถ่วงซึ่งทำให้สสารรวมตัวกัน ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่ดีที่สุดของเรา ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ของไอน์สไตน์ผ่านการทดสอบทุกรูปแบบมานานกว่า 100 ปี ถึงกระนั้นก็ไม่เคยได้รับการทดสอบในระยะทางจักรวาลวิทยาอันกว้างใหญ่ที่ DESI จะทำการตรวจสอบ
Risa Wechsler นักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและผู้อำนวยการสถาบัน Kavli สำหรับฟิสิกส์ดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาด้วยข้อมูลจาก DESI กล่าวว่า “เรากำลังทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเราในระดับที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
อย่างไรก็ตาม การทำให้ภาพซับซ้อนขึ้นคือพลังงานมืดซึ่งเป็นแรงต้านแรงโน้มถ่วงลึกลับที่ดูเหมือนจะผลักกาแลคซี่ออกจากกัน และยิ่งไปกว่านั้น ยังมีสสารมืดซึ่งเป็นวัสดุที่ไม่รู้จัก—อาจเป็นอนุภาคที่แปลกใหม่ซึ่งสร้างขึ้นในเอกภพยุคแรก—ซึ่งยังห่างไกลจากการตรวจจับโดยตรง แต่ผลจากแรงโน้มถ่วงแสดงให้เห็นว่ามันมีสัดส่วนประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ของสสารในจักรวาล เพื่อทำความเข้าใจประวัติศาสตร์จักรวาล นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องแก้การดึงของแรงโน้มถ่วงจากการผลักของพลังงานมืด รวมถึงการดึงสสารมืดเพิ่มเติม ข้อมูลจาก DESI ซึ่งจะเผยให้เห็นว่า “การจับตัวเป็นก้อน” ของแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาต่างๆ มีรายละเอียดมากกว่าที่เคยเป็นมามากเพียงใด จะช่วยให้นักวิจัยแยกแยะอิทธิพลที่แข่งขันกันเหล่านี้ออกจากกัน
ในขณะที่ DESI เป็นกล้องใหม่ แต่กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้กล้องส่องทางไกลไม่ได้: เครื่องมือนี้จะวิเคราะห์แสงที่เก็บรวบรวมโดยกล้องโทรทรรศน์ Mayall สี่เมตรที่หอดูดาวแห่งชาติ Kitt Peakใกล้เมืองทูซอน รัฐแอริโซนา DESI จะบันทึกไม่เพียงแค่แสงของดาราจักรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสเปกตรัมด้วย โดยการวัดว่าวัตถุนั้นปล่อยแสงที่ความยาวคลื่นเท่าใด เนื่องจากจักรวาลกำลังขยายตัว ดาราจักรที่อยู่ห่างไกลจึงดูเหมือนจะถอยห่างจากเรา ส่งผลให้แสงของพวกมันยืดออก ทำให้สเปกตรัมของดาราจักรดูเป็นสีแดงมากกว่าการอยู่นิ่ง นักดาราศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า “เรดชิฟต์” และเนื่องจากมีความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางและการเคลื่อนไปทางแดง ยิ่งดาราจักรยิ่งห่างไกล ข้อมูลสเปกตรัมยิ่งเปลี่ยนสีแดง ยิ่งช่วยให้นักดาราศาสตร์ทราบว่าดาราจักรแต่ละแห่งอยู่ไกลแค่ไหน และด้วยตัวเลขเหล่านั้นในมือ พวกมันสามารถสร้างแผนที่จักรวาลในสามมิติได้
