ดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter?

Cumrun Vafa นักฟิสิกส์เคยกล่าวไว้ว่า ปริศนาในวิทยาศาสตร์มักมาเป็นคู่ แต่ละคูทำหน้าที่เป็นทางออกของอีกคู่หนึ่ง โดยพื้นฐานแล้ว คุณไม่มีทางรู้ว่าแนวคิดใดในฟิสิกส์อาจมีประโยชน์สำหรับการอธิบายปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากยังมีอีกมากที่เรายังไม่เข้าใจเกี่ยวกับจักรวาล

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียในแคนาดาเชื่อว่า อาจเป็นกรณีของแอกเซียน (axions) ซึ่งเป็นอนุภาคสมมติและเป็นตัวเต็งสำหรับสสารมืด (dark matter) ที่มีความสัมพันธ์กับดาวแคระขาว (white dwarfs) เพื่อให้ชัดเจน สิ่งพิมพ์ฉบับร่าง arXiv ที่ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญ ไม่ได้พบหลักฐานสำหรับแอกเซียน อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์นำเสนอเรื่องราวที่น่าสนใจเกี่ยวกับการตายของดาวแคระขาวในแง่ของฟิสิกส์แอกเซียน เปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับการวิจัยในอนาคต

ในขั้นต้น แอกเซียนถูกสร้างขึ้นเพื่อเป็นทางออกสำหรับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับ ความไม่สมดุลระหว่างสสารและปฏิสสาร ในขอบเขตควอนตัม นั่นคือเมื่อปี 1977 และแนวคิดนี้ค่อยๆ ลดลงเนื่องจากการพยายามตรวจจับล้มเหลวในการตรวจจับอนุภาคทางทฤษฎี ซึ่งถูกตั้งสมมติฐานว่ามีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนแอกับสสารอื่นและมีมวลต่ำ

ทีนี้ ลองพิจารณาสสารมืด นักฟิสิกส์เชื่อว่าประมาณ 85% ของจักรวาลประกอบด้วยสสารมืด และมี หลักฐานมากมาย ที่บ่งชี้ว่ามันมีอยู่จริง สมกับชื่อ สสารมืดคือ “มืด” ในแง่ที่ว่ามันแทบจะไม่ทำปฏิกิริยากับสิ่งที่เรามองเห็น และน่าจะมีน้ำหนักเบา คล้ายกับแอกเซียนหากมีอยู่จริง เมื่อพิจารณาถึงความคล้ายคลึงกัน นักฟิสิกส์จึงถือว่าแอกเซียนเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับสสารมืดมานานแล้ว ที่กล่าวว่า นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้พบสัญญาณที่แท้จริงของแอกเซียน หรือสำหรับเรื่องนั้น ผู้สมัครสสารมืดรายใดๆ

และจากนั้นก็มีดาวแคระขาว แกนกลางของดาวฤกษ์ที่หนาแน่น เย็น และโดยทั่วไปจะไม่ทำงาน ซึ่งเหลือจากการตายของดาวฤกษ์ ในทางเทคนิค ณ จุดหนึ่ง ดาวฤกษ์ที่ตายครึ่งๆ กลางๆ เหล่านี้มีความหนาแน่นมากจนควรจะยุบตัวลงจากแรงดันโน้มถ่วงที่มากเกินไป

แต่พวกเขาไม่ทำ ต้องขอบคุณสิ่งที่เรียกว่าแรงดันอิเล็กตรอนดีเจนเนอเรซี (electron degeneracy pressure) พูดง่ายๆ ก็คือ อิเล็กตรอนในขอบเขตควอนตัมไม่สามารถใช้สถานะพลังงานเดียวกันได้ ดังนั้นอิเล็กตรอนที่หมุนวนเข้าและออกจากดาวฤกษ์จะเดินทางเร็วขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดก็สร้างแรงดันมากพอที่จะป้องกันไม่ให้ดาวแคระขาวแตกสลาย

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่แปลกประหลาดนี้เองที่ทำให้ดาวแคระขาวเป็นที่นิยมในหมู่นักฟิสิกส์ที่ค้นหาแอกเซียนหรืออนุภาคที่คล้ายแอกเซียน ตามการศึกษา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบบจำลองทางทฤษฎีบางแบบเสนอว่าแอกเซียนสามารถก่อตัวได้จากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็ว

