ตรวจพบกระจุกของสสารมืดหายาก โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แล้วพบว่ามันมีขนาดเล็กที่สุดตั้งแต่เคยพบมา (dark matter clumps)

ตรวจพบกระจุกของสสารมืดหายาก โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แล้วพบว่ามันมีขนาดเล็กที่สุดตั้งแต่เคยพบมา (dark matter clumps)

เรื่องราวปริศนาของ Lieserl Einstein ลูกสาวคนแรกของ ไอน์สไตน์
เรื่องราวปริศนาของ Lieserl Einstein ลูกสาวคนแรกของ ไอน์สไตน์
มกราคม 20, 2020
ปิดตำนานกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ (Spitzer Space Telescope)
ปิดตำนานกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ (Spitzer Space Telescope)
มกราคม 26, 2020
ตรวจพบกระจุกของสสารมืดหายาก โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แล้วพบว่ามันมีขนาดเล็กที่สุดตั้งแต่เคยพบมา (dark matter clumps)

Credits: NASA, ESA and D. Player (STScI)

เมื่อวันที่ 9 มกราคมปี ค.ศ. 2020 เว็บทางการของนาซ่าบอกว่า พวกเขาได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) โดยใช้เทคนิคการมองหาแบบใหม่ จนค้นพบว่าสสารมืดนั้นได้ก่อตัวขึ้นมาเป็นกระจุกที่มีขนาดเล็กกว่าที่เคยรู้จัก ซึ่งจากผลลัพธ์นี้จึงได้ช่วยยืนยันถึงหนึ่งในพื้นฐานคาดการณ์ที่เกี่ยวกับ ทฤษฎียอมรับการมีอยู่ของ สสารมืดเย็น (cold dark matter) ในวงกว้าง

กาแล็กซี่ทั้งหมดตามทฤษฎีนี้ จะก่อตัวขึ้นและฝังอยู่ภายในกลุ่มเมฆของสสารมืด โดยสสารมืดนั้นประกอบไปด้วย อนุภาคที่เคลื่อนที่ช้าหรือ ‘เย็น’ (cold) จนได้มารวมตัวกัน เป็นโครงสร้างที่มีมวลมากเป็นร้อยเป็นพันเท่าของกาแล็กซีทางช้างเผือก ไปจนถึงกระจุกของสสารมืดที่มีมวลน้อยและใหญ่ไม่เกินกว่าเครื่องบินพาณิชย์ (โดยในบริบทนี้ ‘cold’ หรือเย็น จะอ้างอิงถึงความเร็วของอนุภาค)

การสำรวจของฮับเบิลในครั้งนี้ได้เปิดเผยให้เห็นถึงธรรมชาติของสสารมืด และพฤติกรรมของมัน 

ทอมมาโซ ทริว (Tommaso Treu) แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียลอสแองเจลิส (UCLA) ซึ่งเป็นหนึ่งในสมาชิกของทีมสังเกตการณ์กล่าวว่า “เราได้ทำการทดสอบเชิงสังเกตการณ์ออกมาเป็นแบบจำลองของสสารมืดเย็น แล้วทำการแต้มสีลงไป”

สสารมืดนั้นคือรูปแบบของสสารที่มองไม่เห็น ซึ่งมันมีอยู่จริงและประกอบกันขึ้นมาเป็นส่วนหนึ่งของมวลในเอกภพ และมีส่วนช่วยสำคัญสำหรับการก่อร่างสร้างกาแล็กซีขึ้นมา

แม้ว่านักดาราศาสตร์จะมองไม่เห็นสสารมืด แต่พวกเขาก็สามารถตรวจจับการมีอยู่ของมันทางอ้อมได้ โดยการวัดว่า แรงโน้มถ่วงของมัน จะส่งผลกระทบต่อดาวฤกษ์และกาแลกซี่เช่นไร

สำหรับการตรวจจับการก่อตัวของสสารมืด ผ่านวิธีการมองหาดาวฤกษ์ฝังตัวนั้น เป็นเรื่องที่ยากมากๆ หรือแทบเป็นไปไม่ได้เลย เพราะพวกมันประกอบไปด้วยดาวฤกษ์อยู่เพียงไม่กี่ดวงเท่านั้น 

ในขณะที่สสารมืดส่วนใหญ่จะถูกตรวจพบอยู่เป็นจำนวนมากรอบๆกาแล็กซี่ขนาดใหญ่และขนาดกลาง

