สสารมืด (Dark Matter)

หากมองไปยังท้องฟ้า หรือดูรูปกลุ่มดาวฤกษ์ กาแล็กซีต่างๆ จะเห็นว่ามีรูปร่างเฉพาะ ไม่แปรเปลี่ยนแม้ว่าจะผ่านมานานหลายร้อยล้านปี หลังจากเกิดบิกแบง เหตุใดจึงทำให้กาแล็กซีคงสภาพรูปร่าง เช่น ทรงกลม, ก้นหอย ฯ ได้อย่างนั้นตลอดมา

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชื่อว่าต้องมีอะไรบางอย่าง ที่ช่วยประคอง หรือยึดเหนี่ยวให้ดาวฤกษ์นั้นเกาะกลุ่มกันได้ และแน่นอนว่ามันต้องมีอิทธิพลและไปรบกวนแรงโน้มถ่วง ซึ่งทำหน้าที่ดึงดูดให้ดาวฤกษ์ดึงดูดกันและกัน

เราไม่สามารถสังเกตการณ์สสารมืดได้ เพราะมันไม่ทำอันตรกิริยากับแม่เหล็กไฟฟ้า (แสงชนิดต่าง ๆ) เหมือนวัตถุชนิดอื่นๆ จึงเป็นที่มาของชื่อว่า “สสารมืด” ฉะนั้นการสังเกตหรือตรวจสอบว่ามันมีอยู่จริงหรือไม่ ต้องกระทำโดยอ้อมแทน นั่นก็คือ การสังเกตการเปลี่ยนแปลงความโน้มถ่วง

จากการสังเกตการณ์ของนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ พบว่าดาวฤกษ์ต่างๆ ที่โคจรรอบกาแล็กซีมีความเร็วเท่าๆกัน แม้ว่ามันจะอยู่ห่างจากศูนย์กลางของกาแล็กซีต่างกันก็ตาม ซึ่งเป็นเรื่องที่ผิดปกติ เพราะไม่เป็นไปตามกฎของที่สามของเคปเลอร์ เนื่องจากดาวฤกษ์ที่โคจรรอบมวลขนาดมหึมาที่อยู่กลางกาแล็กซี ยิ่งห่างออกไปมากเท่าใด ความเร็วที่ใช้ในการเคลื่อนที่ควรจะน้อยลงเรื่อยๆ เช่น ดาวพฤหัสบดีโครจรรอบดวงอาทิตย์นานกว่าที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ เพราะมันอยู่ไกลกว่า เคลื่อนที่อัตราเร็วน้อยกว่า แต่ในความเป็นจริงดาวฤกษ์ที่โคจรรอบศูนย์กลางกาแล็กซีกลับไม่เป็นเช่นนั้น แสดงว่าต้องมีอะไรบางอย่างมารบกวนการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์! ดังรูป

ความเร็วของดาวฤกษ์รอบใจกลางกาแล็กซี — A คือ เส้นความเร็วของดาวฤกษ์เมื่ออยู่ห่างจากใจกลางกาแล็กซีตามที่ควรจะเป็น, B คือ เส้นความเร็วที่ตรวจวัดได้ ซึ่งมากกว่าที่ควรจะเป็น แสดงว่ามีบางอย่างรบกวนการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์

ในปี 1999 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลจับภาพกลุ่มของกาแล็กซี หรือ (Cluster of galaxies) Abell 2218 ได้ โดยพบว่าบริเวณตรงกลางภาพประกอบไปด้วยกาแล็กซีที่มีลักษณะเป็นสีโทนเหลือง-แดงจำนวนมาก และรอบๆจะเห็นว่ามีแสงสีน้ำเงินเป็นเส้นๆ โดยรอบเกือบเป็นวงกลม หากอธิบายด้วยปรากฏการณ์ Red Shift จะสามารถกล่าวได้ว่า กาแล็กซีที่เปล่งแสงสีโทนเหลือง-แดง กำลังเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกต ส่วนกาแล็กซีสีน้ำเงินกำลังเคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกต

กลุ่มกาแล็กซี Abell_NGC2218 — แสงสีน้ำเงินที่มีลักษณะเป็นวงๆ ล้อมรอบกาแล็กซีสีเหลือง ส่งผ่านมายังด้านหน้าได้เนื่องจากเลนส์ความโน้มถ่วง Author: Andrew Fruchter (STScI) et al., WFPC2, HST, NASA

เนื่องจากกาแล็กซีสีเหลืองมีความสว่าง และขนาดใหญ่กว่ามาก เราจึงไม่สามารถเห็นกาแล็กซีสีน้ำเงินได้โดยตรง จึงปรากฏอยู่บริเวณรอบๆ เป็นริ้วสีน้ำเงินได้ เนื่องจากกาลอวกาศมีความโค้ง ทำให้แสงสีน้ำเงินเคลื่อนที่อ้อมกาแล็กซีสีเหลือง และผ่านเข้ามายังกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้ เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “เลนส์ความโน้มถ่วง (Gravitational lens)”

เลนส์ความโน้มถ่วง — การบิดโค้งของแสงเมื่อเคลื่อนที่จากแหล่งกำเนิดที่ไกลมากๆ ผ่านวัตถุมวลมาก ลูกศรสีส้มแสดงถึงตำแหน่งปรากฏของแหล่งกำเนิดในสายตาของผู้สังเกต เส้นสีขาวแสดงทิศทางการเดินทางของแสงจากแหล่งกำเนิดมายังผู้สังเกต Author: NASA

ในปี 2005 นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Cardiff กล่าวว่ามีการค้นพบกาแล็กซีที่เต็มไปด้วยสสารมืดเกือบทั้งหมด เนื่องจากไม่สามารถตรวจพบวัตถุที่เปล่งแสงในช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หรือที่เครื่องมือการสำรวจจะตรวจสอบได้เลย โดยกาแล็กซีนี้อยู่ห่างออกไปประมาณ 50 ล้านปีแสงใน Virgo Cluster ชื่อว่า VIRGOHI21

ประมาณกันว่าค่าของสสารมืดมีมากกว่าไฮโดรเจนประมาณ 1000 เท่า คือคิดเป็น 1/10 ของมวลทั้งหมดของกาแล็กซีทางช้างเผือก

อัพเดท – การตรวจวัดในปี 2009 พบว่าสสารมืดและพลังงานมืดใน VIRGOHI21 มีค่าแม่นยำขึ้น ไม่ได้เยอะมากเท่าที่ตรวจวัดในปี 2005