สมมุติฐานหลุมดำดึกดำบรรพ์ไขปริศนาสสารมืด

 สถาบันคัฟลี่เพื่อฟิสิกส์และคณิตศาสตร์แห่งเอกภพ(Kavli IPMU) เป็นแหล่งของโครงการสหวิชาการมากมายที่เก็บเกี่ยวความเชี่ยวชาญจากความร่วมมือของผู้เชี่ยวชาญศาสตร์หลายๆ แขนงในสถาบันเอง โครงการหนึ่งในลักษณะนั้นก็คือการศึกษาหลุมดำที่อาจจะก่อตัวในเอกภพยุคต้น ก่อนที่ดาวฤกษ์และกาแลคซีจะก่อตัวขึ้น

ภาพจากศิลปินแสดงเอกภพทารกจำนวนมาก ที่เกิดขึ้นในช่วงต้นของเอกภพ ตามสมมุติฐานใหม่ เมื่อมองจากภายนอกผู้สังเกตการณ์จะไม่ทราบรายละเอียดภายในเอกภพแต่ละแห่งเลย จนดูเสมือนเป็นขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำดึกดำบรรพ์

     หลุมดำดึกดำบรรพ์(primordial black holes; PBHs) ลักษณะนี้อาจจะเป็นส่วนหนึ่งหรือทั้งหมดของสสารมืด โดยส่งผลให้เกิดสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่สำรวจพบบางส่วน และเป็นเมล็ดพันธุ์ของหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes; SMBHs) ที่พบในใจกลางกาแลคซีของเราและกาแลคซีอื่นๆ พวกมันอาจจะแสดงบทบาทในการสังเคราะห์ธาตุหนัก เมื่อพวกมันชนกับดาวนิวตรอนและทำลายดาวไป ปลดปล่อยมวลสารที่อุดมด้วยนิวตรอนออกสู่อวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความเป็นไปได้อย่างน่าตื่นเต้นว่าสสารมืดปริศนาแบบนี้ซึ่งเป็นองค์ประกอบเกือบทั้งหมดของสสารที่พบในเอกภพ ประกอบด้วยหลุมดำดึกดำบรรพ์ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2020 แด่นักทฤษฎี Roger Penrose และนักดาราศาสตร์อีกสองคนคือ Reinhard Genzel และ Andrea Ghez สำหรับการค้นพบที่ยืนยันการมีอยู่ของหลุมดำ เมื่อทราบแน่ชัดว่ามีหลุมดำอยู่จริงในธรรมชาติ พวกมันก็น่าจะเป็นตัวเลือกว่าที่สสารมืดที่น่าดึงดูดใจอย่างมากด้วย

      หลุมดำดึกดำบรรพ์นี้มีหลายสิ่งที่คล้ายกับหลุมดำขนาดเล็กที่ก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์ยุบตัวลง ยกตัวอย่างเช่น พวกมันทั้งมีสสารกระจุกตัวอย่างรุนแรงซึ่งดึงกาลอวกาศรอบๆ ให้มีภาวะเอกฐาน(singularity) ภาวะเอกฐานนั้นเป็นจุดที่ฟิสิกส์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งบิดผืนกาลอวกาศ มาอยู่ใกล้กับกลศาสตร์ควอนตัม แต่น่าเสียดายที่ทฤษฎีหลักทั้งสองขัดแย้งกันในรายละเอียดความเป็นจริง ดังนั้นจึงไม่มีใครแน่ใจได้ว่าจริงๆ แล้วภาวะเอกฐานคืออะไร

     ความคืบหน้าล่าสุดในทฤษฎีพื้นฐาน, ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ และการสำรวจทางดาราศาสตร์เพื่อสำรรวจหา PBHs ซึ่งทำโดยทีมนานาชาติที่ประกอบด้วยนักฟิสิกส์อนุภาค, นักเอกภพวิทยา และนักดาราศาสตร์ ซึ่งรวมถึงสมาชิกที่มาจาก Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada และ Volodymyr Takhistov เพื่อที่จะเรียนรู้ให้มากขึ้นเกี่ยวกับหลุมดำดึกดำบรรพ์ ทีมวิจัยได้มองไปที่เอกภพยุคต้นเพื่อหาเงื่อนงำ เอกภพยุคต้นนั้นหนาทึบมากจนความปั่นป่วนในความหนาแน่นเชิงบวก(positive density fluctuation) ที่มีมากกว่า 50% น่าจะสร้างหลุมดำขึ้นมาได้ อย่างไรก็ตาม ความปั่นป่วนแบบนี้ที่เป็นเมล็ดพันธุ์ให้กาแลคซีก่อตัวขึ้นนั้นมีขนาดเล็กกว่านี้อย่างมาก แต่กระนั้น ก็มีกระบวนการจำนวนหนึ่งในเอกภพยุคต้นที่สามารถสร้างสภาวะที่เหมาะสมต่อการก่อตัวหลุมดำได้

