ดาว(สสารมืด) ในเอกภพยุคต้น

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวฤกษ์ที่เกิดจากสสารมืด

     ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามคนได้จำแนกสิ่งที่อาจเป็น “ดาวฤกษ์มืด” สามดวง ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่ได้พลังจากสสารมืดแทนที่จะมาจากการหลอมนิวเคลียส การสำรวจเอกภพยุคต้นจากกล้องเจมส์เวบบ์นี้ ถ้าเป็นจริงก็น่าจะไขปริศนาทางเอกภพวิทยาหลายข้อได้ในคราวเดียว

     แม้ว่ากล้องเวบบ์เพิ่งจะถูกส่งออกสู่อวกาศไม่ถึงสองปี แต่มันก็บอกใบ้ถึงผลสรุปที่คาดไม่ถึงไปแล้ว นักดาราศาสตร์ใช้เวบบ์มองย้อนเวลากลับไปจนถึงช่วงไม่กี่ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง และก็ตระหนักอย่างรวดเร็วว่ามีกาแลคซีสว่างๆ ก่อตัวขึ้นมากเกินไป ก่อตัวและพัฒนาไปเร็วกว่าที่แบบจำลองเอกภพวิทยามาตรฐานได้ทำนายไว้เสียอีก และยังมีข้อบ่งชี้ว่ากาแลคซียุคต้นบางส่วนนั้นมีขนาดใหญ่เกินไป

     อะไรจะเกิดขึ้นถ้ากาแลคซีที่มวลสูงเกินไปเหล่านั้นไม่ได้เป็นกาแลคซีแต่อย่างใด นั้นเป็นสิ่งที่ Cosmin Ilie และ Jillian Paulin จากมหาวิทยาลัยคอลเกต และ Katherine Freese จากมหาวิทยาลัยเทกซัส ออสติน เสนอไว้ใน Proceedings of the Nation Academy of Sciences พวกเขาอ้างว่ากาแลคซีทั้งสามที่กล้องเวบบ์ได้พบ แท้จริงแล้วเป็นดาวมวลมหาศาล(supermassive stars) ดวงเดี่ยวๆ ที่ได้รับพลังจากสสารมืด

     หลักฐานข้อแรกก็คือ แหล่งแสงเหล่านี้ดูเลือนเละ หรือพูดอีกอย่างว่า อะไรก็ตามที่เปล่งแสงออกมามีขนาดที่เล็กมากๆ แสงจากแถบแสงต่างๆ ยังสอดคล้องกับสิ่งที่นักทฤษฎีรวมทั้ง Freese ได้ทำนายไว้สำหรับดาว(สสาร) มืด การค้นพบดาวชนิดใหม่เป็นเรื่องที่ค่อนข้างน่าสนใจโดยตัวมันเอง แต่การพบว่ามันเป็นสสารมืดที่สร้างพลังให้ ยิ่งสุมไฟขึ้นไปอีก Freese กล่าว

มีกาแลคซีราว 45000 แห่งในภาพนี้ แต่จากทฤษฎีทางเลือกใหม่ มีสามแห่งในนี้ที่ไม่ใช่กาแลคซี แต่เป็นดาวจากสสารมืด

      สสารมืดเป็นหนึ่งในปริศนาประการใหญ่ที่สุดในทางเอกภพวิทยา บ่อยครั้งที่นักดาราศาสตร์ต้องการแหล่งความโน้มถ่วงพิเศษเพื่อช่วยยึดเกาะโครงสร้างในเอกภพเข้าด้วยกัน ดังนั้น พวกเขาจึงเอ่ยถึงการมีกาวที่มองไม่เห็นมาตลอดนับตั้งแต่เมื่อเอกภพเริ่มต้นขึ้นมา เป็นเวลาหลายทศวรรษที่คิดว่าว่าที่สสารมืดนั้นเป็นอนุภาคมวลหนักที่มีปฏิสัมพันธ์น้อยหรือ WIMPs(weakly interacting massive particles) เมื่อ WIMPs สองอนุภาคมาเจอกันก็จะทำลายล้าง(annihilate) เปลี่ยนมวลของพวกมันกลายเป็นพลังงาน ถ้า WIMPs มีอยู่จริง ก็มีความเป็นไปได้ที่จะคลี่คลายปริศนาในเอกภพยุคต้นได้

     เมฆก๊าซไฮโดรเจนดั้งเดิมน่าจะยึดเกี่ยวอยู่กับ WIMPs ในระดับประมาณ 0.1% เมื่อเมฆเหล่านั้นยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วง WIMPs ก็จะทำลายล้างกันด้วยอัตราที่สูงขึ้นและพลังงานที่ปล่อยออกมาก็ทำให้เมฆร้อนขึ้น สิ่งนี้ทำให้เมฆไม่สามารถยุบตัวต่อไปเพื่อให้มีอุณหภูมิและความดันเพียงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชั่น ซึ่งเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ปกติที่สร้างพลังให้กับดาวฤกษ์ แทนที่จะเป็นดาวฤกษ์ปกติ เมฆก็น่าจะก่อตัวดาวมืดขนาดมหึมาที่ได้พลังจากการทำลายล้างกันของสสารมืดแทน

