นักวิทยาศาสตร์อาจไขปริศนาที่มาของสสารมืดได้แล้ว

นักวิทยาศาสตร์เฝ้ามองและสังเกตกาแล็กซีทั้งหลายด้วยความฉงนสงสัยตลอดมา โดยเฉพาะกาแล็กซีที่มีรูปร่างแบบกังหัน ว่าเพราะเหตุใดดวงดาวที่อยู่ไกลจนสุดขอบแขนกังหัน กับดวงดาวที่อยู่ใกล้ใจกลางกาแล็กซี ถึงได้มีความเร็วในการโคจรไปรอบกาแล็กซีแทบไม่แตกต่างกันเลย

เพราะหากเรามองการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีตามกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 หรือกฎฮาร์มอนิก (p2/a³= k) เราจะพบว่า หากมวลส่วนใหญ่ของกาแล็กซีไปกองรวมกันอยู่ที่บริเวณใจกลางแล้ว ความเร็วที่ปลายแขนของกาแล็กซีควรจะช้ากว่าบริเวณใกล้ใจกลางจึงจะสอดคล้องกับกฎนี้

ลักษณะประหลาดแบบนี้เกิดกับกาแล็กซีกังหันหลายแห่งในการวิเคราะห์ เช่น NGC 4378, NGC 3145, NGC 1620 หรือ NGC 7664 และแม้แต่กาแล็กซีทางช้างเผือกที่พวกเราอาศัยอยู่ก็มีลักษณะดังที่กล่าวมาด้วย (ตามกราฟด้านบน)

นักวิทยาศาสตร์ต่างหาเหตุผลมาอธิบายความแปลกประหลาดที่พบนี้ และหนึ่งในทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคือ น่าจะมีสสารจำนวนมากแทรกตัวอยู่ทั่วกาแล็กซี คอยยืดโยงวัตถุต่างๆ เอาไว้ แต่สสารดังกล่าวไม่ใช่ธาตุที่เรารู้จัก มันไม่ปรากฏให้เห็น และตรวจวัดไม่ได้ไม่ว่าจะใช้วิธีใดก็ตาม สสารนี้จึงได้รับชื่อเรียกตามลักษณะของมันว่า ‘สสารมืด’ (Dark Matter)

หลังจากทฤษฎีสสารมืดถือกำเนิดขึ้น เหล่านักวิทยาศาสตร์ต่างระดมสมองและวิธีการทั้งหมดทั้งมวลเพื่อพิสูจน์ว่าสสารลึกลับนี้มีอยู่จริง เช่น การสร้างเครื่องตรวจจับใต้ภูเขา การใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุภาคพื้นดินขนาดใหญ่ หรือการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศมุมกว้างที่สร้างขึ้นเพื่อค้นหาสสารมืดโดยเฉพาะ ฯลฯ แต่ก็ยังไม่สามารถตรวจจับสสารมืดได้ แม้กระนั้น สสารมืดก็ยังคงแสดงตัวให้เรารู้ว่ามันมีอยู่จริงผ่านการคำนวณทางแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เช่น แบบจำลองแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม (Λ-CDM) ที่ระบุออกมาว่า ในจักรวาลมีสสารปกติอยู่เพียง 5% แต่มีสสารมืดอยู่มากกว่าถึง 5 เท่า นั่นคือ 26.8% ที่เหลือนอกจากนั้นเป็นพลังงานมืด

ล่าสุดทีมวิจัยจากสถาบัน MIT นำโดย เอลบา อลอนโซ-มอนซัลเว (Elba Alonso-Monsalve) และ ศ.เดวิด ไอ. ไกเซอร์ (David I. Kaiser) เปิดเผยแนวคิดใหม่ที่มีความเป็นไปได้สูงว่า แท้จริงแล้วเหตุผลที่เราหาสสารมืดไม่พบ ก็เพราะมันคือหลุมดำขนาดซูเปอร์จิ๋วที่ก่อตัวขึ้นตั้งแต่ช่วงเวลาเพียงหนึ่งในล้านล้านล้านวินาทีแรก (Quintillionth) หลังเหตุการณ์บิ๊กแบงที่ให้กำเนิดจักรวาลนั่นเอง

หลุมดำโดยทั่วไปที่เรารู้จักในทุกวันนี้คือหลุมดำขนาดใหญ่ที่เกิดจากการยุบตัวของดวงดาว หรือไม่ก็เป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดที่พบได้ตามใจกลางกาแล็กซีต่างๆ แต่หลุมดำในงานวิจัยของเอลบากลับมีขนาดเล็กเท่าอะตอมเท่านั้น

