เมื่อวันที่ 14 พฤษภาคม ค.ศ.2009 องค์การอวกาศแห่งยุโรป (European Space Agency ESA) ได้ส่งดาวเทียม Planck ขึ้นอวกาศด้วยจรวด Ariane 5ECA จากศูนย์อวกาศ Guiana ที่เมือง Kourou ในประเทศ Guiana ของฝรั่งเศสเพื่อสังเกตและวิเคราะห์รังสีหลังจากที่เอกภพถือกำเนิดใหม่ๆ ซึ่งเป็นช่วงเวลา ก่อนที่เอกภพจะมีกาแลกซี และก่อนที่ดาวฤกษ์ดวงแรกจะจุติ นั่นคือช่วงเวลาเศษเสี้ยววินาทีแรกของ Big Bang เมื่อ 13,700 ล้านปีก่อน ซึ่งมีการระเบิดอย่างมหารุนแรง และรังสีที่หลงเหลือจากการระเบิดในครั้งนั้น ได้เย็นตัวลงๆ จนปัจจุบันมีอุณหภูมิ 2.7 เคลวิน และนักวิทยาศาสตร์เรียกรังสีนี้ว่า รังสีไมโครเวฟภูมิหลัง (cosmic microwave background CMB)
ดาวเทียม Planck ดวงนี้มีอุปกรณ์ที่จะศึกษาและวิเคราะห์รังสีที่เกิดในช่วงเศษเสี้ยววินาทีแรกของการถือกำเนิดของเอกภพอย่างละเอียด ถูกต้องและสุดแม่นยำอย่างไม่มีอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ใดๆ เคยทำมาก่อน นอกจากนี้ดาวเทียมจะศึกษาฝุ่นที่อยู่รอบกาแล็กซีวิทยุ (radio galaxy) และรอบดาวฤกษ์ที่กำลังถือกำเนิดด้วย
เพื่อเป็นการป้องกันมิให้ดาวเทียม Planck ถูกรบกวนโดยรังสีไมโครเวฟจากโลก (ซึ่งมีในปริมาณมากและมีพลังงานรุนแรงประมาณ 100 เท่าของรังสี CMB) ดาวเทียม Planck จึงถูกกำหนดให้โคจรห่างจากโลกและอยู่คนละข้างกับดวงอาทิตย์ที่ระยะทางประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร อันเป็นตำแหน่ง L2 ที่ ดาวเทียมสามารถลอยอยู่ในวงโคจรได้อย่างมีเสถียรภาพ ในการให้ดาวเทียมทะยานขึ้นถึงระดับสูงและไกลเช่นนี้ ดาวเทียม Planck ต้องใช้เวลานานถึง 6 สัปดาห์ หลังจากนั้น ESA ได้กำหนดให้ดาวเทียม Planck ทำงานเป็นเวลาอย่างน้อย 16 เดือน และนาน 3 เดือน ในการปรับสภาพของอุปกรณ์และตรวจสอบความเที่ยงตรงของมาตรวัดต่างๆ บนดาวเทียม รวมถึงต้องหาทางกำจัดแสงจากดวงอาทิตย์ จากดวงจันทร์ และจากโลกไม่ให้รบกวนอุปกรณ์สำรวจของยาน ซึ่งจะต้องทำงานที่อุณหภูมิ 0.1 เคลวินโดยมีฮีเลียม-3 และฮีเลียม-4 เป็นของเหลวหล่อเลี้ยงให้เย็น
นักวิทยาศาสตร์ผู้รับผิดชอบตั้งความหวังว่า ดาวเทียม Planck สามารถวัดความแปรปรวนและความแตกต่างด้านกายภาพของรังสีไมโครเวฟภูมิหลังได้อย่างละเอียดที่สุด เช่น สามารถระบุบริเวณที่มีอุณหภูมิแตกต่างกันเพียง 0.00001 องศาได้ เพราะความแตกต่างของอุณหภูมิที่มีค่าน้อยนิดนี่เอง เอกภพจึงมีความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ โดยบริเวณที่มีอุณหภูมิ “สูง” จะเป็นบริเวณที่ให้กำเนิดกาแล็กซี และบริเวณที่มีอุณหภูมิ “ต่ำ” คือบริเวณที่ว่างเปล่า
