ตรวจสอบคุณสมบัติ "ด้านมืด" ของทางช้างเผือก

 

     เป็นที่ทราบกันดีว่าการขยายตัวของเอกภพกำลังเกิดขึ้นด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้น(มีความเร่ง) อันเนื่องมาจากพลังงานมืด ภายใน
กาแลคซี ดาวฤกษ์เองก็พบกับความเร่ง แม้ว่าจะเกิดขึ้นเนื่องจากผลของสสารมืดร่วมกับความหนาแน่นของดาวเอง ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters ขณะนี้นักวิจัยได้ทำการตรวจสอบความเร่งเฉลี่ยที่เกิดขึ้นภายในทางช้างเผือกได้โดยตรงเป็นครั้งแรก

     ทีมวิจัยที่นำโดย Sukanya Chakrabarti จากสถาบันเพื่อการศึกษาชั้นสูง พร้อมทั้งเพื่อนร่วมงานจากสถาบันเทคโนโลจีแห่งโรเชสเตอร์, มหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ และมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-มิลวอคกี้ ได้ใช้ข้อมูลพัลซาร์ 14 แห่งที่ทราบคาบการหมุนรอบตัวอย่างแม่นยำ เพื่อจับระดับความเร่งตามแนวรัศมีและแนวตั้งของดาวเหล่านี้ที่อยู่ภายในและภายนอกระนาบกาแลคซี จากการตรวจสอบที่มีความแม่นยำในระดับสูงครั้งใหม่เหล่านี้ และปริมาณสสารที่มองเห็นได้ที่ทราบแล้วในกาแลคซี นักวิจัยก็สามารถคำนวณความหนาแน่นของสสารมืดในทางช้างเผือก ได้โดยไม่ต้องใช้สมมุติฐานที่ว่ากาแลคซีกำลังอยู่ในสถานะคงตัว(steady-state)

     นักดาราศาสตร์เคยใช้การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์วิถีหลัก(main sequence stars) เพื่อคำนวณความหนาแน่นมวลเฉลี่ยในระนาบกาแลคซีตั้งแต่ปี 1932 แล้ว แต่ผลสรุปก็ยังแตกต่างขึ้นอยู่กับว่าพวกเขาใช้ดาวชนิดไหน เมื่อการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์สเปคตรัมชนิด G(G-type stars ชนิดเดียวกับดวงอาทิตย์) ให้ค่าที่ต่ำกว่าที่ได้จากดาวฤกษ์สว่างสเปคตรัม A เกือบ 10 เท่า จึงต้องมีบางสิ่งมาใช้ตัดสิน ยิ่งกว่านั้น การตรวจสอบก่อนหน้าก็พึ่งพาสมมุติฐานว่ากาแลคซีอยู่ในสมดุลในขณะที่เราก็ทราบว่าแท้ที่จริงแล้วมันมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา

     การวิเคราะห์ของเราไม่เพียงแต่ช่วยให้เราได้ตรวจสอบความเร่งอันน้อยนิดที่ดาวในกาแลคซีต้องเผชิญ แต่ยังเปิดความเป็นไปได้สู่การขยายงานศึกษานี้เพื่อให้เข้าใจธรรมชาติของสสารมืด และสุดท้ายก็พลังงานมืดในระดับที่ใหญ่ขึ้น Chakrabarti ผู้เขียนนำรายงาน ระบุในแถลงการณ์

     ดาววิ่งผ่านกาแลคซีด้วยความเร็วหลายร้อยกิโลเมตรต่อวินาที แต่การศึกษานี้บ่งชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงความเร็วของพวกมันกำลังเกิดขึ้นในระดับความเร็วของหอยทาก คือ ไม่กี่เซนติเมตรต่อวินาที ซึ่งก็พอๆ กับความเร็วในการคลานของเด็กน้อย เพื่อตรวจจับการเคลื่อนที่เล็กน้อยเช่นนั้น ทีมวิจัยพึ่งพาความสามารถในการรักษาเวลาอย่างแม่นยำสูงมากของพัลซาร์ ซึ่งกระจายอยู่ทั่วในระนาบกาแลคซีและฮาโล(halo) ซึ่งเป็นพื้นที่ทรงกลมประชากรเบาบางที่ล้อมรอบกาแลคซีไว้ Philip Chang จากวิสคอนซิน-มิลวอคกี้ กล่าวว่า ด้วยการใช้คุณสมบัติอันเป็นอัตลักษณ์ของพัลซาร์ เราก็สามารถตรวจสอบความเร่งอันน้อยนิดในกาแลคซีได้ งานของเราได้เปิดหน้าต่างบานใหม่สู่พลวัตกาแลคซี

ด้วยการตรวจสอบความเร่งของพัลซาร์ 14 แห่งได้ระบุส่วนของกาแลคซีที่ดวงอาทิตย์อยู่ เพื่อเผยให้เห็นการกระจายตัวของสสารมืดรอบระนาบกาแลคซีทางช้างเผือก

     ฮาโลหรือกลดดาว ซึ่งแผ่ออกไปราว 3 หมื่นปีแสงจากใจกลางกาแลคซี อาจจะให้เงื่อนงำสำคัญสู่ความเข้าใจสสารมืดซึ่งมีอยู่ถึง 90% ในมวลรวมกาแลคซี และกระจุกตัวหนาแน่นมากที่เหนือและใต้ระนาบกาแลคซีที่หนาแน่นด้วยดาว การเคลื่อนที่ของดาวในพื้นที่พิเศษนี้ซึ่งเป็นเป้าหมายหลักในการศึกษา ก็น่าจะได้รับผลจากสสารมืด การใช้การตรวจสอบความหนาแน่นท้องถิ่นที่ได้จากการศึกษานี้ นักวิจัยก็สามารถมีมุมมองที่ดีขึ้นว่าจะมองหาสสารมืดได้อย่างไรและที่ใด

