“สสารมืด” คืออีกหนึ่งในคำถามที่ใหญ่ที่สุดของโลกดาราศาสตร์และฟิสิกส์ ปัจจุบันยังไม่มีใครตอบคำถามนี้ได้ มันมีตัวตนจริงไหม ทำไมมนุษย์ยังตรวจจับสสารมืดไม่ได้ แล้วเรารู้ได้อย่างไรถึงตัวตนและการมีอยู่ของมัน

สสารมืดคืออีกหนึ่งคำถามที่ใหญ่ที่สุดของโลกดาราศาสตร์และฟิสิกส์ การมีอยู่ของมันขัดกับตารางธาตุที่พวกเรารู้จักกันมาทั้งหมด เสมือนมันเป็นสิ่งที่ไม่ได้มีตัวตนอยู่จริงในเอกภพนี้

ภาพถ่ายเพื่อการศึกษาตำแหน่งและการกระจายตัวของสสารมืดในกาแลกซี่ต่าง ๆ 6 กาแลกซี่ โดยกลุ่มหมอกสีน้ำเงินคือตำแหน่งที่อยู่ของสสารมืด โดยบันทึกภาพด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

ปัจจุบันเราพบธาตุทุกธาตุในธรรมชาติทั้งหมดแล้ว ธาตุชนิดใหม่ที่ถูกเพิ่มเข้ามาในตารางธาตุล้วนเป็นธาตุที่ไม่เสถียร อายุสั้น และไม่สามารถพบเจอในธรรมชาติได้ ดังนั้นธาตุชนิดใหม่เหล่านี้ล้วนมาจากห้องปฏิบัติการต่างสังเคราะห์ขึ้นมาทั้งสิ้น

หากตามหลักฐานจากการสืบค้นถึงการศึกษาทางดาราศาสตร์ในอดีต พบว่าเราพบการมีอยู่ของสสารมืดมาตั้งแต่อดีตตั้งแต่เมื่อช่วงทศวรรษ 1930 แล้ว ซึ่งก่อนหน้าการตั้งสมมติฐานของ Vera Rubin นักดาราศาสตร์ผู้มีส่วนสำคัญริเริ่มการศึกษาปริศนาการหมุนของกาแล็กซีในช่วง 1970 ถึง 40 กว่าปี แต่น่าเสียดายที่การตรวจวัดอัตราการหมุนของกาแล็กซีในยุคก่อนปี 1960 นั้นล้วนถูกเข้าใจว่าเป็นการตรวจวัดที่คลาดเคลื่อนเพียงเท่านั้น กล่าวคือในเวลานั้นเชื่อว่าเป็นไปไม่ได้ที่อัตราการหมุนของกาแล็กซีวงนอกจะเท่ากับการหมุนของใจกลางกาแล็กซี ดังนั้นจึงเป็นเพียงความผิดพลาดจากการตรวจวัด

Vera Rubin, Kent Ford, และ Ken Freeman ทั้งสามคนทำการศึกษาอัตราการหมุนของกาแล็กซีกังหัน โดยใช้ Optical Spectrograph ใหม่เพื่อใช้ในการวัดความเร็วของส่วนต่าง ๆ ของกาแล็กซี ในปี 1978 การศึกษาของพวกเขายืนยันว่าพื้นที่ขอบของกาแล็กซีกับใจกลางของกาแล็กซีนั้น ดาวฤกษ์และสสารที่อยู่ในทั้งสองพื้นที่ล้วนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากันทั้งหมด งานวิจัยของพวกเขายืนยันว่าในกาแล็กซีทั้งหลายที่ตรวจวัดความเร็ว ในกาแล็กซีเหล่านั้นต้องมีมวลมากกว่าที่พวกเขาตรวจวัดได้ถึง 6 เท่า ซึ่งนั่นหมายถึงภายในกาแล็กซีต้องมีสสารที่ไม่สามารถตรวจสอบได้ถึง 6 เท่า

ภาพสรุปการถ่ายภาพ Cosmic Evolution Survey (COSMOS) เพื่อสร้างแผนที่สสารมืดในเอกภพโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

หลังจากนั้นเราเรียกปริศนาการหมุนของกาแล็กซีรวมถึงปริศนาต่าง ๆ ทั้ง อัตราการขยายตัวของเอกภพ การวัดระยะห่างของวัตถุต่าง ๆ ในเอกภพนั้นล้วนพบความผิดปกติในแบบที่ไม่ควรเกิดขึ้นได้มากมายหลายประการ ซึ่งเรารวมปริศนาทั้งหมดไว้เป็นหนึ่งเดียวว่า สสารมืด

สสารมืดนั้นถูกพิสูจน์ถึงการมีอยู่จริงในเอกภพซึ่งกว้างใหญ่ ไม่ว่าจะในกาแล็กซีน้อยใหญ่ แม้แต่กาแล็กซีของเราเอง ก็พบการมีอยู่ของความไม่ปกติซึ่งเกิดจากสสารมืด แต่กลับไม่มีใครบนโลกเคยตรวจพบมันได้แม้แต่คนเดียว

นี่จึงกลายเป็นคำถามที่ค้างคามากว่า 40 ปีถึงตัวตนที่แท้จริงของสสารมืด ว่ามันคืออะไรกันแน่

