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
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
ด้านนักวิทยาศาสตร์ยุโรปแห่ง European Space Agency ก็ได้วางแผนจะปล่อยจรวดนำกล้องโทรทรรศน์อวกาศชื่อ Euclid มูลค่า 19,000 ล้านบาทขึ้นอวกาศเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ weak lensing ด้วย และในเวลาเดียวกันนักวิทยาศาสตร์สหรัฐฯ ก็ได้เสนอโครงการ Large Synoptic Survey Telescope ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่เลนส์ของกล้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 8.4 เมตร และกล้องมีมูลค่า 15,500 ล้านบาทเพื่อศึกษาธรรมชาติของพลังงานมืดด้วย
ข้อมูลที่ได้จวบจนปัจจุบันยังไม่มีคำตอบสุดท้าย กล่าวคือ นักฟิสิกส์ยังไม่มั่นใจว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein จะต้องมีการปรับปรุงหรือไม่ และแรงชนิดที่ 5 มีในธรรมชาติหรือไม่ โดยทุกคนมีความเห็นพ้องกันว่า กว่าจะตัดสินฟันธงได้ อาจต้องใช้เวลาอีก 10 ปี
นอกจากพลังงานมืดแล้ว วงการนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ก็สนใจศึกษาธรรมชาติของสสารมืดด้วย
นักดาราศาสตร์นั้นได้รู้มานานแล้วว่า ในอวกาศมีอะไรบางอย่างที่ส่งแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วงกระทำต่อบรรดาดาวฤกษ์ที่อยู่ในกาแล็กซี่จนทำให้กาแล็กซี่สามารถคงรูปได้ ความสงสัยว่าเอกภพมีสสารมืดได้เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1933 เมื่อนักดาราศาสตร์ชาวสวิสชื่อ Fritz Zwicky ได้พบว่า กาแล็กซี่ต่างๆ ที่อยู่เป็นกลุ่มในกระจุกกาแล็กซี่ Coma ต่างก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จนแรงโน้มถ่วงที่มีในกระจุกไม่น่าจะเพียงพอในการทำให้มันทรงสภาพเป็นกระจุกได้
Zwicky จึงสันนิษฐานว่า จะต้องมีสสารลึกลับบางชนิดที่ตามองไม่เห็นซึ่งกำลังทำให้กระจุกกาแล็กซี่ทรงสภาพอยู่ได้ เขาจึงเรียกสสารลึกลับนั้นว่า dunkle materie หรือ dark matter
ความคิดของ Zwicky เกี่ยวกับสสารมืดได้รับการสนับสนุนในอีก 40 ปีต่อมา เมื่อนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สตรีชาวอเมริกันชื่อ Vera Rubin ได้พบว่า ความเร็วของดาวฤกษ์ต่างๆ ในกาแล็กซี่ ขณะโคจรไปรอบจุดศูนย์กลางของกาแล็กซี่นั้นมีความเร็วสูงเกินที่จะทำให้มันสามารถคงอยู่ในกาแล็กซี่ได้ นั่นคือ Rubin ได้พบว่า ดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลจากจุดศูนย์กลางของกาแล็กซี่มีความเร็วใกล้เคียงกับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ศูนย์กลาง เสมือนดาวเคราะห์แคระพลูโตมีความเร็วพอๆ กับดาวพุธ เธอจึงสันนิษฐานว่า ในแต่ละกาแล็กซี่มีสสารมืดที่ดึงดูดดาวฤกษ์ไว้ ทำให้ดาวฤกษ์ดวงนั้นเป็นสมาชิกดวงหนึ่งของกาแล็กซี่
นี่คือหลักฐานชิ้นแรกๆ ที่ชี้นำว่า สสารมืด มีจริง แต่หลักฐานที่มีน้ำหนักที่สุด คือ หลักฐานที่ได้จากการศึกษา cosmic microwave background หรือรังสีไมโครเวฟภูมิหลัง (CMB) ที่เกิดหลังการระเบิด Big Bang ที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศของ NASA ชื่อ Wilkinson Microwave Anisotropy Probe ได้วัดความแปรปรวนของอุณหภูมิของรังสี ภูมิหลังจากการระเบิดใหม่ๆ ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่สสารธรรมดากับสสารมืดมีอันตรกริยากันอย่างรุนแรง การวัดอุณหภูมิที่ละเอียดแสดงให้เห็นว่า สสารที่มีในเอกภพ 72% เป็นสสารมืด
