รู้หรือไม่ ระบบสุริยะมี ‘ขน’ ด้วยนะ

หากเอ่ยคำว่า ‘สสารมืด’ หลายคนอาจจะรู้สึกว่ามันฟังดูน่ากลัวชอบกล แต่รู้หรือไม่ว่า มันอาจจะไม่ได้มีรูปร่างน่ากลัวอย่างที่คิดกัน งานวิจัยตีพิมพ์ในวารสาร Astrophysical Journal เสนอเรื่องราวการมีอยู่ที่น่าสนใจของเส้นใยของสสารมืด หรือ ‘เส้นขน’ ของระบบสุริยะขึ้น …ฟังดูชวนฉงนใช่ไหมล่ะ ระบบสุริยะจะไปมีเส้นขนได้ยังไง แล้วเส้นขนที่ว่าคือเป็นของสสารมืดด้วยเนี่ยนะ มันคืออะไรกันล่ะนั่น

ทำความรู้จักสสารมืด

‘สสารมืด (Dark matter)’ เป็นสสารลึกลับที่มองไม่เห็นซึ่งคิดเป็น 27 เปอร์เซ็นต์ของสสารและพลังงานทั้งหมดในจักรวาล ‘สสารปกติ (Regular matter)’ ที่ประกอบขึ้นเป็นทุกสิ่งที่เราเห็นรอบตัวนั้น มีเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ของจักรวาล ส่วนที่เหลือคือ ’พลังงานมืด (Dark energy)’ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่เกี่ยวข้องกับอัตราการขยายตัวที่เพิ่มขึ้นของเอกภพของเรา 

หลายคนอาจสงสัย ในเมื่อมองไม่เห็นแล้วเรารู้ว่ามีอยู่จริงได้อย่างไร และไม่ใช่แค่มองไม่เห็นเท่านั้น การตรวจจับก็ทำได้ยาก เพราะโดยปกติ สสารทั่วไปจะมีการแผ่พลังงานเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดใดชนิดหนึ่งออกมา ทว่าสสารมืดจะไม่แผ่พลังงานดังกล่าว หรืออาจแผ่พลังงานแต่ไม่เพียงพอให้ตรวจจับได้โดยตรง

ในเมื่อมองก็ไม่เห็นสัมผัสก็ยากยิ่ง แต่ที่เรารู้ว่ามีอยู่นั่นก็เพราะมันมีอิทธิพลต่อสสารปกติในกาแล็กซี เราสามารถศึกษาการมีอยู่ของมันได้จากการสำรวจทางอินฟราเรด สังเกตดูผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมันที่มีต่อวัตถุท้องฟ้าอื่น ๆ ที่เรามองเห็นอีกที 

นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าในเอกภพมีสสารมืดตั้งแต่ปี 1933 เมื่อ ฟริตซ์ ซวิคกี้ (Fritz Zwicky) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย ศึกษากระจุกกาแล็กซีโคมา โดยวัดมวลทั้งหมดของกระจุกกาแล็กซีนี้บนพื้นฐานการศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีบริเวณขอบของกระจุกกาแล็กซี

จากการสังเกตการณ์โครงสร้างขนาดใหญ่ในอวกาศ ทำให้พบว่าสสารมืดเป็นส่วนประกอบของมวลจำนวนมากในเอกภพ ปรากฏการณ์ที่ตรวจพบว่าเกี่ยวข้องกับสสารมืดก็ได้แก่ ความเร็วในการหมุนตัวของกาแล็กซี ความเร็วในการโคจรของกาแล็กซีในกระจุกกาแล็กซี รวมถึงการกระจายอุณหภูมิของแก๊สร้อนในกาแล็กซีและในกระจุกกาแล็กซี นอกจากนี้ สสารมืดยังมีบทบาทต่อการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแล็กซีเป็นอย่างมาก 

ด้วยเหตุนี้ เราจึงอาจกล่าวได้ว่า ไม่เคยมีการตรวจจับสสารมืดหรือพลังงานมืดได้โดยตรงมาก่อน ปัจจุบันนี้ ทฤษฎีหลักในเรื่องสสารมืดนั้นระบุว่า สสารมืดนั้น ‘เย็น’  ซึ่งหมายความว่ามันไม่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ มากนัก และมันก็ ‘มืด’ เนื่องจากมันไม่ผลิตหรือมีปฏิกิริยาโต้ตอบกับแสง แต่มันมีอยู่จริงและความผันผวนของความหนาแน่นของมันก็ส่งผลต่อสสารธรรมดาในกาแล็กซี โดยมีแรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เป็นกาวที่ยึดสสารทั้ง 2 ชนิดเข้าด้วยกัน

(อ่านต่อหน้า 2 คลิกด้านล่างเลย)

‘เส้นขน’ ของสสารมืด 

จากการคำนวณในทศวรรษ 1990 และการจำลองในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา สสารมืดก่อตัวเป็น “กระแสที่มีความละเอียดสูง (Fine-grained streams)” ภายในมีอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราความเร็วและรูปแบบวงโคจรเช่นเดียวกันกับกาแล็กซีของเรา 

แกรี พรีเซิล (Gary Prézeau) จาก Jet Propulsion Laboratory ของนาซา ผู้เขียนงานวิจัยชิ้นนี้กล่าวว่า “กระแสนี้อาจมีขนาดใหญ่กว่าระบบสุริยะมาก และมีหลายสายไหลข้ามพื้นที่ใกล้เคียงกาแล็กซีของเรา” เขาเปรียบเทียบว่า การก่อตัวของสสารมืดที่มีเนื้อละเอียดนี้เหมือนกับการผสมไอศกรีมช็อกโกแลตเข้ากับไอศกรีมวานิลลา การใช้สคูปหมุนตักไอศกรีมแต่ละอันเข้าด้วยกัน 2-3 ครั้ง จะทำให้ได้รูปแบบผสม แต่เราก็ยังสามารถเห็นสีที่ต่างกันออกไปได้

