สสารมืด – Dark Matter

สสารมืด – Dark Matter

ในช่วง 70 ปีที่ผ่านมานักดาราศาสตร์ได้ค้นพบหลักฐานเพิ่มขึ้นมาอย่างต่อเนื่องว่าสสารที่เรารู้จัก จับต้องได้ สังเกตได้ อาจจะไม่ใช่สสารที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของเอกภพ … เอาเข้าจริงๆ สสารที่เรารู้จักกลับกลายเป็นเพียงเสี้ยวหนึ่งของมวลรวมของเอกภพ คือเพียง 4% เท่านั้น

ส่วนอีก 96% ปัจจุบันนักดาราศาสตร์เชื่อว่าประกอบด้วยสสารมืด (Dark Matter) 22% กับพลังงานมืด (Dark Energy) อีก 74% ในครั้งนี้เรามาเริ่มกันด้วยสิ่งที่เข้าใจง่ายกว่า คือ สสารมืด

ถึงจะเป็นสิ่งที่เข้าใจง่ายกว่าแต่ปัจจุบันสสารมืดก็ยังเป็นปัญหาปลายเปิดที่ใหญ่ที่สุดปัญหาหนึ่งในวิชาดาราศาสตร์ เราเริ่มรู้จักสสารมืดเมื่อปี ค.ศ. 1933 เมื่อฟริตซ์ ซวิกกี นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันสังเกตกระจุกดาราจักรโคมา ซึ่งเป็นกระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ประกอบด้วยสมาชิกดาราจักรกว่าพันดวงอยู่ห่างจากโลกไปประมาณ 320 ปีแสงทางกลุ่มดาวเส้นผมของเบเรนิส กระจุกดาราจักรโคมาเป็นกระจุกดาราจักรที่อยู่ในระยะห่างพอดิบพอดีที่เราจะศึกษาการเคลื่อนที่ของแต่ละดาราจักรในกระจุกได้ ไม่ใกล้เกินไปจนเรามองไม่เห็นภาพรวมและไม่ห่างเกินไปจนยากที่จะศึกษา ซวิก กีศึกษาความเร็วที่ดาราจักรสมาชิกของกระจุกดาราจักรเวอร์โกโคจรรอบศูนย์ กลางกระจุกดาราจักรและพบว่าดาราจักรสมาชิกแต่ละดวงนั้นโคจรเร็วกว่าที่ควรจะ เป็นมาก หากมวลรวมของกระจุกดาราจักรโคมามีอยู่เพียงเท่ากับมวลของดาราจักรทั้งหมดรวมกันแล้ว ดาราจักรแต่ละดวงโคจรด้วยความเร็วเท่าที่วัดได้ สมาชิกของโคมาก็จะพุ่งไปคนละทิศคนละทางไม่อยู่รวมกันเป็นกระจุกเว้นแต่ว่าจะมี “มวลที่มองไม่เห็น” ดึงดูดดาราจักรสมาชิกเข้าไว้ด้วยกัน ซวิกกีประมาณว่าโคมาจะต้องประกอบด้วยมวลที่มองไม่เห็นอีกกว่า 400 เท่าของมวลกาแล็กซีที่มองเห็นได้ทั้งหมดรวมกันกระจุกดาราจักรจึงจะยึดรวมกันอยู่ได้อย่างที่เป็น ปัญหาคือมวลอีก 400 เท่านั้นจะมาจากไหน?

