แผนที่สสารมืดฉบับล่าสุด พิสูจน์ว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์ถูกต้อง

Getty Images อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้คิดค้นทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แผนที่การกระจายตัวของสสารมืด (dark matter) ในห้วงจักรวาลฉบับใหม่ล่าสุด ซึ่งมีการสแกนท้องฟ้าเพื่อเก็บรายละเอียดได้สูงสุดเท่าที่เคยมีมา ชี้ว่า สสารมืดมีการเกาะตัวหนาแน่นเป็นกลุ่มก้อนในรูปของเส้นใยเอกภพ (cosmic web) ซึ่งมีการกระจายและจัดเรียงตัวตรงตามแบบที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ทำนายไว้

แม้ก่อนหน้านี้จะมีการสำรวจที่ชี้ว่า สสารมืดเกาะตัวกันอย่างเบาบาง และไม่สู้จะจับตัวเป็นกลุ่มก้อนเหมือนที่แนวคิดเรื่องความโน้มถ่วงของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้คาดการณ์ไว้ แต่ผลการใช้กล้องโทรทรรศน์ ACT ที่ประเทศชิลี ศึกษาร่องรอยของแสงที่หลงเหลืออยู่หลังเกิดเหตุการณ์บิ๊กแบงเพียง 380,000 ปี กลับได้ผลตรงกันข้าม และช่วยพิสูจน์ว่าทฤษฎีของไอน์สไตน์นั้นถูกต้องแล้ว

ทีมนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เผยผลการสำรวจและจัดทำแผนที่ดังกล่าวในที่ประชุมวิชาการ “วิทยาศาสตร์แห่งอนาคต” ที่สถาบันยูกาวะเพื่อการศึกษาฟิสิกส์ทฤษฎีแห่งญี่ปุ่น เมื่อวันที่ 11 เม.ย. ที่ผ่านมา และได้ยื่นเสนอรายงานวิจัยดังกล่าวเพื่อรอรับการพิจารณาลงตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal แล้ว

ดร. แมทิว มาทาวาเชอริล ผู้นำทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียของสหรัฐฯ บอกว่า “ผลการสำรวจของเราในครั้งนี้ ชี้ว่ารูปแบบการกระจายตัวของสสารมืด รวมทั้งค่าการขยายตัวด้วยอัตราเร่งของเอกภพนั้น ใกล้เคียงกับที่แบบจำลองมาตรฐานทางจักรวาลวิทยาในปัจจุบันได้ทำนายไว้ ซึ่งแบบจำลองนี้มีรากฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั่นเอง”

แบบจำลองมาตรฐานทางจักรวาลวิทยาเชื่อว่า การขยายตัวอย่างรวดเร็วของปริภูมิ-เวลา (space-time) และความผันผวนทางควอนตัมบางประการที่เกิดขึ้นหลังเหตุการณ์บิ๊กแบง ทำให้ห้วงอวกาศสามารถกักเก็บพลาสมาหรือกลุ่มก๊าซมีประจุไฟฟ้าจากยุคดึกดำบรรพ์ของจักรวาลเอาไว้ได้บางส่วน

Advertisment

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ระบุว่า ความโน้มถ่วงจะบีบอัดและทำให้ก้อนพลาสมาโบราณนี้ร้อนขึ้น จนเกิดคลื่นเสียงที่เดินทางด้วยความเร็วถึงครึ่งหนึ่งของความเร็วแสง ผลักให้สสารจากก้อนพลาสมายุคแรกเริ่มกระจายตัวออก ในรูปแบบของเส้นใยเอกภพซึ่งคล้ายกับหยากไย่หรือเส้นใยเห็ดรา

ACT COLLABORATION

ACT COLLABORATION
แผนที่สสารมืดฉบับใหม่ จุดสีส้มคืออวกาศส่วนที่มีสสารมืดหนาแน่น สีขาวและเทาคือท้องฟ้าส่วนที่ฝุ่นปิดบังการมองเห็น

เส้นใยเอกภพนี้ประกอบไปด้วยก๊าซไฮโดรเจนเป็นหลัก รวมทั้งมีสสารมืดซึ่งมีแรงโน้มถ่วงดึงดูดให้สสารชนิดต่าง ๆ เกาะตัวกันหนาแน่นเมื่อมันเย็นตัวลง จนสามารถก่อตัวเป็นดาวฤกษ์แล้วพัฒนาเป็นดาราจักรหรือกระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่ต่อไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งตรงบริเวณจุดเชื่อมต่อของแขนงเส้นใยเอกภพ