“เมื่อแรงโน้มถ่วงทำปฏิกิริยากับแก๊สสสารมืดที่เย็นระหว่างการก่อตัวของกาแล็กซี อนุภาคทั้งหมดในกระแสนั้นจะยังคงเดินทางต่อไปด้วยความเร็วเท่าเดิม” พรีเซิลกล่าว

แต่จะเกิดอะไรขึ้น หากหนึ่งในกระแสเหล่านี้เข้าใกล้ดาวเคราะห์เช่นโลก? ด้วยคำถามเช่นนั้น พรีเซิลจึงใช้การจำลองในคอมพิวเตอร์ (Computer Simulations) เพื่อหาคำตอบ

จากการวิเคราะห์พบว่า เมื่อกระแสสสารมืดไหลผ่านดาวเคราะห์ อนุภาคของกระแสนั้นจะพุ่งรวมกลายเป็นเส้นใยที่มีความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษ หรือมีลักษณะเหมือน ‘เส้นขน’ ของสสารมืดขึ้นมา และในความเป็นจริงนั้น ก็น่าจะมี ‘เส้นขน’ จำนวนมากที่งอกออกมาจากโลก

กระแสของสสารปกตินั้นจะไม่ทะลุผ่านโลกไปยังอีกด้านหนึ่ง แต่หากเป็นสสารมืด โลกก็ไม่ใช่เครื่องกีดขวางแต่อย่างใด จากแบบจำลอง แรงโน้มถ่วงของโลกจะรวมอนุภาคของสสารมืดไปที่จุด ๆ หนึ่งและบิดมันให้โค้งงอ กลายเป็นกระจุกคล้ายเส้นขนที่แคบและหนาแน่น

ขนที่เกิดจากดาวเคราะห์มีทั้ง “ราก” ซึ่งเป็นจุดที่มีความเข้มข้นของอนุภาคสสารมืดที่หนาแน่นที่สุด และ “ยอด” ที่ปลายขน เมื่ออนุภาคของกระแสสสารมืดผ่านแกนโลก พวกมันจะไปรวมกันที่ “ราก” ของเส้นขน ซึ่งเป็นบริเวณที่มีความหนาแน่นของอนุภาคมากกว่าค่าเฉลี่ยประมาณพันล้านเท่า รากของเส้นขนดังกล่าวนั้น จะอยู่ห่างจากพื้นผิวประมาณ 1 ล้านกิโลเมตร หรือไกลกว่าดวงจันทร์สองเท่า อนุภาคของกระแสที่เฉียดผิวโลกจะรวมตัวกันเป็นส่วนปลายของเส้นขน ซึ่งอยู่ห่างจากรากผมประมาณสองเท่า

หากสสารมืดมีลักษณะเป็น ‘เส้นขน’ จริง จะมีประโยชน์อย่างไร

พรีเซิลอธิบายว่า หลังจากหลบเลี่ยงความพยายามในการตรวจสอบโดยตรงมากว่า 30 ปี การค้นพบบริเวณรากของสสารมืดที่มีความหนาแน่นสูงนี้อาจจะกลายเป็นพื้นที่ที่ให้ข้อมูลได้มหาศาล “ถ้าเราสามารถระบุตำแหน่งของรากขนเหล่านี้ได้ เราก็อาจส่งเครื่องมือตรวจสอบไปที่นั่น ซึ่งอาจทำให้เราได้ข้อมูลเกี่ยวกับสสารมืดเพิ่ม” 

นอกจากการทำแบบจำลองสิ่งที่สสารมืดกระทำเมื่อเข้าใกล้โลก พรีเซิลยังจำลองให้กระแสสสารมืดไหลผ่านแกนกลางของดาวพฤหัสบดี ซึ่งทำให้เกิดบริเวณรากที่มีความหนาแน่นกว่ากระแสของโลกเกือบ 1 ล้านล้านเท่า

นอกจากนี้ สิ่งที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งจากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ก็คือ การเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นที่พบภายในโลกของเรา ตั้งแต่แกนกลางชั้นใน แกนโลกชั้นนอก ไปจนถึงเปลือกโลก ทำให้เห็นเส้นขนมีลักษณะ ‘หงิกงอ’ สอดคล้องไปกับการเปลี่ยนผ่านระหว่างชั้นต่าง ๆ ของโลกด้วย

ในทางทฤษฎี มันเป็นไปได้ที่เก็บเกี่ยวข้อมูลเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์อาจใช้ ‘เส้นขน’ ของสสารมืดเพื่อทำแผนที่ภายในหรือชั้นต่าง ๆ ของดาวเคราะห์ได้ และยังน่าจะคะเนความลึกของมหาสมุทรบนดวงจันทร์ที่เป็นน้ำแข็งได้ด้วย

อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติม เพื่อสนับสนุนการค้นพบเหล่านี้ และไขความลึกลับของธรรมชาติของสสารมืดต่อไป ก็หวังว่าในอนาคตเจ้าเส้นขนนี้ จะช่วยทำให้ปริศนาสสารมืดกระจ่างขึ้นได้บ้าง ไม่มากก็น้อยละนะ

อ้างอิง

NASA1

NASA2

Wikipedia

พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส