3.7 การบิดเบือนของปริภูมิเรดชิฟต์: อิทธิพลของความเร็วตามแนวเส้นเล็งที่ถูกจัดระเบียบโดยสนามความตึง

หน้าแรก ／ บทที่ 3: จักรวาลในระดับมหภาค

I. ปรากฏการณ์และข้อจำกัดของคำอธิบายเดิม

• สองรูปลักษณ์เด่น: ในระบบพิกัดที่มอง “เรดชิฟต์” เป็นระยะทาง กระจุกกาแล็กซีมักถูกยืดยาวตามแนวเส้นเล็งจนดูเป็น “นิ้ว” หลายเส้น ขณะที่ในสเกลใหญ่ขึ้น เส้นระดับความสหสัมพันธ์ที่มุ่งสู่กระจุกและเส้นใยจักรวาลกลับถูกกดให้สั้นลงตามแนวเส้นเล็ง จึงเห็นเป็นแผ่น “แบนบีบ”
• เหตุที่คำอธิบายทั่วไปยังไม่พอ: การโทษรูป “นิ้ว” ว่าเกิดจาก “การเคลื่อนที่เชิงความร้อนแบบสุ่ม” ภายในกระจุก และโทษความ “แบนบีบ” ว่าเกิดจาก “การไหลร่วมทิศในสเกลเชิงเส้น” อาจพอรับได้เชิงคุณภาพ แต่บ่อยครั้งต้องปรับพารามิเตอร์เฉพาะวัตถุเพื่ออธิบายความต่างตามสภาพแวดล้อม การเลือกแนวทิศ และหางหนักของแจกแจงความเร็ว ที่สำคัญยิ่งคือยังไม่ชี้ชัดว่า “ผู้จัดระเบียบ” ทางฟิสิกส์ร่วมอยู่เบื้องหลังทั้งสองรูปลักษณ์คือใคร

II. กลไกทางฟิสิกส์

แนวคิดหลัก: ความเร็วไม่ได้ “งอกขึ้น” บนพื้นที่ว่างเปล่า สนามความตึงเป็นผู้วาง “ภูมิประเทศ” ก่อน เมื่อภูมิประเทศถูกกำหนด สสารและความปั่นป่วนจึงถูกจัดระเบียบเป็นแบบแผนการไหลและแบบแผนการสั่นไหวเฉพาะตัว แล้วสองรูปลักษณ์ในปริภูมิเรดชิฟต์—“นิ้ว” และ “แบนบีบ”—ก็ปรากฏตามธรรมชาติ

1. เอฟเฟกต์ “นิ้วของพระเจ้า” (Finger of God): หลุมลึก แรงเฉือน และการล็อกทิศ

• หลุมความตึง (ลึกและชัน): ที่ตำแหน่งปม (กระจุก/ซูเปอร์กระจุก) ค่าสนามความตึงสูงและมีเกรเดียนต์ชัน ทำหน้าที่เสมือน “หลุมลึก” ดึงให้การไหลและความปั่นป่วนรอบข้างมุ่งเข้าด้านใน เสริมส่วนประกอบความเร็วตามแนวหลุม
• ความยืดหยุ่นและแรงเฉือน (ทำให้เกิดหางหนัก): สันหลุมมิได้เรียบ แต่มี แถบเฉือน ใน “ทะเลเส้นใย” ซึ่งเป็นชั้นบางที่ไหลทิศเดียวกันแต่ต่างความเร็ว แถบเหล่านี้ทำให้การไหลที่เคยเป็นระเบียบย่นยู่เป็นการสั่นเล็กๆ และไมโครวอร์เท็กซ์ ขยายความกว้างของแจกแจงความเร็วตามแนวเส้นเล็ง นอกจากนี้ยังเกิด การเชื่อมต่อซ้ำระดับจิ๋ว (micro-reconnection) คือความเชื่อมต่อของ “เส้นใยพลังงาน” ที่แตก–เชื่อมใหม่–ปิดวงชั่วขณะเมื่อถึงเกณฑ์ ปลดปล่อยหรือจัดสรรความตึงเป็นจังหวะ จึงดึงแจกแจงให้มีหางหนักยิ่งขึ้น (ไม่เป็นแบบเกาส์เซียน)
• การล็อกทิศ (เมื่อใดจึงเห็นเป็น “นิ้ว”): แถบเฉือนและการเชื่อมต่อซ้ำระดับจิ๋วมักจัดเรียงตามแนวแกนเส้นใยสู่ปม เมื่อแกนหลักนี้เกือบขนานแนวเส้นเล็ง ระบบจะถูกยืดตามทิศนั้นในปริภูมิเรดชิฟต์และเห็นเป็น “นิ้ว” ชัดเจน
• วิธีอ่านภาพ: มองหาการเกิดร่วมของแจกแจงความเร็วที่มีหางหนักพร้อมกับการยืดตามแนวเส้นเล็ง หากพบทั้งคู่ แสดงว่าสันหลุมที่มีแรงเฉือนและการเชื่อมต่อซ้ำระดับจิ๋วกำลังเป็นตัวการหลัก

