สสารมืด...มวลที่หายไปของเอกภพ

 

เดือนนี้เรามาเน้นเรื่องจักรวาลและอวกาศกันบ้าง เริ่มต้นด้วยเรื่องของ "สสารมืด" เพราะช่วงนี้สสารมืดนี่เป็นอะไรที่เหมือนใกล้จะพบแล้วแต่ยังยืนยันไม่ได้ สนิทซักที

ประเมินกันว่าสสารที่เรามองเห็นนั้นมีเพียง 5% ดังนั้นมีสิ่งที่เราไม่รู้อีก 95% และคาดว่าเป็นสสารมืด 25% 

สสารมืดคืออะไร?

 

สสาร มืดคือสสารที่เรามองไม่เห็นมัน แต่มีผลกระทบต่อเอกภพ สสารมืดไม่จำเป็นต้องเป็นสิ่งเดียวกันทั้งหมด แต่ก่อนเราจัดว่า หลุมดำ ดาวแคระขาว และดาวนิวตรอน เป็นส่วนหนึ่งของสสารมืด (เราเรียกของพวกนี้ว่าวัตถุแฮโลมวลหนาแน่นสูง : MACHO) แต่มันก็ดูจะมีน้อยเกินไปเมื่อเทียบกับมวลของเอกภพที่หายไป ยังถือว่าเป็นเพียงส่วนเล็กๆเท่านั้น จึงคาดกันว่าสสารมืดน่าจะประกอบด้วยอย่างอื่นอีก และเชื่อว่าน่าจะมีอนุภาคที่เรายังไม่รู้จักเป็นสสารมืด

ทำไมถึงคิดว่ามีสสารมืดทั้งที่ไม่เคยพบเห็น?

นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่ามีพลังงานบางอย่างที่ส่งผลกระทบต่อเอกภพ เช่น โดยปกติแล้ววิถีโคจรของดาวต่างๆในดาราจักรรูปเกลียวอย่างทางช้างเผือก ดาวที่อยู่นอกสุด จะโคจรช้าอย่างดาวที่อยู่ชั้นในสุด ไม่เช่นนั้นมันจะถูกเหวียงให้หลุดออกไป แต่จากการตรวจสอบพบว่ามันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกันและมันก็ยังคง อยู่ตรงนั้น ซึ่งจะต้องหมายความว่ามีแรงลึกลับบางอย่างดึงมันเอาไว้ เพราะสสารทั้งหมดที่เรามองเห็นได้มีแรงไม่เพียงพอ

นักวิทยาศาสตร์คนแรกที่สังเกตเห็นสิ่งนี้คือ ฟริตซ์ ซวิกกี (1933) เขาคำนวณว่ากระจุกดาราจักรทั่วไปมันจะคงสภาพในแบบที่มันเป็นอยู่ได้จะต้องมี สสารมากกว่าที่เรามองเห็นอย่างน้อย 400 เท่า และเขาเป็นคนแรกที่เรียกสิ่งเหล่านั้นว่า "สสารมืด (dark matter)" ตอนนั้นใครๆก็ไม่ชอบทฤษฎีนี้ จนกระทั่งทศวรรษ 1970 มีหลักฐานหลายอย่างสนันสนุนความเป็นไปได้ของมัน และนักวิทยาศาสตร์ในยุคต่อมาก็เริ่มยอมรับว่ามันมีอยู่จริง

นักฟิสิกส์แข่งกันไล่จับวิญญาณ

ปัจจุบัน เป็นที่ยอมรับกันโดยส่วนใหญ่แล้วว่าสสารมืดนั้นมีอยู่จริงแน่นอน แต่ยังไม่มีใครพบมันจริงๆสักที ดังนั้น จึงเชื่อกันว่าสสารมืดหากไม่นับพวกวัตถุแฮโลมวลหนาแน่นสูงแล้ว มันก็น่าจะเป็นอนุภาคที่ยังไม่ได้อยู่ในแบบจำลองมาตรฐาน (Standard Model คล้ายคลึงกับการจัดตารางธาตุ แต่เป็นตารางอนุภาคมูลฐาน) แล้วเราจะหามันพบได้อย่างไร?