     ขณะที่การศึกษาก่อนหน้านี้ได้สันนิษฐานสถานะสมดุลกาแลคซี เพื่อคำนวณความหนาแน่นมวลเฉลี่ย งานวิจัยนี้กลับมีพื้นฐานจากสถานะที่ไม่อยู่ในสมดุลของกาแลคซีตามธรรมชาติ ซึ่งคล้ายกับการเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่างพื้นผิวของแอ่งน้ำก่อนและหลังจากที่ขว้างก้อนหินลงไป ด้วยการตรวจสอบ “ระลอก” ทีมก็สามารถได้ภาพแห่งความเป็นจริง แม้ในกรณีนี้ แทนที่จะเป็นหิน ทางช้างเผือกได้รับอิทธิพลจากความเป็นมาที่ปั่นป่วนจากการควบรวมกาแลคซี และยังคงถูกรบกวนอย่างต่อเนื่องโดยกาแลคซีแคระที่อยู่ข้างนอกอย่างเมฆมาเจลลันใหญ่และเล็ก

     ด้วยเหตุนี้ ดาวจึงไม่ได้มีวงโคจรที่แบนราบ และดูจะมีเส้นทางที่คล้ายกับแผ่นเสียงไวนิลที่บิดงอ ผุดขึ้นและลงจากระนาบกาแลคซี หนึ่งในปัจจัยหลักที่ทำให้ความพยายามในการสำรวจโดยตรงนี้สำเร็จได้ก็คือการใช้ข้อมูลพัลซาร์ที่ประมวลจากความร่วมมือนานาชาติ ซึ่งรวมถึง NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) ซึ่งเก็บข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุกรีนแบงค์และอาเรสิโบ

     รายงานชิ้นสำคัญนี้ต่อยอดมาจากงานของ Jan H. Oort(1932); John Bahcall(1984); Kuijken & Gilmore(1989); Holmberg & Flynn(2000); Jo Bovy & Scott Tremaine(2012) เพื่อคำนวณความหนาแน่นมวลเฉลี่ยในระนาบกาแลคซี(ขีดจำกัดออร์ต) และความหนาแน่นสสารมืดท้องถิ่น นักวิชาการของสถาบันเพื่อการศึกษาชั้นสูง(IAS) ซึ่งรวมถึง Oort, Bahcall, Bovy, Tremaine และ Chakrabarti มีบทบาทสำคัญในการพัฒนางานวิจัยแขนงนี้ เป็นเวลาหลายศตวรรษที่นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบตำแหน่งและความเร็วของดาว แต่สิ่งเหล่านั้นก็เป็นเพียงชั่วคราวของพฤติกรรมพลวัตอันซับซ้อนของทางช้างเผือก Scott Tremaine ศาสตราจารย์กิตติคุณที่ IAS กล่าว ความเร่งที่ Chakrabarti และทีมของเธอได้ตรวจสอบ นั้นมีสาเหตุโดยตรงมาจากแรงโน้มถ่วงจากสสารในกาแลคซี ทั้งที่ตาเห็นได้และสสารมืด และจึงให้หน้าต่างบานใหม่ที่สำคัญต่อการกระจายและองค์ประกอบของสสารในกาแลคซีและในเอกภพ

      รายงานพิเศษนี้จะช่วยให้เกิดการศึกษาในอนาคตที่หลากหลาย การตรวจสอบความเร่งอย่างเที่ยงตรงจะสามารถทำได้ในไม่ช้าด้วยการใช้วิธีการความเร็วแนวสายตาที่ Chakrabarti ได้พัฒนาขึ้นเมื่อต้นปี ซึ่งตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความเร็วของดาวด้วยความแม่นยำสูง งานนี้ยังช่วยให้เกิดการทำแบบจำลองเสมือนจริงทางช้างเผือกที่มีรายละเอียดมากขึ้น พัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับสัมพัทธภาพทั่วไป และให้เงื่อนงำสู่การสำรวจหาสสารมืด การขยายวิธีการนี้สุดท้ายอาจจะช่วยให้เราได้ตรวจสอบความเร่งของเอกภพได้โดยตรง ด้วยเช่นกัน

     ในงานที่เกี่ยวข้องกันซึ่งเผยแพร่ในวารสารฉบับเดียวกัน Joseph Simon จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ใช้การสำรวจการเคลื่อนที่ของพัลซาร์เพื่อมองหาคลื่นความโน้มถ่วงความถี่ต่ำ

     ในขณะที่ภาพของกาแลคซีบ้านของเราโดยตรง ที่คล้ายกับภาพของโลกที่นักบินอวกาศอพอลโลได้ถ่ายไว้ อาจจะยังเป็นไปไม่ได้ แต่การศึกษานี้ก็ให้รายละเอียดใหม่ๆ เพื่อช่วยเปิดทางสู่การจัดระเบียบพลวัตของกาแลคซีจากภายใน

แหล่งข่าว sciencedaily.com : measurements of pulsar acceleration reveal Milky Way’s dark side
                iflscience.com : pulsars could reveal the location of the galaxy’s dark matter clumps