เมื่อวันที่ 12 มกราคม ค.ศ.1998 ก่อนออกเดินทางไปดื่มน้ำผึ้งพระจันทร์ อดัม รีสส์ (Adam Riess) แห่งสถาบัน Space Telescope Science Institute ที่เมือง Baltimore ในสหรัฐอเมริกาได้ส่งอีเมล์ถึงเพื่อนๆ ว่า เขาได้พบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่งที่เพิ่มตลอดเวลา และดูเหมือนจะเร่งต่อไปไม่มีหยุดด้วย
ผลการค้นพบนี้ได้ทำให้อดัม รีสส์ (Adam Riess) กับ ไบรอัน ชมิดท์ (Brian Schmidt) แห่ง High-z Supernova Search Team ที่ Australian National University ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2011 ครึ่งหนึ่งร่วมกับซอล เพิร์ลมุตเตอร์ (Saul Perlmutter) แห่งห้องปฏิบัติการลอว์เรนซ์ที่เบิร์กเลย์ (Lawrence Berkeley National Laboratory) ในอเมริกาอันเป็นสถานที่ที่นักวิทยาศาสตร์ทั้งสามได้องค์ความรู้นี้จากการศึกษาธรรมชาติของ supernova ชนิด1a ในเอกภพ
นับเป็นเวลาร่วม 85 ปีแล้วที่เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble) ได้สังเกตเห็นว่า เอกภพกำลังขยายตัวตลอดเวลา เพราะได้เห็นดาราจักร (galaxy) ต่างๆ ที่อยู่ไกลโพ้น เคลื่อนที่หนีจากกันด้วยความเร็วที่เป็นปฏิภาคโดยตรงกับระยะทาง (นั่นคือยิ่งอยู่ไกล ดาราจักรยิ่งมีความเร็วมาก) และนักฟิสิกส์ได้อธิบายสาเหตุที่ทำให้เอกภพขยายตัวว่า มาจากพลังงานที่หลงเหลืออยู่หลังการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ (Big Bang) เมื่อ 13,700 ล้านปีก่อน การค้นพบนี้ทำให้คนทั้งโลกคิดว่า ตั้งแต่เสี้ยววินาทีนั้นเป็นต้นมา แรงโน้มถ่วงระหว่างดาราจักรก็น่าจะดึงดูดกัน จนดาราจักรมีความเร็วน้อยลงๆ แล้วจะเคลื่อนที่กลับมาอัดรวมกันแน่นเป็นบิกครั้นซ์ (Big Crunch) แล้วอาจระเบิดอีกเป็นบิกแบง Big Bang เป็นวัฎจักรเช่นนี้ไปเรื่อยๆ หรือเอกภพอาจขยายตัวต่อไปด้วยความเร็วสม่ำเสมอ
แต่สิ่งที่รีสส์กับชมิดท์และเพิร์ลมุตเตอร์ สังเกตเห็นกลับตรงกันข้ามกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ คิด เพราะเขาทั้งสามได้เห็นดาราจักรต่างๆ ที่ขอบเอกภพมีความเร่งมากขึ้นๆ และนักทฤษฎีด้านเอกภพวิทยาได้อธิบายว่าเหตุการณ์นี้เกิดจากการมีพลังงานลึกลับที่ยังไม่มีใครในโลกรู้จัก ได้ผลักสสารให้แยกจากกัน และเมื่อได้พบอีกว่า เอกภพมีสสารที่เรารู้จักและเข้าใจดีเพียง 4% เท่านั้นเอง คือมีอีก 22% ที่เป็นสสารมืด (dark matter) ที่ตามองไม่เห็น และอุปกรณ์ต่างๆ ยังตรวจจับไม่ได้ กับอีก 74% ที่เหลือเป็นพลังงานมืด (dark energy) ซึ่งทำหน้าที่เป็นแรงผลักดัน ซึ่งแรงนี้รุนแรงยิ่งกว่าแรงโน้มถ่วงมาก
นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั้งสามได้พบปรากฏการณ์ที่น่าตื่นเต้นและงุนงงนี้จากการศึกษาดาวฤกษ์ชนิดหนึ่ง ที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวา (supernova) หรือ มหานวดารา ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ดาวฤกษ์ระเบิด และซุปเปอร์โนวาตามปกติมีสองชนิดหลักๆ คือ ชนิดที่ 1 (Type I) กับชนิดที่ 2 (Type II) โดยชนิดที่ 2 จะเกิดเวลาแก่นกลางของดาวฤกษ์ที่มีมวลมหาศาลหมดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แล้วแรงโน้มถ่วงที่มีอยู่ตลอดเวลาจะทำให้แก่นกลางของดาวยุบตัวอย่างรวดเร็ว จนดาวกลายเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ และพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจากเหตุการณ์นี้ ซึ่งมีค่ามหาศาลจะถูกปลดปล่อยออกมาอย่างรวดเร็ว จนทำให้เกิดการระเบิดผลักดันเนื้อดาวที่อยู่ในบริเวณนอกแก่นกลางให้พุ่งกระจัดกระจายไปในอวกาศ นักดาราศาสตร์เรียกดาวที่ระเบิดลักษณะนี้ว่า ซุปเปอร์โนวา ชนิดที่ 2 (Type II)
ส่วน ซุปเปอร์โนวา อีกชนิดหนึ่งคือ 1a นั้นน่าตื่นตาตื่นใจยิ่งกว่าซุปเปอร์โนวา ชนิดที่ 2 เพราะจะเกิดเวลาดาวแคระขาว (white dwarf) ดึงดูดแก๊สร้อนจากดาวฤกษ์อื่นที่โคจรอยู่ใกล้ๆ เข้าสู่ตัว ทำให้ดาวแคระขาวดวงนั้นมีมวลเพิ่มขึ้นๆ จนถึงระดับวิกฤติคือเท่ากับ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แล้วดาวก็ระเบิด สำหรับชนิด 1b กับ 1c นั้น เป็นซุปเปอร์โนวากรณีพิเศษที่ถือกำเนิดเมื่อดาวฤกษ์ที่กำลังจะดับแสงได้สูญเสียเนื้อดาวซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนไปเรื่อยๆ แล้วแก่นกลางของดาวได้ยุบตัวลงทำให้เกิดการระเบิดได้เช่นกัน
ประวัติศาสตร์ได้บันทึกว่า นักดาราศาสตร์ในยุโรปและเอเชียโบราณได้เห็นเหตุการณ์ดาวระเบิด (supernova) ตั้งแต่ปี ค.ศ.1006 ในหมู่ดาว Lupus ทำให้ท้องฟ้าสว่างไสวมาก และดาวที่ระเบิดนี้เป็นซุปเปอร์โนวาชนิด 1a อีก 48 ปีต่อมา ประวัติดาราศาสตร์จีนก็ได้บันทึกว่า นักดาราศาสตร์จีนได้เห็นซุปเปอร์โนวาอีกในหมู่ดาว Taurus และเป็นซุปเปอร์โนวาชนิด 2
ซุปเปอร์โนวาชนิด 1a เป็นดาวที่มีบทบาทสำคัญมากสำหรับนักดาราศาสตร์ในการศึกษาเอกภพ เพราะเวลาซุปเปอร์โนวา 1a ระเบิด พลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมามากถึง 1045 จูลต่อวินาที และมีอนุภาคพลังงานสูง เช่น อิเล็กตรอน นิวทริโน ไหลทะลักออกมาในปริมาณมหาศาล รวมถึงมีนิวเคลียสของธาตุหนักเช่นทองคำและเงินเกิดขึ้นด้วย การเห็นซุปเปอร์โนวาทุกครั้งจึงบอกให้เรารู้ว่า ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งได้จบชีวิตดับหายไปจากเอกภพแล้ว และดาวนิวตรอนดวงใหม่หรือหลุมดำได้ถือกำเนิด นอกเหนือจากบทบาทนี้แล้ว ซุปเปอร์โนวาชนิด 1a ก็ยังเป็นดาวที่นักดาราศาสตร์ใช้เป็นมาตรฐานในการวัดระยะทางจากโลกถึงดาราจักรที่อยู่ห่างไกลด้วย ทั้งนี้เพราะซุปเปอร์โนวาชนิด 1a ทุกดวงจะระเบิดได้ต้องมีมวลวิกฤตเท่ากัน ดังนั้น ความสว่างสูงสุดที่เกิดจากการระเบิดจึงต้องเท่ากันทุกครั้งไป ซุปเปอร์โนวาชนิด 1a ทุกดวงจึงมีสภาพเหมือนเทียนบนสวรรค์ที่มีกำลังส่องสว่างเท่ากันหมด ด้วยเหตุนี้นักดาราศาสตร์จึงนิยมใช้ซุปเปอร์โนวาชนิด 1a เป็นดาวมาตรฐานในการศึกษาธรรมชาติของเอกภพ ซึ่งหมายถึงใช้วัดอายุ ขนาด และอัตราการขยายตัวของเอกภพ เป็นต้น
ตามปกติเวลาซุปเปอร์โนวาชนิด 1a อุบัตินักดาราศาสตร์จะวัดความเข้มแสงจากซุปเปอร์โนวาชนิด 1a นั้น ซึ่งจะมีค่ามากที่สุดเท่ากันทุกดวงแล้วความเข้มค่อยๆ ลดหายไป เพราะเหตุว่าความเข้มแสงแปรผกผันกับระยะทางกำลังสอง ดังนั้น ถ้าความเข้มแสงมากนั่นแสดงว่า ซุปเปอร์โนวาดวงนั้นอยู่ใกล้ และถ้าความเข้มแสงน้อยนั่นแสดงว่า ซุปเปอร์โนวาดวงนั้นอยู่ไกล และเมื่อระยะทางขึ้นกับความเร็วของดาราจักรที่ซุปเปอร์โนวาแฝงอยู่ (ตามกฎของ Hubble) ดังนั้นการรู้ความเข้มแสงสูงสุดของซุปเปอร์โนวาชนิด 1a จะทำให้เรารู้ความเร็วในการเคลื่อนที่ของดาราจักรนั้นด้วย
ดังนั้นเมื่อคณะวิจัยของเพิร์ลมุตเตอร์ที่ Lawrence Berkeley National Laboratory ใน California และของรีสส์ กับชมิดท์ที่ Mount Strombo Observatory ที่ออสเตรเลียได้ศึกษาแสงที่ซุปเปอร์โนวาชนิด 1a จำนวนกว่า 50 ดวงเปล่งออกมา ทั้งที่ได้ระเบิดในอดีตเมื่อนานมากแล้ว และที่ระเบิดเมื่อไม่นาน เขาทั้งสามได้พบว่า ความเข้มแสงอ่อนลงกว่าที่คาดถึง 20% ซึ่งไม่น่าจะเป็นไปได้ ถ้าเอกภพขยายตัวด้วยความเร็วสม่ำเสมอ
หนทางเดียวที่จะอธิบายเหตุการณ์นี้ได้คือ ตลอดเวลาหลายพันล้านปีที่ผ่านมา เอกภพได้ขยายตัวเร็วขึ้นๆ (มีความเร่ง)
ส่วนต้นเหตุที่ทำให้เกิดเหตุการณ์นี้ นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่า มีพลังงานมืด (dark energy) อยู่ทุกหนแห่งในเอกภพ และมีสสารมืด (dark matter) ที่ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนใดรู้ว่าสิ่งมืดๆ เหล่านี้มีสมบัติเชิงกายภาพเช่นไร
ถึงยังไม่มีใครพบหรือตรวจจับสิ่งลึกลับและลี้ลับนี้ได้ แต่วงการวิทยาศาสตร์ ณ วันนี้ได้ยอมรับแล้วว่า เอกภพมีสสารมืด และพลังงานมืดจริง
