ในปี 1998 ทีมวิจัยด้านฟิสิกส์ดาราศาสตร์ 2 ทีมภายใต้การนำของ Brian Schmidt แห่ง Australian National Observatory และ Saul Perlmutter แห่ง Lawrence Berkeley National Laboratory ได้ทำให้คนทั้งโลกประหลาดใจด้วยข่าวการค้นพบว่า เอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง (คือเร็วขึ้นๆ ตลอดเวลา) การค้นพบที่ตื่นตะลึงนี้ทำให้ Schmidt และ Perlmutter ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ ปี 2011 ร่วมกับ Adam Reiss ซึ่งทำงานในทีมเดียวกับ Schmidt
ความจริงการค้นพบที่แสดงว่า เอกภพกำลังขยายตลอดเวลาได้เกิดขึ้นตั้งแต่ปี 1929 โดย Edwin Hubble และ Milton Humason ซึ่งใช้ดาวแปรแสงที่มีชื่อว่า Cepheid เป็นเทียนไขมาตรฐานในการบอกระยะทางที่กาแล็กซีอยู่ห่างจากโลก เพราะกำลังส่องสว่างของดาวประเภทนี้มีการเปลี่ยนแปลงเป็นคาบ (period) คือ มากบ้างและน้อยบ้าง เป็นจังหวะที่คงตัวชัดเจน
ดังนั้นเมื่อ Hubble เปรียบเทียบความสว่าง ที่ดาวเปล่งออกมากับความสว่างมาตรฐาน เขาก็สามารถบอกระยะทางที่ Cepheid อยู่ห่างจากโลกได้
แต่การรู้ระยะทางเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะบอกว่า เอกภพกำลังขยายตัว ดังนั้น Hubble จึงพิจารณาสเปกตรัมของแสงจากกาแล็กซีต่างๆ ด้วย และพบว่าความยาวคลื่นของแสงที่เดินทางมาถึงโลกมีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น คือ แสงมีสีแดงขึ้น (redshift) นั่นแสดงว่า ดาวและกาแล็กซีกำลังเคลื่อนที่หนีผู้สังเกต Hubble จึงเปรียบเทียบระยะทางที่วัดได้กับความเร็วและได้พบว่า ยิ่งอยู่ไกล กาแล็กซียิ่งมีความเร็วมาก นั่นคือ เอกภพกำลังขยายตัว
ด้าน Schmidt กับ Perlmutter ได้ใช้ supernova ชนิด 1a เป็นเทียนมาตรฐานในการสังเกต supernova ชนิดนี้เกิดจากดาวแคระขาวที่กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่ง และแรงโน้มถ่วงที่มากมหาศาลของดาวแคระขาวได้ดึงดูดมวลของดาวฤกษ์เข้าสู่ตัวมันเรื่อยๆ จนกระทั่งดาวแคระขาวมีมวลเท่ากับ 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์
จากนั้นแรงโน้มถ่วงของดาวแคระขาวก็จะส่งแรงกระทำเนื้อดาว ทำให้ดาวยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว แล้วดาวก็ระเบิดอย่างรุนแรง ปล่อยแสงสว่างจ้าเป็น supernova 1a เพราะเป็นดาวที่มีกำเนิดจากดาวแคระขาวมวล 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ ดังนั้นมันจึงมีกำลังส่องสว่างเท่ากันทุกดวง
ทีมวิจัยทั้งสองยังได้สังเกตเห็นว่า supernova 1a ที่อยู่ไกลมีกำลังส่องสว่างน้อยกว่าปกติ (ปกติคือถ้าเอกภพขยายตัวด้วยความเร็วสม่ำเสมอ) นั่นหมายความว่าระยะทางที่ supernova อยู่ได้เพิ่มขึ้นด้วยความเร่ง
