‘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
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
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
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