ดาวเทียม Planck มีความสามารถในการสำรวจและวิเคราะห์ข้อมูลดียิ่งกว่า ยาน WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ของ NASA ประมาณ 10 เท่า และดีกว่ายาน COBE (Cosmic Background Explorer) ของ NASA ซึ่งถูกส่งขึ้นอวกาศในปี 1990 มาก เพราะ WMAP วัดอุณหภูมิของรังสีไมโครเวฟภูมิหลังได้ ละเอียดเพียง 0.001 องศาคือได้ค่า 2.725+/-0.002 เคลวิน (-270.4 องศาเซลเซียส) แต่ดาวเทียม Planck จะวัดอุณหภูมิได้ละเอียดถึง 0.00002 เคลวิน และ “เห็น” รายละเอียดของบริเวณในอวกาศที่รองรับมุม 0.25 องศาที่ดาวเทียมได้
นอกจากนี้นักดาราศาสตร์ของ ESA ก็ยังคาดหวังอีกว่า ข้อมูลรังสีที่ดาวเทียม Planck วัดได้ จะแสดงให้เห็นภาวะการมี polarization ของรังสี ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกว่าคลื่นโน้มถ่วง (gravitational wave) ที่ทฤษฎี Big Bang พยากรณ์ไว้ว่า ได้ถือกำเนิดในเสี้ยววินาทีแรกของการกำเนิด คือตั้งแต่เวลา 10-43 วินาทีจนถึงเวลา 10-30วินาที เอกภพได้ขยายขนาดจากที่มีขนาด 10-21 เมตร จนใหญ่ 1020 เมตร ด้วยความเร็วระดับอภิมหาไฮเปอร์ซูเปอร์เร็วสุดๆ นี่เป็นช่วงเวลาที่เรียกยุค inflation
ตามทฤษฎี Big Bang ของ Alan Guth ที่ได้เสนอเมื่อ 30 ปีก่อนนี้ นั้นหลังการระเบิด 10-43 วินาที แรงโน้มถ่วงกับแรงนิวเคลียร์ได้เริ่มแตกแยกจากกันอีก 10-35 วินาทีต่อมา แรงนิวเคลียร์อย่างแข็งกับแรง electroweak ก็ได้เริ่มแยกจากกัน และอีก 10-11 วินาทีต่อมา แรงไฟฟ้ากับแรงนิวเคลียร์อย่างอ่อนก็ได้เริ่มแยกจากกันบ้าง ดังนั้นภายในเวลา 10-6 วินาที หลังการระเบิดเอกภพเริ่มมีควาร์ก โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตรอน ในที่สุดเมื่อ 3 วินาทีหลัง Big Bang ผ่านไป นิวเคลียสของ helium, deuterium, lithium และ hydrogen ก็เริ่มอุบัติและได้ปรากฏอยู่นานเป็นเวลาประมาณ 380,000 ปี จนกระทั่งอุณหภูมิของเอกภพได้เย็นลงถึง 3,000 เคลวินแล้ว อิเล็กตรอนและโปรตอนก็ได้รวมกันเป็นอะตอมไฮโดรเจน ในขณะเดียวกัน รังสีที่ถือกำเนิดมาพร้อมการระเบิด Big Bang ก็ได้แผ่กระจายไปทั่วเอกภพที่กำลังขยายตัวอย่างรวดเร็ว อีก 300 ล้านปีต่อมา ดาวฤกษ์ดวงแรกจึงเริ่มถือกำเนิด ครั้นเวลาผ่านไปอีก 700 ล้านปี กาแล็กซี่ได้เริ่มก่อตัวด้วยการจับกลุ่มกันของดาวฤกษ์ภายใต้อิทธิพลของโดยอาศัยแรงโน้มถ่วง
นี่คือทฤษฎีการถือกำเนิดเอกภพ (Big Bang) ที่ยังไม่มีการทดลองใดๆ มาตรวจสอบอย่างเข้มงวด แต่ก็มีแนวโน้มว่าถูกต้อง เพราะ ดาวเทียม COBE และ WMAP ต่างก็ยืนยันว่า เอกภพมีอายุ 13,770 ล้านปี มีสสารปกติ 4.6% มีสสารมืด 23.6% และมีพลังงานมืด 71.8% จะอย่างไรก็ตามดาวเทียม Planck จะวัดค่าเหล่านี้อีกครั้งหนึ่งเพื่อยืนยันหรือหักล้าง หรือต่อเติมข้อมูลเดิมให้สมบูรณ์ ยิ่งขึ้นโดยคาดหวังจะศึกษากระจุกกาแล็กซีใหม่ๆ อีก 544 กระจุก จากเดิมที่มีข้อมูลแล้ว 1,227 กระจุก ค้นหาเลนส์โน้มถ่วง หาคลื่นโน้มถ่วง โดยอาศัยการศึกษาการเบนของแสงเวลาเคลื่อนที่ผ่านใกล้สสารมืด รวมถึงจะศึกษาปรากฏการณ์ Sunyaev-Zeldovich ที่นักวิทยาศาสตร์รัสเซียทั้ง 2 คนได้เคยพยากรณ์ว่า รังสีไมโครเวฟภูมิหลังเมื่อกระทบแก๊สร้อน พลังงานของรังสีจะเปลี่ยน และความรู้ที่ได้จะช่วยวัดค่าคงตัว Hubble ด้วย
