ภาพ : อวสานของดาวรุ่นแรก
ภาพโดย : โรเบิร์ต คลาร์ก
คำบรรยายภาพ : ดาวดวงแรกๆในเอกภพดวงหนึ่งระเบิดออก ผ่านวงล้อมของสสารมืดที่มองไม่เห็น และกระจายคาร์บอน ออกซิเจน และธาตุอื่นๆออกสู่ห้วงอวกาศ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ในภาพนี้แสดงให้เห็นว่าดาวอาจไม่มีทางก่อตัวขึ้นได้เลยและด้วยความเร็วขนาดนั้น คือ เพียง 100 ล้านปีหลังปรากฏการณ์บิ๊กแบง หากปราศจากแรงโน้มถ่วงของสสารมืดที่มีอยู่ล้นเหลือ แต่ธรรมชาติของมันยังไม่เป็นที่แน่ชัด
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ทำแผนที่เอกภพ สิ่งสำคัญที่สุดคือสิ่งที่พวกเขามองไม่เห็น อันได้แก่สสารมืดและพลังงานมืด
หลังจากการวิจัยหลายทศวรรษ ปัจจุบันนักเอกภพวิทยาสามารถบอกด้วยความมั่นใจระดับหนึ่งว่า เอกภพถือกำเนิดจากฟองอวกาศขนาดเล็กกว่าอะตอมเมื่อ 13,820 ล้านปีมาแล้ว เป็นครั้งแรกที่พวกเขาสามารถทำแผนที่รังสีพื้นหลังในเอกภพ (cosmic background radiation) หรือแสงที่เปล่งออกมาเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 378,000 ปี ด้วยความละเอียดถูกต้องมากกว่าร้อยละ 0.001
แต่พวกเขาก็สรุปด้วยว่า ดาวและดาราจักรทั้งหมดที่พวกเขาเห็นบนท้องฟ้าเป็นเพียงร้อยละห้าของเอกภพที่สังเกตได้ ส่วนใหญ่ที่มองไม่เห็นประกอบด้วยสสารมืด (dark matter) ร้อยละ 27 และพลังงานมืด (dark energy) อีกร้อยละ 68 ทั้งสองสิ่งล้วนเป็นปริศนา เคยคิดกันว่าสสารมืดเป็นผู้ปั้นแต่งผืนแผ่นระยิบระยับกับลวดลายเกี่ยวกระหวัดของเหล่าดาราจักร ซึ่งรวมกันเป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ แต่กลับไม่มีใครทราบว่ามันคืออะไร ส่วนพลังงานมืดยิ่งลึกลับมากขึ้นไปอีก คำว่าพลังงานมืดซึ่งบัญญัติขึ้นแทนอะไรก็ตามที่กำลังเร่งอัตราเร็วของการขยายตัวของเอกภพได้รับการเหมารวมว่าเป็น ฉลากสามัญสำหรับสิ่งที่เราไม่รู้เกี่ยวกับสมบัติของสิ่งยิ่งใหญ่ในเอกภพของเรา
เบาะแสแรกที่ว่าสสารมืดมีอยู่ทั่วไปถูกพบในทศวรรษ 1930 โดยนักดาราศาสตร์ชาวสวิสชื่อ ฟริตซ์ ซวิกกี เขาวัดความเร็วที่ดาราจักรในกระจุกดาราจักรผมเบเรนิซ (Coma Cluster) ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 321 ล้านปีแสง โคจรรอบศูนย์กลางกระจุกดาราจักร แล้วคำนวณว่า เว้นเสียแต่กระจุกดาราจักรจะมีมวลมากกว่าที่เห็น ดาราจักรของมันก็น่าจะปลิวกระจายออกสู่อวกาศนานแล้ว ซวิกกีสันนิษฐานว่า ในเมื่อกระจุกดาราจักรผมเบเรนิซอยู่มาได้หลายพันล้านปี ย่อมหมายความว่า สสารมืดมีอยู่ในเอกภพด้วยความหนาแน่นยิ่งกว่าสสารที่มองเห็นได้อย่างไม่มีอะไรเปรียบ การค้นคว้าต่อมาบ่งชี้ว่าดาราจักรไม่มีทางก่อตัวขึ้นได้ตั้งแต่แรก หากปราศจากความโน้มถ่วงของสสารมืดคอยดึงดูดวัสดุบรรพกาลเข้าด้วยกันในเอกภพวัยเยาว์
ปริศนาสสารมืดว่าแปลกแล้ว ยังกลายเป็นคำทายเด็กเล่น เมื่อเทียบกับปรากฏการณ์ลี้ลับของพลังงานมืด ซึ่งไมเคิล เทอร์เนอร์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ยกให้เป็น ความลึกลับอย่างที่สุดในวงการวิทยาศาสตร์ทั้งมวล