ในการอธิบายการขยายตัวลักษณะนี้ นักดาราศาสตร์ได้เรียกสิ่งที่ทำให้เกิดเหตุการณ์นี้ว่า พลังงานมืด (dark energy)
ย้อนอดีตไปก่อนนี้ประมาณ 80 ปีนักดาราศาสตร์ชาวสวิสชื่อ Fritz Zwicky ได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของกาแล็กซีในกระจุกกาแล็กซีชื่อ Coma และพบว่า กาแล็กซีแต่ละกาแล็กซีมีความเร็วมากเกินที่จะทำให้ทรงสภาพอยู่เป็นกระจุกได้ จึงตั้งข้อสันนิษฐานว่า เอกภพมีสสารอีกเป็นจำนวนมากที่ตามองไม่เห็น ซึ่งเขาเรียกว่า สสารมืด (dark matter) จนกระทั่งปี 1980 Vera Rubin จึงได้ยืนยันสมมติฐานของ Zwicky
แต่ก็มีนักดาราศาสตร์หลายคนที่ไม่เชื่อเรื่องสสารมืด
ในปี 1983 Mordehai Milgrom แห่ง Weizmann Institute of Science ที่เมือง Rehovot ในอิสราเอล ได้เสนอทฤษฎีแรงโน้มถ่วงใหม่แทนทฤษฎีแรงโน้มถ่วงเก่าของ Newton ว่า ที่บริเวณขอบของกาแล็กซี สูตรของ Newton จะต้องมีการปรับเปลี่ยนเพื่อให้ดาวฤกษ์มีความเร่งสูงทั้งๆ ที่แรงยังคงเดิม การคิดเช่นนี้จะทำให้สมมติฐานว่า เอกภพมีสสารมืดเป็นเรื่องไม่จำเป็น
แต่นักดาราศาสตร์หลายคนไม่เห็นด้วยกับการเปลี่ยนกฎของ Newton ในลักษณะนี้ เพราะ Milgrom ไม่ได้ให้เหตุผลทางฟิสิกส์ เพียงแต่ตั้งเงื่อนไขว่า กฎจะต้องมีการปรับเปลี่ยนจึงเรียกทฤษฎีใหม่ว่า modiiified Newtonian dynamics (MOND)
ทฤษฎี MOND ได้รับการยืนยันโดยทีมวิจัยภายใต้การนำของ Stacy McGaugh แห่ง Case Western Reserve University ที่เมือง Cleveland รัฐ Ohio ซึ่งได้เสนอผลงานในวารสาร Physical Review Letters ฉบับเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.2016 ว่า หลังจากที่ได้วิเคราะห์การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ต่างๆ ในกาแล็กซีเกลียวจำนวน 153 กาแล็กซี เขาได้พบว่า ความเร็วของดาวฤกษ์ และความเร่งเข้าสู่จุดศูนย์กลางสามารถอธิบายได้โดยการใช้มวลของกาแล็กซีที่ตาเห็น และกฎแรงโน้มถ่วงตามทฤษฎี MOND โดยไม่จำเป็นต้องตั้งสมมติฐานว่าเอกภพมีสสารมืด
แต่ Julio Navarro แห่งมหาวิทยาลัย Victoria ในแคนาดาคิดว่า ข้อมูลที่ McGaugh วัดได้นั้น กลับสนับสนุนว่า เอกภพมีสสารมืด เพราะในกาแล็กซีขนาดเล็กที่ดาวฤกษ์มีความเร็วน้อย และความเร่งของดาวต่ำ แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากสสารมืดจะมีค่าน้อย ดังนั้นการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์จึงขึ้นกับสสารธรรมดาที่ตาเห็น แต่ในกาแล็กซีขนาดใหญ่ที่มีสสารมืดในปริมาณมาก แรงโน้มถ่วงจากสสารมืดจะโดดเด่น ทำให้สามารถใช้กฎของ Newton ได้ต่อไป โดยไม่ต้องเปลี่ยนไปใช้ MOND
