ในแสงดาวปีศาจ คำแนะนำแห่งความมืด | นิตยสารควอนต้า

เมื่อเดือนตุลาคมปีที่แล้ว ขณะที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ฉายแสงท้องฟ้าระยะไกลใกล้กับกลุ่มดาวเอริดานัสเป็นครั้งแรก นักดาราศาสตร์ก็เริ่มปะติดปะต่อเรื่องราวของจุดแสงริบหรี่ที่ดูเหมือนจะโผล่ออกมาจากส่วนที่ลึกที่สุดของจักรวาล

ไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม มันส่องแสงแวววาวนานเกินกว่าจะเป็นซูเปอร์โนวาได้ ดาวดวงหนึ่งก็อยู่นอกโต๊ะเช่นกัน “รู้สึกเหมือนคุณอยู่ในหนึ่งในภาพยนตร์ CSI เหล่านี้ คุณเป็นนักสืบ” กล่าว โฮเซ่ มาเรีย ดิเอโก้ซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากสถาบันฟิสิกส์แห่งกันตาเบรียในสเปนที่ทำงานเพื่อถอดรหัสสัญญาณ “คุณมีผู้ต้องสงสัยอยู่บนโต๊ะมากมาย และคุณต้องกำจัด [พวกเขา] ทีละคน”

ดิเอโกและเพื่อนร่วมงานของเขารายงานเมื่อเร็วๆ นี้ว่ามีรอยเปื้อนแสงจางๆ ปรากฏขึ้น ระบบดาวสุดโต่ง พวกเขาตั้งชื่อเล่นว่ามอธรา ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ยักษ์ใหญ่คู่หนึ่งซึ่งในยุครุ่งเรืองเมื่อ 10 พันล้านปีก่อน ส่องแสงโดดเด่นกว่าแทบทุกสิ่งในกาแล็กซีของพวกมัน

ในเวลานั้น จักรวาลทั้งหมดมีอายุน้อยกว่าโลกในปัจจุบัน โลกของเราเริ่มรวมตัวกันหลังจากที่โฟตอนของมอธรามาถึงจุดกึ่งกลางของการเดินทางในจักรวาลไปยังโลกที่จะพัฒนากล้องโทรทรรศน์อวกาศขนาดยักษ์ที่ไวต่ออินฟราเรดทันเวลาที่จะจับแสงของมัน การตรวจจับแสงที่ปล่อยออกมาจากระบบดาวฤกษ์แต่ละระบบซึ่งเมื่อนานมาแล้วเป็นไปไม่ได้ แต่มอธรา ซึ่งตั้งชื่อตามสัตว์ประหลาดไคจูที่ได้รับแรงบันดาลใจจากผีเสื้อกลางคืนเป็นเพียงกลุ่มล่าสุดในกลุ่มระบบดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุด ไกลที่สุดเท่าที่เคยมีมา โดยทั่วไปแล้วเป็นเพียงระบบดาวขั้นสูงสุดที่นักดาราศาสตร์พบในภาพจาก JWST และกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ในทางกลับกัน ในขณะที่มอธราและพี่น้องสัตว์ร้ายของมันกำลังค้นพบวัตถุทางดาราศาสตร์ที่น่าสนใจในตัวของพวกเขาเอง สิ่งที่ทำให้ดิเอโกตื่นเต้นมากที่สุดก็คือแสงของดวงดาวสัตว์ประหลาดดูเหมือนจะเผยให้เห็นวัตถุประเภทที่แตกต่างกันมากที่ลอยอยู่ระหว่างมันกับโลก ซึ่งก็คือสิ่งที่มองไม่เห็น ก้อนสสารมืดที่เขาและเพื่อนร่วมงานคำนวณนั้นมีน้ำหนักระหว่าง 10,000 ถึง 2.5 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

หากวัตถุดังกล่าวมีอยู่จริง ซึ่งเป็นข้อสรุปเบื้องต้นในตอนนี้ มันสามารถช่วยให้นักฟิสิกส์ตีกรอบทฤษฎีเกี่ยวกับสสารมืดให้แคบลง และอาจช่วยไขปริศนามวลที่ไม่สามารถอธิบายได้ในจักรวาลด้วย

