‘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
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
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)
นักวิจัยคาดการณ์ว่า จะพบซับฮาโลจำนวนไม่มากนัก แต่ที่สังเกตเห็นได้กลับมีจำนวนมากแตกต่างอย่างเห็นได้ชัด และการจะอธิบายความแตกต่างนี้จึงไม่ใช่เรื่องที่ง่าย ปริยามวาดา นาทาราจัน (Priyamvada Natarajan) จากมหาวิทยาลัยเยล หนึ่งในทีมวิจัยกล่าวว่า สำหรับเธอแล้ว การพบ ‘ช่องว่าง’ หรือความเหลื่อมล้ำของการคาดการณ์และการสังเกต ซึ่งเป็นปัจจัยเพียงประการเดียวจาก 10 เรื่องที่ควรจะเหมือนกันในกรณีนี้ ก็เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากแล้ว
กรอบสี่เหลี่ยมที่ใส่เข้าไปช่วยเน้นให้เห็น ‘เลนส์ขนาดเล็ก’ สามอัน
Credit: NASA / ESA / G. Caminha (Univ. of Groningen) / M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna) / P. Natarajan (Yale) / CLASH team.
ขณะที่นักวิจัยอื่นที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในงานนี้ อย่าง แฟรงค์ แวน เดน บอสช์ (Frank van den Bosch) ซึ่งมาจากมหาวิทยาลัยเยลเช่นกัน ยังกล่าวภายหลังการอ่านบทความงานวิจัยชิ้นนี้ว่าเป็น ‘การค้นพบหรือวิธีการใหม่ที่เป็นไปได้’ (Potentially groundbreaking)
“ผู้เขียนงานวิจัยนี้ระบุถึงปัจจัยต่าง ๆ ที่ส่งผลถึงผลลัพธ์อย่างชัดเจนมาก และผมเห็นด้วยกับพวกเขาที่ว่าไม่มีเงื่อนไขใดเลยที่จะอธิบายความแตกต่างอย่างมโหฬารนี้ได้ และเพราะผลลัพธ์เช่นนี้ก็น่าจะทำให้เกิดการศึกษาก้อนสสารมืด ทั้งในแง่ของจำนวน โครงสร้าง และคุณลักษณะอื่นๆ อย่างลึกซึ้งตามมาอีกหลายงานวิจัยเลยทีเดียว” บอสช์กล่าว
ความแตกต่างของดาวบริวารที่หายไป และการศึกษาในอนาคต
นับเป็นเรื่องบังเอิญที่ ‘ปัญหา’ สสารมืดที่เมเนกเฮตติและคณะค้นพบนั้น ตรงกันข้ามกับปัญหาเก่าในทศวรรษก่อนพอดิบพอดี นั่นก็คือ ‘ปัญหาดาวบริวารที่หายไป’
ก่อนหน้านี้ แบบจำลองเอกภพได้จำลองเฉพาะพฤติกรรมของสสารมืด เนื่องจากเป็นสิ่งที่ครอบคลุมความโน้มถ่วงของเอกภพอย่างโดดเด่น ทว่าแบบจำลองเหล่านั้นคาดการณ์ว่า กาแล็กซีอย่างทางช้างเผือกควรมีดาวบริวารมากกว่านี้ แม้กล้องโทรทรรศน์จะได้รับการพัฒนาและนักดาราศาสตร์ค้นพบกาแล็กซีแคระอันเจือจางเพิ่มเติมอีกหลายแห่ง แต่ก็ยังไม่เพียงพอที่จะ ‘กลบ’ ความแตกต่างของจำนวนได้ จนกระทั่งนักวิทยาศาสตร์เริ่มนำเรื่องปกติสามัญอื่น ๆ อาทิ ผลพวงที่รุนแรงจากการระเบิดซูเปอร์โนวา แรงเหวี่ยงของหลุมดำ เข้ามาในคำนวณแบบจำลองนี้ด้วย จึงได้ผลลัพธ์ที่ตรงกันในที่สุด
ตรงกันข้ามกับ ‘ดาวบริวารที่หายไป’ กลายเป็นว่า ซับฮาโลที่นับได้ในตอนนี้ดันมากกว่าจำนวนที่คาดเดาไว้ นอกจากนี้ ทั้งสองเรื่องนี้เป็นปัญหาในระดับหรือสเกลที่ต่างกันอย่างสิ้นเชิง อย่างในกรณีหลังนี้เราพูดถึงกระจุกกาแล็กซีแทนที่จะเป็นกาแล็กซี และพูดถึงซับฮาโลอันใหญ่ แทนที่จะหมายถึงซับฮาโลขนาดย่อม
“ปัญหาดาวบริวารที่หายไปนี้มีความเกี่ยวข้องกับซับฮาโล แต่เป็นซับฮาโลที่มีมวลขนาดเล็กในกาแล็กซี ขณะที่เรากำลังสอดส่องมองลงไปที่ส่วนที่มีการกระจายตัวของซับฮาโลในมวลสูงสุด” เมเนกเฮตติกล่าว
การเปรียบเทียบนี้ช่วยชี้ให้เห็นว่า แม้จะเป็นการค้นพบที่ทำให้เกิดปัญหาใหม่ แต่มันก็อาจช่วยให้เราเรียนรู้เกี่ยวกับสสารมืดเพิ่มเติมได้ เมเนกเฮตติอธิบายเพิ่มเติมว่า ยังมีปัจจัยอีกมากที่มีความเกี่ยวข้องกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแล็กซีภายในกระจุกกาแล็กซี ซึ่งมีบริบทของสสารมืดอื่น ๆ ที่ยังสำรวจไปไม่ถึงเข้ามาเกี่ยวข้อง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารธรรมดาและสสารมืด
สำหรับตอนนี้ แม้จะยังไม่นับรวมการสำรวจสสารมืด นักวิทยาศาสตร์ก็มีงานศึกษาวิเคราะห์กระจุกกาแล็กซีอีกมากที่ต้องทำ และในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า โครงการทั้งหลายที่กำลังพัฒนาอยู่ อาทิ กล้องโทรทรรศน์อวกาศยุคลิดในภารกิจยุคลิดขององค์การอวกาศยุโรป (European Space Agency’s Euclid mission) หอสังเกตการณ์เวราซีรูบิน (Vera C. Rubin Observatory) ที่มีภารกิจหลักคือการสำรวจทางดาราศาสตร์ และกล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมันแนนซีเกรซ (Nancy Grace Roman Space Telescope) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศอินฟราเรดตัวใหม่ของนาซา น่าจะมอบโอกาสครั้งใหญ่ ให้นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบโครงสร้างสสารมืดของกระจุกกาแล็กซีอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน
“การสังเกตการณ์ด้วยอุปกรณ์และภารกิจเหล่านั้นจะกลายเป็นเหมืองทองคำสำหรับเราอย่างแน่นอน!” เมเนกเฮตติกล่าวทิ้งท้าย
อ้างอิง
พิสูจน์อักษร : สุชยา เกษจำรัส