สสารมืดจัดว่าเป็นสสารชนิดหลักที่มีมากถึง 85% ของสสารทั้งหมดในจักรวาล และเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้กาแล็กซีต่าง ๆ ซึ่งหมุนเหวี่ยงตัวไปในห้วงอวกาศด้วยความเร็วสูง ยังสามารถเกาะตัวโดยคงสภาพเป็นกลุ่มก้อนอยู่ได้ แต่เราไม่อาจมองเห็นสสารมืดได้โดยตรง นอกจากจะตรวจวัดด้วยวิธีการทางฟิสิกส์แบบอื่น

Advertisment
ภาพจำลองเส้นใยเอกภพหรือคอสมิกเว็บ (cosmic web) ซึ่งดูคล้ายกับหยากไย่หรือเส้นใยเห็ดรา

MILLENNIUM SIMULATION PROJECT
ภาพจำลองเส้นใยเอกภพหรือคอสมิกเว็บ (cosmic web) ซึ่งดูคล้ายกับหยากไย่หรือเส้นใยเห็ดรา

ทีมผู้วิจัยใช้กล้องโทรทรรศน์ ACT ซึ่งตั้งอยู่บนที่ราบสูงในทะเลทรายอะตากามาของชิลี สแกนท้องฟ้าเป็นบริเวณกว้างเพื่อตรวจจับแสงจาง ๆ ที่หลงเหลืออยู่หลังเกิดเหตุการณ์บิ๊กแบง ซึ่งพบได้จากสัญญาณการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (CMB) รวมทั้งเก็บข้อมูลการกระจายตัวของสสารมืดด้วยเทคนิคเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lens)

เทคนิคนี้ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ประหลาด ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อแสงที่เดินทางมาจากห้วงอวกาศลึกอันไกลโพ้นถูกทำให้บิดเบี้ยวโค้งงอ ขณะเฉียดผ่านวัตถุมวลมากที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล อย่างเช่นหลุมดำหรือกระจุกกาแล็กซีต่าง ๆ ทำให้เกิดการขยายภาพของวัตถุอวกาศที่อยู่ห่างไกลให้มีขนาดใหญ่ขึ้น ทั้งยังดูบิดโค้งเป็นวงแหวนมากขึ้น เหมือนกับใช้เลนส์ของแว่นขยายส่องดู

กล้องโทรทรรศน์ ACT ตั้งอยู่บนที่ราบสูงในทะเลทรายอะตากามาของประเทศชิลี

DEBRA KELLNER
กล้องโทรทรรศน์ ACT ตั้งอยู่บนที่ราบสูงในทะเลทรายอะตากามาของประเทศชิลี

นักดาราศาสตร์จึงทราบตำแหน่งของสสารมืดที่มีมวลมากและสามารถทำแผนที่ของมันได้ ด้วยการสังเกตการบิดเบี้ยวโค้งงอของภาพดวงดาวหรือกาแล็กซี ซึ่งถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นด้วยปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงนั่นเอง

นอกจากนี้ การสำรวจสัญญาณไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (CMB) ครั้งใหม่ ซึ่งทำไปพร้อมกับการทำแผนที่สสารมืด ยังบ่งชี้ว่าค่าคงที่ฮับเบิลหรืออัตราการขยายตัวของเอกภพนั้น อยู่ที่ราว 68 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก ซึ่งใกล้เคียงกับค่าดั้งเดิมที่วัดได้จากการกระจายตัวของอุณหภูมิในสัญญาณ CMB มากกว่าค่าคงที่ฮับเบิลใหม่ที่เพิ่งวัดได้เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมาจากความสว่างของดาวแปรแสง ซึ่งอยู่ที่ 74 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซก

การค้นพบล่าสุดเหล่านี้ ล้วนเป็นเครื่องพิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ยังคงใช้ได้ดีกับการศึกษาด้านจักรวาลวิทยาในยุคใหม่ แต่ก็ยังมีความเป็นไปได้ด้วยว่า ผลการตรวจวัดที่ต่างออกไปจากของเดิมอย่างมากก่อนหน้านี้ อาจเป็นผลการตรวจวัดที่ถูกต้องเช่นกัน เพียงแต่วิธีการที่ใช้อาจได้รับผลกระทบจากกฎเกณฑ์ทางฟิสิกส์บางอย่างที่เรายังไม่รู้จักก็เป็นได้

หมายเหตุ : ข่าว บีบีซีไทย ที่เผยแพร่ในเว็บไซต์ประชาชาติธุรกิจ เป็นความร่วมมือของสององค์กรข่าว