ดังนั้นเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม ค.ศ.2011 ที่ผ่านมานี้ นักดาราศาสตร์ทั้งสามท่านได้เข้ารับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2011 ที่กรุง Stockholm ในสวีเดน โดยเพิร์ลมุตเตอร์ได้รับเงินรางวัลครึ่งหนึ่งและรีสส์กับชมิดท์ ได้รับอีกครึ่งหนึ่งของเงินรางวัลทั้งหมด 46.7 ล้านบาท
เมื่อพลังงานมืดและสสารมืดเป็นสิ่งที่ยอมรับว่ามีจริง และเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งที่มากขึ้นๆ เช่นนี้ นักฟิสิกส์ทฤษฎีเอกภพบางท่านจึงใช้ข้อมูลนี้พยากรณ์ว่าในอีก 35,000 ล้านปี เอกภพจะถึงจุดจบคือสลายตัวอย่างสมบูรณ์ และ 60 ล้านปีก่อนที่เอกภพจะแตกดับ ดาราจักรทางช้างเผือกที่มีดวงอาทิตย์เป็นดาวสมาชิกดวงหนึ่งจะแตกกระจาย และก่อนนั้น 3 เดือน โลกของเราจะระเบิด และก่อนโลกจะถึงจุดสิ้นสุดเป็นเวลา 10-19 วินาที นิวเคลียสในอะตอมทุกอะตอมจะแตกกระจาย ทำให้ทุกสิ่งทุกอย่างในเอกภพ หรือแม้แต่หลุมดำก็ไม่เหลือด้วยอิทธิพลของแรงผลักเนื่องจากพลังงานมืด
คัมภีร์ Genesis ของคริสต์ศาสนาได้บันทึกว่า เมื่อเริ่มต้น พระเจ้าได้ทรงประทานแสงสว่าง (นี่คือ Big Bang) และเมื่อถึงตอนจบ นักฟิสิกส์คิดว่าจะไม่มีอะไรให้เห็น นอกจากความมืด
วิธีเดียวที่เราจะรู้อนาคตของเอกภพได้อย่างแน่ชัด คือต้องศึกษาว่าสสารมืดมีธรรมชาติเช่นไร เราจะมีวิธีค้นหามันได้อย่างไร ธรรมชาติของพลังงานมืดเป็นอย่างไร และเกี่ยวข้องกับสสารมืดอย่างไร ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ที่สามารถอธิบายธรรมชาติของเอกภพได้ดีมากที่ระยะ “ใกล้” จะถูกปรับเปลี่ยนเพียงใด เพื่อให้สามารถอธิบายเอกภพที่กำลังขยายตัวมากขึ้นและเร็วขึ้นตลอดเวลา ฯลฯ
เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์ด้านเอกภพวิทยาจึงได้เสนอโครงการทดลองหลายโครงการ เช่น
1. จะส่งยาน Supernova/Accelerator ขึ้นอวกาศเพื่อศึกษาประวัติการขยายตัวของเอกภพ โดยจะสังเกตดูซุปเปอร์โนวาชนิด 1a ประมาณ 2,000 ดวง/ปี
2. โครงการศึกษาดาราจักรใกล้โลกจำนวน 100 ล้านดาราจักร เพื่อวัดอัตราการขยายตัวของดาราจักรเหล่านี้ และศึกษาอันตรกริยาแรงผลักระหว่างสสารกับแสง
3. โครงการส่งกล้องโทรทรรศน์ชื่อ Dark Energy Space Telescope (DEST) เพื่อดูการกระจายของดาราจักรที่ถือกำเนิดหลังบิกแบงเล็กน้อย
ย้อนกลับมาในปี 1998 หลังจากที่เพื่อนของรีสส์ได้เห็นอีเมล์ฉบับนั้นแล้วก็ได้เขียนตอบรีสส์ว่า “จงทำงานต่อไปให้ถึงที่สุด เพราะชาตินี้นายคงไม่พบอะไรที่ตื่นเต้นเท่านี้อีกแล้ว”
*********************
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