ข้อโต้แย้งนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ฉบับเดือนกุมภาพันธ์ปีนี้ และชี้นำให้วงการดาราศาสตร์ปฏิเสธทฤษฎี MOND โดยให้เหตุผลง่า ทฤษฎี MOND อธิบายธรรมชาติของรังสีไมโครเวฟภูมิหลังไม่ได้ อธิบายการขยายตัวแบบมีความเร่งของเอกภพก็ไม่ได้ ฯลฯ ในขณะที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ซึ่งมีสสารมืด และพลังงานมืดเป็นองค์ประกอบสามารถอธิบายความเร่งของเอกภพได้ อีกทั้งอธิบายสเปกตรัมของรังสีไมโครเวฟภูมิหลังก็ได้ รวมถึงการอุบัติของคลื่นโน้มถ่วงก็ได้ด้วย
ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่า ณ วันนี้ ทฤษฎี MOND จะไม่มีใครเชื่อ และทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein จะเป็นทฤษฎีหลักที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการศึกษาเอกภพต่อไป
เพราะทฤษฎีนี้อธิบายการกระจายตัวของกาแล็กซีในอวกาศได้ อธิบายความเร็วของกาแล็กซีในการถอยหนีจากโลกว่าขึ้นกับระยะทางที่อยู่ห่างจากโลกอย่างไร เอกภพถือกำเนิดได้อย่างไร (จากการระเบิด Big Bang) และแสงจากกาแล็กซีเวลาเดินทางถึงโลก ความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้น คือ แดงขึ้น (เรียก redshift) ครั้นเมื่อนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปร่วมกับทฤษฎี Standard Model ของอนุภาคมูลฐาน เขาก็สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ในเอกภพได้มากมาย (แต่ยังไม่หมดทุกกรณี) จนทำให้เรารู้ว่า โครงสร้างเชิงเรขาคณิตของเอกภพในภาพรวม เป็นแบบ Euclid คือแบนราบโดยที่พลังงานทั้งหมดของเอกภพมีค่าเท่ากับ 0 (พลังงานจลน์มีค่าบวก แต่พลังงานศักย์มีค่าลบ)
แม้ว่าโครงสร้างใหญ่ของเอกภพจะมีรูปแบบ “ง่าย” แต่ถ้าพิจารณาในรายละเอียด กลับมีความหลากหลาย เพราะนอกจากจะประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน และฮีเลียมเป็นส่วนใหญ่แล้ว เอกภพยังมีสสารมืด และพลังงานมืดด้วย
สำหรับประเด็นการถือกำเนิดของเอกภพนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไประบุว่า เอกภพอุบัติจากการระเบิดของจุดที่มีพลังงานสูงมาก และขยายตัวอย่างรวดเร็ว ยิ่งกว่าความเร็วแสง อนึ่งการขยายตัวนี้ได้ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะรังสีภูมิหลัง
หลังจากที่เวลาผ่านไปประมาณ 380,000 ปี สสาร เช่น อิเล็กตรอน และโปรตอนที่เกิดจากรังสีก็จะรวมตัวกันเป็นอะตอมของโฮโดรเจน
ครั้นเมื่อนักดาราศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์ทั้งบนโลกและในอวกาศวัดอุณหภูมิของรังสีภูมิหลัง รวมถึงระนาบความแปรปรวนของรังสี ความหนาแน่นของอะตอมในแก๊สอวกาศ และค่าคงตัว Hubble ที่บอกอัตราการขยายตัวของเอกภพ เขาก็รู้ว่า เอกภพมีอายุประมาณ 13,870 ล้านปี มีสสารที่ตาเห็นในปริมาณ 4.9% มี neutrino 3 ชนิดในปริมาณ 0.1% มี photon (อนุภาคแสง) 0.01% มีหลุมดำ 0.005% มีสสารมืดที่ตามองไม่เห็น 26.8% และมีพลังงานมืดประมาณ 68.3% นี่เป็นพลังงานในการขับเคลื่อนการขยายตัวด้วยความเร่งของเอกภพ
