อาจมีอนุภาคใหม่ พลังงานใหม่ และแม้แต่ “บิ๊กแบงมืด” (แต่เรื่องนี้ยังเป็นเพียงสมมุติฐานเท่านั้น ยังอีกห่างไกลกับคำว่า fact)

จักรวาลที่เรามองไม่เห็น

คุณทราบหรือไม่ว่าสิ่งที่เรามองเห็นได้ในจักรวาล เช่น ดาวเคราะห์ ดวงดาว กาแล็กซี และแม้แต่มนุษย์เอง คิดเป็นเพียง 5% ของจักรวาลทั้งหมด? ส่วนที่เหลือของจักรวาลเป็นปริศนาขนาดใหญ่ที่แบ่งออกเป็นสองส่วน

พลังงานมืด (Dark Energy): คิดเป็น 68% ของเอกภพ พลังงานชนิดนี้ทำหน้าที่ดันพื้นที่ว่างของจักรวาลออกจากกัน
สสารมืด (Dark Matter): คิดเป็น 27% ของเอกภพ แม้จะไม่สามารถมองเห็นได้ แต่นักวิทยาศาสตร์รู้ว่ามันมีอยู่จากพฤติกรรมของกาแล็กซี
(ตัวเลขเหล่านี้มาจากการวิเคราะห์ความไม่สมดุลของแรงโน้มถ่วงและการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งยืนยันผ่านการศึกษาคลื่นไมโครเวฟพื้นหลัง (CMB) และซุปเปอร์โนวา)

สสารมืดคืออะไร?
สสารมืดไม่ได้ปล่อยแสงหรือพลังงานใด ๆ ที่เราสามารถตรวจจับได้ แต่นักดาราศาสตร์สังเกตเห็นว่ากาแล็กซีหมุนเร็วกว่าที่ควรจะเป็น หากอ้างอิงจากกฎฟิสิกส์ กาแล็กซีเหล่านี้ควรแตกกระจายออกจากกันเนื่องจากแรงเหวี่ยง แต่นั่นไม่ได้เกิดขึ้น หมายความว่ามีมวลที่เรามองไม่เห็นอยู่ในกาแล็กซี ซึ่งช่วยสร้างแรงโน้มถ่วงที่ยึดทุกสิ่งไว้ นักวิทยาศาสตร์จึงคาดว่า จะต้องมีมวลจากสสารที่เรามองไม่เห็น ซึ่งก็คือสสารมืด

ทฤษฎีที่ใช้มานาน สสารมืดเย็น (CDM)

ตลอดหลายสิบปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ใช้ทฤษฎี “สสารมืดเย็น” (Cold Dark Matter หรือ CDM) เพื่ออธิบายสสารมืด

CDM เสนอว่าสสารมืดคืออนุภาคที่เคลื่อนที่ช้ามากเมื่อเทียบกับความเร็วแสง และมีปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่น ๆ ผ่านความโน้มถ่วงเป็นหลัก

CDM มีส่วนสำคัญในแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาลวิทยา โดยทำงานร่วมกับแนวคิด “แลมบ์ดา” (Λ) ที่ใช้อธิบายพลังงานมืด ทฤษฎีนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจำลองการก่อตัวของกาแล็กซีและโครงสร้างขนาดใหญ่ในจักรวาลได้อย่างแม่นยำ

ปัญหาของ CDM

แม้ CDM จะทำหน้าที่ได้ดีในระดับใหญ่ แต่มันเริ่มแสดงข้อบกพร่องเมื่อใช้อธิบายโครงสร้างในระดับเล็ก เช่น

• CDM คาดการณ์ว่าสสารมืดควรสะสมตัวในแกนกลางของกาแล็กซีจนมีความหนาแน่นสูงมาก แต่ความจริงแล้ว ความหนาแน่นของสสารมืดกลับลดลงและคงที่เมื่อเข้าใกล้ใจกลาง หรือที่เรียกว่า ปัญหาของแกนกลาง (core-cusp problem)
  
• CDM คาดการณ์ว่ากาแล็กซีขนาดใหญ่อย่างทางช้างเผือกควรมีบริวารนับพัน แต่ในความเป็นจริง ทางช้างเผือกมีเพียงไม่กี่กาแล็กซีบริวาร และบริวารเหล่านั้นยังเล็กกว่าที่ทฤษฎีคาดไว้ หรือที่เรียกว่า ปัญหาบริวารขาด (missing satellites problem)

แนวคิดใหม่ สสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์ในตัวเอง (SIDM)

