ศึกษาสสารมืด สสารลึกลับที่สุดในจักรวาล

บางทีคำถามที่ใหญ่ที่สุดในดาราศาสตร์ในขณะนี้ก็คือคำถามที่ฟังดูง่าย: จักรวาลประกอบด้วยอะไร เรารู้เกี่ยวกับโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน และเรารู้ว่าอนุภาคเหล่านี้รวมกันเพื่อสร้างจักรวาลที่เราสังเกต: ดวงดาว ดาวเคราะห์ ดาวหาง และหลุมดำ

แต่ทั้งหมดนี้เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของสิ่งที่มีอยู่เท่านั้น สสารธรรมดา หรือที่นักดาราศาสตร์เรียกว่าสสารแบริโอนิก ถือเป็นสสารส่วนน้อยเมื่อคุณมองจักรวาลของเราโดยรวม ความจริงแล้วจักรวาลถูกครอบงำด้วยสสารมืดและพลังงานมืด ซึ่งเป็นสองสิ่งลึกลับที่เราไม่เคยตรวจพบโดยตรง

เพื่อตรวจสอบปริศนาที่แปลกประหลาดที่สุดนี้ European Space Agency (ESA) กำลังสร้างพื้นที่ Euclid กล้องโทรทรรศน์ซึ่งเป็นโครงการล้ำสมัยในการสำรวจทั้งสสารมืดและพลังงานมืดที่จะเปิดตัว ในปี 2565

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีสร้างเครื่องมือเพื่อค้นหาสิ่งที่มองไม่เห็น เราได้พูดคุยกับ René Laureijs นักวิทยาศาสตร์โครงการของ Euclid

เห็นผลเพียงเท่านั้น

ทั้งสสารมืดและพลังงานมืดเป็นสิ่งก่อสร้างทางทฤษฎี เนื่องจากเรามีเหตุผลที่ดีที่จะเชื่อว่ามีอยู่จริง แม้ว่าจะไม่เคยตรวจพบโดยตรงก็ตาม แต่เรารู้ว่าพวกมันต้องอยู่ที่นั่นเพราะเราเห็นผลกระทบที่มีต่อจักรวาล

“สสารมืดคือสิ่งที่คุณเห็นเพียงผลกระทบของมัน” Laureijs อธิบาย “คุณเห็นบางสิ่งเคลื่อนไหว หรือสิ่งต่าง ๆ ดึงดูดกัน และคุณไม่รู้ว่าอะไรเป็นสาเหตุ เราเห็นในทางดาราศาสตร์ด้วยว่าสิ่งต่างๆ ถูกดึงดูดหรือสิ่งต่างๆ กำลังเคลื่อนที่ และเมื่อพิจารณาดูว่ามีอะไรเกิดขึ้นบ้าง เราไม่สามารถอธิบายการเคลื่อนไหวเหล่านี้ได้จากการมีอยู่ของสสารธรรมดา"

แรงดึงดูดนี้จะสังเกตเห็นได้เฉพาะในสเกลขนาดใหญ่มากเท่านั้น เมื่อมองดูวัตถุที่มีขนาดเท่ากาแลคซี ในตอนแรก นักดาราศาสตร์คิดว่าอาจมีบางอย่างผิดปกติกับคำอธิบายแรงโน้มถ่วงของพวกเขา และนั่นคือเหตุผลว่าทำไมมันจึงดูแตกต่างไปจากระดับทางดาราศาสตร์ แต่ตอนนี้พวกเขาส่วนใหญ่เชื่อว่ามันเป็นอนุภาคที่ทำให้เกิดผลกระทบเหล่านี้ แม้ว่าการตรวจจับตัวอนุภาคเองก็เป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่อง “เราไม่เคยเห็นมันมาก่อน แต่เราเห็นหลักฐานทางอ้อมสำหรับบางสิ่งที่มีพฤติกรรมคล้ายสสารแต่ไม่สามารถมองเห็นได้ และนั่นคือสิ่งที่เราเรียกว่าสสารมืด” Laureijs กล่าว

