แกแลคซีที่ไร้สสารมืด

11-09-2019 อ่าน 3,617
          สสารมืด (dark matter) คือสิ่งที่นักฟิสิกส์ใช้อธิบายพฤติกรรมของแกแลคซีที่ไม่ลงตัวตามหลักแรงโน้มถ่วง จากการคำนวณ นักฟิสิกส์สรุปว่าอาจมีสสารมืดเป็นองค์ประกอบของจักรวาลในสัดส่วนถึง 80-85%


          จากกฎข้อที่สามของเคปเลอร์ ที่ทำให้เรารู้ว่ายิ่งไกลจากศูนย์กลางการโคจรเท่าไหร่ มวลจะเคลื่อนที่ช้าลง แต่จากการตรวจวัดค่าความเร็วของมวลที่ขอบแกแลคซีส่วนมากนั้นพบว่า ไม่ได้แตกต่างจากความเร็วของมวลที่อยู่ใกล้ใจกลางแกแลคซีเลย* นั่นหมายความว่า ในแกแลคซีนั้นจะต้องได้รับอิทธิพลจากมวลที่มองไม่เห็นหรือตรวจวัดไม่ได้ แต่มันกลับส่งแรงโน้มถ่วงมาทำให้มวลรอบนอกมีความเร็วมากกว่าปกติ [1] ดังความสัมพันธ์ตามกราฟในรูปที่ 1 นอกจากนี้ยังมีหลักฐานอีกหลายอย่างที่ยืนยันการมีอยู่ของสสารมืด เช่น การหักเหของแสงเนื่องจากความโน้มถ่วง (gravitational lensing) จากการพิจารณาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป วัตถุที่มีมวลมาก ๆ เช่น กระจุกแกแลคซีที่ขวางอยู่ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงที่อยู่ไกล ๆ กับผู้สังเกต จะทำตัวเหมือนเลนส์ที่หักเหทิศทางการเคลื่อนที่ของแสง ยิ่งวัตถุนั้นมีมวลมากเท่าไหร่ ผลจากการหักเหก็มากเท่านั้น แต่เมื่อนักดาราศาสตร์ทำการคำนวณมวลที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์นี้ เทียบกับมวลที่ตรวจวัดได้จริง กลับพบว่ามีมวลที่ขาดหายไป ซึ่งสัญนิษฐานกันว่าคือ มวลของสสารมืด จริงๆ แล้วสสารมืดไม่ได้ทำให้แสงหักเหด้วยตัวของมันเอง แต่ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป มวลของมันทำให้กาลอวกาศโค้ง และแสงเดินทางตามเส้นทางที่สั้นที่สุดบนกาลอวกาศที่โค้งนั้น ทำให้ผู้สังเกตเห็นแสงเดินทางบิดเบี้ยวไปจากที่ควรจะเป็น [2]



รูปที่ 1 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วของดาวกับระยะทางจากศูนย์กลางการโคจร เส้นประแสดงความสัมพันธ์จากการประเมินตามทฤษฎี และเส้นทึบแสดงความสัมพันธ์จากข้อมูลที่ได้จากการสังเกต [3] 

 
          แต่เมื่อเดือนมีนาคมปี 2018 นักดาราศาสตร์พบแกแลคซีที่แทบจะไม่มีสสารมืดอยู่เลย คือความเร็วที่ตรวจวัดได้สอดคล้องกับหลักการทางฟิสิกส์ทุกอย่าง [4] แกแลคซีนั้นมีชื่อว่า NGC 1052-DF2, มีสสารมืดอย่างมากที่สุด 1 ใน 400 ของปริมาณที่เคยคาดการณ์ไว้ แกแลคซีนี้มีขนาดใหญ่เท่ากับทางช้างเผือกของเรา แต่กลับมีจำนวนดาวฤกษ์เพียง 1 ใน 200 เท่านั้น ทำให้เป็นแกแลคซีขนาดใหญ่ที่ดูสลัว นักดาราศาสตร์จึงจัด NGC 1052-DF2 เป็นแกแลคซีที่กระจัดกระจายมาก (ultra-diffuse galaxy) โดยพบพฤติกรรมแปลก ๆ นี้จากการสำรวจกระจุกแกแลคซี Coma ตั้งแต่ปี 2015 


          แวน ด็อกคัม (Van Dokkum) และทีมงานทำการตรวจวัดการเคลื่อนที่ของกลุ่มดาวฤกษ์ 10 กลุ่ม ในแกแลคซีนี้พบว่า กลุ่มดาวฤกษ์พวกนี้มีความเร็วค่อนข้างต่ำ แต่โดยทั่วไปดาวและกระจุกดาวที่ขอบนอกของแกแลคซีที่มีสสารมืดอยู่นั้น มีความเร็วมากกว่านี้อย่างน้อยสามเท่า ข้อมูลจากการวัดทำให้สามารถคำนวณมวลของแกแลคซีนี้ได้ ซึ่งใกล้เคียงกับมวลของดาวที่ตรวจวัดได้รวมกัน นั่นคือไม่มีที่เหลือให้สสารมืดแล้ว