แต่ในกรณีของการที่ยังไม่เคยมีหลักฐานถึงการมีอยู่ของกระจุกสสารมืดขนาดเล็กนี้ จึงทำให้มีนักวิจัยบางคน ได้พัฒนาทฤษฎีทางเลือกใหม่อื่นๆออกมา รวมถึง “สสารมืดอุ่น” (warm dark matter) ก็ด้วย 

แนวคิดนี้ได้แสดงให้เห็นว่า อนุภาคของสสารมืดนั้นเคลื่อนที่ได้เร็วแค่ไหน เพื่อเคลื่อนผ่านมารวมกัน รวมถึงการก่อตัวเป็นประจุกขนาดเล็ก

อย่างไรก็ตามผลการสำรวจใหม่ในครั้งนี้ ก็ยังไม่สนับสนุนต่อการค้นหาของสสารมืดเย็นนี้ไปมากกว่าการมีอยู่ของสสารมืดอุ่น (warm dark matter) ในอีกทางเลือกหนึ่งของทฤษฎีเลย

ผู้นำทีมงานของ Hubble survey ‘แอนนา เนียเรนเบิร์ก’ (Anna Nierenberg) จากห้องปฏิบัติการแรงขับเคลื่อนไอพ่น (NASA’s Jet Propulsion Laboratory) ในเมืองพาซาดีนา รัฐแคลิฟอร์เนีย กล่าวว่า “สสารมืดนั้นเย็นกว่าที่เราเคยรู้ ณ ขนาดของสเกลที่เล็กกว่า แม้ว่าในก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์จะได้ทำการทดสอบเชิงทฤษฎีอื่นๆเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับสสารมืดมาแล้ว แต่ผลการสำรวจของเรานั้นจะให้หลักฐานที่หนักแน่นกว่ามาก ซึ่งจะช่วยยืนยันถึงการมีอยู่ของกระจุกสสารมืดเย็น โดยการรวมเอาการคาดการณ์ทางทฤษฎีต่างๆ, เครื่องมือทางสถิติ และการสำรวจของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล จนทำให้เราได้ผลลัพธ์อันแข็งแกร่งมากกว่าเคยเห็นกันมาในก่อนหน้านี้”

การตามล่าหาสสารมืดโดยปราศจากดวงดาวนั้นพิสูจน์ให้เห็นแล้วว่ามันมีความท้าทายมาก

อย่างไรก็ตามทีมวิจัยฮับเบิล ก็ได้ใช้เทคนิคในการตรวจหาแบบใหม่ จนสามารถค้นหาสสารมืดได้พบ โดยไม่จำเป็นต้องสืบหามันผ่านอิทธิพลของความโน้มถ่วงจากดาวฤกษ์

โดยเป้าหมายที่ทีมงานได้เล็งเอาไว้ก็คือ บริเวณของจุดอันทรงพลัง และห่างไกลทั้ง 8 แห่ง ที่เปรียบเสมือนเป็น “ไฟถนน” (streetlights) ให้แก่จักรวาล ที่เรียกว่า ‘เควซาร์’ (Quasar) (มันคืออาณาจักรของสสารและพลังงานจำนวนมหาศาล ที่อยู่รอบๆหลุมดำ ซึ่งให้กำลังความสว่างออกมาเป็นจำนวนมาก)

โดยนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวัดค่าของแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากก๊าซออกซิเจน และนีออน ที่กำลังโคจรอยู่โดยรอบของแต่ละหลุมดำในเควซาร์ ซึ่งถูกทำให้โค้งงอโดยความโน้มถ่วงของกาแล็กซี่ที่อยู่เบื้องหน้า ที่เปรียบเสมือนดังกับทำหน้าที่เป็นแว่นขยายให้

ด้วยวิธีการนี้ ทีมงานจึงสามารถค้นพบกระจุกสสารมืด (cold dark matter) ได้ ผ่านการสังเกตแสงที่เล็ดลอดออกมาจากเควซาร์ ผ่านกาแล็กซี่ที่เสมือนเป็นเลนส์กำลังขยายอยู่เบื้องหน้า 

โดยความเข้มข้นของสสารมืดที่ตรวจพบโดยฮับเบิล นั้นมีขนาดอยู่ที่ 1/10,000 ถึง 1/100,000 เท่าของมวลสสารมืดทรงกลด (dark matter halo) ในทางช้างเผือก

