เรื่องและภาพโดย “ไอซี” วริศา ใจดี
จากฉบับที่แล้วที่ฉันได้เล่าเรื่องราวของพลังงานมืดไป และเราได้ทำความรู้จักกันกับการสั่นแบบเสียงของแบริออน (baryon acoustic oscillation: BAO) ในบทบาทของเครื่องมือสำคัญที่ช่วยให้เราได้เรียนรู้ถึงรูปร่างหน้าตาของจักรวาลในอดีต ฉบับนี้ฉันจะเล่าขยายความว่า BAO นั้นคืออะไรกันแน่
เริ่มจากคำแรก baryon หรือแบริออน เป็นคำเรียกกลุ่มของอนุภาค มีรากศัพท์มาจากคำภาษากรีกที่แปลตรงตัวว่า หนัก เนื่องจากความที่อนุภาคจำพวกนี้มีน้ำหนักมากกว่าอนุภาคอื่น ๆ ที่รู้จักกัน ณ ตอนนั้น อนุภาคในกลุ่มนี้ที่เราน่าจะคุ้นเคยกันดีก็ได้แก่ โปรตอนและนิวตรอน สองอนุภาคนี้มีมวลเท่ากัน ต่างกันเพียงโปรตอนมีประจุไฟฟ้าบวก ในขณะที่นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า ทั้งคู่ล้วนเป็นอนุภาคพื้นฐานของอะตอมที่เป็นหน่วยย่อยของสสารที่เราเห็นกันอยู่ทุกวัน โดยอนุภาคที่จัดอยู่ในกลุ่มแบริออนมีคุณสมบัติอย่างหนึ่งที่เหมือนกันคือ พวกมันล้วนประกอบขึ้นจากอนุภาคมูลฐาน 3 ชนิด หรือหน่วยย่อยที่เล็กที่สุดที่เรียกว่า ควาร์ก (quarks)
ในที่นี้แบริออนหมายถึงสสารทั่ว ๆ ไปที่เป็นองค์ประกอบของดวงดาว ดาวเคราะห์ กาแล็กซี และวัตถุต่าง ๆ ในจักรวาล คำนี้บ่งบอกว่า BAO เป็นการอธิบายปรากฏการณ์ที่เกี่ยวเนื่องกับอนุภาคจำพวกแบริออน ซึ่งเป็นองค์ประกอบของพลาสมาในยุคแรกเริ่มของจักรวาล (primordial plasma) ที่มีความหนาแน่นสูงและร้อนจัด เป็นจักรวาลในยุคแรกเกิดหลังปรากฏการณ์บิกแบง (Big Bang) ต่างไปจากจักรวาลในปัจจุบันที่เต็มไปด้วยช่องว่างระหว่างสสาร (space) อย่างที่เรารู้จักกัน ซึ่งสมัยก่อนช่วงจักรวาลของเรายังอ่อนวัย สสารล้วนเข้มข้นคล้ายซุป เพราะอุณหภูมิที่สูง อนุภาคเลยไม่สามารถเกาะรวมตัวก่อเป็นอะตอมหรือสสารอื่น ๆ ได้ ทำให้ทุกสิ่งล้วนหนาแน่นไปด้วยอนุภาคพื้นฐานที่มีพลังงานสูงและทำปฏิกิริยาต่อกันผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและนิวเคลียร์ และเป็นแหล่งกำเนิดของรังสีคอสมิกไมโครเวฟพื้นหลัง (cosmic microwave background radiation: CMB) หรือรังสีความร้อนหลงเหลือมาจากบิกแบงที่นับเป็นสัญญาณที่เก่าแก่ที่สุดที่วัดได้
ส่วนคำว่า acoustic อธิบายถึงคุณสมบัติของ BAO ว่าคล้ายคลื่นเสียงที่แผ่กระจายผ่านพลาสมาในยุคแรกเริ่มของจักรวาล คลื่นนี้มีจุดกำเนิดมาจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของพลาสมา ส่งผลให้เกิดการหดและขยายสลับกันไปเป็นจังหวะ คล้ายการทำงานของคลื่นเสียงในอากาศ โดยการสั่นพ้องของคลื่น หรือในคำถัดมาก็คือ oscillation ที่ส่วนใหญ่จะบ่งบอกถึงการกลับไปกลับมาระหว่างสถานะ ซึ่งคลื่นเสียงนี้ก็มีการสั่นพ้องกลับไปมาเช่นกัน หลังจากการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลหลังบิกแบง คลื่นเสียงนี้ได้กดพลาสมาให้เคลื่อนที่เข้าชิดกันในบางบริเวณ ส่งผลให้พลาสมาร้อนขึ้น และในบางบริเวณก็ขยายพลาสมาออก ส่งผลให้บริเวณนั้นเย็นลง สลับกันไป รวม ๆ แล้วส่งผลให้อุณหภูมิของรังสี CMB มีการเปลี่ยนไปมาขึ้น ๆ ลง ๆ
