วัตถุที่อยู่ไกลควรดูเหมือนถูกขยายไม่ใช่หรือ?
(astronomy.stackexchange.com)- ในการขยายตัวของเอกภพ ยิ่งไกลไม่ได้แปลว่าจะดูเล็กลงเสมอไป แต่เมื่อเลยจุดหนึ่งไปแล้ว อาจกลับมาดูใหญ่ขึ้นได้จาก จุดเปลี่ยนของระยะเชิงมุม
- ในแบบจำลองมาตรฐาน ΛCDM จุดเปลี่ยนอยู่แถวเรดชิฟต์ประมาณ 1.5 ระยะทางประมาณ 15,000 ล้านปีแสง และเวลาเดินทางของแสงประมาณ 10,000 ล้านปี
- กาแล็กซีในช่วง 400 ล้านปี หลังบิกแบง ปัจจุบันอยู่ห่างประมาณ 32,000 ล้านปีแสง แต่ขนาดที่ปรากฏอาจใกล้เคียงกับกาแล็กซีที่อยู่ห่างประมาณ 2,700 ล้านปีแสง
- สามารถเข้าใจได้ว่า กาแล็กซีใกล้ ๆ จะดูใหญ่และสว่าง กาแล็กซีที่ไกลกว่าจะเล็กลงไปเรื่อย ๆ แล้วกาแล็กซีที่ไกลมาก ๆ จะกลับมาดู ใหญ่ มืด และแดง
- ระยะทางเหล่านี้เป็นค่าปัดเศษที่ไวต่อพารามิเตอร์การขยายตัวของเอกภพ และตัวอย่างการคำนวณอิงจาก เครื่องคำนวณของ Ned Wright
จุดเปลี่ยนของระยะเชิงมุม
- เริ่มจากคำถามว่า หากตัวอวกาศเองกำลังขยายตัว วัตถุที่อยู่ไกลมาก ควรดูเหมือนถูกขยายหรือไม่
- ตัวอย่างที่ยกมาคือกาแล็กซีที่ JWST สังเกตการณ์ได้จากช่วงประมาณ 400 ล้านปีหลังบิกแบง
- ยังกล่าวถึงด้วยว่า ผลนี้จะสังเกตเห็นได้ชัดเฉพาะนอกขอบฟ้าที่สังเกตได้หรือไม่ และสเกลของอวกาศในเวลานั้นต่างจากปัจจุบันมากเพียงใด
จุดอ้างอิงใน ΛCDM มาตรฐาน
- ในแบบจำลองการขยายตัวของเอกภพ ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้จริง และเรียกว่า Angular diameter distance turnaround หรือ turnover
- ในแบบจำลอง ΛCDM โดยทั่วไป จุดเปลี่ยนจะอยู่ราว ๆ ช่วงต่อไปนี้
- เรดชิฟต์ประมาณ 1.5
- ระยะทางประมาณ 15,000 ล้านปีแสง
- เวลาเดินทางของแสงประมาณ 10,000 ล้านปี
- ประมาณ 4,000 ล้านปี หลังบิกแบง
- ระยะดังกล่าวมากกว่าระยะที่แปลงแบบง่าย ๆ จากเวลาเดินทางของแสงเพียงอย่างเดียว เพราะได้รับผลจากการขยายตัวของอวกาศ
- ตัวเลขไวต่อพารามิเตอร์การขยายตัวของเอกภพ จึงควรมองเป็น ค่าปัดเศษ
ตัวอย่างกาแล็กซียุคแรกจาก JWST
- กาแล็กซีในช่วงประมาณ 400 ล้านปี หลังบิกแบง เทียบเป็นระยะทางปัจจุบันได้ประมาณ 32,000 ล้านปีแสง
- หากดูเฉพาะขนาดที่ปรากฏ กาแล็กซีนี้อาจดูใกล้เคียงกับกาแล็กซีที่อยู่ห่างประมาณ 2,700 ล้านปีแสง