ณ วันนี้ ข้อมูลจากดาวเทียม Planck ได้ทำให้เรารู้ใหม่ว่า เอกภพมีอายุ 13,820 ล้านปี มีสสารปกติ 4.9% มีสสารมืด 26.8% และมีพลังงานมืด 68.3% จึงแตกต่างจากข้อมูลเดิม “เล็กน้อย”
แผนที่ของรังสีไมโครเวฟที่ดาวเทียม Planck สำรวจแสดงบริเวณที่รองรับมุม ½ องศา, 1 องศา และ 2 องศาว่ามีอุณหภูมิต่างๆ กัน การวัดค่าอุณหภูมิเหล่านี้เป็นฟังก์ชันของบริเวณ ทำให้นักดาราศาสตร์รู้สเปกตรัมกำลัง (power spectrum) ของเอกภพ ว่าเอกภพมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดใดบ้าง รู้ความหนาแน่นของสสารปกติและของสสารมืด รู้เศษส่วนของ photon ที่พุ่งชนอิเล็กตรอน เมื่อเปรียบเทียบกับจำนวน photon ทั้งหมด ข้อมูลนี้ทำให้รู้ความเร็วและความเร่งในการขยายตัวของเอกภพ และรู้สภาพกายภาพของเอกภพเมื่อถือกำเนิดใหม่ๆ ดีขึ้น เพราะในขณะที่เอกภพยังไม่มีกาแล็กซีหรือดาวฤกษ์ใดๆ และมีเพียงไฮโดรเจน ฮีเลียม ดิวทีเรียม ลิเธียม เท่านั้น โดยไม่มีธาตุอื่นใดอีกเลย ความหนาแน่นของเอกภพจึงมีค่าน้อย ไม่เหมือนความหนาแน่นที่นักวิทยาศาสตร์เคยชิน คือ ในปริมาตร 1 ลูกบาศก์เมตร จะมีอนุภาคเพียง 2-3 ล้านอนุภาคเท่านั้นเอง ฟิสิกส์ของสสารที่ความหนาแน่นน้อยระดับนี้เป็นเรื่องไม่ยากที่จะสร้างทฤษฎี เพราะระบบมีแต่อันตรกริยาโน้มถ่วงกับอันตรกริยาแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น
ข้อมูลล่าสุดแสดงให้เห็นว่า จำนวนกระจุกของกาแล็กซีที่ดาวเทียม Planck วัดได้ไม่ตรงกับที่ทฤษฎีทำนาย จะอย่างไรก็ตาม ข้อมูลด้านสสารมืดก็นับว่าดีขึ้นและสมบูรณ์ขึ้น
การศึกษารังสี CMB โดยดาวเทียม Planck ยังแสดงให้เห็นประเด็นที่น่าสนใจอีกมากมายเช่น สัญญาณจากบริเวณที่มีขนาดใหญ่ปรากฏว่าค่อนข้างอ่อนกว่าที่คำนวณได้ เพราะจากแหล่งคลื่นทั้งหมด 24,119 แหล่ง มีเพียงหนึ่งบริเวณเท่านั้นที่มีพื้นที่ค่อนข้างใหญ่ แต่มีอุณหภูมิต่ำผิดปกติ
แม้ดาวเทียม Planck จะสามารถวัดความแตกต่างของอุณหภูมิในบริเวณต่างๆ ได้อย่างดีที่สุดแล้ว แต่ทีมวิจัย ESA ที่ส่งและควบคุมดาวเทียม Planck ก็ยังคาดหวังว่า ดาวเทียมจะสามารถวิเคราะห์สภาพ polarization ของ CMB ได้ด้วย (เราเคยชินกับการที่แว่นโพลาลอยด์สามารถตัดแสงได้ เพราะแสงมีสมบัติของคลื่น) รังสี CMB ก็เป็นคลื่นเช่นกัน นักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่า รังสี CMB