ด้วยข้อบกพร่องของ CDM นักฟิสิกส์เริ่มหันมาสนใจแนวคิดใหม่ที่เรียกว่า “สสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์ในตัวเอง” (Self-Interacting Dark Matter หรือ SIDM) ทฤษฎีนี้เสนอว่า สสารมืดไม่ได้มีเพียงแค่อนุภาคเดียว แต่ประกอบด้วยอนุภาคมืดหลายชนิดและแรงมืดหลากหลายรูปแบบที่ทำปฏิสัมพันธ์กัน
อาจมี “แรงมืด” ใหม่ที่คล้ายกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ส่งผลต่อ “อิเล็กตรอนมืด” ซึ่งเป็นอนุภาคมืดที่แลกเปลี่ยน “โฟตอนมืด” ที่อาจมีมวล

โฟตอนมืด (dark photon) เป็นอนุภาคสมมุติฐานที่สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสสารมืดในรูปแบบเฉพาะ เช่น การแลกเปลี่ยนพลังงานหรือแรง​​.
SIDM แก้ปัญหา CDM ได้อย่างไร? SIDM ช่วยอธิบายปรากฏการณ์ที่ CDM อธิบายไม่ได้ เช่น

• ในกาแล็กซี สสารมืดที่มีปฏิสัมพันธ์ในตัวเองจะกระจายตัวเหมือนโมเลกุลในลูกโป่ง สร้างแรงดันที่ป้องกันไม่ให้สสารมืดสะสมตัวจนมีความหนาแน่นสูงเกินไป
  
• SIDM ยังอธิบายว่าทำไมกาแล็กซีบริวารถึงมีน้อยกว่าและเล็กกว่าที่ CDM คาดการณ์ไว้

ดาวมืด หลักฐานใหม่ของ SIDM

ในปี 2023 Dr. Katherine Freese และทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทกซัส ค้นพบวัตถุสามชิ้นในข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ JWST ซึ่งอาจเป็น “ดาวมืด” (Dark Stars) วัตถุเหล่านี้มีอายุเก่าแก่ สว่าง และกะทัดรัดเพียงพอ

ดาวมืดคืออะไร? ดาวมืดไม่ใช่ดาวแบบที่เราคุ้นเคย แต่เป็นก้อนก๊าซขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยสสารมืดและปฏิสสารมืดที่ทำลายล้างกันอย่างต่อเนื่อง พลังงานที่ปลดปล่อยออกมามากกว่าการหลอมรวมทางนิวเคลียร์หลายเท่า ทำให้ก๊าซเหล่านี้ส่องสว่างราวกับกาแล็กซี

หากดาวมืดได้รับการยืนยัน มันจะช่วยแยกความแตกต่างระหว่าง CDM และ SIDM ได้อย่างชัดเจน

บิ๊กแบงมืด จุดกำเนิดที่สองของจักรวาล

ดร.ฟรีซยังเสนอแนวคิดว่า สสารมืดอาจไม่ได้เกิดพร้อมกับสสารปกติในช่วงบิ๊กแบง แต่เกิดขึ้นในเหตุการณ์ “บิ๊กแบงมืด” ซึ่งเป็นการปลดปล่อยพลังงานครั้งใหญ่ที่เกิดขึ้นหลังจากบิ๊กแบงดั้งเดิมหลายเดือน

หากบิ๊กแบงมืดมีอยู่จริง มันจะทิ้งร่องรอยไว้ในคลื่นความโน้มถ่วงที่แพร่กระจายไปทั่วจักรวาล และอาจตรวจจับได้ด้วยเครื่องตรวจจับในอนาคต

การค้นหาที่ยังไม่สิ้นสุด

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถเปิดเผยความลับของสสารมืดได้ แต่เครื่องตรวจจับใหม่ ๆ เช่น FASER ที่ LHC และ SuperCDMS ในแคนาดา อาจช่วยค้นหาเบาะแสใหม่เกี่ยวกับสสารมืด โดยเฉพาะ SIDM

แม้คำตอบสุดท้ายยังไม่ชัดเจนว่า SIDM ถูกต้องหรือไม่ แต่แนวคิด SIDM ช่วยสร้างภาพของจักรวาลที่น่าตื่นเต้นให้เราได้ติดตาม จักรวาลที่อาจมีนักดาราศาสตร์จาก “อะตอมมืด” กำลังสงสัยถึงการขาดหายไปของสสารปกติในจักรวาลของพวกเขาเอง ที่เรามองไม่เห็นพวกเขา และพวกเขาก็มองไม่เห็นเรา แต่พวกเราทั้งหมด ถูกเชื่อมต่อกันด้วยความโน้มถ่วงในกาลอวกาศเดียวกัน

ที่มา
https://www.economist.com/science-and-technology/2024/03/06/physicists-are-reimagining-dark-matter

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305762120

https://arxiv.org/abs/2205.10904