สสารมืดอะไรซ่อนอยู่และทำไมนักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถพิสูจน์การมีอยู่ของมันได้

ในเรื่องที่เกี่ยวกับธรรมชาติและคุณสมบัติของสสารมืดนักดาราศาสตร์ได้จนถึงขณะนี้อยู่ในช่วงเริ่มต้น

การศึกษาก่อนอื่นเพราะความเป็นจริงของการดํารงอยู่ของมันยังคงอยู่ไม่ได้รับการพิสูจน์

ทฤษฎีเกี่ยวกับการมีอยู่ของสารชนิดนี้ก็คือหยิบยกมามากกว่า 40 ปีที่แล้วเพื่อเป็นคำอธิบายถึงความแตกต่างระหว่างมวลของวัตถุที่มองเห็นได้ทั้งหมดในกาแลคซีกับมวลของกาแลคซีเอง นักดาราศาสตร์ Vera Rubin ผู้ค้นพบความคลาดเคลื่อนนี้เป็นครั้งแรก ได้พิจารณาว่าสสารที่มองไม่เห็นนี้เป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปอย่างยิ่งและประกอบเป็นส่วนใหญ่ของจักรวาล วันนี้เรารู้จักสารนี้ว่าเป็นสสารมืด

เวรา รูบิน. ภาพ: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu

แม้ว่านักดาราศาสตร์จะมีอย่างน้อยสามหลักฐานว่าสสารมืดมีอยู่ไม่มีความพยายามในการตรวจสอบหลักฐานโดยตรงของการดำรงอยู่ของมันและเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติของมันไม่ประสบความสำเร็จ

อย่างไรก็ตามผลงานของนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยลนำโดย Peter van Dokkum ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ในเดือนมีนาคม 2018 นักวิทยาศาสตร์มากขึ้นกว่าที่เคยนำนักวิทยาศาสตร์เข้ามาใกล้เพื่อค้นหาหลักฐานการมีอยู่ของสารนี้อีก

นักดาราศาสตร์รู้อะไรเกี่ยวกับสสารมืด

สสารมืดเป็นสารที่ไม่ได้เป็นมีปฏิสัมพันธ์กับเรื่องอื่น ๆ โดยใช้วิธีแม่เหล็กไฟฟ้า (EM) หรือกองกำลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง การไม่มีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าหมายความว่ามันไม่สามารถเปล่ง, ดูดซับ, สะท้อน, หักเหหรือกระจายแสง แน่นอนว่านี่เป็นเรื่องที่ค่อนข้างซับซ้อนสำหรับการสังเกต อย่างไรก็ตามประมาณ 85% ของสสารทั้งหมดในจักรวาลเป็นสสารมืด

จนถึงขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีหลักฐานที่เป็นประโยชน์ว่าสสารมืดมีอยู่จริง แต่มีทฤษฎี นี่คือสามหลัก

ทางโค้งหมุนของกาแลคซี

เมื่อวัตถุหนึ่งหมุนรอบวัตถุอื่นวัตถุที่อยู่ในวงโคจรจะต้องเร่งไปที่ใจกลางอย่างต่อเนื่อง หากไม่มีการเร่งความเร็วนี้ร่างกายของวงก็จะบินหนีไป

ยิ่งร่างกายเคลื่อนไหวเร็วเท่าไหร่จำเป็นต้องเร่งความเร็วมากขึ้นเพื่อให้มันอยู่ในวงโคจร เนื่องจากในกรณีนี้การเร่งความเร็วเกิดจากแรงโน้มถ่วงนั่นหมายความว่ามวลส่วนกลางจะต้องใหญ่กว่า

ความรู้นี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ "ชั่งน้ำหนัก" แตกต่างกันส่วนต่าง ๆ ของกาแลคซีรวมถึงการวัดความเร็วในการหมุนเปรียบเทียบ redshifts บนด้านที่กำลังเข้าใกล้และถอยห่างของกาแลคซี เมื่อน้ำหนักนักดาราศาสตร์เห็นความแตกต่างระหว่างมวลของวัตถุทั้งหมดในกาแลคซีและมวลรวมของมัน

redshift— การเคลื่อนตัวของเส้นสเปกตรัมขององค์ประกอบทางเคมีไปทางด้านสีแดง (ความยาวคลื่นยาว) ปรากฏการณ์นี้อาจเป็นการแสดงออกของการกระเจิงแบบกระจายเล็กน้อย ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ หรือการเคลื่อนไปทางสีแดงของแรงโน้มถ่วง หรือทั้งสองอย่างรวมกัน การเปลี่ยนแปลงของเส้นสเปกตรัมในสเปกตรัมของเทห์ฟากฟ้าได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ฮิปโปไลต์ ฟิโซ ในปี พ.ศ. 2391 และเสนอปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่เกิดจากความเร็วในแนวรัศมีของดาวฤกษ์เพื่ออธิบายการเปลี่ยนแปลง

