หอสังเกตการณ์ Vera C. Rubin ของ NSF-DOE บน Cerro Pachón ในประเทศชิลี
Credit: NSF-DOE Rubin Observatory/AURA/B. Quint
ประมาณ 95% ของจักรวาลที่เรารู้จักนั้นยังคงเป็นปริศนา เราไม่มีทางรู้เลยว่ามันที่จริงแล้วมันคืออะไร เนื่องจากมันแตกต่างไปจากสสารหรือพลังงานที่มนุษย์รู้จัก สิ่งที่เรารู้มีอยู่เพียง 5% ของจักรวาลเท่านั้น ซึ่งรวมถึงทุกสิ่งและทุกคนบนโลก รวมถึงดาวเคราะห์ ดวงดาว และกาแล็กซีทุกดวงในจักรวาล แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถตรวจจับอิทธิพลมหาศาลที่มีต่อการเคลื่อนที่และโครงสร้างของกาแล็กซีก็ตาม การเปิดเผยคุณสมบัติที่ยังไม่ค้นพบของปริศนา 95% ที่เหลือซึ่งประกอบด้วยสิ่งที่เรียกว่า สสารมืด (Dark matter) และพลังงานมืด (Dark energy) ต้องอาศัยโครงการที่ครอบคลุมมากกว่าที่เคยทำมาก่อน
ในปี 2025 หอสังเกตการณ์ Vera C. Rubin ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐฯ (NSF) และกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) จะเริ่มทำภารกิจที่มีระยะเวลา 10 ปี เพื่อจับภาพท้องฟ้าทางทิศใต้เพื่อสังเกตจักรวาลจากที่ตั้งบนยอดเขาในทะเลทรายของประเทศชิลี การเปลี่ยนแปลงใดๆ บนท้องฟ้าบริเวณนี้จะถูกบันทึกเป็นภาพเคลื่อนไหวสีดิจิทัล และวิเคราะห์อย่างแม่นยำ ด้วยระบบที่มีประสิทธิภาพสูงของหอสังเกตการณ์แห่งนี้ โดยคาดว่าภารกิจนี้จะก่อให้เกิดการค้นพบใหม่ๆ มากมาย เช่น ดวงดาวทางช้างเผือกมากกว่า 17,000 ล้านดวง กาแล็กซีประมาณ 20,000 ล้านแห่ง และซูเปอร์โนวาประมาณ 10 ล้านแห่ง (มากกว่าหนึ่งพันล้านดวงต่อคืน) นอกจากนี้ยังมีวัตถุบนท้องฟ้าในบริเวณใกล้เคียงอีกมากมายในระบบสุริยะ รวมถึงดาวเคราะห์น้อยหลายล้านดวง ดาวหางและวัตถุบนท้องฟ้าระหว่างดวงดาวอีกจำนวนนับไม่ถ้วน โดยรวมแล้ว หอดูดาว Rubin แห่งนี้จะรวบรวมข้อมูลได้มากกว่ากล้องโทรทรรศน์รุ่นก่อนทั้งหมดรวมกัน
ความมืด สสาร นั่นคือทั้งหมดที่เรารู้
เด็กนักเรียนทุกคนเรียนรู้เกี่ยวกับอะตอม ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของสสารที่ประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน ซึ่งอธิบายในรูปแบบต่างๆ บนตารางธาตุที่แขวนอยู่ตามผนังห้องเรียน แต่ไม่มีที่ใดในตารางธาตุที่จะพบสสารมืด
Fritz Zwicky ชาวสวิสเป็นนักดาราศาสตร์คนแรกที่ค้นพบหลักฐานของสสารมืดจำนวนมหาศาลที่ไม่รู้จักในกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลในช่วงทศวรรษที่ 1930 สสารมืดไม่มีปฏิสัมพันธ์กับแสง แต่ออกแรงดึงดูดเหมือนสิ่งอื่นๆ ที่มีมวล ผลการค้นพบของ Zwicky ถูกละเลยมานานหลายทศวรรษ ในช่วงทศวรรษที่ 1970 นักดาราศาสตร์ชื่อ Vera C. Rubin และ Kent Ford ได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของดวงดาวในกาแล็กซีก้นหอย (Spiral galaxies) โดยวัดสเปกตรัมของแสงที่ปล่อยออกมาจากดวงดาว การเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมที่ปรากฏนี้ ซึ่งเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินหรือสีแดง เผยให้เห็นความเร็วของดาวฤกษ์ที่โคจรรอบศูนย์กลางกาแล็กซี Rubin และ Ford สังเกตว่าดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลจากศูนย์กลางกาแล็กซีโคจรด้วยความเร็วเท่ากับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้กว่า ซึ่งตรงกันข้ามกับที่คาดไว้ ด้วยความเร็วดังกล่าว ดาวฤกษ์ที่ขอบกาแล็กซีควรหลุดพ้นจากแรงดึงดูดของกาแล็กซีและเคลื่อนที่ออกไปในอวกาศ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงจากสิ่งที่มองไม่เห็นแต่มีมวลมากคงทำให้ดาวฤกษ์เหล่านี้ยังคงอยู่