แล้วก็มีพลังงานมืด มันคล้ายกับสสารมืดตรงที่เป็นโครงสร้างที่ใช้อธิบายการสังเกตที่ไม่คาดคิดเกี่ยวกับจักรวาล แต่มันแตกต่างอย่างมากตรงที่นักดาราศาสตร์คิดว่ามันอาจเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งแทนที่จะเป็นอนุภาค ใช้เพื่ออธิบายการขยายตัวของจักรวาล เรารู้ว่าจักรวาลกำลังขยายตัว แต่การสำรวจในช่วงทศวรรษ 1990 จากเครื่องมือใหม่ๆ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ทำให้นักดาราศาสตร์ตกใจเมื่อแสดงให้เห็นว่าอัตราการขยายตัวกำลังเร่งขึ้น

“มันเป็นผลกระทบที่ละเอียดอ่อนมาก แต่ด้วยการวัดระยะทางไปยังกาแลคซีไกลโพ้นอย่างแม่นยำ ผู้คนจึงมี ค้นพบเมื่อ 20 ปีที่แล้วว่าจักรวาลไม่เพียงแต่ขยายตัวเท่านั้น แต่ยังขยายตัวอย่างรวดเร็วอีกด้วย” เลาเรจส์ อธิบาย “นั่นหมายความว่ามีพลังงานพิเศษผลักกาแลคซีออกไป และปรากฎว่าความเร่งนี้เริ่มต้นเมื่อครึ่งอายุของจักรวาล ประมาณ 6 พันล้านปีก่อน นั่นเป็นปริศนาจริงๆ ว่าทำไมถึงเป็นเช่นนั้น จึงมีแรงพิเศษที่ต้านแรงโน้มถ่วง ผลักกาแลคซีทั้งหมดออกไปด้วยความเร่ง และนั่นคือสิ่งที่เราเรียกว่าพลังงานมืด”

สิ่งที่น่าทึ่งจริงๆ เกี่ยวกับสสารมืดและพลังงานมืดก็คือความแพร่หลายของพวกมัน เมื่อพิจารณาองค์ประกอบพลังงานทั้งหมดของจักรวาล ประมาณการปัจจุบัน แสดงให้เห็นว่าประมาณ 68% ของจักรวาลเป็นพลังงานมืด ในขณะที่ 27% เป็นสสารมืด สสารปกติทั้งหมดที่เราเห็นรอบตัวเรา – ดาวทุกดวง, ทุกดาวเคราะห์, ทุกโมเลกุลของก๊าซ – รวมกันได้เพียง 5% ของทั้งหมดที่มีอยู่

จึงมี 95% ของจักรวาลที่เราแทบจะไม่เข้าใจเลย “นี่เป็นปริศนาที่ใหญ่ที่สุดที่เรามีในขณะนี้ในด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์” Laureijs กล่าว “ในฐานะนักดาราศาสตร์ เป็นเรื่องดีจริงๆ ที่ได้อยู่ในช่วงเวลานี้และแก้ไขปัญหานี้”

วิธีล่าสิ่งที่มองไม่เห็น

วิธีการดั้งเดิมในการค้นหาพลังงานมืดคือการวัดการขยายตัวของเอกภพโดยการสังเกตซุปเปอร์โนวา หากซุปเปอร์โนวาระเบิดในกาแลคซีอันห่างไกล เราสามารถติดตามพลังงานที่มันปล่อยออกมาเพื่อประเมินว่ามันอยู่ไกลแค่ไหน แต่ก็มี ข้อจำกัดของแนวทางนี้. ดังนั้นในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา จึงมีแนวคิดใหม่สองวิธีในการวัดการขยายตัวของเอกภพ และ Euclid จะใช้ทั้งสองวิธี

วิธีแรกคือการดูการกระจายตัวของกาแลคซีทั่วจักรวาล นักดาราศาสตร์มองระยะทางไปยังกาแลคซีและสังเกตการเคลื่อนตัวของสีแดง (ระดับแสงจากกาแลคซีนั้น) ถูกเลื่อนไปที่ปลายสีแดงของสเปกตรัม) และจากนี้พวกเขาสามารถหาได้ว่ากาแลคซีเคลื่อนตัวออกเร็วแค่ไหน เรา.

