นักวิทย์พบวิธีส่อง ‘สสารมืด’ ได้ผลลัพธ์เกินคาด นำมาสู่ปริศนาใหม่!

‘กระจุกกาแล็กซี (Galaxy clusters)’ เป็นโครงสร้างที่มีแรงโน้มถ่วงที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาล ทั้งยังมีมวลมหาศาลสุด ๆ ด้วย เพราะนอกจากจะประกอบด้วยดวงดาวและก๊าซของหลายร้อยกาแล็กซีที่มองเห็นด้วยตาเปล่าแล้ว ยังมีสิ่งที่มองไม่เห็นอย่าง ‘สสารมืด (Dark matter)’ ทั้งภายในและรอบ ๆ กระจุกกาแล็กซีอีกต่างหาก

11 กันยายน 2563 – มาสสิโม เมเนกเฮตติ (Massimo Meneghetti) จากสถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งชาติอิตาลีและคาลเทค (National Institute of Astrophysics, Italy, and Caltech) และคณะได้นำเสนอ ‘วิธีใหม่’ ที่ช่วยให้สังเกตเห็นสสารมืดได้ ในงานวิจัยที่เผยแพร่ใน Science และด้วยวิธีการนี้ ทำให้เกิดผลลัพธ์ ซึ่งขัดแย้งกับสิ่งที่ผู้ตั้งสมมุติฐานคาดหวังไว้อย่างสิ้นเชิง

สสารมืดและวิธีค้นหา

เพื่อให้เข้าใจความน่าตื่นเต้นของการค้นพบนี้ เราต้องมาทำความรู้จักกับสสารมืดก่อน หลายคนได้ยินคำว่า ‘มืด’ ก็มักเชื่อมโยงกับความมืดดำ แต่แท้จริงแล้ว ‘ความมืด’ นี้ไม่ใช่สี แต่เป็นภาวะที่ทำให้เรามองเห็นได้ลดลงหรือไม่เห็นเลย ดังนั้น ‘สสารมืด’ จึงหมายถึงวัตถุหรือสสารในจักรวาลที่เรามองไม่เห็นแต่รู้ว่ามีอยู่นั่นเอง

ฟังแบบนี้อาจจะงงไปอีกว่าไม่เห็นแต่รู้ว่ามีอยู่ได้อย่างไร นอกจากมองไม่เห็น สสารมืดยังไม่แผ่พลังงานเพียงพอที่จะตรวจจับได้โดยตรงด้วย แต่เรากลับตรวจพบอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงของมันต่อสสารปกติในกาแล็กซี นั่นหมายความว่า วัตถุท้องฟ้าทั้งหลายจะไม่ได้มีรูปร่างหน้าตา หรือ ตำแหน่งที่ตั้งอย่างที่มันเป็นอยู่เลย หากปราศจากอิทธิพลจากสสารมืดนี้ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงทฤษฎีที่นักวิทยาศาสตร์ใช้อธิบายเพื่อทำความเข้าใจการคงอยู่และวิวัฒนาการของเอกภพเท่านั้น

เพื่อยืนยันทฤษฎีดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์ต้องหาหลักฐานที่เป็นรูปธรรมมาพิสูจน์ ยืนยันการมีอยู่ของมัน ตลอดจนทำความเข้าใจในตัวมันด้วย ซึ่งที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์มักใช้วิธีสำรวจและสังเกตปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับสสารมืด เช่น ความเร็วของการหมุนตัวของกาแล็กซี ความเร็วในการโคจรของกาแล็กซีในกระจุกกาแล็กซี อุณหภูมิของแก๊สร้อนที่กระจายตัวภายในกาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซี วิวัฒนาการของกาแล็กซี และใช้การสำรวจทางอินฟราเรดศึกษาผลกระทบของแรงโน้มถ่วงรวมที่มีต่อวัตถุท้องฟ้าที่เรามองเห็น ผลลัพธ์ที่ได้จากการศึกษาเหล่านี้ ชี้ว่ามี ‘บางสิ่ง’ ที่มีอิทธิพลส่งผลต่อสสารที่มองเห็นจริง จึงสรุปได้ว่ามันน่าจะมีอยู่จริง ๆ

ภาพผ่านการตกแต่งที่แสดงให้เห็นความเข้มข้นของสสารมืดขนาดเล็กในกระจุกกาแล็กซี MACS J1206
Credit: ESA / Hubble, M. Kornmesser

เรารู้ว่าในจักรวาลน่าจะมีสสารมืดนี้อยู่เมื่อปี 1933 มีการประมาณจากค่าการแผ่รังสีทั้งหมดในจักรวาลพบว่า 4% เป็นของวัตถุที่สามารถมองเห็นได้ 22% มาจากสสารมืด และ 74% มาจากพลังงานมืด แต่การหาคำตอบว่าสสารมืดเกิดจากอะไรเป็นเรื่องยากอย่างยิ่ง แต่นั่นก็ยิ่งดึงดูดให้นักวิทยาศาสตร์สนใจศึกษาเจ้าสิ่งนี้

