หลักฐานเพิ่มเติมของกาแลคซีที่ขาดแคลนสสารมืด

 

ภาพ NGC 1052-DF2 จากกล้องฮับเบิล 

      เมื่อนักดาราศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้พบกาแลคซีตัวประหลาดแห่งหนึ่งซึ่งดูเหมือนมันไม่ได้มีสสารมืดอยู่มากนัก บางคนก็คิดว่ายากที่จะเชื่อการค้นพบนี้ได้และมองหาคำอธิบายที่ง่ายดายกว่า

      สสารมืดนั้นเป็นเหมือนกาวที่มองไม่เห็นที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของสสารในเอกภพ กาแลคซีทุกแห่งดูจะเต็มไปด้วยสสารมืด ในความเป็นจริงแล้วคิดกันว่ากาแลคซีก่อตัวขึ้นภายในกลด(halo) ขนาดใหญ่ที่เป็นสสารมืด ดังนั้น การพบกาแลคซีที่ขาดแคลนสสารที่มองไม่เห็นจึงเป็นการกล่าวอ้างที่ค้านกับแนวคิดข้างต้นอย่างสุดโต่ง มันยังอาจจะต่อผลกระทบต่อทฤษฎีการก่อตัวและวิวัฒนาการกาแลคซีด้วย

      เพื่อตรวจสอบการค้นพบเดิมซึ่งรายงานในปี 2018(Dark Matter Goes Missing in Oddball Galaxy) ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Pieter van Dokkum จากมหาวิทยาลัยเยล ในนิวเฮเวน คอนเนคติกัต ได้ติดตามผลการศึกษาเดิมของพวกเขา ด้วยการใช้กล้องฮับเบิลตรวจสอบกาแลคซีแห่งนี้ซึ่งมีชื่อว่า NGC 1052-DF2(นักวิทยาศาสตร์เรียกสั้นๆ ว่า DF2) ให้ใกล้ชิดมากขึ้น

     เราโดนตั้งคำถามกับการสำรวจกาแลคซีนนี้ด้วยฮับเบิลในปี 2018 van Dokkum กล่าว ผมก็คิดว่าก็ถูกแล้วที่มีคำถามกับมัน เพราะว่ามันเป็นผลสรุปที่ไม่ปกติเอาซะเลย น่าจะดีขึ้นถ้ามีคำอธิบายแบบง่ายๆ อย่างตรวจสอบระยะทางผิด แต่ผมคิดว่ามันคงสนุกกว่าและน่าสนใจมากกว่าถ้ามันเป็นกาแลคซีตัวประหลาดจริงๆ

     การตรวจสอบปริมาณของสสารมืดในกาแลคซีนี้ขึ้นอยู่กับการตรวจสอบระยะทางที่เที่ยงตรงว่ากาแลคซีนี้อยู่ห่างจากโลกแค่ไหน ถ้า DF2 อยู่ห่างจากโลกเท่ากับที่ทีมของ van Dokkum ประเมินไว้ องค์ประกอบสสารมืดในกาแลคซีก็จะมีเพียงไม่กี่เปอร์เซนต์เท่านั้น ข้อสรุปของทีมมีพื้นฐานมาจากการเคลื่อนที่ของดาวภายในกาแลคซีนี้ ความเร็วของดาวได้รับผลจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วง นักวิจัยพบว่าจำนวนดาวที่สำรวจพบเป็นมวลทั้งหมดของกาแลคซี และไม่ได้มีมวลเหลือให้สสารมืดมากนัก

     อย่างไรก็ตาม ถ้า DF2 อยู่ใกล้โลกมากขึ้นอย่างที่นักดาราศาสตร์บางคนกล่าวอ้าง มันก็น่าจะสลัวและมีมวลต่ำอย่างแท้จริง กาแลคซีนี้น่าจะต้องมีสสารมืดอยู่ในสัดส่วนที่สูงขึ้นเพื่อให้ผลตามที่สำรวจพบจากมวลรวม

     สมาชิกทีมวัดระยะทาง Zili Chen จากมหาวิทยาลัยเยลบอกว่าการสำรวจของฮับเบิลครั้งใหม่ช่วยพวกเขายืนยันว่า DF2 ไม่เพียงแต่อยู่ไกลจากโลกมากกว่าที่นักดาราศาสตร์บางคนบอก แต่ยังไกลกว่าที่ทีมได้เคยประเมินไว้ด้วย ค่าระยะทางใหม่บอกว่า DF2 อยู่ห่างออกไป 72 ล้านปีแสง แทนที่จะเป็น 42 ล้านปีแสงตามที่รายงานโดยทีมวิจัยอื่น นี่ทำให้กาแลคซีอยู่ไกลกว่าการประเมินของฮับเบิลในปี 2018 ที่ 65 ล้านปีแสง