     อย่าให้ชื่อมันหลอกเราได้ ดาวมืดเพียงดวงเดียวก็มีแสงมากพอที่จะกลบดาวจากทั้งกาแลคซีไปได้ Freese กล่าว ในทางทฤษฎีแล้ว พวกมันอาจจะเจริญจนมีมวลระดับหลายล้านเท่าดวงอาทิตย์ได้ และสว่างเป็นหมื่นล้านเท่าของดวงอาทิตย์ มองเห็นได้จากระยะทางที่ไกลมากๆ เมื่อได้เห็นครั้งแรกก็อาจจะเข้าใจผิดว่าเป็นกาแลคซีทารก(protogalaxies) ได้ สำหรับ Ilie นี่เป็นช่วงเวลาที่รอคอยมานาน เราทำนายมาตั้งแต่ปี 2012 ว่ากล้องเวบบ์น่าจะสำรวจพบดาวมืดมวลมหาศาล ผมเชื่อมั่นว่าในไม่ช้าเราจะจำแนก(ว่าที่ดาวมืด) ได้มากขึ้นอีก

วัตถุทั้งสาม(JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 และ JADES-GS-z11-0) ซึ่งเป็นก้อนสีแดงเคยถูกจำแนกเป็นกาแลคซีในเดือนธันวาคม 2022 โดยโครงการ JADES ขณะนี้ ทีมนักดาราศาสตร์สงสัยว่าวัตถุเหล่านี้แท้จริงแล้วอาจจะเป็น “ดาวมืด” ซึ่งเป็นวัตถุในทางทฤษฎีที่มีขนาดใหญ่กว่าและสว่างกว่าดวงอาทิตย์ของเราอย่างมาก ได้รับพลังจากการทำลายล้างกันของสสารมืด

      “ว่าที่” เป็นเพียงคำที่ใช้เรียกคร่าวๆ ในที่นี้ ทีมไม่กระทั่งอ้างว่าได้พบดาวมืด เพียงแค่วัตถุทั้งสามนี้เท่านั้นที่สอดคล้องกับการเป็นดาวมืด การนำเสนอบางสิ่งที่ใหม่เอี่ยมโดยสิ้นเชิงมักจะเป็นเรื่องที่มีโอกาสเกิดขึ้นน้อย Freese กล่าว แต่ถ้าวัตถุนี้บางดวงที่ดูคล้ายกาแลคซียุคต้น แท้จริงแล้วเป็นดาวมืดจริงๆ แบบจำลองการก่อตัวกาแลคซีก็จะสอดคล้องกับการสำรวจมากขึ้น

     นอกจากนี้ เมื่อเวลาผ่านไป เมื่อสสารมืดในดาวมืดเหล่านี้หมดลง มันก็น่าจะยุบตัวลงกลายเป็นหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ที่พบในแกนกลางของกาแลคซี ซึ่งก็น่าจะอธิบายว่าเพราะเหตุใด เราจึงไม่พบดาวมืดเหล่านี้อีก และเพราะเหตุใดเราจึงได้เห็นหลุมดำมวลมหาศาลจำนวนมากมาย และยังอาจจะอธิบายว่าเพราะเหตุใดจึงไม่พบดาวรุ่นแรกสุดในเอกภพ แม้ว่าจะพบดาวที่มีอายุพอๆ กับอายุของเอกภพอยู่ในทางช้างเผือกของเราเองก็ตาม ถ้าดาวมืดมีอยู่จริง ดาวรุ่นแรกสุดก็ยังคงมีอยู่ แค่ดูแตกต่างออกไปเท่านั้น

     ความแข็งแรงของแนวคิดนี้อีกข้อก็คือมันเกี่ยวข้องกับสสารมืดชนิดที่ปกติที่สุด โดยไม่ต้องใช้ฟิสิกส์พิสดารอื่นๆ เลย Tanja Rindler-Daller จากมหาวิทยาลัยเวียนนา ออสเตรีย ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้ กล่าวว่า ดาวมืดเป็นคำอธิบายที่สมเหตุสมผลอย่างยิ่งกับแบบจำลองเอกภพวิทยาปัจจุบันของเรา เรายังต้องการสเปคตรัมคุณภาพสูงที่เรดชิพท์มากกว่า z=10 เพื่อตรวจสอบขั้นสุดท้ายว่าพวกมันมีอยู่จริงหรือไม่ ซึ่งทีมของ Ilie อ้างว่ารายละเอียดสเปคตรัมดูดกลืนคลื่นจาก He II ที่ 1640 อังสตรอม น่าจะเป็นคุณลักษณะร่องรอยของดาวมืดมวลมหาศาลที่ร้อนนี้ ในขณะที่กาแลคซีที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์ปกติน่าจะมีเส้นเปล่งคลื่นแทน

แสงซึ่งถูกบิดเลี้ยวโดยสนามแรงโน้มถ่วงที่ทรงพลัง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ขยายผลจากสสารมืด

      ส่วน Alexander Ji จากมหาวิทยาลัยชิคาโก ซึ่งก็ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้เช่นกัน กล่าวว่า ผมไม่คิดว่าหลักฐานที่มีจะบอกถึงดาวมืด แต่ก็ยังตัดความเป็นไปได้ไม่ได้ ถ้ายืนยันจริง นี่ก็อาจจะเปลี่ยนแปลงภาพของเราเกี่ยวกับเอกภพยุคต้นไปอย่างสิ้นเชิง เช่นเดียวกับที่ให้หลักฐานที่แน่ชัดเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืด ดังนั้น มีโอกาสเล็กๆ ที่จะมีผลกระทบอย่างมหาศาล โดยรวมแล้ว กล้องเวบบ์ยังไม่ได้ศึกษาวัตถุทั้งสามในรายละเอียดมากพอที่จะยุติข้ออ้างนี้ ยังต้องรอเวลา

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : some astronomers claim dark star candidates in Webb images
                sciencealert.com : massive suns powered by darkness may have been spotted at the dawn of time    
                iflscience.com : JWST may have found the first evidence for “dark stars”