ปุ่มก้อนในขนมปัง กับ ลักษณะของสสารมืด

นักทฤษฎีต่างรู้มานานแล้วว่า สสารมืดไม่ใช่วัตถุที่มีลักษณะราบลื่นเป็นเนื้อเดียว แต่เป็นดังเช่นแป้งขนมปังที่อบไม่สุกหรือทำลวก ๆ มากกว่า สสารมืดจะมีสิ่งที่เรียกว่า ‘รัศมี’ หรือ ‘ฮาโล (Halo)’ อยู่ ซึ่งส่วนนี้เองที่ล้อมรอบกาแล็กซีและกระจุกกาแล็กซีเอาไว้ โดยรัศมีที่ว่านี้ยังมีสิ่งที่คล้ายก้อนหรือตุ่มไตตะปุ่มตะป่ำ ที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า ‘ซับฮาโล (Subhalo)’ อยู่ด้วย

และเช่นเดียวกับแป้งที่นวดแล้ว ทั้งฮาโลหรือซับฮาโลนี้จะไม่ได้คงสภาพอยู่นิ่ง ๆ  เมเนกเฮตติอธิบายว่า เจ้าซีบฮาโลนี้จะเคลื่อนที่หมุนวนไปตามวงโคจรรอบศูนย์กลางกระจุกกาแล็กซี ทั้งยังโต้ตอบกับฮาโลขนาดใหญ่ที่อยู่ภายในด้วย และบางครั้งก็ชนกันและรวมเข้ากับซับฮาโลอื่น ๆ 

ในกระจุกกาแล็กซี ซึ่งเต็มไปด้วยกาแล็กซีหลายร้อยแห่งนั้น น่าจะมีซับฮาโลอยู่เป็นจำนวนมาก และจากการประเมินด้วยแบบจำลองก็ได้ให้ผลลัพธ์เป็นจำนวนที่ทีมวิจัยคาดหวัง ซับฮาโลบางอันอาจมีดวงดาวอยู่ และอาจจะมองเห็นได้เลือนรางประหนึ่งกาแล็กซีแคระ ส่วนที่เหลือน่าจะมืดไปหมด ซึ่งส่วนใหญ่แล้ว ไม่ว่าจะกรณีใด ๆ ก็สังเกตได้ยากทั้งสิ้น

ภาพเปรียบเทียบจากการสำรวจพลังงานมืด (Dark Energy Survey) แสดงให้เห็นความยากลำบากในการมองหากาแล็กซีแคระ
จุดขาวในภาพด้านขวาคือดาวประมาณ 300 ดวงที่คาดว่าเป็นดาวในกาแล็กซีแคระในทางช้างเผือกที่อยู่ไกลออกไป
ภาพซ้ายแสดงดวงดาวทั้งที่อยู่ไกลออกไป และที่อยู่ในทางช้างเผือกที่ใกล้โลกมากกว่ารวมกัน
Credit: Fermilab / Dark Energy Survey

การส่องหาก้อนสสารมืดและผลลัพธ์

เพื่อให้สังเกตซับฮาโลได้ง่ายขึ้น ทีมวิจัยของเมเนกเฮตติจึงได้หาวิธีการซึ่งเกี่ยวพันกับลักษณะของกระจุกกาแล็กซี ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่า กระจุกกาแล็กซีเป็นสิ่งที่มีขนาดใหญ่มาก มันจึงทำหน้าที่เป็น ‘แว่นขยายความโน้มถ่วง’ ขนาดใหญ่ (Gravitational magnifying glasses) ดึงแสงจากกาแล็กซีที่อยู่ด้านหลังเข้ามาในลักษณะโค้งหรือเกิดเป็นภาพหลาย ๆ ภาพ มวลมหาศาลของกระจุกกาแล็กซีอาจสร้างภาพหลายภาพที่แยกจากกันนับสิบมุม ทว่าซับฮาโลที่อยู่ในตำแหน่งเหมาะสมในกระจุกกาแล็กซีอาจสร้างภาพได้มากกว่านั้นด้วยมุมมองที่แยกจากกันเพียงไม่กี่มุม

ทีมวิจัยใช้ภาพและข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) และกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ของหอสังเกตการณ์ทางใต้ของยุโรปในชิลี (European Southern Observatory) เพื่อตรวจดูกระจุกกาแล็กซีหลายแห่ง และนับจำนวน ‘เลนส์ขนาดเล็ก’ ที่มีเพียงซับฮาโลสร้างได้ และผลลัพธ์ที่ได้ก็สร้างความประหลาดใจให้กับทีมเป็นอย่างมาก

(อ่านต่อหน้า 2 คลิกด้านล่างเลย)