ด้านนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จาก Siding Spring Observatory ในออสเตรเลียซึ่งได้ศึกษากาแล็กซี่ประมาณ 200,000 กาแล็กซี่มาตั้งแต่ปี 1997 ก็ได้พบว่ากาแล็กซี่เหล่านี้มีการจัดเรียงตัวทั้งเป็นระนาบใน 2 มิติ และเรียงกันเป็นเส้นใน 1 มิติ ข้อมูลนี้เป็นที่สอดคล้องกับแบบจำลองหนึ่งในการถือกำเนิดของเอกภพที่ว่า หลัง Big Bang สสารจะจับตัวกันเป็นเส้นใย (web) และเป็นกลุ่มก้อนโดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง จากนั้นกาแล็กซี่ก็จะถือกำเนิดจากสสารธรรมดา แบบจำลองนี้ได้แสดงการกระจายตัวของกาแล็กซี่ในเอกภพดังที่ปรากฎอยู่ทุกวันนี้ นี่คือ Standard Model ของเอกภพวิทยา ในทำนองเดียวกับ Standard Model ของวิทยาการด้านอนุภาคมูลฐาน
แต่ในการได้มาซึ่งโครงสร้างระยะเริ่มต้นของเอกภพ นักฟิสิกส์ทฤษฎีได้สมมติว่าสสารมืดมีอุณหภูมิค่อนข้าง “ต่ำ” เพราะมันประกอบด้วยอนุภาคที่มีมวลประมาณ 1000 เท่าของโปรตอน และเคลื่อนที่ค่อนข้างช้า ผลที่ตามมาประการหนึ่ง คือ สสารมืดที่มีอุณหภูมิต่ำนี้ จะทำให้บริเวณแกนกลางของกาแล็กซี่เป็นสถานที่สสารมืดอยู่กันอย่างแออัดจนบริเวณใจกลางมีความความหนาแน่นมาก ซึ่งไม่ตรงกับความจริง เพราะกาแล็กซี่ที่มีในธรรมชาติ อันตรกริยาระหว่างสสารมืดกับสสารธรรมดาทำให้ความหนาแน่นของสสารมืดที่บริเวณแกนกลางมีค่าไม่สูง
ทางออกสำหรับข้อขัดแย้งนี้คือ ให้สสารมืดมีอุณหภูมิสูงกว่าปกติเล็กน้อย และให้ประกอบด้วยอนุภาคที่เบากว่าโปรตอนประมาณ 1 ล้านเท่า แบบจำลองที่ได้ให้ผลสอดคล้องกับผลการสังเกตดีขึ้น จึงเป็นว่า นักฟิสิกส์ที่สนใจเรื่องอุณหภูมิของสสารมืด ต้องค้นหาทางออกต่อไปโดยการศึกษาธรรมชาติของกาแล็กซี่แคระ (dwarf galaxy) ที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์น้อยกว่า 1 แสนดวง
ด้านนักฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานก็สนใจเรื่องสสารมืดเช่นกัน เพราะมีทฤษฎีชื่อทฤษฎี supersymmetry ที่ได้พยากรณ์ว่า ธรรมชาติยังมีอนุภาคอีกชนิดหนึ่ง ที่มีมวลประมาณ 200-300 เท่าของโปรตอน แต่มีอันตรกริยาค่อนข้างน้อยกับอนุภาคอื่นๆ และอนุภาคมวลมากแต่มีอันตรกริยาน้อย (weakly interacting massive particle หรือ WIMP) นี้อาจเป็นสสารมืดของนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ก็ได้ และนักฟิสิกส์เหล่านี้ก็กำลังหวังว่าเครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ที่ CERN ในสวิสเซอร์แลนด์สามารถสร้างอนุภาค Wimp นี้ได้ ถ้ามีการเพิ่มพลังงานของโปรตอนที่จะพุ่งมาชนกัน
ไม่ว่านักฟิสิกส์จะพบหรือไม่พบ WIMP แฝงอยู่ในเครื่องเร่งอนุภาค LHC ก็ตาม นักดาราศาสตร์ก็คงไม่คิดจะเปลี่ยนวิธีค้นหาสสารมืดตามแนวที่ตนได้วางไว้ คือ หาจากการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของกาแล็กซี่ต่างๆ เช่น จากกระจุกกาแล็กซี Abell 1689 ที่นักดาราศาสตร์สงสัยว่ามีสสารมืดแอบแฝงอยู่มาก และจากกาแล็กซี Aquarius ที่มีขนาดใหญ่พอๆ กับทางช้างเผือกของเรา
อ่านเพิ่มเติมจาก “The Dark Matter Problem” โดย Robert H. Sanders จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press, 2010
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