เนื่องจากการพยายามในการเทียบและตรวจจับสสารมืดกับเครื่องมือตรวจวัดและงานทางภาคทฤษฎี องค์ความรู้ในปัจจุบันเกี่ยวกับความเข้าใจในสสารมืดเพิ่มขึ้นเป็นอย่างมาก ในเวลานี้เราเข้าใจว่าสสารมืดเป็นสสารที่ไม่แสดงอันตรกิริยากับสสารใดเลยที่เรารู้จัก โอกาสที่มันจะทำปฏิกิริยากับสสารปกติที่เรารู้จักนั้นจึงน้อยมาก ๆ การจะตรวจจับหรือสัมผัสกับมันจึงเป็นเรื่องที่ยากมาก ๆ หากจะเปรียบก็คือ สสารมืดนั้นลอยผ่านอะตอมและโมเลกุลของร่างกายเราและทุกสิ่งทุกอย่างโดยไม่ทำอันตรกิริยากับอะไรเลย นั่นทำให้การศึกษาเกี่ยวกับสสารมืดเป็นเรื่องที่ท้าทายมากยิ่งขึ้น

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถ่ายภาพกาแลกซี่ NGC 1052-DF2 มีปริมาณสสารมืดมากกว่าที่ตรวจวัดได้ 400 เท่า ภาพจาก NASA

ปัจจุบันความร่วมมือในระดับนานาชาติกำลังร่วมกันพิสูจน์การมีอยู่ของสสารมืด ทั้งการพยายามสังเคราะห์สสารมืดจากการชนกันของอนุภาคในเครื่องเร่งอนุภาค LHC การใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลในการศึกษาสสารมืดที่แฝงอยู่ภายในกาแล็กซีและกระจุกดาวต่าง ๆ การสร้างกล้องโทรทรรศน์ภาพถ่ายมุมกว้างขนาดใหญ่ส่งขึ้นไปในอวกาศเพื่อถ่ายภาพความเปลี่ยนแปลงของดาวฤกษ์และกาแล็กซีจากสสารมืด รวมไปถึงความตั้งใจในการตรวจจับสสารมืดโดยตรงผ่านการขุดภูเขาติดตั้งเครื่องตรวจจับสสารมืดด้วยการใช้คุณสมบัติของคริสตัลที่มีความหนาแน่นเพื่อเพิ่มโอกาสในการชนของสสารมืดกับสารภายในผลึกของคริสตัล ซึ่งสิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นเพียงในโซนของฝั่งทางตะวันตกเท่านั้น ยังมีความร่วมมือในการศึกษาในฝั่งของทางตะวันออกทั้งญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และจีน

ล่าสุด เครื่องตรวจจับสสารมืดใต้ภูเขา Jinping ในมณฑลเสฉวน ของประเทศจีน (China Jinping Underground Laboratory) ซึ่งดำเนินการตรวจจับอนุภาค WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) ที่เป็นหนึ่งในอนุภาคที่คาดว่าน่าจะเป็นสสารมืด

ภาพเปรียบเทียบการหมุนของแขนกาแลกซี่ ภาพซ้ายคือข้อมูลการหมุนที่สามารถตรวจวัดได้ ความเร็วของแขนที่อยู่ใกล้จากใจกลางมีความเร็วของการหมุนเทียบเท่าใจกลาง ภาพขวาคือภาพเปรียบเทียบการหมุนของกาแลกซี่

สิ่งหนึ่งที่ได้จากการพัฒนาอุปกรณ์เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในงานฟิสิกส์ทฤษฎี เช่น การตรวจจับสสารมืด ไม่ได้เป็นเพียงงานวิทยาศาสตร์เพื่อความจรรโลงใจเพียงเท่านั้น แต่งานวิทยาศาสตร์เหล่านี้ต้องการใช้งานเทคโนโลยีขั้นสูงในการตอบคำถามเหล่านี้อีกด้วย เช่น เทคโนโลยีการตรวจจับสสารมืดด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศมุมกว้าง เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศยูคลิด ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์มุมมองกว้าง ถูกตั้งเป้าหมายเพื่อทำแผนที่สสารมืดในเอกภพ ซึ่งต้องสร้างเทคโนโลยีใหม่เพื่อรองรับภาพถ่ายเอกภพในมุมมองกว้างที่สามารถสร้างภาพที่มีความละเอียดได้ถึง 600 เมกะพิกเซล สำหรับภาพถ่ายหนึ่งภาพ ซึ่งภาพถ่ายที่มีความละเอียดสูงระดับนี้ ต้องสร้างเทคโนโลยีระดับสูงเพื่อรองรับการทำงาน ทำให้เกิดเทคโนโลยีการประมวลผลภาพและการวิเคราะห์องค์ประกอบของภาพใหม่ที่มีความล้ำสมัยมากยิ่งขึ้น และการกระทำเหล่านี้ยังก่อให้เกิดความร่วมมือระหว่างนานาชาติมากยิ่งขึ้น เช่น โครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศ XRISM ของ JAXA ประเทศญี่ปุ่นนั้นก็เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ญี่ปุ่นได้รับความร่วมมือทางด้านองค์ความรู้และอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ทั้งจาก NASA และ ESA

ซึ่งการตามหาสสารมืดยังคงต้องดำเนินการตามหาต่อไป แต่ระหว่างทางในการศึกษาเกี่ยวกับสสารมืดทำให้เราได้เรียนรู้และสร้างสรรค์สิ่งใหม่ ๆ ให้กับมนุษยชาติมากมาย

เรียบเรียงโดย : จิรสิน อัศวกุล

🎧 อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

“สสารมืด” คืออะไร ? เมื่อไรเราจะเข้าใจเสียที