นัก ฟิสิกส์เชื่อว่าสิ่งที่เรียกว่าสสารมืดที่กำลังค้นหากันอยู่นั้นคือ อนุภาคที่เรียกว่า "อนุภาคมวลสูงที่ทำอันตรกิริยาแบบอ่อน (weakly interacting massive particles)" เรียกย่อว่า "WIMPs" เพราะมันส่งผลต่อแรงโน้มถ่วง และแรงนิวเคลียร์แบบอ่อน แต่ไม่มีผลกระทบต่อแรงนิวเคลียร์แบบเข้ม และแรงแม่เหล็กไฟฟ้า จึงยากมากที่เราจะตรวจพบมันได้ (นอกจากนี้ยังอาจมีในรูปแบบอื่นๆอีก) แต่หลังจากการค้นพบฮิกส์ โบซอน (อนุภาคมูลฐานที่ไขปริศนาเรื่องมวลของสสาร) ทุกคนก็แข่งกันไล่จับสสารมืด

เขาทำยังไงกันบ้าง?

จะเรียกว่าพลิกฟ้าพลิกแผ่นดินหาก็คงไม่ผิด เพราะต่างฝ่ายต่างก็งัดกลยุทธ์ต่างๆที่คิดว่าจะได้ผลเพื่อเสาะหาสิ่งที่ไม่ เคยเห็นตัวตนนี้

- ปฏิบัติการค้นหาใต้ดิน

เนื่อง จาก WIMPs ต่างจากอนุภาคอื่นตรงที่มันทะลุได้แทบทุกอย่างและจะไม่ช้าลงเมื่อผ่านชั้น หินหรือสสารธรรมดาๆ ส่วนมากจึงนิยมตั้งห้องปฏิบัติการเพื่อตรวจจับมันกันใต้ดิน เพื่อป้องกันอนุภาคอื่นๆที่ไม่ใช่สสารมืดมารบกวนให้เกิดความผิดพลาดสับสน

เช่น ที่เทือกเขากรันซัสโซของอิตาลี มีการสร้างห้องปฏิบัติการพิเศษลึกลงไปใต้ผิวดิน 1,400 เมตร เครื่องตรวจจับเป็นกล่องเหล็กทรงกลมขนาดใหญ่ที่มีน้ำล้อมรอบ ภายในบรรจุอาร์กอนเหลวและก๊าซอาร์กอน พวกเขาตั้งความหวังว่าอนุภาคของสสารมืดสักตัวหนึ่งอาจจะชนกับอะตอมของ อาร์กอน และเครื่องตรวจวัดแสงจะตรวจจับแสงวาบที่เกิดจากการชนได้ แต่การทดลองนี้ยังไม่เคยประสบผลสำเร็จ อเมริกาก็มีห้องปฏิบัติการทำนองนี้อยู่ใต้ดินหลายแห่ง ส่วนมากจะสร้างไว้ใต้เหมืองร้าง

- ปฏิบัติการค้นหาด้วยเครื่องเร่งอนุภาค

ศูนย์ วิจัยอนุภาคนานาชาติอย่างเซิร์น (CERN) ที่เพิ่งค้นพบฮิกส์โบซอนไปก็ไม่พลาดการแข่งขันในครั้งนี้อย่างแน่นอน โดยพยายามใช้วิธีเดียวกับการค้นพบฮิกส์ฯ นั่นคือการใช้เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี (LHC) เร่งโปรตอนจนมีความเร็วสูงมากๆและทำให้เกิดการชนกัน ซึ่งในการชนกันของโปรตอนจะเกิดอนุภาคอื่นๆมากมาย ส่วนมากจะเป็นอนุภาคที่เรารู้จักกันดีอยู่แล้ว แต่นานๆครั้งเราก็จะพบอนุภาคที่หายากหรือสิ่งที่เราไม่รู้จัก พวกเขาหวังว่าจะมีโอกาสพบ WIMPs แม้ว่ามันจะทำปฏิกิริยากับสสารปกติน้อยมากก็ตาม ในเรื่องนี้ดูเหมือนเซิร์นก็ยังไม่ประสบความสำเร็จ