วิธีที่สองคือการสังเกต การกระจายตัวของสสารมืด. เรารู้ว่าการกระจายตัวของสสารธรรมดาเป็นไปตามการกระจายตัวของสสารมืด และมีสสารมืดมากกว่าสสารธรรมดาข้างนอกนั้นมาก ผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของสสารมืดสามารถเห็นได้ด้วยเทคนิคที่เรียกว่าเลนส์โน้มถ่วง ซึ่งมวลของสสารมืดจะทำให้แสงรอบๆ สสารมืดโค้งงอ

นี่คือสาเหตุที่ Euclid ค้นหาทั้งสสารมืดและพลังงานมืด เพราะการเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งหนึ่งสามารถสอนเราเกี่ยวกับอีกสิ่งหนึ่งได้เช่นกัน

ระดับความแม่นยำที่เหลือเชื่อ

ในการรวบรวมข้อมูลประเภทต่างๆ ที่จำเป็นในการศึกษาพลังงานมืดและสสารมืด เครื่องมือเหล่านี้มีแนวคิดที่ค่อนข้างเรียบง่าย Euclid มีเครื่องมือหลักสองอย่าง: กล้องอินฟราเรด/สเปกโตรมิเตอร์ และกล้องแสงขนาดยักษ์

อุปกรณ์อินฟราเรดมีฟิลเตอร์และปริซึมตะแกรงหลายแบบที่ช่วยให้สามารถวัดการเคลื่อนตัวไปทางสีแดงของกาแลคซีไกลโพ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพวกมันเคลื่อนตัวออกห่างจากเรามากแค่ไหน กล้องออพติคัลเป็นภาพโมเสคที่มีเซ็นเซอร์ 36 ตัวที่ให้ความละเอียดรวมกว่า 600 ล้านพิกเซล ซึ่งส่งผลให้ได้ภาพที่คมชัดอย่างยิ่ง เหมือนกับกล้องดิจิตอลในเวอร์ชันที่มีความแม่นยำมากกว่ามาก แล้วก็มีกล้องโทรทรรศน์ที่มีกระจกยาว 1.2 เมตร

ความท้าทายในการสร้างฮาร์ดแวร์คือต้องมีความแม่นยำในระดับสูงอย่างไม่น่าเชื่อ ความบิดเบือนที่นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาเนื่องจากการมีอยู่ของสสารมืดและพลังงานมืดนั้นมีน้อยมาก ว่าเครื่องมือจะต้องมีความไวอย่างไม่น่าเชื่อ สามารถรับค่าที่ผันผวนน้อยที่สุดได้ แต่นั่นหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของกล้องโทรทรรศน์สามารถบิดเบือนข้อมูลได้อย่างมาก แม้แต่สิ่งเล็กๆ น้อยๆ เช่นการเปิดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ภายในดาวเทียมก็จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนในการอ่านค่า

“กล้องโทรทรรศน์ถูกสร้างขึ้นในลักษณะที่มีความเสถียรอย่างยิ่งและให้ภาพที่คมชัดมาก” เลาเรจส์กล่าว “และมีขอบเขตการมองเห็นที่กว้างมาก หากคุณรวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน – มั่นคง คมชัด และมีขอบเขตการมองเห็นกว้าง – คุณจะได้รับการออกแบบที่เป็นไปไม่ได้! ดังนั้นมันจึงยากมาก”

วิธีหนึ่งที่ทีมจะแก้ไขปัญหาการออกแบบนี้คือการวางกล้องโทรทรรศน์ไว้ในอวกาศ ซึ่งมันจะไปอยู่ในที่ที่ไกลกว่านั้นมาก สภาพแวดล้อมที่มั่นคงและสามารถจับภาพได้คมชัดกว่าภาพที่คมชัดที่สุดที่สามารถบันทึกได้สี่ถึงห้าเท่า โลก. แต่ยังคงมีปัญหาเรื่องแสงแดดอยู่ เนื่องจากการปรับดาวเทียมให้สัมพันธ์กับดวงอาทิตย์จะทำให้ปริมาณความร้อนที่ได้รับเปลี่ยนไป แม้แต่การเปลี่ยนแปลงพลังงานเพียงไม่กี่มิลลิวัตต์ก็เพียงพอแล้วที่เครื่องมือจะตรวจจับได้