เทอร์เนอร์คิดคำว่า พลังงานมืด ขึ้นหลังจากนักดาราศาสตร์สองทีมประกาศเมื่อปี 1998 ว่า อัตราการขยายตัวของเอกภพดูเหมือนกำลังเร่งเร็วขึ้น พวกเขาได้ข้อสรุปนี้จากการศึกษาดาวที่ระเบิดด้วยลักษณะเฉพาะ ซึ่งสว่างมากจนเห็นได้จากที่ห่างไกล และมีความสว่างสม่ำเสมอเหมาะสำหรับช่วยวัดระยะดาราจักรอันห่างไกล แรงดึงดูดซึ่งกันและกันระหว่างดาราจักรทั้งหมดในเอกภพคือเครื่องชะลอการขยายตัวของเอกภพ ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงคาดว่าจะเห็นเอกภพที่ขยายตัวช้าลง แต่พวกเขากลับพบสิ่งตรงข้าม นั่นคือเอกภพมีแต่ขยายตัวเร็วขึ้นเรื่อยๆตลอดห้าพันถึงหกพันล้านปีที่ผ่านมา
ทุกวันนี้ นักสังเกตการณ์กำลังสาละวนทำแผนที่เอกภพซึ่งแม่นยำอย่างไม่เคยมีมาก่อน และหาหลักฐานว่าพลังงานมืดปรากฏขึ้นเมื่อไร มีพลังเท่าเดิมหรือมากขึ้น พวกเขาได้เปรียบที่สามารถมองย้อนไปในอดีต สิ่งที่นักวิจัยผู้ศึกษาดาราจักรที่ห่างจากโลกหลายพันล้านปีแสงมองเห็น คือภาพที่เป็นจริงเมื่อหลายพันล้านปีก่อน กระนั้น ขีดจำกัดของพวกเขาคือความสามารถของกล้องโทรทรรศน์และเครื่องตรวจวัดดิจิทัล การเขียนประวัติศาสตร์เอกภพวิทยาที่ถูกต้องแม่นยำมากขึ้นในปัจจุบันก็ไม่ต่างจากในอดีตตรงที่เราจำเป็นต้องใช้หรือสร้างอุปกรณ์ที่ดีขึ้นเรื่อยๆ
เสียงเรียกร้องกำลังได้รับการขานรับด้วยโครงการต่างๆ เช่น การทำแผนที่สเปกตรัมการแกว่งกวัดของอนุภาคแบรีออนหรือบอสส์ (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: BOSS) ซึ่งใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาด 2.5 เมตรที่หอดูดาวอาปาเชพอยต์ในรัฐนิวเม็กซิโก เพื่อทำแผนที่ระยะทางเอกภพที่ความละเอียดร้อยละหนึ่ง ขณะเดียวกัน โครงการสำรวจพลังงานมืด (Dark Energy Survey) ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์บลังโกขนาดสี่เมตรบนเทือกเขาแอนดีสในประเทศชิลี ก็กำลังรวบรวมข้อมูลของดาราจักรถึง 300 ล้านดาราจักร อีกด้านหนึ่ง กล้องโทรทรรศน์อวกาศยูคลิดขององค์การอวกาศยุโรปซึ่งจะส่งขึ้นในปี 2020 ได้รับการออกแบบให้วัดค่าพลวัตเอกภพอย่างละเอียดตลอดช่วงหนึ่งหมื่นล้านปีที่ผ่านมา และยังมีความคาดหวังอย่างสูงต่อกล้องโทรทรรศน์แอลเอสเอสที (LSST: Large Synoptic Survey Telescope) ซึ่งอยู่ระหว่างการก่อสร้างในภาคกลางตอนเหนือของประเทศชิลี กล้องโทรทรรรศน์ทรงป้อมขนาด 8.4 เมตรกล้องนี้ติดตั้งกล้องดิจิทัลขนาดใหญ่ที่สุดที่โลกเคยผลิต และออกแบบมาเพื่อถ่ายภาพเอกภพที่สังเกตได้ให้ได้ไกลที่สุด
ด้วยเครื่องมือเหล่านี้ นักเอกภพวิทยาหวังจะเขียนประวัติศาสตร์ของการปรากฏและอิทธิพลของพลังงานมืดขึ้นด้วยการวัดอัตราการขยายตัวของเอกภพโดยตรงตลอดช่วงเวลาในอดีต ประเด็นที่มีความสำคัญยิ่งคืออนาคตของเอกภพ ถ้าเราอยู่ใน เอกภพที่วิ่งเตลิด ซึ่งพลังงานมืดมีแต่จะครอบงำมากขึ้น ดาราจักรเกือบทั้งหมดจะถูกขับออกไปจนพ้นสายตาของกันและกันในที่สุด ทิ้งให้นักเอกภพวิทยาในอนาคตอันห่างไกลสังเกตได้เพียงดาราจักรใกล้ตัวกับอวกาศอันมืดดำ
เรื่องโดย ทิโมที แฟร์ริส
มกราคม