2. เอฟเฟกต์ “การอัดตัวแบบไคเซอร์” (Kaiser compression): ไหล่ทางยาว การไหลร่วมทิศ และการฉายภาพเชิงเรขาคณิต

• ไหล่ทางของสนามความตึงที่ยาว (สเกลใหญ่): ตลอดแนวเส้นใยจักรวาลที่มุ่งสู่ปม สนามความตึงก่อ “ทางลง” ที่เรียบและต่อเนื่อง
• การไหลร่วมทิศ (ความเร็วถูกจัดระเบียบ): สสารและกาแล็กซีไหลลงทางลาด ส่วนประกอบความเร็วจึงถูกจัดให้มุ่งสู่ปมอย่างเป็นระบบ เมื่อมองตามแนวเส้นเล็ง ความร่วมทิศนี้ทำให้ค่าความเร็วเอนเอียงไปในเครื่องหมายเดียวกัน
• การฉายภาพ (รูปลักษณ์แบนบีบ): เมื่อวาดเรดชิฟต์เป็นระยะทาง ความเอนเอียงเครื่องหมายเดียวกันจะกดเส้นระดับความสหสัมพันธ์ให้สั้นลงตามแนวเส้นเล็ง เกิดภาพ “แบนบีบ” แบบคลาสสิก
• วิธีอ่านภาพ: บนเรขาคณิตเส้นใย–ปม หากเส้นระดับความสหสัมพันธ์ถูกบีบตามแนวเส้นเล็งอย่างเป็นระบบ และสอดคล้องกับแนวโครงสร้างการไหลแบบ “คูหา” นั่นคือรอยนิ้วร่วมของ “ไหล่ทางยาว + การไหลร่วมทิศ”

3. เหตุใดสองเอฟเฟกต์มักปรากฏร่วมกัน
   แผนที่สนามความตึงแผ่นเดียวกันมีทั้งทางลาดชันเฉพาะที่ใกล้ปม (หลุม) และทางลาดยาวที่มุ่งสู่หลุมนั้น (เส้นใย) ดังนั้น ในท้องฟ้าพื้นที่เดียวกัน ส่วนในมักเห็นรูป “นิ้ว” ส่วนรอบนอกมักเห็น “แบนบีบ” ทั้งสองมิได้排斥กัน แต่เป็นการตอบสนองต่างรัศมีต่อภูมิประเทศเดียวกัน
4. สภาพแวดล้อมและ “ผู้จัดระเบียบเพิ่มเติม”

• แรงโน้มถ่วงเชิงสถิติจากอนุภาคไม่เสถียรจำนวนมาก: ในบริเวณที่มีการรวมตัว การก่อกำเนิดดาว หรือเจ็ตส์ทำงาน จะสะสมอคติการไหลเข้าที่เรียบและยืนยาว ทำให้หลุมแน่นขึ้น ทางลาดชันขึ้น จึงทั้งยืด “นิ้ว” ให้เด่นและขยายขอบเขต “แบนบีบ”
• สัญญาณรบกวนพื้นหลังที่ไม่เป็นระเบียบ: พื้นหลังแบนด์วิดท์กว้าง–แอมพลิจูดต่ำจากแพ็กเก็ตคลื่นที่กำเนิดโดยการทำลายล้าง (annihilation) ทำให้สนามความเร็วและความกว้างสเปกตรัมแผ่ออกเล็กน้อย ไวเป็นพิเศษบริเวณสันหลุมและจุดอาน ไม่ได้เปลี่ยนทิศทางใหญ่ของ “นิ้ว/แบนบีบ” แต่เติมรายละเอียดขอบให้ “กรุบกรอบ” จริงขึ้น