- ค่าคำนวณนี้ถูกใช้เป็นตัวอย่างจาก เครื่องคำนวณของ Ned Wright
แหล่งข้อมูลที่ช่วยให้เข้าใจเชิงภาพ
- xkcd 2622 เป็นตัวอย่างที่แสดงปรากฏการณ์นี้เป็นภาพ
- ในภาพ “กาแล็กซี” ที่อยู่ใกล้จะดู ใหญ่และสว่าง กาแล็กซีที่ไกลกว่าจะดู เล็ก และกาแล็กซีที่ไกลมาก ๆ จะดู ใหญ่ มืด และแดง
- อ่านคำอธิบายเพิ่มเติมได้ที่ Understanding The Turnover Point of Angular Diameter Distance
- แผนภาพในคำตอบของฟอรัมเดียวกันหัวข้อ Can the difference between a star and a galaxy which are point sources be detected? ก็ช่วยให้เข้าใจปรากฏการณ์นี้ได้เช่นกัน
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นบน Hacker News
บทความเชิงการศึกษาเรื่อง "Expanding Confusion" (2003) [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf ถือเป็นงานคลาสสิกในหัวข้อนี้และน่าอ่าน
การพยายามใส่ทั้งเอกภพที่ ขยายตัวแบบมีความเร่ง เมื่อเทียบกับวัตถุ [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n... และความเร็วแสงที่คงที่และมีค่าจำกัด เข้าไปพร้อมกันในกรอบคิดแบบยุคลิดในหัว อาจทำให้เวียนหัวได้
ต้องเตรียมใจสนุกกับการวาดรูปไปด้วย และค่อย ๆ ลงแรงหาข้อสรุปที่ขัดกับสัญชาตญาณด้วยมือตัวเอง
ทำให้นึกถึงอันนี้: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
ถ้าเคลื่อนที่ด้วย ความเร็วเชิงสัมพัทธภาพ แม้จริง ๆ จะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง ผู้สังเกตก็จะเห็นเหมือนว่าวัตถุกำลังหมุน และถึงขั้นมองเห็นด้านหลังของวัตถุได้ด้วย
เพราะแสงที่ออกมาจากส่วนต่าง ๆ ของวัตถุใช้เวลา ต่างกัน ในการเดินทางถึงผู้สังเกต
แสงจากด้านไกลใช้เวลานานกว่า และระหว่างนั้นวัตถุก็ยังเคลื่อนที่ต่อไป
ดังนั้นสาเหตุที่มองเห็นด้านหลังของวัตถุได้ คือระหว่างที่แสงจากด้านหลังนั้นเดินทาง ส่วนหลังของวัตถุได้เคลื่อนหลบออกจากเส้นทางของแสงนั้นแล้ว
หมายความว่ารูปร่างของวัตถุที่เคลื่อนที่ใกล้ความเร็วแสง ในสายตาผู้สังเกตจะไม่ได้ดูเหมือนถูก “บีบ” ให้แบน แต่จะดูเหมือนถูกหมุน
จะมอง รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล เป็นขีดจำกัดของปรากฏการณ์นี้ได้อย่างสมเหตุสมผลไหม?