นั่นคือจุดที่นักดาราศาสตร์เริ่มรู้จักสสารมืด แต่หลักฐานที่มีในระยะแรกก็ยังค่อนข้างคลุมเครือและการค้นพบของซวิกกีก็ไม่ได้รับการยอมรับในวงกว้างนัก จวบจนเวลาล่วงเลยมา 40 ปี ในปี ค.ศ. 1975 นักดาราศาสตร์จึงได้ค้นพบหลักฐานสำคัญอีกประการหนึ่งที่บ่งชี้ว่ามีมวลที่มองไม่เห็นในเอกภพ ครั้งนี้นักดาราศาสตร์ไม่ได้ศึกษากระจุกดาราจักรทั้งกระจุก แต่ศึกษาดาราจักรกังหันใกล้ๆ หลายดาราจักรที่สามารถศึกษาการหมุนรอบตัวได้อย่างละเอียด หากมวลส่วนใหญ่ของ ดาราจักรอยู่ในตัวดาราจักรที่เราสังเกตได้หรือคืออยู่ตรงกลางๆ ของตัวดาราจักร ความเร็วการหมุนรอบตัวเองของแต่ละส่วนของกังหันก็ควรจะลดลงตามระยะห่างจากศูนย์กลางดาราจักร เหมือนกับระบบสุริยะที่มวลส่วนใหญ่อยู่ตรงกลาง (คือดวงอาทิตย์) ความเร็วที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ก็จะลดหลั่นไปตามระยะห่างจากดวงอาทิตย์ ดาวพุธโคจรเร็วกว่าโลก โลกโคจรเร็วกว่าดาวอังคาร ดาวอังคารโคจรเร็วกว่าดาวพฤหัส ฯลฯ แต่สิ่งที่พบจากการสังเกตดาราจักรกังหันกลับเป็นว่าความเร็วในการหมุนรอบตัวเอง ณ จุดต่างๆ ของแขนกังหันมีความเร็วค่อนข้างคงที่ไม่ว่าจะออกห่างจากศูนย์กลางไปเท่าใด นักดาราศาสตร์มีทางเลือกสองแนวทางที่จะอธิบายปรากฏการณ์นี้ ทางแรกคือกลศาสตร์นิวตันที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าแม่นยำขนาดส่งมนุษย์ไปลงดวงจันทร์ได้ อาจจะใช้การไม่ได้กับระบบที่ใหญ่ขนาดดาราจักร ซึ่งฟังดูไม่เข้าท่า เพราะจะนำไปสู่คำถามใหญ่กว่าที่ว่าทำไมกลศาสตร์นิวตันถึงใช้ไม่ได้กับระบบขนาดใหญ่ ทางที่สองคือยอมรับว่ามวลราว 90% ของดาราจักรไม่ได้อยู่ตรงกลางตัวดาราจักรที่สังเกตได้ แต่อยู่โดยรอบดาราจักรในบริเวณที่เราส่องกล้องไปเท่าไหร่ก็พบแต่ความว่างเปล่า มองทะลุไปเห็นดาวเบื้องหลังได้ราวกับว่าไม่มีอะไรอยู่ตรงที่นั้น ซึ่งก็น่าอึดอัดไม่แพ้ทางเลือกแรก แต่ก็ยังฟังดูเป็นไปได้มากกว่า การค้นพบนี้เป็นการยืนยันแนวคิดเรื่องสสารที่มองไม่เห็นในเอกภพของซวิกกี

นับตั้งแต่นั้นมาเรื่องของมวลที่มองไม่เห็นหรือสสารมืดก็มีหลักฐานอื่นมายืนยันอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการสังเกตปรากฏการณ์เลนส์แรงโน้มถ่วง (Gravitational Lensing) รอบกระจุก ดาราจักรมวลมากที่สามารถเบี่ยงเบนทิศทางการเดินทางของแสงจากดาราจักรที่อยู่ ไกลออกไปให้รวมกันมายังผู้สังเกตได้เหมือนเลนส์นูนรวมแสง ยิ่งกระจุกดาราจักรมีมวลมากก็ยิ่งเบนทิศทางของแสงได้มาก การสังเกตนี้ทำให้พบว่ากระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ทุกกระจุกมี “กำลังรวมแสง” มากกว่าที่มวลของดาราจักรที่เรามองเห็นจะรวมได้ เว้นแต่มีมวลที่มองไม่เห็นมาช่วยดึงทิศทางของแสงให้เบี่ยงมารวมกัน