III. อุปมาเพื่อทำความเข้าใจ

ภูมิประเทศที่มีหลุมลึกและทางลาดยาว: พื้นที่หนึ่งมีทั้งหลุมลึก (ปม) และทางลาดยาวสู่หลุมนั้น (เส้นใย) ฝูงชนไหลลงทางลาดในทิศเดียวกัน มองไกลๆ จึงเหมือนถูก “บีบแบน” ใกล้ปากหลุม ชั้นดินเลื่อนเฉือนและยุบตัวเล็กๆ (สอดคล้องกับแรงเฉือนและการเชื่อมต่อซ้ำระดับจิ๋ว) ความต่างความเร็วหน้า–หลังจึงกว้างขึ้น มองตามแนวเส้นเล็ง ฝูงชนถูกยืดจนดูเป็น “นิ้ว”

IV. เทียบกับทฤษฎีดั้งเดิม

• จุดที่เห็นพ้อง: การกระจายตัวของความเร็วในกระจุกให้กำเนิด “นิ้ว” และการไหลร่วมทิศในสเกลใหญ่ก่อ “แบนบีบ”
• สิ่งที่เพิ่มเติม: ที่นี่ชี้ชัด “ผู้จัดระเบียบ” คือสนามความตึงที่วางภูมิประเทศก่อน แรงเฉือนร่วมกับการเชื่อมต่อซ้ำระดับจิ๋วที่สันหลุมอธิบายหางหนักและการยืดที่เลือกทิศ ทางลาดยาวอธิบายการบีบในสเกลใหญ่ ยิ่งไปกว่านั้น แรงโน้มถ่วงเชิงสถิติจากอนุภาคไม่เสถียรจำนวนมากทำหน้าที่เป็นปัจจัยแวดล้อมที่ปรับความแรงและสเกลร่วมกัน ขณะที่สัญญาณรบกวนพื้นหลังที่ไม่เป็นระเบียบช่วยให้ขอบภาพแผ่ออกอย่างสมจริง ดังนั้นไม่ต้อง “ปรับจูนรายวัตถุ” ซ้ำๆ ก็ยังตอบได้ว่าทำไม “ตรงนี้ยาวกว่า แบนกว่า แต่ตรงนั้นไม่เด่น”

V. บทสรุป

การบิดเบือนของปริภูมิเรดชิฟต์มิใช่ “ความประหลาดของความเร็วโดดๆ” หากแต่เป็นผลตามธรรมชาติของห่วงโซ่ ภูมิประเทศจากสนามความตึง → การจัดระเบียบความเร็ว → การฉายภาพ:

• หลุมที่ปม + แรงเฉือนและการเชื่อมต่อซ้ำระดับจิ๋วบนสันหลุม → แจกแจงความเร็วมีหางหนักและยืดตามแนวเส้นเล็ง (“นิ้ว”);
• ทางลาดยาวจากเส้นใยสู่ปม + การไหลร่วมทิศ → เส้นระดับความสหสัมพันธ์ถูกบีบตามแนวเส้นเล็ง (“แบนบีบ”);
• สภาพแวดล้อมที่มีกิจกรรมสูง → แรงโน้มถ่วงเชิงสถิติเสริมทั้งสอง ส่วนสัญญาณรบกวนพื้นหลังเพิ่มรายละเอียดเนื้อขอบ

เมื่อวางปรากฏการณ์นี้กลับเข้าสู่สายโซ่ ภูมิประเทศ → การจัดระเบียบ → การฉายภาพ รูป “นิ้ว” และ “แบนบีบ” จึงมิใช่สิ่งที่ต้องอธิบายแยกจากกัน แต่เป็นสองภาพตัดตามรัศมีของแผนที่สนามความตึงแผ่นเดียวกัน

。