          ทีมวิจัยได้ทำการตรวจวัดเพิ่มเติมพบว่า แกแลคซีนี้ไม่ได้รับอิทธิพลจากแกแลคซีอื่น และสามารถระบุที่ตั้งของแกแลคซีนี้ รวมทั้งหาระยะห่างจากโลกได้อย่างแม่นยำ ภาพจากกล้องฮับเบิลทำให้เห็นลักษณะที่ไม่เคยมีใครพบมาก่อน นั่นคือเราจะเห็นแกแลคซีอื่นเป็นฉากหลังของแกแลคซีนี้ คือมันเป็นแกแลคซีแบบซีทรูนั่นเอง มันมีรูปร่างเป็นทรงกลม ไม่พบศูนย์กลางแกแลคซี ไม่พบแขนกังหัน และก็ดูไม่เหมือนแกแลคซีแบบทรงรีด้วย แถมไม่มีหลุมดำที่ใจกลางอีกต่างหาก** 


          ข้อสันนิษฐานของทีมวิจัยย้อนกลับไปตอนกำเนิดแกแลคซีนี้ ซึ่งเป็นแกแลคซีบริวารของแกแลคซี NGC 1052 และได้ทำการศึกษาแกแลคซีแบบเดียวกันอีก 23 อัน พบว่ามี 3 แกแลคซี ที่มีพฤติกรรมเหมือน NGC 1052-DF2


          "แกแลคซีที่เรารู้จักทั้งหมดก่อนหน้านี้มีสสารมืดทั้งนั้น และทั้งหมดก็เป็นแกแลคซีแบบกังหันหรือทรงรี" แวน ด็อกคัม (Van Dokkum) กล่าว "แต่เราจะได้อะไร ถ้ารู้ว่าไม่มีสสารมืดอยู่เลย? บางทีนั่นอาจเป็นคำตอบในตัวมันเองก็เป็นได้"



รูปที่ 2 แกแลคซีที่ดูสลัวนี้มีความกระจัดกระจายของดวงดาวสูงมาก จนนักดาราศาสตร์พากันเรียกว่าแกแลคซี “ซีทรู” เพราะสามารถมองเห็นแกแลคซีเบื้องหลังที่อยู่ห่างไกลได้อย่างชัดเจน แกแลคซีประหลาดนี้ได้ชื่อว่า NGC 1052-DF2, มันไม่มีศูนย์กลางที่แน่ชัด แม้แต่แขนกังหันหรือจานก็ไม่มี และไม่เหมือนแกแลคซีทรงรีทั่วไปด้วย มันเป็นกระจุกดาวทรงกลมที่ประหลาด มีขนาดใหญ่เป็นสองเท่าของกลุ่มดาวฤกษ์ที่พบทั่วไปในแกแลคซีอื่น ๆ แต่ทั้งหมดทั้งมวลนี้ก็ยังไม่แปลกประหลาดเท่าการค้นพบที่ว่า NGC 1052-DF2 แทบจะไม่มีสสารมืดอยู่เลย
Credits: NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University)



          ทีมวิจัยนี้ยังได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาอีก 2 เรื่อง ในเดือนมีนาคม 2019 เรื่องหนึ่งเป็นการยืนยันว่า NGC 1052-DF2 ไม่มีสสารมืด (หรือมีน้อยมาก) ด้วยวิธีใหม่ [5] และอีกเรื่องหนึ่งเป็นการศึกษาแกแลคซีในกลุ่มเดียวกันที่ชื่อ NGC 1052-DF4 และยืนยันว่าไม่พบสสารมืด (หรือมีน้อยมาก) เช่นกัน [6] 


ข้อโต้แย้ง
          มิถุนายน 2019 ทีมวิจัยอีกกลุ่มหนึ่ง นำโดย Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) ได้ตีพิมพ์การศึกษา [7] โต้แย้งงานของทีมแวนด็อกคัม (Van Dokkum) โดยพบว่าผลการศึกษา NGC 1052-DF2 ของเขาและทีมงานนั้นอ้างอิงจากระยะห่าง 64 ล้านปีแสงจากโลก ทีมวิจัยจึงได้คำนวณระยะห่างใหม่โดยใช้ 5 วิธี เช่น โฟโตเมตรีจากกล้องโทรทัศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) และ หอสังเกตการณ์เจมิไน (Gemini Observatory) ทุกวิธีให้ผลไปทางเดียวกันคือ NGC 1052-DF2 อยู่ใกล้โลกกว่าที่ใช้งานวิจัยก่อนหน้านี้มาก จากการคำนวณซ้ำหลายครั้ง พบว่าระยะทางที่แม่นยำขึ้นนั้นมีค่าประมาณ 42 ล้านปีแสง