การรู้ตัวเลขเช่นนี้ทำให้เราตระหนักได้ว่าจากสสารที่ตาเห็นมวล 1 กิโลกรัมจะมีสสารมืด 5 กิโลกรัม
แต่หลังจากที่เวลา 40 ปีผ่านไป ก็ยังไม่มีใครรู้ว่า ธรรมชาติที่แท้จริงของสสารมืดเป็นเช่นไร เมื่อไม่มีใครใดรู้อะไรเกี่ยวกับเรื่องนี้
ดังนั้นจึงมีการศึกษาความเป็นไปได้ทุกรูปแบบ เช่นว่า มันคืออนุภาค MACHO (massive astrophysical compact halo object) หรืออนุภาค axion หรืออนุภาค sterile neutrino หรืออนุภาค gravitino ที่มีสมบัติต่างๆ กัน
วันเวลาที่ผ่านไปได้ทำให้อนุภาคสมมติเหล่านี้หลายอนุภาคหมดความน่าเชื่อถือ เช่น ไม่เชื่อว่า เอกภพมี MACHO แต่ WIMP ยังเป็นอนุภาคที่ทำให้เกิดสสารมืดต่อไป ว่าเป็นอนุภาคที่มีมวล ไม่มีประจุใดๆ จึงสนองตอบต่อแรงโน้มถ่วง แต่ไม่มีอันตรกริยากับแสง และอนุภาคนี้เกิดจากการขยายข้อจำกัดของทฤษฎี supersymmetry ที่แสดงให้เห็นการมีสมบัติสมมาตรของอนุภาค boson เช่น photon และอนุภาค Higgs กับอนุภาค fermion เช่น โปรตอนกับอิเล็กตรอน จะทำให้อนุภาคต่างๆ ที่มีในธรรมชาติมี partner เช่น electron มี selectron เป็น partner ที่มีมวลแตกต่างกัน แต่มีสมบัติอื่นๆ เหมือนกัน
ถ้า WIMP มีจริง การอธิบายสมบัติของสสารมืดก็เป็นเรื่องง่าย เพราะ WIMP จะมีมวลประมาณ 1 ใน 1012 electronvolt ที่ทำให้มันเป็นอนุภาค supersymmetric ที่มีมวลน้อยที่สุด โดยมีมวลประมาณ 8 เท่าของอนุภาค Higgs และยังเป็นปฎิอนุภาคของตัวมันเอง นั่นหมายความว่า ถ้าอนุภาค supersymmetric 2 อนุภาคปะทะกัน ทั้งสองอนุภาคจะสลายตัวเป็นรังสีแกมมา ที่จะทำให้เราสังเกตเห็นได้
แต่อนุภาค supersymmetric ก็ใช่ว่าจะอุบัติง่าย นักฟิสิกส์ที่ CERN ยังกำลังค้นหา WIMP อย่างรีบเร่งโดยใช้เครื่องเร่ง LHC โดยระดมยิง proton เข้าหากัน เพื่อสร้างธรรมชาติยุค Big Bang
คำถามที่เป็นปริศนาใหญ่เกี่ยวกับสสารมืดและพลังงานมืดจึงมีดังต่อไปนี้
1. สสารมืดมีอนุภาคหรือไม่ ถ้าสสารมืดมีอนุภาคเหมือนสสารที่ตาเห็น แบบจำลองของเอกภพที่มีสสารมืดเป็นองค์ประกอบหนึ่งก็จะทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของเอกภพดียิ่งขึ้น และอนุภาคชนิดหนึ่งที่ใครๆ หลายคนคิดว่าน่าจะเป็นสสารมืด คือ อนุภาค WIMP ซึ่งมาจากคำเต็มว่า Weakly Interacting Massive Particle และเป็นอนุภาคมวลมาก ที่มีอันตรกริยากับอนุภาคชนิดอื่นค่อนข้างน้อย แต่นักวิทยาศาสตร์อีกหลายคนก็เชื่อว่า สสารมืดอาจจะเป็นอนุภาค AXION หรือ very heavy Planckian interacting massive particle ซึ่งมีคุณสมบัติที่ไม่เหมือนอนุภาคใดๆ ที่นักวิทยาศาสตร์รู้จัก
ดังนั้น นักฟิสิกส์ที่ CERN จึงกำลังใช้เครื่องเร่งอนุภาค Large Hadron Collider (LHC) ค้นหาทั้ง WIMP, Axion และอนุภาค Planckian แต่ยังไม่พบ