     ความเป็นไปได้ที่น่าตื่นเต้นอย่างหนึ่งก็คือ หลุมดำดึกดำบรรพ์นั้นน่าจะก่อตัวขึ้นจาก “เอกภพทารก”(baby universes) ซึ่งเกิดขึ้นในระหว่างการพองตัว(inflation) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่เชื่อว่าเอกภพมีการขยายตัวอย่างรวดเร็ว จนเป็นเมล็ดพันธุ์ให้โครงสร้างที่เราสำรวจพบในปัจจุบันเช่น กาแลคซีและกระจุกกาแลคซี ในระหว่างการพองตัว เอกภพทารกสามารถแตกกิ่งก้านออกจากเอกภพของเรา เอกภพทารก(หรือลูก) ตัวน้อยนี้น่าจะยุบตัวลงในที่สุด แต่พลังงานจำนวนมหาศาลที่ปลดออกมาในปริมาตรขนาดเล็กก็ทำให้หลุมดำก่อตัวขึ้นได้

กล้องโทรทรรศน์ซูบารุในฮาวาย

     และยังมีชะตากรรมที่พิสดารกว่านี้รอคอยเอกภพทารกตัวใหญ่อยู่ ถ้ามันมีขนาดใหญ่กว่าขนาดวิกฤติ ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของ
ไอน์สไตน์อนุญาตให้เอกภพทารกนี้ดำรงอยู่ในสถานะที่มีความแตกต่างระหว่างผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ภายในและภายนอกเอกภพนี้ ผู้สังเกตการณ์ภายในจะเห็นมันเป็นเอกภพที่กำลังขยายตัว ในขณะที่ผู้สังเกตการณ์ภายนอก(อย่างเช่นเรา) จะเห็นมันเป็นหลุมดำ แต่ไม่ว่าในกรณีใด เอกภพทารกทั้งเล็กและใหญ่ที่เราได้เห็นก็จะเป็นหลุมดำดึกดำบรรพ์ ซึ่งปกปิดโครงสร้างพหุภพ(multiple universe/multiverse) ที่ซ่อนอยู่ไว้ภายใต้ขอบฟ้าสังเกตการณ์ ขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) เป็นรอยต่อที่ทุกๆ สิ่งไม่เว้นแม้กระทั่งแสง จะถูกดักไว้และไม่สามารถหนีออกจากหลุมดำได้

     ในรายงานใหม่นี้ ทีมได้อธิบายลำดับเหตุการณ์อันชาญฉลาดสู่การก่อตัวหลุมดำดึกดำบรรพ์และแสดงว่าหลุมดำที่มาจากลำดับเหตุการณ์พหุภพนี้ สามารถถูกพบได้โดย HSC(Hyper Suprime-Cam) บนกล้องโทรทรรศน์ซูบารุขนาด 8.2 เมตร ซึ่งเป็นกล้องดิจิตอลขนาดยักษ์ภายใต้การจัดการโดย Kavli IPMU บนยอดเมานาคีในฮาวาย งานนี้เป็นการต่อยอดจากการสำรวจหาหลุมดำดึกดำบรรพ์ของ HSC ที่ Masahiro Takada ผู้นำทีมที่ Kavili IPMU กำลังตามล่าอยู่ ทีม HSC ก็เพิ่งรายงานหลักฐานแวดล้อมการมีอยู่ของหลุมดำดึกดำบรรพ์ใน Niikura, Takada et. al.(Nature Astronomy 3, 2019)

ภาพอธิบายการสำรวจกาแลคซีอันโดรเมดาของ HSC เพื่อหาว่าที่เหตุการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงจากหลุมดำดึกดำบรรพ์

      เพราะเหตุใด HSC จึงมีความจำเป็นในงานวิจัยนี้ ก็เพราะมันมีความสามารถอันเป็นอัตลักษณ์ในการถ่ายภาพกาแลคซี
อันโดรเมดา(Andromeda) ทั้งปวงในทุกๆ ไม่กี่นาที ถ้ามีหลุมดำผ่านหน้าแนวสายตาสู่ดาวฤกษ์สักดวง แรงโน้มถ่วงของหลุมดำจะบิดเบนลำแสงและทำให้ดาวปรากฏสว่างขึ้นเป็นเวลาสั้นๆ ช่วงเวลาที่ดาวสว่างขึ้นจะบอกนักดาราศาสตร์ถึงมวลของหลุมดำ ด้วยการสำรวจจาก HSC ก็สามารถสำรวจดาวฤกษ์หนึ่งร้อยล้านดวงได้ในเวลาเดียวกัน ขึงตาข่ายขนาดใหญ่ไว้ดักหลุมดำดึกดำบรรพ์ใดๆ ที่อาจจะตัดข้ามแนวสายตาของกล้องนี้

     การสำรวจของ HSC รอบแรกได้รายงานว่าที่เหตุการณ์ที่น่าสนใจมากที่สอดคล้องกับหลุมดำดึกดำบรรพ์จากพหุภพแล้ว 1 เหตุการณ์ โดยหลุมดำมีมวลที่ใกล้เคียงกับมวลดวงจันทร์ของโลก จากสัญญาณแรกนี้และนำทางโดยความเข้าใจในทางทฤษฎี ทีมพยายามทำการสำรวจรอบใหม่เพื่อขยายการสำรวจเดิมและเพื่อทดสอบให้แน่ชัดว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์จากพหุภพนั้นสามารถเป็นตัวแทนของสสารมืดทั้งหมดได้ งานวิจัยนี้เผยแพร่ใน Physical Review Letters

แหล่งข่าว phys.org : primordial black holes and the search for dark matter from the multiverse
               sciencealert.com : physicists are still hunting primordial black holes to solve the dark matter problem