เลนส์แรงโน้มถ่วง

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใด ๆเวลาที่ผ่านสนามความโน้มถ่วงบิดเบี้ยวเล็กน้อย มันทำหน้าที่เป็นเลนส์ความโน้มถ่วงและสามารถผลิตได้เช่น "แหวน Einstein" ดังในภาพด้านล่าง

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einsteinแรงโน้มถ่วงของวัตถุอวกาศขนาดใหญ่เช่นกาแลคซีโค้งพื้นที่รอบ ๆ มันและเบี่ยงเบนรังสีของแสง เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นภาพที่บิดเบี้ยวของกาแลคซีอื่น - แหล่งกำเนิดแสง

"แหวน Einstein" ในภาพด้านบนคือภาพที่บิดเบี้ยวของกาแลคซีแห่งหนึ่ง (ถูกไฮไลต์ด้วยสีน้ำเงิน) ซึ่งอยู่ด้านหลังกาแลคซี (สีแดง) อื่นที่อยู่ตรงกลาง แสงจากสีน้ำเงินแพร่กระจายไปทุกทิศทาง แต่ถูกโน้มน้าวด้วยแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีสีแดง ซึ่งหมายความว่าแสงซึ่งยกตัวอย่างเช่นถูกนำโดยตรงไปยังโลกจะไม่ถึงดาวเคราะห์ของเรา - ซึ่งแตกต่างจากแสงที่มีทิศทางที่แตกต่างกัน แต่ถูกบิดเบือนด้วยเลนส์และดำเนินการราวกับว่าจากทุกทิศทางในครั้งเดียว กระบวนการนี้จะอธิบายลักษณะที่ปรากฏของแหวน

ในเลนส์แรงโน้มถ่วงที่อ่อนแอในทางสถิติการวิเคราะห์ความบิดเบี้ยวของแสงที่เราได้รับช่วยให้เรา "สังเกต" สนามโน้มถ่วงระหว่างโลกกับกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลได้ มักจะมีมวลและสสารมากกว่าในสาขานี้เกินกว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะอธิบายได้

ตัวอย่างของเลนส์โน้มถ่วงซึ่งจากมุมมองของทฤษฎีที่มีอยู่พิสูจน์ว่ามีสสารมืดอยู่ คือภาพถ่ายของกระจุกดาราจักรบุลเล็ต ที่อยู่ในกลุ่มดาวกระดูกงูกะรัง

ภาพนี้แสดงให้เห็นผลพวงของการชนกันของกาแลคซีสองแห่ง สีแดงในภาพแสดงพื้นที่ของสสารที่มองเห็นได้ ส่วนสีน้ำเงินแสดงสสารมืด ซึ่งพิจารณาจากเลนส์โน้มถ่วง

ความแตกต่างนี้เกิดจากความจริงที่ว่าสสารที่ส่องสว่างส่วนใหญ่ในกระจุกกาแลคซีนั้นอยู่ในตัวกลางอินทราครัส - ในพลาสมาที่ร้อนและหนาแน่น เมื่อส่วนต่าง ๆ ของพลาสมาชนกันสารจำนวนมากจะชะลอตัวและคงอยู่ที่กึ่งกลาง แต่สสารมืดมีปฏิสัมพันธ์กับสสารไม่มากดังนั้นองค์ประกอบจากทั้งสองกลุ่มสามารถผ่านกันและกันได้อย่างอิสระ - สิ่งนี้นำไปสู่การแยกที่แสดงในภาพ

