สสารมืดชนิดใหม่เพื่ออธิบายปรากฏการณ์ประหลาดในใจกลางทางช้างเผือก
เรื่องราวประหลาดที่พบเห็นในใจกลางทางช้างเผือก อาจเป็นควันปืนแสดงหลักฐานของว่าที่สสารมืดชนิดใหม่ ซึ่งเป็นสสารชนิดที่เป็นปริศนามากที่สุด ถ้าเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์ก็อาจจะมองข้ามผลกระทบเล็กน้อยจากสสารมืดต่อปฏิกิริยาเคมีในอวกาศไป
ว่าที่สสารมืด(dark matter) ที่เพิ่งเสนอขึ้นใหม่ไม่เพียงแต่จะเบากว่าว่าที่สสารมืดในทฤษฎีที่มีอยู่ แต่มันยังน่าจะทำลายล้างตัวเอง(self-annihilating) นี่หมายความว่า เมื่ออนุภาคสสารมืดนี้ 2 อนุภาคมาเจอกัน พวกมันจะทำลายล้างซึ่งกันและกัน และสร้างอิเลคตรอน(electron) ซึ่งมีประจุไฟฟ้าลบ กับโพลิตรอน(positron) อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก
กระบวนการนี้น่าจะส่งพลังงานที่จำเป็นที่จะผลักอิเลคตรอนออกจากอะตอมที่เป็นกลาง ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน(ionization) ของก๊าซหนาทึบในใจกลางทางช้างเผือก นี่อาจจะอธิบายว่าเพราะเหตุใด จึงมีก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนประจุบวกมากมายที่พื้นที่ใจกลางที่เรียกว่า เขตโมเลกุลกลาง(central molecular zone; CMZ) แต่ว่าการทำลายล้างกันของสสารมืดจะพบได้ยาก แต่ก็เป็นเหตุเป็นผลที่จะได้เห็นเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นได้บ่อยกว่าในใจกลางกาแลคซี เนื่องจากสสารมืดรวมตัวที่นั่นมาก
ภาพอินฟราเรดจากกล้องสปิตเซอร์แสดงพื้นที่ในใจกลางทางช้างเผือกที่เรียกว่า Central Molecular Zone ภาพปก ภาพรวมประกอบพื้นที่ใจกลางทางช้างเผือก CMZ
เราเสนอว่าสสารมืดที่เบากว่าโปรตอน(อนุภาคที่พบในนิวเคลียสอะตอม) น่าจะเป็นตัวการทำให้เกิดผลกระทบที่ไม่ปกติที่พบเห็นในใจกลางทางช้างเผือก Shyam Balaji ผู้นำทีม และนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ คิงส์คอลเลจ ลอนดอน กล่าว
แต่มันไม่เหมือนกับว่าที่สสารมืดเกือบทั้งหมดซึ่งมักจะถูกศึกษาผ่านผลกระทบทางความโน้มถ่วง สสารมืดรูปแบบของเรา(sub-Ge V dark matter) อาจจะเผยตัวตนของมันจากก๊าซที่แตกตัว ซึ่งดึงอิเลคตรอนออกจากอะตอมใน CMZ นี่น่าจะเกิดขึ้นถ้าอนุภาคสสารมืดทำลายล้างกันกลายเป็นคู่อิเลคตรอน-โพสิตรอน ซึ่งต่อจากนั้น พวกมันก็จะมีปฏิสัมพันธ์กับก๊าซเป็นกลางรอบๆ
คิดกันว่าสสารมืดมีอยู่ราว 85% ของสสารทั้งหมดในเอกภพ แม้ว่าจะมีอยู่มากมาย แต่นักวิทยาศาสตร์ก็มองไม่เห็นอย่างที่เป็นกับสสารปกติ นั่นเป็นเพราะสสารมืดไม่มีปฏิสัมพันธ์กับแสง หรือถ้ามันมี ก็อ่อนเกินไปและพบได้ยากเกินกว่าจะสำรวจได้ นี่บอกนักวิทยาศาสตร์ว่าสสารมืดไม่ได้ประกอบด้วยอนุภาคบาริออน
(baryonic particles) อย่าง อิเลคตรอน, โปรตอน และนิวตรอน ที่ประกอบเป็นอะตอมที่สร้างดาวฤกษ์, ดาวเคราะห์, ดวงจันทร์ และทุกๆ สิ่งที่เรามองเห็นในชีวิตประจำวัน
contents of Universe
เหตุผลเดียวที่นักวิทยาศาสตร์ตั้งทฤษฎีว่ามีสสารมืดอยู่ก็เพราะมันมีปฏิสัมพันธ์กับแรงโน้มถ่วง และอิทธิพลนี้ก็ส่งผลต่อแสงและสสารปกติ นี่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องพิจารณานอกกรอบสิ่งที่เรียกว่า แบบจำลองฟิสิกส์อนุภาคมาตรฐาน เพื่อสำรวจหาอนุภาคที่อาจจะนับเป็นสสารมืดได้ อนุภาคเหล่านั้นมีคุณสมบัติและมวลที่แตกต่างกัน ซึ่งระบุในค่าอิเลคตรอนโวลท์(e V) และยังบอกว่าบางส่วนอย่างสสารมืดที่เสนอขึ้นใหม่ ก็อาจทำลายล้างตัวเองได้