เทคโนโลยีหลักสองอย่างทำให้ DESI เป็นผู้คว้ากาแล็กซี่ขั้นสุดยอด หนึ่งคือเลนส์พิเศษ กว้างประมาณหนึ่งเมตร อยู่หน้ากระจกเงาหลักของมายอล มันขยายขอบเขตการมองเห็นของกล้องโทรทรรศน์ให้กว้างกว่าสามองศา—ประมาณหกเท่าของความกว้างที่ปรากฏของดวงจันทร์โลก (กล้องโทรทรรศน์มืออาชีพทั่วไปจะมีขอบเขตการมองเห็นน้อยกว่าหนึ่งองศา) ยิ่งขอบเขตการมองเห็นกว้างเท่าใด จำนวนดาราจักรที่สามารถศึกษาได้ในคราวเดียวก็จะยิ่งมากขึ้น หลังจากผ่านเลนส์นี้ แสงที่เข้ามาจะกระทบเส้นใยแก้วนำแสงจำนวน 5,000 เส้น ซึ่งนำแสงจากดาราจักรแต่ละแห่งไปยังชุดสเปกโตรกราฟ ซึ่งจะวัดปริมาณแสงที่ดาราจักรแต่ละดวงเปล่งออกมาในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ เนื่องจาก DESI สามารถเข้าถึงข้อมูลจากการสำรวจก่อนหน้านี้ที่ให้พิกัดของแต่ละกาแลคซี ใยแก้วนำแสงแต่ละเส้นสามารถจัดวางตำแหน่งให้ “เรียงตัว” กับแสงจากกาแลคซีแห่งหนึ่งได้ นั่นคือที่ที่ปุ่มที่สอง—ระบบอัตโนมัติ—เตะเข้า: ทุกครั้งที่กล้องโทรทรรศน์มุ่งไปที่ตำแหน่งใหม่ในท้องฟ้าหุ่นยนต์จิ๋ว 5,000 ตัวจัดตำแหน่งอาร์เรย์ของเส้นใยแก้วนำแสงใหม่อย่างรวดเร็ว เพื่อให้เข้ากับกาแล็กซีในด้านการมองเห็นใหม่
ระบบอัตโนมัติระดับนี้เป็นตัวเปลี่ยนเกมตามที่นักวิทยาศาสตร์โครงการ DESI ตามที่David Schlegel จาก Lawrence Berkeley National Laboratory ซึ่งจัดการโครงการ “ตอนที่ฉันยังเป็นนักเรียน ฉันเคยมีส่วนร่วมในการสำรวจ redshift นั้น—คุณต้องไปส่องกล้องดูดาวคืนแล้วคืนเล่า เราจะเล็งกล้องโทรทรรศน์ไปที่ดาราจักร ใช้เวลาประมาณ 30 ถึง 60 นาทีในการวัดการเปลี่ยนแปลงสีแดงของดาราจักร แล้วชี้ไปที่กาแล็กซีอื่น และตลอดระยะเวลาห้าปี เราทำแผนที่ขนาดใหญ่เหล่านี้ ซึ่งอาจประกอบด้วยกาแล็กซีประมาณ 3,000 แห่ง พวกเขาน่าทึ่งมาก ตอนนี้เราทำได้ภายในสิบนาที”
DESI จะเล็งไปที่บางส่วนของท้องฟ้าเป็นเวลาประมาณ 15 ถึง 20 นาทีก่อนที่จะไปยังแพทช์ถัดไป ทุกครั้งที่เคลื่อนย้ายกล้องโทรทรรศน์ กองทัพหุ่นยนต์ตัวเล็ก ๆ อย่างที่ชเลเกลชอบเรียกพวกมัน ใช้เวลาประมาณหนึ่งนาทีในการปรับตำแหน่งตัวเอง “มันน่าจะเป็นส่วนที่สนุกที่สุดของเครื่องดนตรี วิศวกรของเราทุกคนต้องการทำงานในเรื่องนี้ ‘กองทัพหุ่นยนต์? อยู่ใน!'”