รังสีที่ระลึก

ในช่วงสองสามแสนปีแรกหลังจากนั้นที่บิ๊กแบง จักรวาลร้อนพอที่จะแตกตัวเป็นไอออนได้อย่างมาก การทำเช่นนี้ทำให้แสงเกือบทึบแสงชั่วคราว โฟตอนหมุนเหมือนอนุภาคอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เมื่อสิ่งต่าง ๆ เย็นลงเพียงพอ โปรตอนและอิเล็กตรอนจำนวนมากรวมกันกลายเป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ซึ่งโปร่งใสเพียงพอต่อแสงส่วนใหญ่ที่อยู่รอบ ๆ กระบวนการนี้เกิดขึ้นค่อนข้างเร็ว (ในแง่ของเวลาทางจักรวาลวิทยา) - เป็นผลให้แสงทั้งหมดที่มีอยู่ในจักรวาลถูกปล่อยออกมาอย่างกะทันหันโดยจับภาพในช่วงวิวัฒนาการของมัน นี่เป็นวิธีง่ายๆ ในการอธิบายรังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก

นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจจับแสงนี้ได้ชี้กล้องโทรทรรศน์วิทยุไปในทิศทางใดก็ได้ และอุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยขึ้นอยู่กับพื้นที่สังเกต ความแตกต่างของอุณหภูมิอธิบายได้จากการมีอยู่หรือไม่มีสสารมืดในภูมิภาคนี้

พบสิ่งผิดปกติในกาแลคซีแรกได้อย่างไร

DF2 เป็นกาแลคซีที่เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มใหญ่นำโดยดาราจักรทรงรีขนาดมหึมา NGC 1052 ดาราจักรนี้ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์เพราะมันดูแตกต่างออกไปในภาพถ่ายที่ถ่ายโดย Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ในตอนแรก กาแล็กซีปรากฏเป็นจุดแสงสลัว ในขณะที่กาแล็กซีที่สองเป็นกลุ่มวัตถุปลายแหลม

จากการสังเกตเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์นำโดยPeter van Dokkum ระบุกระจุกดาวทรงกลม 10 กระจุก (กลุ่มดาวอายุมากกลุ่มใหญ่) ภายในกาแลคซี และพบว่าพวกมันเคลื่อนที่ช้ากว่าสามเท่าหากมีสสารมืดจำนวนมาก ความจริงก็คือว่าถ้ามวลของกาแลคซีมากกว่ามวลของวัตถุที่มองเห็น กระจุกดาวก็จะหมุนเร็วขึ้น

ชุมชนวิทยาศาสตร์ประเมินสิ่งพิมพ์อย่างมีวิจารณญาณ— ข้อผิดพลาดของนักวิจัยคือพวกเขาสังเกตเห็นเพียงสิบกระจุกและเพียงสองคืนเท่านั้น ผู้คลางแคลงเชื่อว่านักวิทยาศาสตร์อาจมองข้ามรายละเอียดสำคัญเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของกระจุกดาว ส่งผลให้การประมาณมวลของกาแลคซีและสสารที่มองเห็นได้คลาดเคลื่อน

และในวินาที?

วิธีเดียวที่จะพิสูจน์ความถูกต้องของพวกเขาการสังเกตคือการค้นหากาแลคซีแห่งที่สองซึ่งจะมีสสารมืดจำนวนน้อยที่สุด - และในเดือนมีนาคม 2019 กาแลคซีดังกล่าวถูกค้นพบ

นักวิจัยได้ตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์สองบทความ - ในพวกเขาเป็นคนแรกที่วัดมวลของ DF2 โดยใช้กล้องขั้นสูงของฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์ 10 เมตรที่หอดูดาวเคกในฮาวาย ครั้งนี้ นักดาราศาสตร์ไม่เพียงแต่สังเกตความเร็วการเคลื่อนที่ของกระจุกดาวเท่านั้น แต่ยังสังเกตความเร็วการหมุนของดาวฤกษ์ที่อยู่ภายในกระจุกดาวด้วย ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้พิสูจน์ว่า DF2 เป็นกาแลคซีกระจายแสงพิเศษแบบโปร่งใส ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับทางช้างเผือกโดยประมาณ มีดวงดาวน้อยกว่าประมาณ 200 เท่าเท่านั้น