ภาพจำลองโครงสร้างคล้ายใยแมงมุมของมวลสารมืด ซึ่งรวมถึงก้อนหนาแน่นรอบกาแล็กซี
Credit: Ralf Kaehler/Ethan Nadler/SLAC National Accelerator Laboratory
Rubin ได้พบหลักฐานที่ชี้ชัดเกี่ยวกับมวลสารมืดที่ Zwicky ลืมเลือนไปเกือบหมดแล้ว มวลสารมืดต้องมีจำนวนมากกว่ามวลสารที่มองเห็นได้ 10:1 ในกาแล็กซีก้นหอย เพื่อที่จะมีอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงเพียงพอที่จะทำให้ดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไปโคจรด้วยความเร็วเพียงพอ งานของ Rubin และงานของคนอื่นในเวลาต่อมา ยืนยันได้ว่ามวลสารมืดสามารถสังเกตได้จากแรงโน้มถ่วงที่เกิดจากมวลที่มีสัดส่วนมากพอนี้ เพื่อเป็นเกียรติแก่ผลงานบุกเบิกของ Rubin ทางสภาคองเกรสจึงได้เปลี่ยนชื่อกล้องโทรทรรศน์จาก Dark Matter เป็น Large Synoptic Survey บนหอสังเกตการณ์ Vera C. Rubin
ในปี 2019 Rubin เป็นแรงบันดาลใจให้กับหลายๆ คน ไม่เพียงแต่ด้วยความเป็นเลิศทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงความพากเพียรในการเผชิญหน้ากับอคติตลอดอาชีพการงานในฐานะนักวิทยาศาสตร์หญิง
ซ้าย: Vera Rubin กำลังมองผ่านกล้องโทรทรรศน์ที่วิทยาลัย Vassar ในช่วงทศวรรษปี 1940 ขวา: Rubin กำลังวิเคราะห์สเปกตรัมของดวงดาวที่สถาบัน Carnegie ในช่วงทศวรรษปี 1970 ซึ่งเป็นผลงานที่ทำให้เธอสามารถยืนยันการมีอยู่ของสสารมืด
Credit: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Rubin Collection
จากการค้นพบของเวรา รูบินและคนอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์จึงคำนวณได้ว่าสสารที่รู้จักมีอยู่เพียงประมาณ 5% ของจักรวาล ในขณะที่สสารมืดมีอยู่ประมาณ 27% แล้ว 68% ที่เหลือประกอบด้วยอะไร?
จุดพลิกผัน: พลังงานจากความว่างเปล่า
ในช่วงทศวรรษปี 1920 Edwin Hubble นักดาราศาสตร์ ได้สังเกตเห็นว่าดวงดาวในกาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลเคลื่อนที่ออกจากโลกอย่างรวดเร็ว ซึ่งเผยให้เห็นว่ากาแล็กซีทั้งหมดกำลังเคลื่อนที่ออกจากกันในอวกาศ และด้วยเหตุนี้จักรวาลทั้งหมดจึงกำลังขยายตัว การค้นพบนี้ทำให้นักวิจัยสามารถคำนวณอายุและขนาดของจักรวาลได้แม่นยำยิ่งขึ้น และยังเป็นหลักฐานสำคัญที่สนับสนุนทฤษฎี Big Bang เกี่ยวกับต้นกำเนิดของจักรวาลอีกด้วย
หลายทศวรรษต่อมาในช่วงปลายทศวรรษปี 1990 นักวิจัยสองกลุ่มค้นพบว่าแสงที่เปล่งออกมาจากดาวฤกษ์ที่ระเบิดบางประเภทในกาแล็กซีอื่นนั้นมีแสงจางลง เหตุผลที่น่าแปลกใจก็คือ ความเร็วที่กาแล็กซีทั้งหมดในจักรวาลเคลื่อนที่ออกจากกันนั้นไม่คงที่ จักรวาลต้องขยายตัวด้วยความเร่ง Saul Perlmutter หนึ่งในนักวิจัยที่ทำการค้นพบนี้และต่อมาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2011 เรียกการค้นพบนี้ว่าเป็น "จุดพลิกผัน" ลองจินตนาการว่ากำลังขว้างลูกเบสบอล แทนที่ลูกบอลจะมีความเร็วช้าลงและตกลงพื้นในที่สุด แต่ลูกบอลกลับเร่งความเร็วขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งพุ่งออกไปในอวกาศ การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่านี่คือสิ่งที่กาแล็กซีเป็นมาตลอดประมาณ 5 พันล้านปีที่ผ่านมา
พลังงานมืด