ภาพจากกล้องฮับเบิลให้ตัวอย่างดาวฤกษ์แดงอายุมากในกาแลคซีที่ฝ้าจางมาก(ultra-diffuse galaxy) NGC 1052-DF2 หรือ DF2 กาแลคซีแห่งนี้ยังคงสร้างความมึนงงให้กับนักดาราศาสตร์อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากมันขาดแคลนสสารมืด การหาระยะทางจากโลกถึงกาแลคซีนี้ที่แม่นยำมากจึงเป็นย่างก้าวสำคัญในการไขปริศนานี้ ภาพระยะประชิดทางขวาเผยให้เห็นดาวยักษ์แดงอายุมากหลายดวงที่ชายขอบของกาแลคซีซึ่งถูกใช้เป็นเป้าในการวัดระยะทางข้ามกาแลคซี นักวิจัยคำนวณระยะทางถึง DF2 โดยใช้ฮับเบิลสำรวจดาวยักษ์แดงประมาณ 5400 ดวง ได้ระยะทางที่ 72 ล้านปีแสง การตรวจสอบระยะทางที่ได้ยิ่งตอกย้ำว่า DF2 ขาดแคลนสสารมืด โดยมีสสารมืดมากที่สุดเพียง 1/400 ของปริมาณสสารมืดที่คาดไว้

     ทีมวิจัยได้ค่าระยะทางใหม่โดยมีพื้นฐานจากการถ่ายภาพด้วยกล้องเพื่อการสำรวจชั้นสูง(ACS) เปิดหน้ากล้องนาน ซึ่งจะให้ภาพกาแลคซีที่ลึกมากขึ้นเพื่อการค้นหาเทียนมาตรฐานที่น่าเชื่อถือเพื่อระบุระยะทางได้แน่ชัด พวกเขาตั้งเป้าไปที่กาวิเคราะห์ดาวฤกษ์ยักษ์แดงอายุมาก(tip of the red giant branch; TRGB) ที่ชายขอบของกาแลคซีแห่งนี้ ซึ่งจะมีความสว่างสูงสุดใกล้เคียงกันในสถานะวิวัฒนาการ นักดาราศาสตร์สามารถใช้ความสว่างที่แท้จริงของดาวเหล่านี้เพื่อคำนวณระยะทางข้ามกาแลคซีได้ การศึกษาดาวยักษ์แดงที่สว่างเป็นตัวบ่งชี้ระยะทางที่รู้จักกันดีในกาแลคซีใกล้เคียง Shen อธิบาย ซึ่งวิธีการนี้ช่วยขยายการศึกษาในปี 2018 ซึ่งพึ่งพาการวัดระยะทางด้วยวิธีการ ความปั่นป่วนของความสว่างพื้นผิว(surface brightness fluctuation)

      การตรวจสอบของฮับเบิลที่เที่ยงตรงมากขึ้นยังย้ำข้อสรุปเบื้องต้นของทีมที่ว่ากาแลคซีแห่งนี้ขาดแคลนสสารมืด สมาชิกทีมกล่าว ดังนั้นปริศนาว่าเพราะเหตุใด DF2 จึงขาดแคลนสสารมืดจึงยังคงอยู่ สำหรับกาแลคซีเกือบทุกแห่งที่เราตรวจสอบ เราบอกได้ว่าเรามองไม่เห็นมวลส่วนใหญ่ก็เพราะว่ามันเป็นสสารมืด van Dokkum อธิบาย สิ่งที่คุณได้เห็นด้วยฮับเบิลเป็นเพียงยอดภูเขาน้ำแข็ง แต่ในกรณีนี้ สิ่งที่ได้เห็นก็คือทั้งหมดที่เป็น ฮับเบิลได้แสดงมันแบบหมดเปลือกจริงๆ ไม่ใช่แค่ยอดของภูเขาน้ำแข็ง แต่เป็นภูเขาน้ำแข็งทั้งก้อน รายงานวิทยาศาสตร์เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 9 มิถุนายน

     กาแลคซี DF2 ที่แทบจะล่องหนได้เป็นก้อนนุ่นขนาดยักษ์ในอวกาศที่ van Dokkum เรียกว่าเป็นกาแลคซีซีทรู(see-through galaxy) ซึ่งดาวของมันอยู่อย่างกระจัดกระจาย กาแลคซีตัวประหลาดแห่งนี้มีความกว้างพอๆ กับทางช้างเผือก แต่มีดาวฤกษ์เพียง 1/200 ของจำนวนดาวในทางช้างเผือก กาแลคซีที่เกือบล่องหนนี้(เรียกอย่างเป็นทางการว่า ultra-diffuse galaxy; UDG) ไม่ปรากฏว่ามีพื้นที่ใจกลาง, แขนกังหัน หรือแม้แต่ดิสก์ ทีมประเมินว่า DF2 มีสสารมืดมากที่สุดที่ 1/400 ส่วนของที่นักดาราศาสตร์เคยคาดไว้ แล้วกาแลคซีแห่งนี้ก่อตัวขึ้นได้อย่างไรนั้นก็ยิ่งเป็นปริศนาที่มืดมิด