บทความที่สองได้อุทิศให้กับการค้นพบดังกล่าวกาแลคซี DF2 ​​- DF4 ซึ่งตั้งอยู่ในกระจุกเดียวกันถัดจากกาแลคซี NGC 1052 นักวิจัยเชื่อว่าประการแรกกาแลคซีที่มีสสารมืดน้อยที่สุดไม่ใช่เรื่องแปลกและประการที่สองคือกาแลคซีขนาดใหญ่สามารถ "ขโมย" ความมืด สสารจากเพื่อนบ้านที่เล็กกว่า

การไม่มีสสารมืดเป็นหลักฐานว่ามีอยู่จริงได้อย่างไร

เพื่อให้เข้าใจถึงคำแถลงที่ว่าไม่มีความมืดสสารในกาแลคซีสองแห่งยืนยันว่ามีอยู่ในเอกภพตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมันก็คุ้มค่าที่จะพิจารณาคำวิจารณ์เกี่ยวกับการปรากฏตัวของสสารมืด

นักวิทยาศาสตร์บางคนไม่เห็นด้วยที่ในจักรวาลมีสสารมืดและหลักฐานทางทฤษฎีเกี่ยวกับการปรากฏตัวของมันนั้นมีสาเหตุมาจากการเปลี่ยนแปลงของ Newtonian dynamics (MOND) ทฤษฎีทางเลือกนี้บอกว่าแรงโน้มถ่วงในระดับจักรวาลไม่ทำงานตามที่ไอแซกนิวตันหรืออัลเบิร์ตไอน์สไตน์ทำนาย ซึ่งหมายความว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปซึ่งทฤษฎีเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของสสารมืดนั้นไม่ได้ทำงานในกรณีของกาแลคซี

ตัวอย่างเช่น นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Erik Verlinde จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์ในปี 2559 ที่ตรวจสอบแรงโน้มถ่วงเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาควอนตัม และแนะนำว่าแรงโน้มถ่วงเพิ่มเติมที่เกิดจากสสารมืดนั้นเป็นผลมาจากพลังงานมืด - พลังงานพื้นหลังที่ถักทอเป็นโครงสร้างของกาล-อวกาศของจักรวาล

กล่าวอีกนัยหนึ่ง Verlinde เชื่อว่าสสารมืดไม่ใช่สสาร แต่เป็นเพียงปฏิสัมพันธ์ระหว่างสสารธรรมดากับพลังงานมืดเท่านั้น

การค้นพบของนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยลแสดงให้เห็นว่าสสารมืดสามารถแยกออกจากสสารปกติโดยมีเงื่อนไขว่ากาแลคซีที่ตรวจพบทั้งสองทำงานตามทฤษฎีแรงโน้มถ่วงมาตรฐาน นั่นคือกระบวนการที่เกิดขึ้นในพวกเขาสามารถอธิบายได้โดยใช้สมการที่ค้นพบโดยนิวตันและเคปเลอร์

คำถามคืออะไร

การค้นพบโดยนักดาราศาสตร์หากประสบความสำเร็จได้รับการยืนยันอย่างแน่ชัดผ่านการสังเกตการณ์ในอนาคต ท้าทายทฤษฎีที่มีอยู่เกี่ยวกับการก่อตัวของกาแลคซี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เรากำลังพูดถึงสมมติฐานที่ว่า NGC 1052 ที่ใหญ่กว่าสามารถ "ขโมย" สสารมืดจาก DF2 และ DF4 ได้ หากเป็นไปได้จริงๆ โดยมีเงื่อนไขว่าลำดับที่พบในกาแลคซีทั้งสองที่สังเกตได้นั้นยังคงอยู่ นักดาราศาสตร์จะต้องพิจารณากลไกของการก่อตัวและการดำรงอยู่ของมันใหม่ทั้งหมด

"เราหวังว่าจะพบว่ามันเหมือนกันกาแลคซีเหล่านี้และมีอยู่ในพื้นที่อื่น ๆ ของจักรวาลหรือไม่ เราต้องการหาหลักฐานเพิ่มเติมที่จะช่วยให้เราเข้าใจว่าคุณสมบัติของพวกเขาสอดคล้องกันหรือไม่สอดคล้องกับทฤษฎีปัจจุบันของเรา เราหวังว่าสิ่งนี้จะช่วยให้เราก้าวไปอีกขั้นในการทำความเข้าใจหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในจักรวาลของเรา - ธรรมชาติของสสารมืด” Dokkum กล่าวในการสนทนากับดาราศาสตร์