ผู้ต้องสงสัยตัวเบ้งที่สุดที่จะเป็นสสารมืด ก็คือ แอคซิออน(axions) และอนุภาคที่คล้ายแอคซิออน ซึ่งก็มีมวลที่กินช่วงกว้างมากๆ อย่างไรก็ตาม Balaji และเพื่อนร่วมงานกำจัดแอคซิออนและอนุภาคที่คล้ายแอคซิออน ออกจากว่าที่สสารมืด เมื่อสสารมืดของพวกเขามีความเชื่อมโยงกับการแตกตัวของก๊าซใน CMZ แบบจำลองแอคซิออนเกือบทั้งหมดไม่ได้ทำนายการทำลายล้างกันสร้างคู่โพสิตรอน-อิเลคตรอน เหมือนกับที่สสารมืดของเราเสนอไว้ Balaji กล่าว
สสารมืดที่เราเสนอขึ้นมา มีมวลระดับเสี้ยวกิกะอิเลคตรอนโวลท์(Ge V) และยังทำลายล้างตัวเองจนสร้างอิเลคตรอน-โพสิตรอน ได้ นี่แยกมันออกมาเพราะมันส่งผลต่อตัวกลางในอวกาศ(interstellar medium) ได้โดยตรง โดยสร้างสัญญาณในรูปของการแตกตัวเป็นไอออนพิเศษ เป็นสิ่งที่คาดว่าแอคซิออนทำไม่ได้
ในสภาพแวดล้อมที่หนาแน่นมากใน DMZ โพสิตรอนที่สร้างขึ้นมาไม่สามารถเดินทางไปได้ไกลหรือหนีออกไปก่อนที่พวกมันจะมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลไฮโดรเจนที่อยู่ใกล้ๆ จึงดึงอิเลคตรอนในอะตอมออกมา นี่ทำให้กระบวนการมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในพื้นที่ใจกลางแห่งนี้
ภาพจากศิลปินแสดงการทำลายล้างกันของสสารมืดชนิดใหม่
ปัญหาข้อใหญ่ที่สุดที่แบบจำลองใหม่นี้ช่วยแก้ก็คือ ระดับการแตกตัวเป็นไอออนที่สูงเกินปกติใน CMZ Balaji กล่าว รังสีคอสมิค(cosmic ray) ซึ่งเป็นผู้ต้องหาปกติสำหรับการสร้างก๊าซที่แตกตัว ดูจะไม่แรงพอที่จะอธิบายระดับการแตกตัวที่สูงที่เราสำรวจพบ รังสีคอสมิคเป็นอนุภาคมีประจุซึ่งเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง แต่ทีมบอกว่าสัญญาณการแตกตัวจาก CMZ ดูจะบ่งชี้ถึงแหล่งที่มีความเร็วต่ำกว่า ซึ่งมีมวลเบากว่าว่าที่สสารมืดเกือบทั้งหมดอื่นๆ
และถ้ารังสีคอสมิคทำให้ก๊าซใน CMZ แตกตัวเป็นไอออน พวกมันก็น่าจะมีการเปล่งรังสีแกมมาออกมาด้วย ซึ่งเป็นอนุภาคแสงที่มีระดับพลังงานสูงมากๆ อย่างไรก็ตาม ไม่พบการเปล่งรังสีแกมมาจากการศึกษา CMZ Balaji กล่าวว่า ถ้าสสารมืดทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนใน CMZ ก็น่าจะหมายความว่าเรากำลังตรวจจับสสารมืดได้โดยไม่ต้องมองเห็นพวกมัน แต่โดยการสำรวจผลกระทบทางเคมีเล็กน้อยที่มีต่อก๊าซในกาแลคซีของเรา
อย่างไรก็ตาม ก็ยังมีการเรืองรังสีแกมมาสลัวที่อธิบายที่มาไม่ได้จากใจกลางกาแลคซี ซึ่งอาจจะเชื่อมโยงถึงโพสิตรอนและการแตกตัวเป็นไอออนได้ด้วย Balaji กล่าวว่า ถ้าเราดูความเชื่อมโยงโดยตรงระหว่างกระบวนการแตกตัวเป็นไอออนกับการเปล่งรังสีแกมมานี้ มันจะอาจจะย้ำกรณีจากสสารมืดได้ มีความเกี่ยวข้องบางอย่างระหว่างสัญญาณทั้งสองนี้ แต่เรายังต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจ
นอกจากนี้ แบบจำลองการทำลายล้างของอนุภาคสสารมืด ยังอาจจะอธิบายการเปล่งคลื่นแสงจาก CMZ ที่มาจากโพสิตรอนและอิเลคตรอนที่ชนกันและกัน และรวมตัวในสถานะที่เรียกว่า โพสิโตรเนียม(positronium) ซึ่งหลังจากนั้นก็สลายตัวอย่างรวดเร็วกลายเป็นรังสีแกมมาซึ่งรู้จักกันว่า เส้นการเปล่งคลื่นที่ 511 ke V
