แผนที่สสารมืดแสดงสะพานเชื่อมกาแลคซีต่างๆ

 

ทีมนักวิจัยนานาชาติได้สร้างแผนที่สสารมืดภายในเอกภพท้องถิ่น โดยใช้แบบจำลองเพื่อระบุตำแหน่งอันเนื่องจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของสสารมืดที่มีต่อกาแลคซี(จุดสีดำ) แผนที่ความหนาแน่นเหล่านี้ ซึ่งแต่ละภาพเป็นภาพตัดขวางในมิติที่แตกต่างกัน ได้สร้างรายละเอียดโดดเด่นที่เป็นที่รู้จักในเอกภพท้องถิ่น(แดง) และยังเผยให้เห็นรายละเอียดสายใยขนาดเล็ก(สีเหลือง) ที่ทำหน้าที่เป็นสะพานระหว่างกาแลคซีซ่อนอยู่ X ระบุกาแลคซีทางช้างเผือก และลูกศรแสดงการเคลื่อนที่ของเอกภพท้องถิ่นอันเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วง

     แผนที่สสารมืดในเอกภพท้องถิ่นฉบับใหม่ได้เผยให้เห็นโครงสร้างเส้นใยที่ไม่เคยได้พบเห็นมาก่อนซึ่งเชื่อมต่อกาแลคซีต่างๆ ไว้ แผนที่ซึ่งพัฒนาขึ้นโดยการเรียนรู้ของคอมพิวเตอร์โดยทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติน่าจะช่วยในการศึกษาเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืดได้เช่นเดียวกับความเป็นมาและเป็นไปของเอกภพท้องถิ่นของเราเอง

     สสารมืด(dark matter) เป็นสสารล่องหนซึ่งเป็นองค์ประกอบถึง 80% ในเอกภพ มันยังเป็นโครงกระดูกให้กับสิ่งที่นักเอกภพวิทยาเรียกว่า เส้นใยเอกภพ(cosmic web) ซึ่งเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ อันเนื่องจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงในตัวมันเอง จึงกำกับการเคลื่อนที่ของกาแลคซีและสสารในอวกาศอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การกระจายตัวของสสารมืดท้องถิ่นนั้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ในปัจจุบันเนื่องจากไม่สามารถตรวจสอบสสารมืดได้โดยตรง นักวิจัยจะต้องรับรู้การกระจายของมันโดยมีพื้นฐานจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของมัน ที่มีต่อวัตถุอื่นในเอกภพอย่างกาแลคซี แทน

     Donghui Jeong รองศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเพนน์ซิลวาเนีย สเตท และผู้เขียนในการศึกษานี้ กล่าวว่า น่าขันที่การศึกษาการกระจายของสสารมืดที่อยู่ไกลออกไปกลับง่ายกว่า เนื่องจากมันสะท้อนถึงอดีตอันห่างไกลซึ่งมีความซับซ้อนน้อยกว่ามาก เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อโครงสร้างขนาดใหญ่ในเอกภพมีการเจริญเติบโต ความซับซ้อนของเอกภพก็เพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงยากขึ้นที่จะทำการตรวจสอบเกี่ยวกับสสารมืดในละแวกท้องถิ่น

     ความพยายามก่อนหน้านี้ในการทำแผนที่เส้นใยเอกภพ เริ่มต้นด้วยแบบจำลองเอกภพยุคต้นและจากนั้นก็จำลองวิวัฒนาการของแบบจำลองเมื่อเวลาผ่านไปหลายพันล้านปี อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีการคำนวณอย่างหนักหน่วง และโดยรวมแล้วไม่สามารถสร้างผลสรุปที่มีรายละเอียดมากพอที่จะเห็นเอกภพท้องถิ่นได้ แต่การศึกษาใหม่ นักวิจัยใช้ความพยายามที่แตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง โดยการใช้กระบวนการเรียนรู้ของสมองกล เพื่อสร้างแบบจำลองที่ใช้ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายและการเคลื่อนที่ของกาแลคซี เพื่อทำนายการ
กระจายของสสารมืด

แบบจำลองเสมือนจริงแสดงเส้นใยเอกภพ(cosmic web) ซึ่งเป็นสสารปกติที่รวมตัวเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่คล้ายรังผึ้ง โดยมีกระจุกกาแลคซีอยู่ตามจุดตัดของเส้นใย ล้อมรอบช่องว่าง(void) เส้นใยเอกภพฝังตัวอยู่ในกลดสสารมืดขนาดใหญ่กว่าอีกที  

     นักวิจัยสร้างและฝึกแบบจำลองโดยใช้แบบจำลองเสมือนจริงกาแลคซีชุดใหญ่ที่เรียกว่า Ilustris-TNG ซึ่งรวมกาแลคซี, ก๊าซ, สสารปกติอื่นๆ เช่นเดียวกับสสารมืด ทีมได้เลือกกาแลคซีที่จำลองขึ้นมาเป็นการจำเพาะที่ใกล้เคียงกับทางช้างเผือก และสุดท้ายก็จำแนกว่า คุณสมบัติของกาแลคซีข้อใดที่ต้องใช้เพื่อทำนายการกระจายของสสารมืด เมื่อให้ข้อมูลที่แน่ชัดเข้าไป แบบจำลองก็สามารถเติมช่องว่างสิ่งที่พวกมันเคยเห็นมาก่อนหน้านั้นได้ Jeong กล่าว แผนที่จากแบบจำลองของเราไม่ได้ตรงตามข้อมูลที่จำลองขึ้นมาแบบเป๊ะๆ แต่เราก็ยังสามารถสร้างโครงสร้างที่มีรายละเอียดยิบได้ เราพบกระทั่งการเคลื่อนที่ของกาแลคซีกับความเร็วแนวสายตา(radial velocity) ที่แปลกประหลาดของพวกมัน เพิ่มเติมให้กับการกระจายตัวที่ยิ่งเพิ่มคุณภาพของแผนที่ และช่วยให้เราได้เห็นรายละเอียดเหล่านี้

