เทคโนโลยีอวกาศ "ดวงตา" แห่งการพิสูจน์ทฤษฎีจักรวาล

บนดาวเคราะห์สีน้ำเงิน "คณิตศาสตร์" คือเครื่องมือสำคัญที่นำพานักคิดขยับใกล้ความเข้าใจในจักรวาล ขณะที่ห้วงอวกาศอันไกลโพ้นก็มีร่องรอยให้นักวิทยาศาสตร์ค่อยเซาะหลักฐานออกมาสนับสนุนทฤษฎีที่ก้าวหน้าไปไกลกว่าซึ่งเดิมทีเราก็ได้แต่มองท้องฟ้าอันกว้างใหญ่จากบนพื้นโลก แต่เมื่อ "ยุคอวกาศ" เริ่มต้น เครื่องไม้-เครื่องมือที่ถูกส่งขึ้นไปท่องอวกาศก็กลายเป็นหู-เป็นตาที่กว้างไกลขึ้น

ดูกันว่าในรอบ 50 ปีหลังที่ "สปุตนิก 1" ดาวเทียมดวงแรกถูกส่งออกไปโคจรรอบโลกนั้นเทคโนโลยีอวกาศที่ก้าวหน้าขึ้นได้ช่วยพิสูจน์ความรู้เกี่ยวกับจักรวาลอะไรบ้าง ทั้งนี้มี ดร.อรรุจี เหมือนวงศ์ อาจารย์ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่นและนักวิจัยด้านโครงสร้างเอกภพของสำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) กับ ดร.อรรถกฤต ฉัตรภูติ อาจารย์ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย 2 นักจักรวาลวิทยาไทยช่วยสนับสนุนข้อมูล

1.เอกภพขยายตัว
นักทฤษฎีและนักสังเกตการณ์ด้านจักรวาลวิทยาต่างสังเกตว่าเอกภพกำลังขยายตัว ซึ่งเอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) นักดาราศาสตร์อเมริกันพบหลักฐานแรกที่ยืนยันเรื่องดังกล่าวเมื่อปี 2467 จากการใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาด 100 นิ้วของหอดูดาวเมาท์ วิลสัน (Mount Wilson Observatory) ในเซาท์เธิร์น แคลิฟอร์เนียศึกษาพบว่ากาแลกซีที่อยู่ไกลออกไปกำลังเคลื่อนตัวออกห่างจากกาแลกซีของเรา และเขาได้กำหนดค่าคงที่ในกฎของฮับเบิล (Hubble's Law) เท่ากับ 500 km/s/Mpc ซึ่งหมายถึงว่าถ้ากาแลกซีหนึ่งอยู่ห่างจากเรา 1 เมกาพาร์เสค (Mpc) จะปรากฏเคลื่อนที่ออกจากเราด้วยความเร็ว 500 กิโลเมตรต่อวินาที (km/s) *

ต่อมาองค์การบริหารการบินอวกาศสหรัฐฯ (นาซา) ส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลออกไปนอกโลกและบันทึกภาพในอวกาศส่งกลับมายังภาคพื้น ซึ่งจากการบันทึกภาพในย่านแสงทำให้ได้ข้อมูลที่น่าเชื่อถือมากขึ้นโดยยังคงยืนยันการขยายตัวของเอกภพ และได้ค่าคงตัวใหม่เป็น 72 km/s/Mpc ทั้งนี้สอดคล้องกับข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอกซ์อื่นๆ เช่น โรแซท (ROSAT) จันทรา (CHANDRA) กล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์นิวตัน XMM หรืออุปกรณ์แม้แต่อุปกรณ์สำหรับศึกษารังสีพื้นหลังของเอกภพหรือ CMB (Cosmic Microwave Background Radiation) ซึ่งช่วยให้เข้าใจกำเนิดเอกภพได้ดียิ่งขึ้นอย่างดาวเทียม COBE (Cosmic Background Explorer) และดาวเทียม WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) เป็นต้น