2. อันตรกริยาระหว่างสสารมืดกับสสารทั่วไปมีธรรมชาติเช่นไร เป็นอันตรกริยาโน้มถ่วง หรืออันตรกริยาไฟฟ้าหรือแบบใด ยิ่งเมื่อไม่มีใครรู้ว่า สสารมืดเป็นอนุภาค หรือเป็นสนามกันแน่ การค้นหาก็ยิ่งยากเป็นทวีคูณ
ในปี 2015 นักดาราศาสตร์ได้เห็นกาแล็กซี 4 กาแล็กซีที่กำลังเคลื่อนที่เข้าชนกัน โดยมีสสารมืดปริมาณมากล้อมรอบกาแล็กซีทั้ง 4 นี้ และได้พบว่ามีสสารมืดส่วนหนึ่งที่มิได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับกาแล็กซี
นั่นแสดงว่า สสารมืดส่วนนั้นกำลังประสบแรงเสียดทานที่ทำให้มันเคลื่อนที่ช้าลง นั่นคือ สสารมืดด้วยกันมีอันตรกริยากัน
ขณะนี้นักฟิสิกส์ที่แคนาดากำลังทำการทดลองชื่อ PICO ในเหมืองใต้ดินที่อยู่ลึกที่สุดในโลกถึงสองกิโลเมตร โดยใช้อุปกรณ์ตรวจจับเป็นของเหลว chlorofluorocarbon (C3 F8) มวล 52กิโลกรัม เพื่อรับสัญญาณเวลาสสารมืดทำปฏิกิริยากับสสารธรรมดา
3. คำถามที่น่าสนใจต่อไปคือ ค่าคงตัวจักรวาลที่ Einstein สมมติขึ้นมานั้นสามารถอธิบายพลังงานมืดได้อย่างสมบูรณ์หรือไม่
เพราะ Einstein ได้ตั้งสมมติฐานว่า เอกภพมีค่าคงตัวเพื่อแสดงให้เห็นว่า ธรรมชาติมีแรงลึกลับอีกแรงหนึ่งที่เป็นแรงผลักโน้มถ่วงซึ่งต่อต้านแรงดึงดูดโน้มถ่วงของ Newton การรู้ความเร็วของ supernova ที่บริเวณขอบของเอกภพจะทำให้รู้ค่าคงตัวนี้ แต่ค่าคงตัวที่วัดได้กลับมีค่าน้อยกว่าคงตัว ที่ทฤษฎีทำนายไว้ถึง 10120 เท่า ทางออกหนึ่งของปัญหานี้ คือ การสมมติว่าเอกภพมีสนามสเกลาร์ quintessence ที่อยู่ทั่วทั้งเอกภพ อันเป็นต้นเหตุให้เอกภพขยายตัวแบบมีความเร่ง
ในการวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพว่าขึ้นกับเวลาหรือไม่เพียงใดนั้น ถ้าพบว่าเพิ่มนั้น แสดงว่า เอกภพมีสนามสเกลาร์ quintessence จริง ข้อมูลที่วัดได้ในปัจจุบันชี้ไปในแนวสนับสนุนเรื่องนี้
4. อะไรจะเกิดกับเอกภพในที่สุด
ถ้านักดาราศาสตร์อธิบายที่มาของพลังงานมืดได้ ทุกคนก็จะตอบได้ว่า ชะตาของเอกภพจะเป็นเช่นไร
ในกรณีที่เอกภพมีค่าคงตัวของจักรวาล กาแล็กซีจะเคลื่อนที่แยกจากกัน จนไม่เห็นกันและกัน แต่ในกรณีที่มีสนาม quintessence การขยายตัวจะเร็วขึ้นๆ จนกระทั่งดาว เดือน และอะตอมแตกกระจาย คือดับขันธ์ไป นั่นคือ จุดจบของเอกภพที่ไม่เหลือเป็นชิ้นเป็นอันให้เห็นอะไรเลย
ในอีก 4 ปี องค์การอวกาศแห่งยุโรป (European Space Agency ESA) ก็จะส่งยาน Euclid ขึ้นอวกาศ ด้าน NASA ก็จะส่งยาน Wide Field Infrared ขึ้นอวกาศเช่นกัน เพื่อวิเคราะห์ดูวิวัฒนาการของเอกภพ และศึกษาธรรมชาติของพลังงานมืด
อ่านเพิ่มเติมจาก The Dark Matter Problem โดย Robert H. Sanders จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 2010
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