      จากนั้น ทีมวิจัยก็ปรับใช้แบบจำลองกับข้อมูลจริงจากเอกภพท้องถิ่นที่ได้จากบัญชีรายชื่อกาแลคซี Cosmicflow-3 บัญชีประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายและการเคลื่อนที่อย่างครบถ้วนของกาแลคซีมากกว่า 1.7 หมื่นแห่งในละแวกใกล้เคียงทางช้างเผือกภายในระยะทาง 200 เมกะพาร์เซค(1 พาร์เซค เท่ากับ 3.26 ปีแสงโดยประมาณ) หรือ 6.5 พันล้านปีแสง แผนที่เส้นใยเอกภพท้องถิ่นที่ได้เผยแพร่ในรายงานออนไลน์วันที่ 26 พฤษภาคม ใน Astrophysical Journal

      แผนที่ประสบความสำเร็จในการสร้างโครงสร้างที่รู้จักดีในเอกภพท้องถิ่นขึ้นมาให้เห็นอีกครั้ง ซึ่งรวมถึง “แผ่นท้องถิ่น”(local sheet) ซึ่งเป็นพื้นที่แห่งหนึ่งที่มีทางช้างเผือก, กาแลคซีใกล้เคียงใน “กลุ่มท้องถิ่น”(local group) และกาแลคซีในกระจุกหญิงสาว(Virgo cluster) เช่นเดียวกับ “ช่องว่างท้องถิ่น”(local void) ซึ่งเป็นพื้นที่อวกาศที่ค่อนข้างว่างเปล่าใกล้กับกลุ่มท้องิ่น นอกจากนี้  มันยังจำแนกโครงสร้างใหม่ๆ มากมายที่ต้องสำรวจเพิ่มเติม ตั้งแต่ความเชื่อมโยงระหว่างแผ่นท้องถิ่นกับ “กำแพงกลุ่มดาวเตาหลอม”(Fornax Wall) รวมถึงโครงสร้างสายใยขนาดเล็กที่เชื่อมโยงทางช้างเผือกกับกาแลคซีรอบๆ ไว้ และกับกาแลคซีอื่นๆ   

      การมีแผนที่เส้นใยเอกภพท้องถิ่นนั้นเปิดบทเรียนใหม่สู่การศึกษาเอกภพวิทยา Jeong กล่าว เราสามารถศึกษาว่าสสารมืดกระจายตัวอย่างไรเมื่อเทียบกับข้อมูลการเปล่งคลื่นอื่นๆ ซึ่งจะช่วยให้เราได้เข้าใจธรรมชาติของสสารมืด และเราสามารถศึกษาโครงสร้างสายใยเหล่านี้ซึ่งเป็นสะพานที่ซ่อนอยู่ซึ่งเชื่อมระหว่างกาแลคซี ได้โดยตรง ยกตัวอย่างเช่น มีข้อมูลบอกว่าทางช้างเผือกและกาแลคซีอันโดรเมดา อาจจะเคลื่อนที่เข้าหากันและกันอย่างช้าๆ แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าพวกมันจะชนกันหรือไม่ในอีกหลายพันล้านปีข้างหน้า การศึกษาสายใยสสารมืดที่เชื่อมโยงกาแลคซีทั้งสองน่าจะให้แง่มุมที่สำคัญสู่อนาคตนี้

      เนื่องจากสสารมืดนั้นเป็นตัวควบคุมพลวัตของเอกภพ มันจึงกำหนดชะตากรรมของเราด้วย Jeong กล่าว ดังนั้นเราสามารถถามคอมพิวเตอร์ให้สร้างแผนที่ไปอีกหลายพันล้านปีข้างหน้าเพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นในเอกภพท้องถิ่น และเราก็สามารถสร้างแบบจำลองย้อนเวลากลับไปเพื่อให้เข้าใจละแวกเพื่อนบ้านของเราได้

     นักวิจัยเชื่อว่าพวกเขาจะสามารถปรับปรุงความเที่ยงตรงของแผนที่ได้โดยเพิ่มกาแลคซีให้มากไปอีก การสำรวจทางดาราศาสตร์ที่วางแผนไว้ยกตัวอย่างเช่น ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ น่าจะช่วยให้พวกเขาได้เพิ่มกาแลคซีขนาดเล็กหรือสลัวที่ยังไม่เคยถูกสำรวจ และกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปอีกได้

แหล่งข่าว phys.org – mapping the local cosmic web: dark matter map reveals hidden bridges between galaxies
                sciencealert.com – new dark matter map shows the bridges between the Milky Way and nearby galaxies
                iflscience.com – map reveals hidden dark matter bridges connecting nearby galaxies