พบแล้วสสารมืด-หนึ่งในความลึกลับของจักรวาล

<TABLE cellSpacing=5 cellPadding=1 width="100%"><TBODY><TR><TD>
คอลัมน์ โลกสามมิติ

โดย บัณฑิต คงอินทร์ bandish.k@psu.ac.th


</TD><TD vAlign=top align=right>

</TD></TR></TBODY></TABLE>

​

สสารมืด (Dark Matter) หนึ่งในความลึกลับของจักรวาลซึ่งนักวิทยาศาสตร์เพียรพยายามหาหลักฐานมายืนยันว่ามันมีอยู่จริงมานานหลายทศวรรษ ได้ถูกค้นพบแล้วจากการชนกันของกระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่

สสารมืดคืออะไร สสารมืดคือสสารในจักรวาลที่เรามองไม่เห็นแต่รู้ว่ามีอยู่เพราะอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงของมันต่อสสารปกติในกาแล็กซี่

สสารปกติจะถูกตรวจจับได้จากการแผ่พลังงานออกมา ตัวอย่างเช่น เมื่อนักวิทยาศาสตร์ส่องกล้องโทรทรรศน์ไปในอวกาศ เทหวัตถุในอวกาศจะปลดปล่อยหรือแผ่พลังงานแสงที่เรียกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation) ซึ่งมีหลายชนิดตามความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ได้แก่คลื่นวิทยุ รังสีอินฟราเรด แสงที่สายตามนุษย์มองเห็น รังสีอัลตราไวโอเล็ต รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมม่า

เนบิวลา กาแล็กซี ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ต้นไม้ หรือแม้กระทั่งจุลชีพเล็กๆ จะถูกตรวจจับได้จากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดใดชนิดหนึ่งที่แผ่ออกมา ทว่าสสารมืดจะไม่แผ่พลังงานเพียงพอที่จะตรวจจับได้โดยตรง

นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าในจักรวาลมีสสารมืดตั้งแต่ปี 1933 เมื่อ ฟริตซ์ ซวิคกี้ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนีย ศึกษากระจุกกาแล็กซีโคมา โดยวัดมวลทั้งหมดของกระจุกกาแล็กซีนี้บนพื้นฐานการศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีบริเวณขอบของกระจุกกาแล็กซี

แต่เขาต้องประหลาดใจเมื่อพบว่า กระจุกกาแล็กซีโคมาจะต้องมีมวลมากกว่าที่วัดได้ราว 400 เท่า จึงจะทำให้กาแล็กซีเคลื่อนที่ได้เร็วขนาดนั้น หรืออีกนัยหนึ่งแรงโน้มถ่วงจากสสารที่มองเห็นไม่สามารถทำให้กาแล็กซีเคลื่อนที่ได้เร็วขนาดนั้นได้

การค้นพบของซวิคกี้เป็นที่มาของสิ่งที่เรียกว่า "ปัญหามวลที่หายไป" ซึ่งซวิคกี้สรุปว่า ต้องมีสสารที่มองไม่เห็นซึ่งมีมวลและแรงโน้มถ่วงมากพอที่จะดึงดูดให้กาแล็กซีอยู่รวมกันเป็นกระจุกได้ <TABLE style="BORDER-RIGHT: #ffffff 1px dotted; BORDER-TOP: #ffffff 1px dotted; BORDER-LEFT: #ffffff 1px dotted; BORDER-BOTTOM: #ffffff 1px dotted" cellSpacing=5 cellPadding=1 width="20%" align=right border=1><TBODY><TR bgColor=#ffe9ff><TD></TD></TR></TBODY></TABLE>

ทุกวันนี้นักวิทยาศาสตร์จึงเข้าใจดีว่า ทำไม ดาวฤกษ์ กาแล็กซีที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของกระจุกกาแล็กซีจึงเคลื่อนที่ด้วยความเร็วพอๆ กันกับดาวฤกษ์ กาแล็กซีที่อยู่บริเวณขอบและกาแล็กซีไม่แตกกระจายออกจากกันเพราะแรงโน้มถ่วงของสสารมืดดึงดูดไว้นั่นเอง

นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นหาสสารมืดได้โดยดูความแตกต่างระหว่างมวลที่คำนวณได้จากการสังเกตการณ์การเคลื่อนที่ของเทหวัตถุโดยใช้กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันกับมวลที่วัดจากจำนวนดาวฤกษ์และความสว่าง ซึ่งถ้าหากมวลที่วัดได้จากจำนวนดาวฤกษ์และความสว่างน้อยกว่าก็หมายถึงว่ามีสสารมืดอยู่

แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนเห็นต่างออกไปโดยเชื่อว่าแรงดึงดูดของวัตถุในระยะไกลที่เกิดขึ้นบริเวณกาแล็กซีนั้นมีมากกว่าที่เกิดขึ้นบนโลกซึ่งไม่เป็นไปตามกฎแรงดึงดูดโน้มถ่วงของนิวตัน หาใช่เพราะมีสสารมืดแต่อย่างใด

ทว่าการศึกษาสสารมืดมีความก้าวหน้าเป็นลำดับจนทำนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่ามันมีอยู่จริง ปีที่ผ่านมาทีมนักดาราศาสตร์ของมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ สหราชอาณาจักร ได้ร่องรอยของสสารมืดจากการศึกษากระจุกกาแล็กซีหญิงสาว (Virgo Cluster) ซึ่งอยู่ไกลจากโลก 50 ล้านปีแสง โดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุโลเวล ของหอดูดาวจอเดรล แบงก์

นักดาราศาสตร์ทีมนี้พบว่าบริเวณที่เรียกว่ากาแล็กซี VIRGOHI21 มีเมฆก๊าซไฮโดรเจนซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ ประมาณ 100 ล้านเท่า แต่ไม่มีดวงดาวอยู่เลยแม้แต่ดวงเดียว ซึ่งแตกต่างจากก่อนหน้านี้ที่นักดาราศาสตร์เคยพบว่ามีเมฆก๊าซไฮโดรเจนในอวกาศแต่ก็มีดาวฤกษ์อยู่ด้วย

และเมื่อคำนวณอัตราความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของเมฆก๊าซไฮโดรเจนเหล่านั้น ก็พบว่ามันเคลื่อนที่เร็วกว่าที่คาดไว้มาก ปรากฏการณ์นี้จึงชี้ว่ากาแล็กซี VIRGOHI21 ต้องมีมวลมากกว่าไฮโดรเจนที่ตรวจจับได้ ซึ่งมวลดังกล่าวน่าจะเป็นสสารมืด เพราะหากมันเป็นสสารปกติก็จะรวมตัวกันเป็นดาวฤกษ์ซึ่งจะให้แสงสว่าง

ทีมค้นพบเชื่อว่ากาแล็กซีนี้มีสสารมืดมากกว่าก๊าซไฮโดรเจนถึง 1,000 เท่า ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับกาแล็กซีทางช้างเผือกแล้วมันมีมวลราว1 ใน 10 ของมวลกาแล็กซีทางช้างเผือกซึ่งมีสสารมืดมากกว่าสสารปกติ 10 เท่า และเรียกกาแล็กซี VIRGOHI21 ว่า กาแล็กซีมืด (Dark Galaxy)

ล่าสุดทีมนักวิทยาศาสตร์นำโดย ด้อย์ก โคล์วี จากมหาวิทยาลัยอริโซนาพบหลักฐานแสดงว่าสสารมืดมีอยู่จริง จากการชนกันของกระจุกดาวขนาดใหญ่ ซึ่งทำให้สสารปกติกับสสารมืดแยกออกจากกัน

นักวิทยาศาสตร์ทีมนี้ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์จันทราขององค์การนาซาศึกษากระจุกดาวที่เรียกว่า 1E0657-556 หรือกระจุกดาวหัวกระสุน ซึ่งเกิดจากการชนกันของกระจุกดาวสองกระจุกด้วยความเร็ว 4700 กิโลเมตรต่อวินาที เมื่อ 100 ล้านปีก่อน

