ปริศนาพลังงานมืดและสสารมืด

โดย สุทัศน์ ยกส้าน

Image # 2. ปริศนาพลังงานมืดและสสารมืด

ภาพถ่ายวงแหวนสสารมืดในกาแล็กซีคลัสเตอร์ CL0024+17 จากกล้องโทรทัศน์อวกาศฮับเบิล (Credit NASA, ESA และ M.J.Jee John Hopkins University)

       ปราชญ์ในสมัยโบราณเชื่อว่า สสารที่มีในธรรมชาติล้วนประกอบด้วย ดิน น้ำ ลม และไฟ ปราชญ์ปัจจุบันกลับพบว่า สสารทุกรูปแบบที่เรารู้จักประกอบด้วยธาตุธรรมชาติ 92 ชนิดและมีในปริมาณเพียง 5% ของทั้งหมดที่เอกภพมี นั่นคือทุกสิ่งทุกอย่างที่เราเห็นเป็นเพียงส่วนปลายบนของก้อนน้ำแข็งที่ลอยอยู่ในทะเลเท่านั้น เพราะอีกประมาณ 23% เป็นสสารมืด (dark matter) ที่ยังไม่มีใครรู้ว่าเป็นอะไร และ 72% ที่เหลือเป็นพลังงานมืด (dark energy) ที่ทำหน้าที่ผลักดันเอกภพให้ขยายตัวด้วยความเร็วที่มากขึ้นๆ ตลอดเวลา

การใช้คำว่า มืด ในที่นี้จึงเป็นคำที่เหมาะสม เพราะนักฟิสิกส์เองก็ยังไม่รู้ว่า มันมาจากไหนและเป็นอะไร แต่เราก็รู้ว่าถ้าเรารู้ธรรมชาติที่แท้จริงของสสารมืดเมื่อใด เราก็จะรู้ว่าอะไรทำให้กาแล็กซี่ต่างๆ อยู่กันเป็นกระจุกได้ และถ้าเราเข้าใจธรรมชาติของพลังงานมืด เราก็จะรู้ว่า เอกภพจะถึงจุดจบในลักษณะใด

ย้อนอดีตไปเมื่อ 17 ปีก่อนวงการดาราศาสตร์ได้ตกตะลึงกับข่าวการเห็นอิทธิพลของพลังงานมืด โดยคณะนักดาราศาสตร์และนักดาราฟิสิกส์สองคณะซึ่งได้ศึกษาการระเบิดของ supernova ชนิด 1a ที่อยู่ไกลโพ้น เพื่อวิเคราะห์ธรรมชาติของการขยายตัวของเอกภพ นับตั้งแต่ที่เกิด Big Bang คือเมื่อ 13,700 ล้านปีก่อนจนถึงปัจจุบัน

ความคาดหวังของนักดาราศาสตร์ทุกคนคือจะเห็นความเร็วในการขยายตัวช้าลงๆ เมื่อเวลาผ่านไป เพราะกาแล็กซี่หนึ่งจะถูกดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วงจากกาแล็กซี่อื่นๆ ทั้งหมดในเอกภพ แต่กลับได้เห็นความเร็วในการขยายตัวของเอกภพเพิ่มขึ้นตลอดเวลา นั่นคือ เอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง เสมือนว่าถูกแรงลึกลับที่ไม่มีใครรู้จักมาก่อนทั้งผลักทั้งดันกาแล็กซี่ต่างๆ ให้มันมีความเร็วยิ่งขึ้นๆ Michael Turner จึงได้ตั้งชื่อพลังงานปริศนานั้นว่า พลังงานมืด

การค้นพบที่ยิ่งใหญ่สำคัญและน่าตกตะลึงนี้ทำให้ Adam Riess กับ Brian Schmidt แห่ง Australian National University ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2011 ร่วมกับ Saul Perlmutter แห่ง Lawrence Berkeley National Laboratory ในสหรัฐอเมริกา

เมื่อไม่มีใครรู้เกี่ยวกับธรรมชาติที่แท้จริงของพลังงานมืด ปัญหานี้จึงเป็นปัญหาที่ฮ็อตมากที่สุดในวงการดาราศาสตร์ปัจจุบัน ที่นักเอกภพวิทยาและนักดาราฟิสิกส์ทุกคนสนใจ นักดาราฟิสิกส์บางคนคิดว่า พลังงานมืดเป็นแรงชนิดใหม่ที่มีอยู่ทั่วไปในอวกาศ เหมือนอากาศที่มีอยู่ในบอลลูน หรืออาจจะเป็นเพียงภาพลวงตา คือไม่มีจริง แต่ถ้าพลังงานมืดไม่มีในธรรมชาติ นั่นแสดงว่า นักฟิสิกส์ยังไม่เข้าใจทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein อย่างถ่องแท้ หรือพลังงานมืดอาจเป็นสมบัติหนึ่งของสุญญากาศที่สามารถทำให้อวกาศขยายตัวได้ ตามแนวความคิดเรื่องค่าคงตัวของเอกภพ (cosmological constant) ที่ Einstein ได้เคยนำมาใช้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปตั้งแต่ปี 1917 โดย Einstein คิดว่า ค่าคงตัวของเอกภพที่มีในสุญญากาศมีอิทธิพลต่อต้านแรงโน้มถ่วง