ภาพแสดงการเดินทางของคลื่นสองรูปแบบ ได้แก่ คลื่นตามยาว (logitudinal wave) ที่มีทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือตัวกลางขนานกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น (บน) คลื่นตามขวาง (transverse wave) ที่มีทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคหรือตัวกลางตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ของคลื่น เช่น การแกว่งเชือกขึ้น ๆ ลง ๆ (ล่าง) โดยคลื่นเสียงเป็นแบบแรกเพราะอนุภาคตัวกลางมีการสั่นขนานไปกับทิศการแผ่ของคลื่น
เมื่อจักรวาลได้ขยายตัวและเริ่มเย็นลงบ้าง ก็นำไปสู่เหตุการณ์ครั้งสำคัญที่เรียกว่า การรวมตัวใหม่ (recombination) ในช่วงราว 380,000 ปีหลังบิกแบง ที่อิเล็กตรอนรวมตัวกับโปรตอนและอะตอมไฮโดรเจนได้ถือกำเนิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงครั้งนี้ทำให้อนุภาคของแสงอย่างโฟตอน เดินทางเป็นอิสระได้เป็นครั้งแรก ! และรูปแบบของอุณหภูมิที่คลื่นเสียงได้ก่อขึ้นเมื่อก่อนหน้าก็ถูกตรึงไว้ในรังสี CMB เมื่อแสงแรกของจักรวาลได้เริ่มออกเดินทาง และนั่นเองคือรังสี CMB ที่หลงเหลืออยู่ในจักรวาลให้นักดาราศาสตร์ได้ใช้ศึกษาถึงการเปลี่ยนแปลงและความแตกต่างของอุณหภูมิในบริเวณต่าง ๆ ของจักรวาล ซึ่งสืบเนื่องไปถึงรูปแบบการกระจายตัวของสสารในอดีต หรือที่เรียกว่า BAO
ภาพแสดงการหดขยายในตำแหน่งต่าง ๆ ของจักรวาล โดยบริเวณที่หด อนุภาคจะเข้าใกล้กันขึ้นทำให้ร้อนขึ้น (สีแดง) และบริเวณที่ขยาย อนุภาคจะออกห่างจากกันทำให้เย็นลง (สีฟ้า) รูปแบบของอุณหภูมิร้อนและเย็นนี้เราตรวจจับได้จากรังสี CMB
BAO จึงเป็นร่องรอยที่หลงเหลือจากวิวัฒนาการของจักรวาลจากอดีตมาจนถึงปัจจุบัน และเราได้ใช้ประโยชน์จาก BAO เป็นสเกลมาตรฐานการวัดระยะทางในจักรวาล เนื่องด้วยรูปแบบการหดและขยายนั้นเป็นสเกลที่บ่งบอกถึงการกระจายตัวของสสารออกจากกัน โดยสรุปเหตุการณ์เริ่มต้นจากการขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลหลังเกิดบิกแบง ซึ่งส่งผลให้เกิดคลื่นเสียงเดินทางผ่านจักรวาล จากครั้งที่จักรวาลยังคงหนาแน่นไปด้วยอนุภาคแบริออน คลื่นเสียงนี้เดินทางผ่านการหดขยายของอนุภาคในพลาสมายุคแรกเริ่มของจักรวาล ส่งผลให้ส่วนที่หดก็ร้อนขึ้น ส่วนที่ขยายก็เย็นลงสลับกันไปตามจังหวะเป็นท่วงทำนองที่พลิ้วไหว ตามมาด้วยการรวมตัวใหม่ เมื่อจักรวาลเย็นพอที่อนุภาคเริ่มผสานกันเกิดเป็นอะตอม และแสงเริ่มเดินทาง รูปแบบของการแปรเปลี่ยนความหนาแน่นจากการหดขยายนั้นก็ค้างติดอยู่ในรูปแบบของรังสี CMB และการศึกษารูปแบบของการกระจายของอุณหภูมิที่หลงเหลืออยู่ในรูปแบบรังสี CMB นี้ทำให้นักดาราศาสตร์ค้นพบว่า จักรวาลสมัยก่อนเต็มไปด้วยการสั่นพ้องที่กลมกลืนกันประหนึ่งบทบรรเลงของจักรวาล
ด้วยข้อมูลที่ได้จากการศึกษารูปแบบการบรรเลง และจากเหตุการณ์สำคัญที่ส่งผลต่อรูปแบบของจักรวาลดังที่กล่าวข้างต้น ทำให้นักดาราศาสตร์ศึกษาต้นกำเนิดของจักรวาลผ่านคลื่นเสียงจากอดีตอันไกลโพ้น นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณอายุ องค์ประกอบ และโครงสร้างของจักรวาล ซึ่งนำไปสู่การค้นพบใหม่ ๆ ที่เราไม่คาดคิด อย่างการมีอยู่ของพลังงานมืด ที่ฉันได้เล่าไว้ในฉบับที่แล้วนั่นเอง
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
Hu, Wayne, and Martin White. “The Cosmic Symphony.” Scientific American, vol. 290, no. 2, Feb. 2004, pp. 44–53., https://doi.org/10.1038/scientificamerican0204-44.
About Author