การสำรวจนี้คาดว่าจะใช้เวลา 5 ปี และจะจัดทำแผนภูมิกาแลคซีมากเป็นสิบเท่าของการสำรวจก่อนหน้านี้อย่างSloan Digital Sky Surveyซึ่งเริ่มรวบรวมข้อมูลในปี 2543
คำถามสำคัญเกี่ยวข้องกับบทบาทที่พลังงานมืดมีต่อประวัติศาสตร์จักรวาล เมื่อจักรวาลยังอายุน้อย คาดว่าแรงโน้มถ่วงจะครอบงำพลังงานมืด แต่เมื่อเอกภพมีอายุประมาณครึ่งหนึ่งในปัจจุบัน พลังงานมืดก็เริ่ม “เข้าครอบงำ” นับตั้งแต่นั้นมา แรงผลักดันของพลังงานมืดก็มีชัยเหนือแรงโน้มถ่วง ทำให้เอกภพไม่เพียงขยายตัว แต่ยังเร่งขึ้นอีกด้วย เพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมการสลับสับเปลี่ยนเกิดขึ้น นักวิจัยจำเป็นต้องมีแนวคิดบางอย่างว่าจริงๆ แล้วพลังงานมืดคืออะไร การเดาอย่างหนึ่งก็คือว่ามันเป็นสมบัติของอวกาศนั่นเอง ซึ่งไอน์สไตน์เรียกว่า ” ค่าคงที่จักรวาลวิทยา ” หากเป็นกรณีนี้ เมื่อจักรวาลมีขนาดใหญ่ขึ้น แรงโน้มถ่วง—ซึ่งจะลดลงเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้น—มีบทบาทน้อยลงเรื่อยๆ ซึ่งทำให้พลังงานมืดเข้ามาครอบงำ
แต่นักฟิสิกส์พยายามเปิดใจให้กว้าง พลังงานมืดอาจเป็นค่าคงตัวของจักรวาลที่ไอน์สไตน์อธิบาย หรืออาจเป็นสิ่งที่แปลกใหม่กว่า หากเป็นกรณีนี้ “นั่นจะเป็นการค้นพบใหม่ที่น่าตื่นเต้น” Kyle Dawson ในฐานะนักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Utah และโฆษกของ DESI กล่าว เขาสงสัยว่าพลังงานมืดอาจบ่งบอกถึง “สนามรูปแบบใหม่ การโต้ตอบใหม่ บางทีการเปลี่ยนแปลงวิธีการทำงานของแรงโน้มถ่วง”
ไม่ว่าพลังงานมืดจะเป็นอย่างไร ข้อมูลจาก DESI ซึ่งจะให้ภาพที่ชัดเจนที่สุดว่าโครงสร้างก่อตัวอย่างไรในเอกภพยุคแรกๆ มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนนักวิทยาศาสตร์ไปสู่คำตอบ
เนื่องจากแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัด DESI ก็เหมือนกับการสืบสวนด้วยกล้องส่องทางไกลทั้งหมด ไม่เพียงแต่มองออกไปในอวกาศแต่ย้อนเวลากลับไปด้วย ตัวอย่างเช่น เนื่องจากดาราจักรแอนโดรเมดาอยู่ห่างออกไปสองล้านปีแสง นักวิทยาศาสตร์จึงมองเห็นเหมือนเมื่อสองล้านปีก่อน เครื่องมือนี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถมองย้อนกลับไปในยุคต่างๆ เพื่อดูว่าเอกภพเคยมีลักษณะอย่างไรหลังจากเกิดบิ๊กแบงเพียงไม่กี่พันล้านปี นักจักรวาลวิทยารู้ว่ามันไม่ได้ราบรื่นอย่างสมบูรณ์ หลักฐานนี้สามารถมองเห็นได้ใน “ระลอกคลื่น” เล็กๆ ของรังสีที่หลงเหลือจากยุคนั้น หรือที่เรียกว่ารังสีพื้นหลังคอสมิกซึ่งสามารถศึกษาได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ระลอกคลื่นเหล่านั้นอาจเกิดขึ้นในช่วงเวลาแรกสุดของจักรวาล เมื่อแทนที่จะเป็นอวกาศและเวลากลับมีควอนตัมโฟมแบบแรก เริ่ม ภายในโฟมนี้ อนุภาคย่อยของอะตอมอาจกะพริบเข้าและออกจากการดำรงอยู่ เช่น ฟองอากาศที่โผล่เข้าและออกจากการดำรงอยู่ในหม้อน้ำเดือด
“เราคิดว่า [ระลอกคลื่น] นั้นเป็นความผันผวนของควอนตัมเมื่อเอกภพมีอายุเพียงเสี้ยววินาที” ชเลเกลกล่าว “ด้วยการทำแผนที่เหล่านี้ในขนาดที่ใหญ่มาก สิ่งที่เราเห็นจริง ๆ คือรอยประทับของความผันผวนของควอนตัมเหล่านั้นจากเอกภพยุคแรกๆ”
เมื่อลูกโอ๊กเติบโตกลายเป็นต้นโอ๊กอันยิ่งใหญ่ ความผันผวนของควอนตัมเหล่านั้นก็กลายเป็นโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดในจักรวาล เป็นเวลากว่าพันล้านปี Schlegel รำพึง: “คำถามที่เราพยายามจะเข้าใจคือ มันเริ่มต้นอย่างไร? อะไรทำให้เกิดจักรวาลขึ้นจริง ๆ ?