          เมื่อใช้ระยะทางใหม่นี้ในการคำนวณอีกครั้ง มวลของแกแลคซีก็จะลดลงครึ่งหนึ่ง มวลของดาวก็จะเหลือหนึ่งในสี่ เมื่อเทียบสัดส่วนแล้วมวลของสสารปกติก็ลดลงด้วย ดังนั้นมวลส่วนที่เหลือจึงเป็นของสสารมืด โดยงานวิจัยนี้โต้แย้งงานวิจัยเดิมที่ระบุว่า แกแลคซี NGC 1052-DF2 ไม่มีสสารมืดหรือมีอยู่น้อยมาก เพราะดาวรอบนอกมีความเร็วช้าเกินไป แต่เมื่อใช้ระยะทางใหม่ และคำนวณมวลใหม่ ความเร็วที่ตรวจวัดได้นั้นจึงถือว่าปกติ


          ขณะนี้ทีมวิจัยที่นำโดย ICA กำลังประมวลผลการศึกษาในกรณีแกแลคซี NGC 1052-DF4 ซึ่งก็คาดว่าจะได้ผลแบบเดียวกัน คือ อยู่ใกล้กว่า มวลน้อยกว่า และมีสสารมืด เหมือนแกแลคซีประเภทเดียวกันอื่น ๆ  


         สสารมืดยังคงเป็นปริศนาทางดาราศาสตร์ ที่แม้จะมีหลักฐานจากการสังเกตมากมายมาสนับสนุนแนวคิดนี้ แต่พฤติกรรมของมันก็ยังเป็นที่สับสน เรายังไม่สามารถตรวจวัดมันได้โดยตรง นักฟิสิกส์บางกลุ่มเสนอแนวคิดว่ามันอาจเป็นอนุภาคมูลฐานตัวอื่น ๆ ที่เรายังไม่ค้นพบที่เรียกกันว่า “อนุภาคที่มีมวลมากแต่ทำอันตรกริยาแบบอ่อน ๆ” (weakly-interacting massive particles, WIMPs) บ้างก็โต้แย้งถึงความสอดคล้องกับหลาย ๆ ทฤษฎีทางฟิสิกส์ หรือสุดท้ายแล้ว เราต้องการทฤษฎีใหม่ ๆ ในการอธิบายเรื่องสสารมืดนี้


เชิงอรรถ
          * วัดจากความสว่าง
       * * นักดาราศาสตร์พบหลุมดำขนาดใหญ่ (supermassive black holes : SMBH หรือ SBH ) ที่ใจกลางของแกแลคซีขนาดใหญ่แทบทุกอัน
 
เรียบเรียงโดย

นายวราวุธ สอาดสิน

สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏเทพสตรี อ.เมือง จ.ลพบุรี


อ้างอิง
  • 1.    UOregon. Cosmology Course Web Page.  [cited 2019; Available from: http://abyss.uoregon.edu/~js/cosmo/lectures/lec17.html.
  • 2.    Annenberg.Foundation. Physics for the 21st Century 2017  [cited 2019; Available from: https://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=10&secNum=4.
  • 3.    UOregon. How did Galaxies Form.  [cited 2019; Available from: http://zebu.uoregon.edu/1999/ph123/lec08.html.
  • 4.    Hille, K. Dark Matter Goes Missing in Oddball Galaxy. 2018  [cited 2019; Available from: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/dark-matter-goes-missing-in-oddball-galaxy.
  • 5.    Shany Danieli, P.v.D., Charlie Conroy, Roberto Abraham, and Aaron J. Romanowsky, Still Missing Dark Matter: KCWI High-resolution Stellar Kinematics of NGC1052-DF2. The Astrophysical Journal Letters, 2019. 874(2).
  • 6.    Pieter van Dokkum, S.D., Roberto Abraham, Charlie Conroy, and Aaron J. Romanowsky, A Second Galaxy Missing Dark Matter in the NGC 1052 Group. The Astrophysical Journal Letters, 2019. 874(1).
  • 7.    Ignacio Trujillo, M.A.B., Alejandro Borlaff,  Eleazar R Carrasco, Arianna Di Cintio,  Mercedes Filho,  Matteo Monelli,  Mireia Montes, Javier Román,  Tomás Ruiz-Lara,  Jorge Sánchez Almeida,  David Valls-Gabaud, and Alexandre Vazdekis, A distance of 13 Mpc resolves the claimed anomalies of the galaxy lacking dark matter. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2019. 486(1).