นอกจากนี้ การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ยังเผยให้เห็นว่า บางครั้งดาวแคระขาวจะเย็นตัวลงเร็วกว่าที่คาดไว้มาก หากดาวฤกษ์ที่ตายครึ่งๆ กลางๆ เหล่านี้กำลังผลิตแอกเซียนอย่างแข็งขัน การสูญเสียพลังงานนั้นจะสมเหตุสมผลมากขึ้น นักวิจัยอธิบายไว้ในบทความ เนื่องจากแอกเซียนที่หลุดออกจากดาวฤกษ์จะดูดพลังงานที่เหลืออยู่ออกไป

เพื่อทดสอบสมมติฐานของพวกเขา นักวิจัยได้นำข้อมูลเก่าจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล และทำการจำลองหลายครั้งว่าการมีอยู่ของแอกเซียนมีอิทธิพลต่อกิจกรรมของดาวแคระขาวอย่างไร การทดลองช่วยให้พวกเขาพัฒนาการทำนายหลายอย่างเกี่ยวกับอุณหภูมิและอายุของดาวแคระขาว โดยมีและไม่มีการระบายความร้อนเพิ่มเติมจากแอกเซียน

หลังจากเสร็จสิ้นการทดลอง พวกเขาเปรียบเทียบการคำนวณของพวกเขากับข้อมูลจริงจาก 47 Tucanae ซึ่งเป็นกระจุกดาวทรงกลมที่มีประชากรดาวแคระขาว อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทำให้พวกเขาผิดหวังคือพวกเขาพบว่าแบบจำลองของพวกเขาล้มเหลวในการค้นหาหลักฐานของการระบายความร้อนด้วยแอกเซียน

แม้ว่าเรื่องนี้อาจฟังดูบ้าคลั่ง แต่ผลสรุปของนักวิจัยคือ การออกกำลังกายครั้งนี้ยังพบข้อจำกัดใหม่เกี่ยวกับความสามารถของอิเล็กตรอนในการผลิตดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter: ประมาณหนึ่งครั้งในโอกาสหนึ่งล้านล้านครั้ง ไม่ว่าจะดีขึ้นหรือแย่ลง เมื่อมองหาบางสิ่งที่เข้าใจยากอย่างสสารมืด การเรียนรู้สิ่งที่ไม่สามารถทำได้มักจะนำนักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้สิ่งที่ทำได้

พอล ซัตเตอร์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่ง Johns Hopkins ที่ไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษา เขียนไว้ใน บทวิจารณ์ สำหรับ Space.com ว่า “ผลลัพธ์นี้ไม่ได้ตัดแอกเซียนออกไปโดยสิ้นเชิง แต่บอกว่าไม่น่าเป็นไปได้ที่อิเล็กตรอนและแอกเซียนจะทำปฏิกิริยากันโดยตรง ดังนั้น ถ้าเราจะค้นหาแอกเซียนต่อไป เราจะต้องหาวิธีที่ฉลาดกว่านี้ในการมองหา”

ดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter

การค้นหาดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter ยังคงเป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่การทดลองและการวิเคราะห์ข้อมูลใหม่ๆ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้ความเข้าใจในธรรมชาติของสสารมืดมากขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าการทดลองนี้จะไม่พบหลักฐานของแอกเซียน แต่ก็ยังให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับการโต้ตอบที่เป็นไปได้ระหว่างอิเล็กตรอนและแอกเซียน

อนาคตของการวิจัยดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter

การวิจัยเกี่ยวกับดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter ยังคงดำเนินต่อไป และนักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจวิธีการใหม่ๆ เพื่อค้นหาอนุภาคที่เข้าใจยากนี้ การใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นใหม่และเครื่องตรวจจับสสารมืดที่ไวต่อความรู้สึกมากยิ่งขึ้น อาจนำไปสู่การค้นพบที่ก้าวล้ำในอนาคต

การค้นหาสสารมืดและการทำความเข้าใจธรรมชาติของมันยังคงเป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์ยุคใหม่ การค้นพบดาวซอมบี้กุญแจค้นหา Dark Matter จะช่วยให้เราเข้าใจจักรวาลได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ที่มา – ‘Zombie Stars’ Might Be a Beacon in Our Search for Dark Matter