นักดาราศาสตร์จำนวนมากได้พยายามศึกษาสสารมืดด้วยหลายแนวทาง ในช่วงแรกเรายังไม่แน่ใจว่าสสารมืดนั้นเป็นวัตถุท้องฟ้าจำพวกที่ตรวจพบได้ยากมากจนไม่มีใครมองเห็นหรือไม่ เช่นอาจจะเป็นดาวแคระน้ำตาลหรือเศษดาวเคราะห์น้อยที่ส่องสังเกตได้ยาก หรืออาจจะเป็นวัตถุเย็นอื่นที่แผ่รังสีน้อยมาก และต่อมาก็สันนิษฐานว่าสสารมืดอาจจะเป็นดาวมืดๆ ขนาดเล็กๆ แต่มวลมากที่โคจรอยู่รอบดาราจักรในระยะไกลๆ และไม่แผ่รังสี แต่การค้นหาที่ผ่านมาตลอดกว่า 20 ปีมานี้ก็พบว่าสสารมืดไม่น่าจะเป็นวัตถุจำพวกที่กล่าวมา ย้ำว่าคำว่า “มืด” ในที่นี้ไม่ได้หมายความว่ามวลที่มองไม่เห็นนั้นมีสีดำ แต่หมายถึงว่าเราไม่รู้จริงๆ ว่ามันคืออะไร คล้ายกับนักสำรวจยุคโบราณเรียกทวีปอาฟริกาว่า กาฬทวีป เพราะไม่ค่อยมีใครบุกป่าฝ่าดงเข้าไปสำรวจเลยไม่มีใครรู้จักคุ้นเคย หากสสารมืดเป็นวัตถุที่มีสีดำนักดาราศาสตร์ก็คงค้นพบไปแล้วโดยรอให้สสารมืดโคจรผ่านหน้าวัตถุที่สว่างๆ แล้วดูเงาดำๆ ที่เคลื่อนที่ผ่านหน้า แต่ด้วยความที่มวลที่มองไม่เห็นนี้โปร่งแสงโดยสมบูรณ์ การสังเกตด้วยกล้องทุกชนิดตั้งแต่กล้องวิทยุจนถึงรังสีแกมมาที่ใช้สังเกตคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจึงไม่สามารถใช้ค้นหาสสารมืดได้

ถึงขณะนี้นักดาราศาสตร์แบ่งออกเป็นสองค่าย ค่ายแรกคือพวกที่เชื่อว่าสสารมืดน่าจะมีจริง และน่าจะอยู่ในรูปของ “อนุภาคมูลฐานขนาดใหญ่ที่ไม่ค่อยสุงสิงกับใคร” (Weakly interacting massive particles หรือ WIMP) ซึ่งต้องอยู่ในรูปของอนุภาคที่มีมวลมากที่เรายังไม่รู้จักและไม่ทำปฏิกริยากับอนุภาคอื่นใดเลยแม้แต่กับแสง จึงเดินทางท่องไปในจักรวาลได้อย่างเสรีรวมทั้งเดินทางผ่านร่างกายของเราได้โดยไม่ชนกับอะไรเลย นักดาราศาสตร์จำนวนไม่น้อยในค่ายนี้หวังว่าการทดลองลาร์จ แฮดรอน คอไลเดอร์ อาจจะสามารถสร้างสสารมืดจำพวก WIMP ขึ้นมาจากการยิงโปรตอนพลังงานสูงมาชนกันและไขปริศนาเรื่องสสารมืดก็เป็นได้ ส่วน อีกค่ายย้อนกลับไปที่แนวคิดที่ว่าความเร็วในการหมุนรอบตัวของดาราจักรที่คง ที่นั้นไม่ได้เดินทางจากสสารมืดแต่เกิดจากกฏนิวตันใช้ไม่ได้สำหรับวัตถุขนาด ใหญ่เช่นกาแล็กซี นักดาราศาสตร์ในค่ายนี้เสนอทฤษฏีแรงโน้มถ่วงใหม่ เรียกว่า “กฏนิวตันฉบับปรับปรุง” (Modified Newtonian Dynamics หรือ MOND) ที่แก้ไขกลศาสตร์นิวตันสำหรับใช้อธิบายปรากฏการณ์นี้โดยเฉพาะ เห็นได้ชัดว่านักดาราศาสตร์สองค่ายนี้พูดกันคนละภาษา และส่อแววว่าจะทะเลาะกันในงานประชุมวิชาการอยู่เรื่อย แต่ท่านผู้อ่านก็ไม่จำเป็นต้องเลือกข้างครับ หากติดตามต่อไปผมเชื่อว่าปริศนาเรื่องสสารมืดและมวลที่มองไม่เห็นนี้น่าจะกระจ่างชัดภายในชั่วชีวิตเรา

ข้อมูลอ้างอิง

1. http://apod.nasa.gov/apod/ap020203.html

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lensing

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Massive_compact_halo_object

ที่มา สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ

ผู้ชม [1518] คน

Comments

สสารมืด – Dark Matter

มิติที่4
About The Author
- ผู้หลงไหลในความลี้ลับของจักวาล จุดกำเนิดของเอกภพ ปริศนามนุษต่างดาว การเดินทางข้ามเวลา และทฤษฎีสัมพัทธภาพ ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ขอบคุณทุกท่านที่ติดตามครับ