"ปัจจุบันนักเอกภพวิทยามีหลักฐานที่เชื่อว่านอกจากเอกภพจะขยายตัวแล้วยังขยายตัวด้วยอัตราเร่งอีกด้วย ซึ่งได้จากการค้นพบว่าซูเปอร์โนวา (Supernova) มีความสว่างน้อยกว่าที่ควรจะเป็น โดยกลุ่มนักวิจัยของซอล เพิร์ลมัตเตอร์ (Saul Perlmutter) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากห้องปฏิบัติการลอเรนซ์เบิร์กเลย์แห่งสหรัฐ (Lawrence Berkeley National Laboratory) ได้พบหลักฐานดังกล่าวจากหอดูดาวบนพื้นโลกและทำให้นักเอกภพวิทยาส่วนใหญ่ยอมรับว่าเอกภพเราประกอบด้วยพลังงานมืด (Dark Energy) ที่ไม่มีใครรู้จักถึง 70% ซึ่งทำให้เอกภพขยายตัวด้วยอัตราเร่ง" ดร.อรรุจีให้ข้อมูลเพิ่มเติม

2.รังสีพื้นหลังเอกภพ
ภายใต้ทฤษฎีบิกแบง (Big Bang) ซึ่งเป็นยอมรับโดยส่วนใหญ่ว่าจักรวาลก่อตัวจากการระเบิดครั้งใหญ่เมื่อ 1.37 หมื่นล้านปีก่อนนั้นเกิดคลื่นที่เรียกว่า "รังสีพื้นหลังของเอกภพ" หรือ CMB (Cosmic Microwave Background Radiation) หลังจากนั้นประมาณ 300,000 ปี ซึ่งอาร์โน อัลลัน เพนซิอัส (Arno Allan Penzias) และโรเบิร์ต วูโดร์ว วิลสัน (Robert Woodrow Wilson) 2 นักฟิสิกส์อเมริกันจากห้องปฏิบัติการเบลล์ (Bell Labs) สหรัฐอเมริกา ได้ค้นพบรังสีดังกล่าวจากอุปกรณ์ตรวจวัดบนพื้นโลก ส่งผลให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2521 และการค้นพบของทั้งสองยังทำให้มีการส่งดาวเทียมขึ้นไปเพื่อหารังสีอันเป็นหลักฐานของกำเนิดเอกภพนี้ด้วย

ทั้งนี้นาซาได้ส่งดาวเทียม COBE ขึ้นไปหารังสี CMB และได้พบความไม่สม่ำเสมอของรังสีดังกล่าว นับเป็นเรื่องสำคัญเพราะความไม่สม่ำเสมอบ่งชี้ถึงการกระจายตัวของมวลสารที่ไม่เท่ากันและทำให้แรงโน้มถ่วงไม่สมดุล เกิดการกระจุกรวมกันของบริเวณที่มีมวลหนาแน่น กลายเป็นดวงดาว กาแลกซีและโครงสร้างเอกภพอย่างที่เป็นอยู่ โดยนักฟิสิกส์ผู้นำการศึกษาเรื่องนี้คือจอร์จ สมูต (George F. Smoot) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียในเบิร์กเลย์ (University of California, Berkeley) และจอร์น มาเธอร์ (John C. Mather) จากศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา (NASA's Goddard Space Flight Center) ก็เพิ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี 2549

นาซายังส่งดาวเทียม WMAP ขึ้นไปศึกษารังสี CMB โดยให้รายละเอียดที่มากขึ้นและยังยืนยันความน่าเชื่อถือของทฤษฎีการพองตัวของจักรวาล (Inflation) แต่ยังไม่สมบูรณ์นัก นอกจากนี้ยังมีดาวเทียมพลังก์ (Plank) ขององค์การบริการบินยุโรป (อีซา) ที่มีกำหนดส่งขึ้นไปในวันที่ 31 ก.ค.2551 ก็จะสำรวจรังสี CMB นี้ด้วย