โดยปกติแล้วก๊าซและกาแล็กซีจะอยู่ด้วยกันเพราะอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง แต่การชนกันของกาแล็กซีจะทำให้ทั้งสองส่วนนี้แยกออกจากกัน

ภาพการชนกันของกระจุกกาแล็กซี 1E0657-556 แสดงให้เห็นก๊าซร้อนของทั้งสองกระจุกกาแล็กซีซึ่งเป็นสสารปกติ (สีชมพู) กำลังเคลื่อนที่อย่างช้าๆ เพราะถูกแรงดึงคล้ายแรงต้านอากาศและอยู่ด้านหลังของกระจุกกาแล็กซีทั้งสอง (สีน้ำเงิน) ซึ่งกำลังเคลื่อนที่เร็วกว่า

โดยทฤษฎีแล้วถ้ามีสสารมืดอยู่จริงการชนกันจะทำให้สสารมืดแยกออกจากสสารปกติ เพราะสสารมืดจะไม่เคลื่อนที่ช้าลงเหมือนก๊าซซึ่งเกิดจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอะตอมดึงไว้ และสสารมืดไม่ทำปฏิกิริยากันเอง หรือกับก๊าซนอกจากผ่านแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ดังนั้นสสารมืดจึงเคลื่อนที่แบบเดียวกับกาแล็กซี

ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการตรวจวัดสนามความโน้มถ่วงซึ่งบิดเบนแสงจากกาแล็กซีระยะไกลด้านหลังของกระจุกกาแล็กซี่หัวกระสุน ซึ่งเรียกกันว่า ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง (Gravitational Lensing) ตามทฤษฎีสัมพัธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์โดยใช้กล้องอวกาศฮับเบิลและกล้องแม็กเจลแลน แล้วพบว่าสนามความโน้มถ่วงไม่ได้อยู่ในบริเวณจุดศูนย์กลางของก๊าซร้อนแต่อยู่บริเวณกระจุกกาแล็กซีซึ่งเป็นสีน้ำเงิน

นั่นแสดงว่ามวลส่วนใหญ่อยู่ในบริเวณกาแล็กซี และเกือบทั้งหมดเป็นสสารมืด

ดอย์ด โคล์วี กล่าวถึงการค้นพบในครั้งนี้ว่า เป็นการพิสูจน์โดยตรงครั้งแรกว่าสสารมืดมีอยู่จริงและเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของสสารในจักรวาล

ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ประมาณว่า จักรวาลประกอบด้วยสสารปกติ 4% สสารมืด 21% และอีก 75% เป็นพลังงานมืด (Dark Energy) พลังผลักโน้มถ่วง หนึ่งในปริศนาของจักรวาลซึ่งทำให้จักรวาลขยายตัวด้วยความเร่งอยู่ในขณะนี้

นักจักรวาลวิทยาหลายคนเชื่อว่า สสารมืดคือสสารที่เกิดขึ้นจากการระเบิดบิ๊กแบง แต่จนถึงบัดนี้ก็ยังไม่มีใครรู้ว่าองค์ประกอบของสสารมืดคืออะไรบ้าง นักวิทยาศาสตร์บางคนคาดว่าน่าจะประกอบด้วยอนุภาคใหม่ๆ ที่เพิ่งรู้จักกัน เช่น นิวตรีโน (Neutrino) และวิมพ์ (WIMP) เป็นต้น

ที่น่าสนใจกว่านั้นก็คือ สสารมืดจะมีผลต่ออนาคตของจักรวาลอย่างไรบ้าง




ที่มา:มติชน

http://www.matichon.co.th/matichon/matichon_detail.php?s_tag=01tec10090949&day=2006/09/09

 

ภาพประกอบข่าว พบแล้วสสารมืด หนึ่งในความลึกลับของจักรวาล​

​

​

​