สสารโดยทั่วไปที่เรารู้จักทุกวันนี้ เช่น ร่างกายของเรา โทรศัพท์มือถือ เสื้อผ้า อากาศ น้ำ ล้วนแล้วแต่ประกอบขึ้นด้วยโมเลกุล โมเลกุลประกอบด้วยอะตอม และอะตอมประกอบด้วยอิเล็กตรอนและนิวเคลียส

ตัวของอิเล็กตรอนนั้นเป็นอนุภาคมูลฐาน หมายถึงแยกย่อยต่อไปไม่ได้แล้ว ส่วนนิวเคลียสซึ่งมี 2 อนุภาคอยู่ร่วมกันอันได้แก่โปรตอนและนิวตรอน ยังสามารถแยกย่อยลงไปได้อีก นั่นคือทั้งโปรตอนและนิวตรอนสามารถแยกได้เป็นอนุภาคมูลฐานที่เรียกว่าควาร์กและกลูออนตามภาพด้านบน

กลูออนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีรูปร่างคล้ายสปริงตามภาพด้านบน ทำหน้าที่ยึดเหนี่ยวอนุภาคมูลฐานควาร์กจำนวน 3 อนุภาคเข้าด้วยกัน ควาร์กจะมีคุณสมบัติหนึ่งคือ ‘สี’

โดยนักวิทยาศาสตร์กำหนดสีของควาร์กออกตามแม่สี 3 สี ได้แก่ สีแดง สีเขียว สีน้ำเงิน เพื่อให้สามารถรวมกันเป็น ‘สีขาว’ หลังเชื่อมต่อกันเป็นโปรตอนหรือนิวตรอน นอกจากนี้ยังมีควาร์กที่มีค่าประจุเป็นลบ หรือ ‘ปฏิควาร์ก’ กำหนดให้มีสีอีก 3 สี ได้แก่ สีเหลือง สีฟ้าไซแอน และสีบานเย็นมาเจนต้า รวมกันแล้วได้เป็นสีดำ ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับควาร์กประจุบวกพอดี

แม้ว่าควาร์กและกลูออนในทุกวันนี้ไม่อาจดำรงสภาพเป็นอนุภาคเดียวโดดๆ ได้ แต่ควาร์กในสมัยก่อกำเนิดจักรวาลไม่เป็นเช่นนั้น

หลังเหตุการณ์บิ๊กแบงใหม่ๆ จักรวาลมีอุณหภูมิสูงยิ่งยวด ทำให้อนุภาคมูลฐานอย่างควาร์กสามารถดำรงสภาพเป็นอนุภาคอิสระเคลื่อนที่ไปมาได้ ควาร์กสมัยปฐมกาลนี้เองที่ยุบรวมกันกลายเป็นหลุมดำซูเปอร์จิ๋วที่มีมวลพอๆ กับดาวเคราะห์น้อย แต่กลับมีขนาดเล็กเท่าอะตอม

ทีมงานของเอลบาคาดว่าหากหลุมดำสมัยปฐมกาลเหล่านี้มีจำนวนมากเพียงพอที่จะไม่สลายไปในช่วงหลังบิ๊กแบง กล่าวคือหากยังคงอยู่มาจนถึงทุกวันนี้ หลุมดำเหล่านี้ซึ่งตัวมันคือ ‘มวลที่มองไม่เห็น’ ก็อาจกลายมาเป็นสสารมืดที่เรากำลังค้นหามันอยู่ก็เป็นได้

ระหว่างการก่อตัวของหลุมดำซูเปอร์จิ๋วนี้ ยังมีการก่อตัวตามมาของหลุมดำที่เล็กยิ่งกว่านั้นเป็นผลพลอยได้ หลุมดำขนาดเล็กมากนี้มีมวลเท่า ‘แรด’ หนึ่งตัว แต่มีขนาดเล็กเท่าโปรตอนเท่านั้น และมันยังคงคุณสมบัติของ ‘สี’ รวมทั้งประจุของควาร์กเอาไว้

ทีมงานคาดว่าหลังจากจักรวาลเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วเพื่อให้กำเนิดนิวเคลียสของอะตอม คุณสมบัติของหลุมดำสีขนาดเล็กเท่าโปรตอนนี้ อาจยังฝากร่องรอยเอาไว้ในนิวเคลียสก็เป็นได้ และหากเป็นอย่างนั้นจริงนักวิทยาศาสตร์อาจตรวจพบร่องรอยนี้ได้ในอนาคต เพื่อเป็นหลักฐานยืนยันทฤษฎีนี้

ทีมงานตีพิมพ์ผลการศึกษาครั้งนี้ลงในวารสาร Journal ฉบับวันที่ 6 มิถุนายน 2024 

ภาพ: Artsiom P via Shutterstock

อ้างอิง:

• https://edition.cnn.com/2024/06/17/science/black-holes-dark-matter-scn/index.html
• https://news.mit.edu/2024/exotic-black-holes-could-be-dark-matter-byproduct-0606