โดยกลุ่มของสสารมืดเล็กๆเหล่านี้ ดูไม่เหมือนจะมีกาแล็กซีขนาดเล็กอยู่ภายในเลยแม้แต่น้อย ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลย ที่เราจะตรวจหามันผ่านวิธีการสังเกตดาวฤกษ์ฝังตัว (embedded stars) ในแบบดั้งเดิมที่เคยทำ (หรือการสังเกตค่าความหนาแน่นของมวลสารรอบกลุ่มดาวฤกษ์)

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการสังเกตแสงที่ออกมาจากเควซาร์ทั้ง 8 แห่ง และพบว่า มันมีความแปรปรวนอยู่ ที่ไปทำให้แสงได้เดินทางเป็นเส้นโค้ง ที่เรียกว่า “เลนส์ความโน้มถ่วง” (gravitational lensing) โดยภาพที่ปรากฏทั้ง 4 จุดนั้นแสดงให้เห็นถึงตำแหน่งที่บิดเบี้ยวไปของแต่ละเควซาร์

โดยจุดแสงทั้ง 4 ของเควซาร์ตามที่ได้เห็นนั้น ถือเป็นเรื่องที่พบเห็นได้ยาก เนื่องจากเราต้องมองหาตำแหน่งที่ตรงกันระหว่างเควซาร์และ กาแล็กซี่ ที่ทำหน้าที่เสมือนเป็นฉากหน้าให้กับแสงจากเควซาร์ หรือในอีกแง่หนึ่งก็คือ เราต้องมองหากาแล็กซี่ที่มีพื้นหลังเป็นเควซาร์นั่นเอง ซึ่งการจัดเรียงตำแหน่งเช่นนี้ไม่ได้เป็นเรื่องที่พบหาได้ง่ายในจักรวาล ดังนั้นนักวิจัยจึงต้องทำงานกันอย่างหนักเพื่อวิเคราะห์หาองค์ประกอบของภาพที่เข้ากับแบบจำลองดังกล่าว 

การปรากฏตัวของกระจุกสสารมืดนั้น จะผันแปรไปกับค่าความสว่าง และตำแหน่งของแสงในแต่ละจุดที่บิดเบี้ยวไป ซึ่งจากจุดสังเกตนี้ นักดาราศาสตร์จึงทำการเปรียบเทียบ เพื่อตรวจหาเควซาร์ในลักษณะต่างๆได้ โดยไม่อยู่ภายใต้อิทธิพลของสสารมืด

ซึ่งจากการใช้เครื่องมือวัดในลักษณะเช่นนี้ นักวิจัยก็สามารถคำนวณหาค่ามวลสสารมืดขนาดเล็กนี้ออกมาได้ อีกทั้งจากข้อมูลวิเคราะห์ที่ได้นี้ นักวิจัยก็ยังได้พัฒนาการเทคนิคและ การคำนวณที่มีความสลับซับซ้อนมากขึ้นไปอีก

แดเนียล กิลแมน (Daniel Gilman) หนึ่งในสมาชิกจาก UCLA ได้อธิบายในเรื่องนี้ว่า “ให้เราลองจินตนาการว่ากาแล็กซี่ทั้งแปดแห่งนี้คือแว่นขยายขนาดใหญ่ โดยกลุ่มก้อนของสสารมืดขนาดเล็กเหล่านี้ จะคล้ายกันกับรอยแตกขนาดเล็กที่ปรากฏขึ้นบนแว่นขยาย ซึ่งการเปรียบเทียบค่าความผันแปรของแสงและตำแหน่งที่ปรากฎขึ้นทั้ง 4 จุดบนภาพนั้นจะเป็นตัวบ่งบอกได้เป็นอย่างดีว่า แก้วที่คุณกำลังส่องดูอยู่นั้นมันราบเรียบดีอยู่หรือไม่”

เบื้องหลังภาพที่ได้เห็นทั้งหมดนี้ มาจากการที่นักวิจัยได้ใช้ กล้อง Hubble’s Wide Field Camera 3 ในการจับภาพแสงใกล้อินฟราเรด (near-infrared) ที่ออกมาจากในแต่ละเควซาร์ แล้วกระจายออกมาเป็นองค์ประกอบของสีต่างๆ เพื่อศึกษาในเรื่องของ สเปกโทรสโกปี (spectroscopy) หรือการศึกษาปฏิกิริยาระหว่างการแผ่รังสีกับสสารในรูปของฟังก์ชันความยาวคลื่น

โดยแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากพื้นหลังเควซาร์ส่วนใหญ่นั้น จะสังเกตเห็นได้ดีที่สุดในย่านแสงของอินฟราเรด (infrared light) 

ไซมอน บิเออร์ (Simon Birrer) หนึ่งในสมาชิกของ UCLA กล่าวว่า “การสำรวจของฮับเบิลจากอวกาศนั้นได้ช่วยเราตรวจวัดค่าเหล่านี้ได้ในระบบกาแล็คซี่ ที่ไม่อาจมองเห็นได้ผ่านภาพที่มีความชัดต่ำจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน อีกทั้งยังมีอุปสรรคของชั้นบรรยากาศโลกอยู่อีก ที่ไปทำให้เกิดการอับแสงของอินฟราเรด ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นที่เราต้องการจะมองหา” 

ทอมมาโซ ทริว (Tommaso Treu) ยังกล่าวเสริมด้วยว่า “มันเป็นเรื่องเหลือเชื่อมาก นี่ก็เกือบ 30 ปีของปฏิบัติการแล้ว แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลก็ยังคงเปิดมุมมองใหม่ๆที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์พื้นฐานและธรรมชาติของจักรวาลอย่างต่อเนื่อง”

ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง ถูกค้นพบโดยกล้องสำรวจภาคพื้นดิน เช่นเดียวกับการสำรวจจักรวาลแบบ Sloan Digital Sky Survey (หรือ SDSS คือการถ่ายภาพหลายสเปกตรัม และการสำรวจ redshift สเปกโทรสโกปีโดยใช้กล้องโทรทรรศน์แสงมุมกว้างขนาด 2.5 ม. ที่หอดูดาว Apache Point ในนิวเม็กซิโกสหรัฐอเมริกา) และ Dark Energy Survey ซึ่งจากข้อมูลเหล่านี้จะให้ผลลัพธ์ของแผนที่จักรวาลแบบ 3 มิติ ที่มีความละเอียดอย่างถึงที่สุดออกมา โดยเควซาร์ส่วนใหญ่ที่ค้นพบ ที่อยู่ห่างไกลจากโลกประมาณ 10,000 ล้านปีแสง ในขณะที่กาแล็คซี่ ที่เป็นฉากหน้านั้น จะอยู่ไกลจากโลกประมาณ 2,000 ล้านปีแสง 

สำหรับการส่องหาโครงสร้างขนาดเล็กเหล่านี้ จะช่วยให้เราได้เข้าใจถึงธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับสสารมืดได้มากยิ่งขึ้น ในเรื่องนี้ Nierenberg ได้อธิบายเอาไว้ว่า คุณสมบัติอนุภาคของสสารมืดจะส่งผลกระทบต่อการก่อตัวของกระจุกสสารมืดในรูปแบบต่างๆ นั่นจะหมายความว่า เราจะสามารถเรียนรู้ถึงกายภาพของสสารมืดได้ ผ่านกระจุกขนาดเล็กเหล่านี้ 

อย่างไรก็ตามประเภทของอนุภาคที่สร้างสสารมืดขึ้นมานั้นปัจจุบันยังคงเป็นปริศนา ในเรื่องนี้ Birrer ได้ให้ความเห็นเอาไว้ว่า ในปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานโดยตรงจากห้องปฏิบัติการถึงการมีอยู่ของสสารมืด นักฟิสิกส์อนุภาคหลายท่านเลี่ยงที่จะพูดถึงเกี่ยวกับสสารมืด เนื่องจากพวกเขาไม่รู้ว่ามันคืออะไร ซึ่งตรงกันข้ามกับนักจักรวาลวิทยา ที่มักจะพูดถึงมันอยู่บ่อยๆ ผ่านการสังเกตถึงผลกระทบที่มันก่อขึ้น ดังนั้นเมื่อนักจักรวาลวิทยาได้พูดถึงเกี่ยวกับสสารมืด พวกเขาก็มักจะมีคำถามอยู่เสมอว่า มันก่อตัวขึ้นมาในจักรวาลนี้ได้อย่างไร แล้วมันคืออะไรกันแน่?

อ้างอิงข้อมูลจาก

  1. Hubble Detects Smallest Known Dark Matter Clumps
Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
Facebook
กลับสู่บนสุด