สงสัยว่าจะมองได้หรือเปล่าว่ามันคือเศษหลงเหลือจากบิ๊กแบงที่ถูกขยายมากที่สุด และถูกเลื่อนไปทางแดงเท่าที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน
ในทางเลือกนี้ ช่วงเวลาที่เอกภพโปร่งใสต่อแสงจะอยู่ก่อนช่วงเวลาที่ปรากฏในรังสีพื้นหลังเล็กน้อย และสิ่งที่ “ไกลกว่า” นั้นทั้งหมดจะเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นนอก กรวยแสง ของเรา
กล่าวคือเป็น “elsewhere” ในความหมายทางเทคนิค (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf)
ในทางเลือกนี้ ดูเหมือนว่าอาจอธิบายการขยายตัวของเอกภพด้วย แรงดึงดูดเชิงโน้มถ่วง ระหว่างสสารนอกกรวยแสงของเรากับสสารด้านในได้ด้วย
น่าจะมีข้อโต้แย้งอยู่ว่าทำไมมันจึงไม่ใช่แบบนี้ แต่ผมไม่ค่อยรู้
ต้องมีคำอธิบายว่าทำไมจึงต้องเป็นจุดนั้นพอดีในประวัติศาสตร์
ระยะทางสูงสุดคงที่ และเมื่อจุดของ “อดีตที่ไกลที่สุด” เลื่อนมาข้างหน้าตามเวลา รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาลกำลังเปลี่ยนไปอย่างละเอียดอ่อนในแบบที่เรายังไม่สังเกตเห็นหรือเปล่า
หรืออาจเป็นไปได้ว่า ณ เวลานั้น ความเร็วแสงเปลี่ยนไปด้วยเหตุผลบางอย่าง ทำให้เอกภพส่วนที่เหลือถูกตัดออกจากทัศนวิสัยของเรา
ดีมาก มีหลายหัวข้อที่เราได้ยินในชั้นเรียนแล้วก็ปล่อยผ่านไปโดยไม่คิดอะไรมาก จนกว่าจะมีใครสักคนบอกว่า “เดี๋ยวนะ” แล้วหยุดเราไว้ ถึงจะรู้ว่ามันชวนมึนหัวแค่ไหน
การตีความ เวกเตอร์พอยน์ติง ก็เป็นตัวอย่างแบบนั้น
ลองไปอีกขั้นหนึ่ง สมมติว่ากล้องโทรทรรศน์ใหญ่พอและเซนเซอร์ไวพอ โครงสร้างของ เอกภพที่ลึกที่สุด จะมีหน้าตาอย่างไร?
ก่อนกาแล็กซีก่อตัว จะมีโครงสร้างที่เล็กกว่ากาแล็กซีแต่กินพื้นที่มหึมาบนท้องฟ้าหรือไม่?
โครงสร้างในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งในอดีตจะกินพื้นที่บนท้องฟ้ามากจนมีเพียงไม่กี่อันเท่านั้นที่ “ใส่” ลงไปได้หรือเปล่า และถ้าใช่ ในเชิงคำนวณจะอธิบายได้เท่าเทียมกันไหมว่าสาเหตุคือบริเวณของเอกภพที่เราสังเกตเห็นได้ในตอนนั้นมีขนาดเล็กกว่านั้นมาก
รูปจริงหาได้ไม่ยาก
ปัญหาคือแม้สิ่งเหล่านี้จะเป็นโฟตอนที่เก่าแก่ที่สุดที่เรามองเห็นได้ แต่ก็ยังเป็นของตอนที่เอกภพมีอายุราว 400,000 ปี และตอนนั้นเอกภพมีความกว้างประมาณ 100 ล้านปีแสง
ภาพนั้นแสดงให้เห็นว่าเอกภพแทบจะเป็นเนื้อเดียวกันโดยสมบูรณ์ และโดยพื้นฐานแล้วไม่มีโครงสร้างแบบที่ถามถึง
หากจะมองให้ไกลกว่านั้น ต้องละทิ้งโฟตอนไปเลย และน่าจะต้องใช้ คลื่นความโน้มถ่วง สำรวจเอกภพยุคแรกสุด
คลื่นความโน้มถ่วงควรทำให้มองเห็นเอกภพช่วงก่อนหน้านั้นที่ทึบแสงโดยสมบูรณ์ได้
ตอนนี้ด้วยหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง เรายัง “มองเห็น/ได้ยิน” ได้เฉพาะเหตุการณ์ที่สว่างและดังที่สุดในเอกภพเท่านั้น แต่แค่การที่มันเป็นไปได้ก็น่าทึ่งแล้ว
มนุษย์ได้สร้างประสาทสัมผัสใหม่ที่ไม่มีสิ่งมีชีวิตใดเท่าที่รู้จักมี และโครงการ LISA ก็น่าจะได้ยินอะไรได้มากขึ้น
น่าสนใจ มีคำถามที่เกี่ยวข้อง เวลาเรามอง แอนดรอเมดา ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 220,000 ปีแสง เรากำลังมองจากด้านข้างเล็กน้อย
ในช่วง 220,000 ปีแสงนั้น กาแล็กซีได้เคลื่อนที่เมื่อเทียบกับเราไปแล้ว ดังนั้นดาวที่ขอบด้านหลังน่าจะอยู่ในตำแหน่งบนท้องฟ้าที่ต่างออกไปเมื่อเทียบกับดาวที่ขอบด้านหน้าไม่ใช่หรือ?