3.กาล-อวกาศโค้งงอ
ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีอวกาศยังช่วยพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ที่มีอายุเกือบ 100 ปีด้วย โดยข้อมูลเบื้องต้นจากดาวเทียมวัดความโน้มถ่วง "โพรบ บี" (Gravity Probe B) ของนาซาช่วงต้นปีนี้ได้ตรวจพบปรากฏการณ์ "ผลทางภูมิมาตรศาสตร์" หรือ “จีโอเดติก-เอฟเฟกต์” (geodetic effect) อันเป็นผลมาจากมวลของโลกทำให้กาล-อวกาศ (space-time) โค้งงอ และปรากฏการณ์ “เฟรม-แดรกกิง” (frame dragging) ซึ่งเป็นผลจากการหมุนของโลก นับเป็นการทดสอบทฤษฎีพื้นฐานทางฟิสิกส์ อีกทั้งไม่กี่เดือนที่ผ่านมานี้กล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอ็กซ์นิวตัน XMM ของอีซายังได้ตรวจพบการโค้งงอของกาล-อวกาศรอบดาวนิวตรอนจากปรากฏการณ์การเลื่อนไปทางสีแดงอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (gravitational redshift) ซึ่งเป็นสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายไว้

4.คลื่นความโน้มถ่วง
จากการตรวจพบรังสี CMB ทำให้เราขยับใกล้หลักฐานการเกิดบิกแบง แต่ตามทฤษฎีดังกล่าวก่อนเกิดเอกภพนั้นไม่มีแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์จึงต้องหาหลักฐานอื่นที่เกิดขึ้นมาพร้อมบิกแบงเพื่อยืนยันความถูกต้องซึ่งก็คือ "คลื่นความโน้มถ่วง" (Gravity Wave) ซึ่งไม่ถูกตัวกลางดูดกลืนเหมือนคลื่นอื่นๆ ทั้งนี้นักดาราศาสตร์ทราบว่าคลื่นดังกล่าวมีอยู่จริงจากการศึกษา "ดาวคู่" แต่การส่งดาวเทียมลิซา (Laser Interferometer Space Antenna: Lisa) ซึ่งเป็นดาวเทียมเลเซอร์ของนาซากับอีซาที่มีทั้งหมด 3 ดวงเพื่อตรวจวัดคลื่นดังกล่าวจะช่วยยืนยันการมีอยู่จริงและพิสูจน์ว่าทฤษฎีบิกแบงนั้นถูกต้อง โดยคาดว่าดาวเทียมในความร่วมมือขององค์การอวกาศสหรัฐฯ และยุโรปนี้จะถูกส่งขึ้นไปในปี 2553 เพื่อตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่ถูกปล่อยออกมาจาการชนกันของหลุมดำ

"ทั้งหมดก็เพื่อพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีบิกแบงและเข้าใจกำเนิดเอกภพ ทั้งนี้การศึกษาเอกภพก็เหมือนการศึกษาโบราณคดี เราไม่สามารถสร้างจักรวาลขึ้นใหม่ได้ ทำได้เพียงเก็บข้อมูลให้ได้มากที่สุด ซึ่งเทคโนโลยีอวกาศก็มีส่วนช่วยในตรงนี้" ดร.อรรถกฤตให้ความเห็น

อย่างไรก็ดีแม้จะมีเทคโนโลยีอวกาศที่ก้าวหน้าไปมากหากแต่นักวิทยาศาสตร์ก็เชื่อว่ายังมีความลึกลับในเอกภพที่เรายังไม่เข้าใจถึง 95% แล้วการแสวงหาความเข้าใจในธรรมชาติก็ยังคงดำเนินต่อไป

*******
หมายเหตุ
* เมกาพาร์เสค (Mega Parsec: Mpc) เป็นหน่วยระยะทางเท่ากับ 1 ล้านพาร์เสค (Parsec) โดย 1 พาร์เสคเท่ากับระยะทาง 3.26 ปีแสง และ 1 ปีแสงประมาณเท่ากับ 9 ล้านล้านกิโลเมตร