ในการหาคำตอบสำหรับปัญหานี้ ประเด็นสำคัญประเด็นหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องหาคำตอบให้ได้เป็นประการแรกคือ ขณะที่เอกภพกำลังขยายตัวนี้ ความหนาแน่นของพลังงานมืดเปลี่ยนแปลงเช่นไร หรือไม่ เพราะถ้าพลังงานมืดคือค่าคงตัวของเอกภพ ความหนาแน่นของพลังงานมืดก็ย่อมไม่เปลี่ยน คือ ต้องมีค่าคงตัวตามชื่อ แต่ถ้าพลังงานมืดเป็นอะไรบางอย่างที่แอบแฝงเต็มในเอกภพ ดังนั้นเมื่อเอกภพขยายตัว ค่าความหนาแน่นของพลังงานมืดย่อมมีค่าลดลงตามกาลเวลา 

Image # 3. ปริศนาพลังงานมืดและสสารมืด

Prof. Adam Riess (Credit Reuters/Don Blake)

       ในการตัดสินคำตอบที่เป็นไปได้เหล่านี้นักดาราศาสตร์ได้สนใจวิธีวัด 2 วิธีดังนี้
วิธีแรก เป็นการวิเคราะห์ประวัติการขยายตัวของเอกภพ โดยการศึกษา supernova ชนิด 1a ซึ่งระเบิดตัวเองและปลดปล่อยแสงออกมา เพราะ supernova ชนิด 1 a ทุกดวงจะปล่อยแสงออกมาในปริมาณเท่ากันเวลาจะจบชีวิต ดังนั้นนักดาราศาสตร์จะสามารถระบุได้ว่า supernova นั้นอยู่ห่างจากโลกเพียงใด โดยการวัดความสว่างของแสงที่เห็น แต่ในขณะเดียวกันเอกภพก็กำลังขยายตัวด้วย ซึ่งมีผลทำให้ supernova เคลื่อนที่หนีจากโลก ดังนั้นแสงจาก supernova เมื่อเดินทางถึงโลกจะมีความยาวคลื่นมากขึ้น (แสงต่างๆ จะมีสีแดงขึ้นคือถูก redshifted) ปริมาณความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไปจะบอกให้รู้ว่า supernova ดวงนั้นมีความเร็วเพียงใด ส่วนการวัดระยะทางที่ supernova อยู่ห่างจากโลก ก็สามารถกระทำได้โดยการวัดความเข้มแสงที่จะลดลงตลอดเวลาด้วยเหตุนี้ จากข้อมูลความเร็วและเวลานักดาราศาสตร์ก็สามารถระบุได้ว่า เอกภพกำลังขยายตัวอย่างไรตลอดระยะเวลาที่ผ่านมา

วิธีวัดวิธีที่สอง คือ ศึกษาผลกระทบที่พลังงานมืดกระทำต่อกระจุกกาแล็กซี่ ซึ่งอยู่ในตำแหน่งใกล้ๆ กันเป็นกลุ่ม โดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ทำให้กาแล็กซี่เคลื่อนที่เข้าหากัน แต่พลังงานมืดมีอิทธิพลตรงกันข้ามกับแรงโน้มถ่วง ดังนั้นมันจะผลักกาแล็กซี่ออกจากกันทำให้ความพยายามในการเกาะกลุ่มเป็นกระจุกของกาแล็กซี่เชื่องช้าลง ด้วยเหตุนี้ถ้านักดาราศาสตร์ศึกษากระจุกกาแล็กซี่ที่มีสมาชิกต่างๆ กัน ข้อมูลที่ได้จะแสดงให้เห็นธรรมชาติของพลังงานมืดได้

ในปี 2013 คณะนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ 120 คนที่ทำงานวิจัยในโครงการ Dark Energy Survey (DES) มูลค่า 1,600 ล้านบาท ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 เมตรที่ Cerro Tololo Inter – American Observatory ใน Chile ศึกษากาแล็กซี่ประมาณ 200 -300 ล้านกาแล็กซี่ ที่อยู่กันเป็นกระจุก (cluster) ประมาณ 100,000 กระจุก และได้วิเคราะห์ supernova 4,000 ดวงที่ระเบิดในกาแล็กซี่ต่างๆ (กาแล็กซี่บางกาแล็กซี่ ณ เวลาที่สังเกตอาจไม่มีการระเบิดของ supernova) เพื่อวัดความหนาแน่นของพลังงานมืด และวัดค่าคงตัวของเอกภพ และค้นหาแรงชนิดใหม่ในธรรมชาติ เพื่อจะตอบคำถามที่ว่า เอกภพมีพลังงานมืดหรือไม่ และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังสมบูรณ์ดี หรือบกพร่อง

นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์บางกลุ่มก็กำลังสนใจค้นหาสสารมืดที่หลายคนคิดว่ามีอยู่ระหว่างกาแล็กซี่ เพื่อวิเคราะห์แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากสสารมืดว่าจะเบี่ยงเบนรังสีของแสงจากกาแล็กซี่ ขณะเคลื่อนที่ผ่านสสารมืดว่าเป็นอย่างไร ซึ่งถ้าการเบี่ยงเบนเป็นจริง ภาพของกาแล็กซี่ที่เห็นจะบิดเบี้ยวเล็กน้อย ปรากฏการณ์นี้เรียก weak lensing

อ่านต่อ