ธรรมชาติของสสารมืดซ่อนอยู่ในวงแหวนไอน์สไตน์

 

ตัวอย่างเลนส์ความโน้มถ่วงจากการสำรวจของปฏิบัติการไกอา

     นักฟิสิกส์เชื่อว่าสสารเกือบทั้งหมดในเอกภพ เป็นสสารที่มองไม่เห็นซึ่งเราจะทราบเกี่ยวกับมันก็เมื่อตรวจสอบผลโดยอ้อมของสสารชนิดนี้ ที่มีต่อดาวและกาแลคซีที่เรามองเห็นเท่านั้น อาจจะกล่าวไม่ผิดว่า ถ้าไม่มีสสารมืดนี้ เอกภพจะไม่เป็นอย่างที่เราได้เห็นทุกวันนี้

      แต่ธรรมชาติของสสารมืด(dark matter) ก็เป็นปริศนามาอย่างยาวนาน อย่างไรก็ตาม การศึกษางานใหม่โดย Alfrec Amruth จากมหาวิทยาลัยแห่งฮ่องกง และเพื่อนร่วมงาน ซึ่งเผยแพร่ใน Nature Astronomy ได้ใช้การบิดเบนแสงโดยแรงโน้มถ่วง เพื่อนำเราเข้าใกล้การเข้าใจสสารมืดอีกก้าวหนึ่ง โดยบอกว่าสสารมืดไม่ได้ประกอบด้วยอนุภาคที่หนักมาก

     เหตุผลที่เราคิดว่าสสารมืดมีอยู่ก็เพราะเราได้เห็นผลกระทบแรงโน้มถ่วงของมันที่มีต่อพฤติกรรมกาแลคซี พูดให้จำเพาะขึ้นก็คือ สสารมืดดูเหมือนจะมีอยู่ถึง 85% มวลเอกภพ และกาแลคซีไกลโพ้นเกือบทุกแห่งที่เราได้เห็นก็ดูจะถูกล้อมด้วยกลด(halo) ของสสารปริศนานี้ แต่ที่มันถูกเรียกว่า สสารมืด ก็เพราะมันไม่ส่องแสงใดๆ ออกมา(ไม่ดูดกลืนหรือไม่สะท้อนแสง) ซึ่งทำให้ยากที่จะตรวจจับสสารมืดอย่างไม่น่าเชื่อ

      แต่สสารนี้เป็นอะไร เราคิดว่ามันจะต้องเป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่ทราบชนิด แต่ก็ยังไม่แน่ใจนัก ความพยายามทั้งหมดเพื่อตรวจจับอนุภาคสสารมืดในห้องทดลองโดยรวมแล้วล้มเหลว และนักฟิสิกส์ก็โต้แย้งเกี่ยวกับธรรมชาติของมันมาหลายทศวรรษ นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอว่าที่อนุภาคสสารมืดในทางทฤษฎี 2 แบบ ในแบบที่ค่อนข้างหนักเรียกว่า WIMPs
(Weak interacting massive particles) และอนุภาคที่เบาอย่างยิ่งที่เรียกว่า แอกซิออน(axions)

     ในทางทฤษฎีแล้ว WIMPs น่าจะมีพฤติกรรมเหมือนกับอนุภาคซึ่งไม่ปะติดปะต่อ ในขณะที่แอกซิออนน่าจะดูคล้ายคลื่นมากกว่า อันเนื่องจากการแทรกสอดควอนตัม เป็นการยากที่จะแยกแยะระหว่างความเป็นไปได้ทั้งสองแบบ แต่ขณะนี้ การเลี้ยวเบนของแสงรอบๆ กาแลคซีที่ห่างไกล ได้ให้เงื่อนงำออกมา

เลนส์ความโน้มถ่วง

     เมื่อแสงเดินทางผ่านเอกภพ เข้าใกล้วัตถุมวลสูงเช่น กาแลคซีและกระจุกกาแลคซี เส้นทางของมันจะเลี้ยวเบน จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์บอกว่า แรงโน้มถ่วงของวัตถุมวลสูงจะบิดห้วงกาล-อวกาศรอบๆ วัตถุ ด้วยเหตุนี้ บางครั้งเมื่อเรามองไปที่กาแลคซีที่ห่างไกลแห่งหนึ่ง เราจะได้เห็นภาพกาแลคซีอื่นๆ ที่อยู่เบื้องหลังมันซึ่งบิดเบี้ยวพร้อมกันไปด้วย และถ้าแนวนี้เรียงตัวพอดี แสงจากแหล่งที่พื้นหลังก็จะเกลี่ยออกเป็นวงกลมรอบกาแลคซีที่อยู่ใกล้กว่า