สิ่งที่กวนใจเสมอเวลาสังเกตวัตถุไกล ๆ แบบนี้คือ ความหน่วงเวลา
ถ้าแสงใช้เวลา 4 ปีแสงในการเดินทางไปในทิศทางเดียว นั่นเป็นกรอบของผู้สังเกตที่จุดเริ่มต้น แต่จากมุมมองของโฟตอนที่เราสังเกต มันไม่สั้นกว่า 4 ปีมากหรือ? แล้วจริง ๆ พูดเป็น ‘ปี’ ได้ไหม?
ดังนั้นเมื่อมอง Alpha Centauri ผ่านกล้องโทรทรรศน์ เรากำลังเห็น Alpha Centauri เมื่อ 4 ปีก่อนจริงหรือ? ไม่ใช่ว่าเป็นช่วงที่ใหม่กว่านั้นมากหรือ?
หรือถ้าคนอายุ 30 ปีเดินทางจาก Alpha Centauri มายังโลกด้วยความเร็วแสง พอถึงที่หมายเขาจะอายุประมาณ 31 ปี มาถึงหลังผ่านไป 4 ปี และโดยแท้จริงแล้วเหมือนเดินทางข้ามเวลาไปอนาคตหรือเปล่า? ถ้ากลับไปทันที คนบน Alpha Centauri จะพบคนอายุราว 32 ปีที่กลับมาอีก 8 ปีให้หลังใช่ไหม?
ถ้าอย่างนั้น ความคิดของ Superman ที่พยายามบินรอบโลกด้วยความเร็วสูงมากเพื่อเดินทางข้ามเวลา อาจถูกก็ได้ เพียงแต่ทิศทางไม่ใช่อดีตแต่เป็นอนาคต
สักวันหนึ่งอาจมีมหาเศรษฐีสักคนบินวนรอบระบบสุริยะด้วยความเร็วสูงมากเป็นเวลาหลายสิบปี เพื่อข้ามเวลาไปสักหนึ่งศตวรรษก็ได้
โฟตอนที่เดินทางระหว่าง Alpha Centauri กับโลกไม่ได้ประสบกับเวลา ดังนั้นโดยแท้จริงแล้วมันมาถึงทันที
แต่เราในฐานะผู้สังเกตจะเห็นว่าการเดินทางนั้นใช้เวลา 4 ปี
จะถือว่าใหม่หรือไม่เป็นเรื่องสัมพัทธ์ จึงไม่ได้มีความหมายมากนัก
จากมุมมองของโฟตอน มันใหม่ และจากมุมมองของเรา แสงนั้นมีอายุ 4 ปี
ถ้าอย่างนั้นวัตถุแบบนั้นน่าจะตรวจจับได้ยากขึ้น เพราะแสงกระจายออกไปบนพื้นที่กว้างขึ้น ทำให้ปริมาณแสงที่ตกกระทบแต่ละพิกเซลของตัวตรวจจับน้อยกว่าตอนที่ไม่ได้ถูกขยาย
อีกมุมหนึ่งก็คือ หมายความว่าเราจะมองเห็น รายละเอียด ที่เดิมทีคงมองไม่เห็นได้
อันนี้ค่อนข้างช็อก ลิงก์ xkcd ที่ให้ไว้แสดงเอฟเฟกต์นี้ได้ยอดเยี่ยม และอาจถึงขั้นเกินจริง
วัตถุในกระจกอาจอยู่ไกลกว่าที่เห็น
ลองเพิ่มความสว่างแล้วซูมดู