ปัญหาใหญ่ที่สุดที่นักออกแบบกล้องโทรทรรศน์ต้องเผชิญคือการขยายตัว เมื่อวัสดุได้รับความร้อน พวกมันจะขยายตัว และแม้แต่อุณหภูมิที่ผันผวนเล็กน้อยก็อาจทำให้บางส่วนของกล้องโทรทรรศน์บวมและทำให้ข้อมูลบิดเบือนได้

ด้วยเหตุนี้ ส่วนประกอบ Euclid ส่วนใหญ่จึงถูกสร้างขึ้นจากวัสดุที่โดดเด่นที่เรียกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์ เซรามิกนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำมาก ซึ่งหมายความว่าจะขยายตัวได้น้อยมากเมื่อได้รับความร้อน และเนื่องจากมีการใช้ทั่วทั้งเครื่องดนตรี ถ้ามันขยายตัว ก็จะขยายออกไปในลักษณะที่เท่ากัน แม้แต่กรอบของเซนเซอร์ก็ยังทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์ เช่นเดียวกับกระจกหลักของกล้องโทรทรรศน์ กระจกได้รับการขัดเงาอย่างดีถึงระดับความคลาดเคลื่อนไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้เวลาเกือบหนึ่งปี

การดูแลทั้งหมดนี้หมายความว่าดาวเทียมมีความเสถียรอย่างยิ่ง และจะสามารถจับภาพที่คมชัดและแม่นยำได้

มอบบางสิ่งให้กับมนุษยชาติ

แม้ว่าการศึกษาสสารมืดและพลังงานมืดจะมีความสำคัญต่อฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเป็นส่วนใหญ่ แต่การล่าก็อาจมีผลกระทบในทางปฏิบัติเช่นกัน ประการแรก ฮาร์ดแวร์ที่ออกแบบมาสำหรับโครงการเช่น Euclid และเทคนิคการวัดที่พัฒนาขึ้นสามารถนำไปใช้ในสาขาต่างๆ ทั้งหมดได้ ประการที่สอง มีข้อมูลมากมายที่ Euclid จะรวบรวม

“ด้วยข้อมูลของเรา เราไม่เพียงแต่วัดพลังงานมืดและสสารมืดเท่านั้น แต่เราถ่ายภาพทุกสิ่งที่เราเห็นบนท้องฟ้าในช่วงความยาวคลื่นเหล่านั้น” เลาเรจส์กล่าว “มีดาราศาสตร์มากกว่านี้มาก และนั่นก็เป็นส่วนที่น่าตื่นเต้นเช่นกัน เพราะเรานำเสนอบางสิ่งแก่มนุษยชาติ แก่นักดาราศาสตร์ที่ยังใหม่มาก แปดปีต่อจากนี้ คุณสามารถไปที่เว็บไซต์ของ ESA และไปยังตำแหน่งใดก็ได้บนท้องฟ้าและดูว่ามันมีลักษณะอย่างไร ด้วยความละเอียดมหาศาล ไปจนถึงระดับความลึก 10 ล้านปีก่อน”

อย่างไรก็ตาม โดยพื้นฐานแล้ว การค้นหาสสารมืดและพลังงานมืดนั้นเกี่ยวกับการทำความเข้าใจว่าจักรวาลของเราทำงานบนปัจจัยพื้นฐานที่สุดอย่างไร และตอบคำถามที่น่างงงวยที่สุดในขณะนี้ว่า “สิ่งที่เราเห็นรอบตัวเรานั้นมีเพียง 5% ของสิ่งที่มีอยู่ในจักรวาลของเราเท่านั้น อีก 95% เป็นสสารมืดและพลังงานมืด ซึ่งเป็นสิ่งที่เราอธิบายได้ยาก” เลาเรจส์กล่าว “สำหรับฉัน นี่คือเหตุผลพื้นฐานที่เราทำ Euclid”

เป็นคำถามแปลกและไม่อาจอธิบายได้ว่าจักรวาลประกอบด้วยอะไร ซึ่งผลักดันนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และนักดาราศาสตร์ที่ทำงานเกี่ยวกับสสารมืด เพราะสิ่งที่เราเห็นรอบตัวเราเป็นเพียงการขีดข่วนพื้นผิวของสิ่งที่มีอยู่ในสิ่งที่ไม่รู้จักเท่านั้น