ต้องมีสมบัติ polarization 2 แบบ คือ แบบ E (ซึ่งเกิดเวลาอนุภาค photon ของรังสี CMB เปลี่ยนทิศทางหลังชนอิเล็กตรอน) กับแบบ B ซึ่งเกิดขึ้นเวลาคลื่น CMB เคลื่อนที่ผ่านบริเวณที่ถูกบิดเบี้ยวโดยคลื่นโน้มถ่วง ซึ่งจะทำให้รูปแบบของรังสีเปลี่ยนแปลงไปในบริเวณที่ถูกบิดเบี้ยวนั้น และดาวเทียม Planck ได้เห็นแบบ E แล้วแต่กรณีแบบ B ดาวเทียมยังไม่เห็น เพราะสัญญาณจากแบบ B จะอ่อนกว่าแบบ E มาก
กระนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่ละความพยายาม ทั้งนี้เพราะทฤษฎี Inflation ของ Big Bang ยืนยันว่า ถ้า Big Bang มีการขยายตัวแบบ inflation จริง เอกภพต้องมีคลื่นโน้มถ่วง และ CMB ที่มี polarization แบบ B ก็จะต้องปรากฏ
ในกลางปี 2014 ที่จะถึงนี้ ทีมงานของดาวเทียม Planck จะนำเสนอข้อมูลชุดต่อไปอีก ซึ่งถ้าพบ CMB ที่มี polarization แบบ B นี่จะเป็นการค้นพบทางดาราศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่แห่งปีเทียบเท่าการพบจอกศักดิ์สิทธิ์ในคริสต์ศาสนา และผู้พบก็สามารถเตรียมกระเป๋าเดินทางไปรับรางวัลโนเบล เพราะได้แน่ๆ ชัวร์
ถ้า CMB ที่มี polarization แบบ B มีจริง นั่นแสดงว่า แบบจำลองการถือกำเนิดของเอกภพที่มีคนเสนอว่า เอกภพไม่มีการกำเนิดและไม่มีการแตกดับ คือ เอกภพระเบิดแล้วยุบตัว จากนั้นก็ระเบิดอีกเป็นเช่นนี้ไปเรื่อยๆ แบบจำลองที่เอกภพมีการเกิดและดับในลักษณะนี้ ก็จะตกไปทันที เพราะแบบจำลองนี้พยากรณ์ว่า CMB แบบ B mode ไม่มี
แต่ถ้าดาวเทียม Planck ไม่พบ CMB แบบ B mode เลย เหล่าสาวกที่เชื่อ ทฤษฎี inflation ของ Guth ก็จะคิดต่อไปว่า อุปกรณ์บนดาวเทียม Planck ไม่ไว และไม่ละเอียดพอที่จะวัดค่าได้ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จะต้องค้นหากันต่อไปด้วยยานใหม่ๆ ที่มีประสิทธิภาพดีกว่าเก่า และแพงกว่าเก่าด้วย
ณ วันนี้ นักเอกภพวิทยาจึงยังไม่มีข้อตกลงอย่างเอกฉันท์ว่า Big Bang ที่มี inflation เป็นแบบจำลองในการถือกำเนิดของเอกภพเพียงหนึ่งเดียวเท่านั้นหรือไม่
อ่านเพิ่มเติมจาก Dark Energy and Accelerating Universe โดย Joshua Frieman, Michael S. Turner และ Dragan Huterer ใน Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics Vol.46 ปี 2008
ติดตามหนังสือรวมเล่ม “สุดยอดนักคณิตศาสตร์” โดย ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน พบกับเรื่องราวของ Pythagoras, Gauss, Fibonacci, Nightingale, Cardano,Rieman, Kepler, Kovalevskaya, Pascal, Poincare, Newton,Ramanujan, Leibniz, Wiener, Euler, Shing-Tung Yau, Fourier
มีจำหน่ายในงานสัปดาห์หนังสือแห่งชาติ ตั้งแต่ 28 มีนาคม - 7 เมษายน
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