Kathy Turner ผู้จัดการโครงการของ Rubin Observatory ที่ DOE Office of Science อธิบายว่าเมื่อต้องทำความเข้าใจธรรมชาติของพลังงานมืด การวัดที่แม่นยำคือสิ่งสำคัญที่สุด
อีกแง่มุมลึกลับของพลังงานมืดก็คือ ศักยภาพของมันนั้นไม่ได้ถูกเจือจางด้วยปริมาตรของอวกาศ ตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงจะอ่อนลงเมื่อระยะห่างระหว่างวัตถุเพิ่มขึ้น แต่จะไม่เป็นเช่นนั้นกับพลังงานมืด
“เราสันนิษฐานว่ามันคือพลังงานจากความว่างเปล่า ซึ่งเป็นพลังงานที่มีอยู่ทุกหนทุกแห่งในจักรวาล” Agnès Ferté ผู้ศึกษาพลังงานมืดในฐานะสมาชิกทีมวิทยาศาสตร์ของหอดูดาว Rubin และนักจักรวาลวิทยาที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ กล่าว
“แรงโน้มถ่วงเป็นอย่างที่เราคิดจริงๆ หรือเปล่า” Ferté ถาม ทฤษฎีสัมพันธภาพทของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายการสังเกตผลกระทบของแรงโน้มถ่วงในระดับดาวเคราะห์ ดวงดาว และแม้แต่กาแล็กซีทั้งหมดได้อย่างแม่นยำ แต่สามารถใช้ได้กับระดับหลายพันล้านปีแสงที่ครอบคลุมกาแล็กซีหลายพันล้านแห่งได้หรือไม่ “ถ้าไม่เป็นเช่นนั้น อาจเป็นไปได้ว่าการเร่งความเร็วอาจมาจากการเข้าใจผิดเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง” Ferté กล่าว “จะเป็นความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่หากเราแสดงให้เห็นว่าเราจำเป็นต้องมีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่แตกต่างออกไป นึกไม่ออกเลยว่าเราจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างไร”
เจ้าหน้าที่ของหอดูดาว Vera C. Rubin ของ NSF-DOE ถ่ายรูปกับกล้อง Legacy Survey of Space and Time บนยอดเขา Cerro Pachón ในประเทศชิลี
Credit: Travis Lange/SLAC National Accelerator Laboratory.
จุดเปลี่ยน
นอกจากหอดูดาว Rubin จะค้นหาข้อมูลเกี่ยวกับสาระสำคัญของจักรวาลแล้ว ยังสามารถค้นพบสิ่งที่ไม่เคยเห็นมาก่อนอีกด้วย เช่น ดาวเคราะห์น้อยนับล้านดวงที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อนในระบบสุริยะของเรา รวมถึงวัตถุในอวกาศอื่นที่เดินทางมายังระบบสุริยะของเรา การที่โลกก่อตัวและพัฒนาสภาพแวดล้อมที่เอื้อให้สิ่งมีชีวิตวิวัฒนาการได้นั้นส่วนใหญ่ยังไม่เป็นที่รู้จัก ดาวเคราะห์น้อยที่เป็นหินและน้ำแข็งจำนวนมากจากยุคแรก ยังคงอยู่ในระบบสุริยะของเรา แต่ก่อนหน้านี้เรายังไม่สามารถสังเกตได้มาก แต่คาดว่าหอดูดาว Rubin จะพบหลักฐานสำคัญเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ยุคแรกๆ ของโลก นอกจากนี้ยังอาจมีประโยชน์ในการระบุปัจจัยที่ระบบสุริยะอื่นๆ น่าจะต้องมีเพื่อให้มีดาวเคราะห์คล้ายโลกเกิดขึ้น
แม้ว่า Rubin, Zwicky, Perlmutter และนักวิจัยคนอื่นๆ หลายคนจะประสบความสำเร็จในการค้นพบความลึกลับที่ทำให้เราเข้าใจจักรวาลน้อยเพียงใด แต่ Tony Tyson หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของหอดูดาว Rubin กล่าวว่าเรากำลังเข้าใกล้ช่วงเปลี่ยนผ่านความเข้าใจของมนุษย์เกี่ยวกับจักรวาล จากการค้นพบเพิ่มเติมนี้จะนำไปสู่การไขความลึกลับเหล่านั้นจริงๆ
“นี่คือจุดเปลี่ยนเพราะเราจะสามารถทำสิ่งใหม่ๆ ได้อย่างแม่นยำมาก ฉันคิดว่าเราจะค้นพบบางสิ่งบางอย่างที่น่าตื่นตาตื่นใจ” Tyson กล่าว
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
NSF-DOE Rubin Observatory will capture the unseen cosmos: Dark matter, dark energy and millions of exploding stars
Comments