- ปฏิบัติการค้นหาทางอากาศ

สถานี อวกาศนานาชาติ (ISS) มีการติดตั้งเครื่องมือที่เรียกว่า "เครื่องตรวจวัดอัลฟาแมกเนติกสเปกโทรมิเตอร์(AMS)" สามารถตรวจจับอนุภาคจากรังสีคอสมิกแล้ววัดพลังงานและประจุของมันได้ ผู้ที่อยู่เบื้องหลังการทดลองเกี่ยวกับเครื่องตรวจวัดนี้ได้เคยตีพิมพ์ผลการ ทดลองบางอย่างซึ่งบ่งชี้ว่าบางครั้งก็เกิดการชนกันของอนุภาคบางอย่างที่ก่อ ให้เกิดโพซิตรอนและอิเล็กตรอน และอนุภาคนั้นอาจเป็น WIMPs ซึ่งหากเป็นจริงมันก็อาจช่วยยืนยันได้ว่าสสารมืดในรูปของ WIMPs นั้นกระจายอยู่ทั่วเอกภพ แต่ทั้งนี้ยังสรุปไม่ได้ต้องมีการตรวจวัดอีกมาก

แล้วได้เจอมันบ้างหรือเปล่า?

เมื่อเดือนเมษายน 2013 ผู้ร่วมการทดลองในโครงการค้นหาสสารมืดด้วยเครื่องตรวจจับความเย็นยิ่งยวด (CDMS) ที่มินนิโซตา สหรัฐอเมริกา ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองที่บอกว่า พวกเขาเชื่อว่าได้พบและตรวจจับสสารมืดได้แล้ว โดยให้น้ำหนักผลการทดลองของตนเองถึง 98% แต่ก่อนหน้านั้น CDMS ก็เคยตีพิมพ์อะไรทำนองนี้ออกมาแล้วและปรากฏว่าเป็นข้อมูลที่ผิดพลาด ดังนั้นพวกเขาจึงยังต้องการเวลาเพื่อทำการทดลองเพิ่มขึ้นอีกสำหรับการยืนยัน ผลการทดลองดังกล่าว

นอกจากนี้ในช่วงที่ผ่านมาก็มีหลายเหตุการณ์ที่สงสัยกันว่ามันน่าจะเป็นการ ยืนยันการมีอยู่ของสสารมืดได้ แม้จะยังไม่สามารถสรุปได้ชัดเจนนัก แต่ด้วยเหตุผลหลายประการเราถือได้ว่าการค้นพบสสารมืดเข้าใกล้ความเป็นจริง มากแล้ว

หากเราพบมันแล้วจะเกิดอะไรขึ้น?

1. ถ้าเราสามารถไขปริศนาเรื่องสสารมืดได้ เราจะรู้จักเอกภพมากขึ้นถึงร้อยละ 25 ซึ่งก็ถือว่ามากกว่าที่เรารู้อยู่ตอนนี้มากเลย

2. สสารมืดจะบอกเล่าเรื่องราวเกี่ยวกับการกำเนิดจักรวาล เราสามารถบอกได้ว่าอะไรเกิดก่อนเกิดหลัง

3. เราจะมีแบบจำลองมาตรฐานของอนุภาคมูลฐานที่สมบูรณ์มากขึ้น ซึ่งน่าจะใช้เป็นเครื่องมือในการทำนายและไขความลับของจักรวาลได้มากมายทีเดียว

--------------------------------------------

อธิบายเพิ่มเติม:

- แรงโน้มถ่วง (ส่งผลต่อการหมุนของดาราจักร)
- แรงนิวเคลียร์อ่อน (มีบทบาทในการสลายตัวของกัมมันตรังสี)
- แรงนิวเคลียร์เข้ม (ยึดนิวเคลียสของอะตอมเข้าด้วยกัน)
- แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (มีผลต่อพันธะเคมีและแรงเสียดทาน)

Indepencil

photo: Maxwell Hamilton

ข้อมูลเพิ่มเติม
http://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter
http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
http://www.theguardian.com/science/2014/oct/16/dark-matter-detected-sun-axions