     DF2 ไม่ได้เป็นกาแลคซีแห่งเดียวที่ปราศจากสสารมืด Shany Danieli จากสถาบันเพื่อการศึกษาชั้นสูง ในพรินซตัน นิวเจอร์ซีย์ ใช้กล้องฮับเบิลในปี 2020 เพื่อหาระยะทางที่เที่ยงตรงสู่กาแลคซีเกือบล่องหนอีกแห่งที่เรียกว่า NGC 1052-DF4(เรียกสั้นๆ ว่า DF4) ซึ่งก็ดูเหมือนจะขาดแคลนสสารมืดด้วยเช่นกัน

     นักวิจัยคิดว่าทั้ง DF2 และ DF4 เป็นสมาชิกในกลุ่มกาแลคซี อย่างไรก็ตาม การสำรวจครั้งใหม่โดยฮับเบิลได้แสดงว่ากาแลคซีทั้งสองอยู่ห่างจากกันและกัน 6.5 ล้านปีแสง ไกลจากกันและกันมากกว่าที่เคยคิดไว้ ยังปรากฏว่า DF2 กำลังวิ่งหนีออกจากกลุ่ม และกำลังโดดเดี่ยวอยู่ในอวกาศ และกาแลคซีที่ฝ้าจางมากเหล่านี้ยังมีกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) ที่สว่างเป็นพิเศษจำนวนมากด้วย  

     กาแลคซีทั้งสองถูกพบโดยเครือข่ายเลนส์เทเลโฟโตแมลงปอ(Dragonfly Telephoto Array) ที่หอสังเกตการณ์ท้องฟ้านิวเมกซิโก กาแลคซีทั้งสองอยู่ในกลุ่มเดียวกันและก่อตัวในเวลาใกล้เคียงกัน Dinieli กล่าว ดังนั้นบางทีอาจจะมีสิ่งพิเศษในสภาพแวดล้อมที่พวกมันก่อตัวขึ้นมา

NGC 1052-DF2 & DF4

     นักวิจัยกำลังตามล่าหากาแลคซีตัวประหลาดเหล่านี้เพิ่มขึ้น ทีมนักดาราศาสตร์อื่นๆ ก็สำรวจหาด้วยเช่นกัน ในปี 2020 ทีมวิจัยทีมหนึ่งได้พบกาแลคซีแคระที่ไม่ปกติ 19 แห่งที่พวกเขาบอกว่าขาดแคลนสสารมืด(Off the Baryonic Tully-Fisher Relation: A Population of Baryon-dominated Ultra-diffuse Galaxies-IOPscience) อย่างไรก็ตาม จะต้องค้นพบกาแลคซีที่ขาดแคลนสสารมืดให้มากกว่านี้เพื่อจะไขปริศนานี้ได้

     ไม่ว่าอย่างไร van Dokkum คิดว่าการพบกาแลคซีที่ขาดแคลนสสารมืดบอกนักดาราศาสตร์ถึงบางสิ่งที่เกี่ยวกับสสารที่มองไม่เห็นนี้ ในรายงานปี 2018 ของเรา เราบอกว่าถ้าคุณมีกาแลคซีที่ปราศจากสสารมืดสักแห่ง และกาแลคซีอื่นๆ ที่ดูคล้ายกันกลับดูเหมือนจะมีสสารมืดอยู่ นั้นก็หมายความว่าสสารมืดนี้มีอยู่อย่างแท้จริง van Dokkum กล่าว มันไม่ใช่ภาพมิราจ(mirage) แม้จะเป็นองค์ประกอบที่จำเป็นในกาแลคซี แต่การมีอยู่ของมันก็อาจไม่ใช่เรื่องจำเป็นอย่างวิกฤต

     นักวิจัยจะยังคงตามล่าหากาแลคซีประหลาดเหล่านี้ต่อไป ในขณะที่ก็มีคำถามจำนวนมากเช่น แล้วกาแลคซีฝ้าจางมากเหล่านี้ก่อตัวอย่างไร พวกมันจะบอกอะไรเราเกี่ยวกับแบบจำลองเอกภพวิทยามาตรฐานได้หรือไม่ กาแลคซีเหล่านี้มีอยู่มากแค่ไหนและคุณสมบัติอันเป็นอัตลักษณ์ที่พวกมันมีคืออะไร จะต้องใช้กาแลคซีที่ขาดแคลนสสารมืดเหล่านี้อีกมากมายเพื่อไขปริศนาเหล่านี้ และสู่คำถามสำคัญที่สุดว่า จริงๆ แล้วสสารมืดคืออะไร

แหล่งข่าว hubblesite.org : mystery of galaxy’s missing dark matter deepens    
                phys.org : Hubble data confirms galaxies lacking dark matter