ปริมาณรังสีแกมมานั้นสอดคล้องกันดีกว่าที่เราคาดไว้ Balaji กล่าวว่า บางครั้งคำอธิบายสสารมืดจะมีปัญหาเนื่องจากพวกมันทำนายสัญญาณที่ควรจะสำรวจพบได้โดยกล้องโทรทรรศน์ แต่ในกรณีนี้ อัตราการแตกตัวจากสสารมืดกึ่งกิกะอิเลคตรอนโวลท์ นั้นสอดคล้องอย่างดีเยี่ยมกับองค์ประกอบที่มี โดยไม่ค้านกับรังสีแกมมาที่มีอยู่ และการสำรวจไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ(cosmic microwave background; CMB)
นักวิจัยกล่าวเสริมว่าทฤษฎีสสารมืดชนิดใหม่ที่ไปบรรจบกับการเปล่งรังสีเอกซ์นั้นน่าสนใจอย่างมาก เป็นสถานการณ์ที่พบได้ยากและน่าตื่นเต้นในงานวิจัยสสารมืด Balaji กล่าว
แน่นอนว่า ว่าที่สสารมืดชนิดใหม่ยังอยู่เพียงช่วงเริ่มต้นของชีวิตในทางทฤษฎี โดยมันไม่มีแม้กระทั่งชื่อย่อๆ แบบ WIMP(Weakly Interacting Massive Particle) หรือ MACHO(Massive Compact Halo Object) ด้วยซ้ำ
ยกตัวอย่างเช่น แอคซิออนมีอยู่มาตั้งแต่ที่ถูกตั้งทฤษฎีครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ทฤษฎี Frank Wilczek และ Steven Weinberg ในปี 1978 นี่หมายความว่าว่าที่ในทางทฤษฎีเหล่านี้จบเห่ไปก่อนที่จะมีที่ทางอยู่ท่ามกลาง แอคซิออน, WIMPS, MACHOs. หลุมดำดึกดำบรรพ์(primordial black holes) และผู้ต้องสงสัยสสารมืดที่เหลืออีก
ว่าที่สสารมืดแบบต่างๆ และช่วงพลังงาน
เราต้องการการตวจสอบระดับการแตกตัวเป็นไอออนใน CMZ ให้แม่นยำมากขึ้น ถ้าเราทำแผนที่การแตกตัวได้เที่ยงตรงมากขึ้น ก็น่าจะเห็นว่ามันเป็นไปตามการกระจายสสารมืดที่คาดไว้หรือไม่ Balaji กล่าว ถ้าเรากำจัดแหล่งที่มาการแตกตัวเป็นไอออนอื่นๆ ได้ สมมุติฐานสสารมืดก็จะหนักแน่นมากขึ้น
หลักฐานชิ้นต่อไปของความเชื่อมโยงระหว่างสสารมืดที่ทำลายล้างกัน กับการเปล่งคลื่นประหลาดจาก CMZ อาจมาจากการสำรวจของปฏิบัติการกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมา COSI(Compton Spectrometer and Imager) ของนาซา ซึ่งมีกำหนดส่งในปี 2027 COSI น่าจะให้ข้อมูลที่ดีขึ้นจากระดับการประมวลผลทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ในระดับล้านอิเลคตรอนโวลท์(Me V) ซึ่งน่าจะช่วยยืนยันหรือกำจัดคำอธิบายสสารมืดงานนี้ได้
แต่ไม่ว่าจะเป็นกรณีใด งานวิจัยก็ให้หนทางใหม่ในการมองหาอิทธิพลของสสารมืด สสารมืดยังคงเป็นหนึ่งในปริศนาที่ใหญ่ที่สุดในทางฟิสิกส์ และงานนี้ก็แสดงว่าเราอาจจะกำลังมองข้ามผลกระทบทางเคมีเล็กๆ น้อยๆ ต่ออวกาศ Balaji สรุป ถ้าทฤษฎีนี้ยืนหยัดได้ มันก็อาจจะเปิดหนทางใหม่เอี่ยมในการศึกษาสสารมืด ไม่เพียงแต่ผ่านแรงโน้มถ่วงของมัน แต่ผ่านวิถีที่มันตกแต่งพื้นที่ในกาแลคซีของเรา งานวิจัยของทีมเผยแพร่วันที่ 10 มีนาคม ในวารสาร Physical Review Letters
แหล่งข่าว space.com : mysterious phenomenon at the heart of the Milky Way could point to new dark matter suspect.
phys.org : mysterious phenomenon at center of galaxy could reveal new kind of dark matter
sciencealert.com : energy signals from Milky Way’s core hint at new type of dark matter
phys.org : new form of dark matter could solve decades-old Milky Way mystery
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