     การรบกวนที่เกิดขึ้นกับแสงลักษณะนี้ เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) และวงกลมที่มันสร้างขึ้นก็ถูกเรียกว่า วงแหวนไอน์สไตน์(Einstein rings) โดยการศึกษาวงแหวนหรือภาพที่เกิดจากเลนส์ลักษณะนี้ นักดาราศาสตร์ก็สามารถเรียนรู้คุณสมบัติของกลดสสารมืดที่อยู่รอบๆ วัตถุที่เป็นเลนส์ได้มากขึ้น

      และนั่นก็เป็นสิ่งที่ Amruth และทีมได้ทำในการศึกษางานใหม่นี้ พวกเขาตรวจสอบระบบหลายแห่งที่มีพหุภาพจากวัตถุพื้นหลังแหล่งเดียวกัน รอบๆ กาแลคซีที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ โดยมุ่งเป้าเป็นพิเศษที่เลนส์ความโน้มถ่วง HS 0810+2554 ด้วยการใช้แบบจำลองรายละเอียด ทีมก็บอกได้ว่าภาพน่าจะถูกรบกวนอย่างไรถ้าสสารมืดประกอบด้วย WIMPs เทียบกับเมื่อสสารมืดประกอบด้วยแอกซิออน แบบจำลอง WIMPs ไม่สอดคล้องกับสิ่งที่เป็นจริง แต่แบบจำลองแอกซิออนได้สร้างรายละเอียดทั้งหมดของระบบนี้ได้ใหม่อีกครั้ง เนื่องจากคุณสมบัติที่มีความหนาแน่นปั่นป่วนเมื่อคลื่นเกิดการแทรกสอดกันและกัน ความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นทำให้การกระจายของสสารมืดรอบกาแลคซีเป็นแบบขรุขระ

พหุภาพที่เกิดจากเลนส์ความโน้มถ่วงซึ่งเห็นได้ในระบบ HS 0810+2554

      ผลสรุปจึงบอกว่า แอกซิออนน่าจะเป็นว่าที่สสารมืดที่เป็นไปได้มากกว่า และความสามารถที่แอกซิออนอธิบายความผิดปกติในการเกิดเลนส์ และการสำรวจทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์อื่นๆ ก็ทำให้นักวิทยาศาสตร์ตื่นเต้นอย่างมาก งานวิจัยนี้สร้างจากการศึกษาก่อนหน้านี้ซึ่งก็ชี้ไปสู่แอกซิออนว่าน่าจะเป็นสสารมืดได้มากกว่า ยกตัวอย่างเช่น การศึกษาหนึ่งได้พิจารณาผลกระทบของสสารมืดแอกซิออนต่อไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ(cosmic microwave background)

     ในขณะที่งานอื่นๆ ก็ตรวจสอบพฤติกรรมของสสารมืดในกาแลคซีแคระ แม้ว่างานวิจัยนี้จะยังไม่ปิดการโต้เถียงทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับธรรมชาติสสารมืดได้ แต่มันก็เปิดเส้นทางใหม่สู่การทดสอบและการทดลอง ยกตัวอย่างเช่น การสำรวจเลนส์ความโน้มถ่วงในอนาคตด้วยกล้องเวบบ์ น่าจะถูกใช้เพื่อทดสอบธรรมชาติที่คล้ายคลื่นของแอกซิออนและอาจจะตรวจสอบมวลของพวกมันได้ด้วย

     ความเข้าใจสสารมืดที่ดีขึ้น จะมีนัยสำคัญต่อสิ่งที่เราได้ทราบเกี่ยวกับฟิสิกส์อนุภาคและเอกภพยุคต้น มันยังจะช่วยเราให้เข้าใจว่ากาแลคซีก่อตัวและเปลี่ยนแปลงตามเวลาได้อย่างไร

การกระจายตัวของสสารมืดในกรณีที่เป็น WIMPs(a) และ axion(b) ตามแบบจำลอง เทียบกับการกระจายมวลรอบระบบเลนส์ความโน้มถ่วง HS 0810+2554 ที่สำรวจพบ (c)  

แหล่งข่าว phys.org : new look at “Einstein rings” around distant galaxies just got us closer to solving the dark matter debate  

                skyandtelescope.com  distorted galaxy hints at the nature of dark matter