ในปี 2023 ความพยายามของห้องปฏิบัติการในการดึงอนุภาคสสารมืดแต่ละตัวว่างเปล่า ทำให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์บางคนเกิดความสงสัยเชิงปฏิบัติอย่างน่ากลัวว่าวิธีเดียวที่มนุษย์จะใส่คาลิเปอร์ลงบนสสารลึกลับนั้นได้คือการศึกษาผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมันในจักรวาลอันกว้างใหญ่ ทีมของดิเอโกและคนอื่นๆ จึงค้นหาโครงร่างที่น่ากลัวของวัตถุมืดในจักรวาล พวกเขาหวังที่จะระบุกลุ่มสสารมืดที่เล็กที่สุดที่มีอยู่ ซึ่งขึ้นอยู่กับฟิสิกส์พื้นฐานของอนุภาคสสารมืดเอง แต่ก้อนสสารมืดบริสุทธิ์ไม่เพียงแต่ปรากฏต่อนักดาราศาสตร์เท่านั้น ทีมใช้เทคนิคการสังเกตเพื่อเกลี้ยกล่อมเงาดังกล่าวจากเงา ขณะนี้นักดาราศาสตร์กำลังมุ่งความสนใจไปที่ปรากฏการณ์จักรวาลตั้งแต่เลนส์โน้มถ่วงที่บิดเบี้ยวในอวกาศ ซึ่งเป็นแว่นขยายที่มองไม่เห็นและมีสสารมืดครอบงำซึ่งเผยให้เห็นมอธรา ไปจนถึงกระแสดาวฤกษ์คล้ายริบบิ้นที่กระพืออยู่ใกล้บ้านมาก จนถึงขณะนี้ ความพยายามเหล่านี้ได้ตัดชุดแบบจำลองยอดนิยมที่เรียกว่า "สสารมืดอุ่น" หลายรูปแบบออกไป

“คุณไม่สามารถสัมผัสสสารมืดได้” กล่าว แอนนา เนียร์เบิร์กเมอร์เซด นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ที่กำลังค้นหาจุดหยดระหว่างดวงดาวอันมืดมิดด้วย JWST แต่กลับเจอโครงสร้างเล็กๆ ที่สร้างมันขึ้นมาล่ะ? “ใกล้ที่สุดเท่าที่คุณจะทำได้”

ฮาโล ฮาโล ฮาโล

สิ่งที่เรารู้เพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับสสารมืดนั้นมีอยู่ในโครงร่างที่คลุมเครือและพร่ามัว หลักฐานที่มีคุณค่ามานานหลายทศวรรษได้ชี้ให้เห็นว่าทฤษฎีแรงโน้มถ่วงทั้งสองทฤษฎีนั้นไม่สมบูรณ์ หรือตามที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์มักโต้แย้งว่าอนุภาคสสารมืดหลอกหลอนจักรวาล ในการสังเกตการณ์แบบคลาสสิกครั้งหนึ่ง ดูเหมือนว่าดวงดาวจะวิ่งไปรอบนอกกาแลคซีราวกับว่าถูกยึดไว้ด้วยแรงโน้มถ่วงที่แรงกว่าสสารที่มองเห็นได้ ด้วยการวัดการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์เหล่านี้และใช้เทคนิคอื่นๆ ที่ระบุบริเวณในอวกาศด้วยยกน้ำหนักพิเศษ นักดาราศาสตร์สามารถเห็นภาพว่าสสารมืดของเอกภพมีการกระจายตัวในระดับที่ใหญ่ขึ้นอย่างไร

“ถ้าเรามีแว่นตาสสารมืด” นีเรนเบิร์กกล่าว รอบๆ กาแล็กซีทุกแห่ง เราคงจะเห็น “โครงสร้างแตงโมขนาดใหญ่ คลุมเครือ และขยายออก ซึ่งใหญ่กว่ากาแล็กซีนั้นมาก” สำหรับทางช้างเผือกของเราเอง นักดาราศาสตร์ประเมินว่ารังไหมสีเข้มที่กระจัดกระจายนี้เรียกว่าฮาโล มีน้ำหนักประมาณหนึ่งล้านล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ และกว้างกว่าดิสก์ดาวฤกษ์ที่เป็นกังหันของดาราจักรถึง 10 เท่า

แต่ขยายไปสู่ระดับที่เล็กลง และความแน่นอนทางวิทยาศาสตร์ก็พังทลายลง รัศมีสสารมืดของทางช้างเผือกเป็นรัศมีเรียบหรือไม่? หรือจะเรียงกันเป็นกระจุกเรียกว่ารัศมีย่อย? แล้วถ้าเป็นเช่นนั้น ก้อนพวกนั้นจะขนาดไหน?

คำตอบอาจทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุธรรมชาติที่แท้จริงของสสารมืดได้ แบบจำลองว่าเอกภพพัฒนาโครงสร้างปัจจุบันอย่างไร - ใยจักรวาลที่ถักทอด้วยสายดาราจักรสีมุก - ทำนายว่าอนุภาคสสารมืดไม่ว่าจะเป็นอะไรก็ตาม รวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อนเล็ก ๆ ที่ยึดแน่นด้วยแรงโน้มถ่วงในช่วงสองสามแสนปีแรกหลังบิ๊กแบง ก้อนเหล่านั้นจำนวนมากรวมตัวกันและดึงสสารที่มองเห็นออกมาในที่สุด สิ่งเหล่านี้เติบโตเป็นเมล็ดของกาแลคซี แต่รัศมีมืดที่เล็กที่สุดบางส่วนที่ไม่ได้รวมกันควรจะยังคงมีอยู่เป็น “เศษซากของการก่อตัวของโครงสร้างในเอกภพยุคแรกๆ” กล่าว อีธาน แนดเลอร์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากหอดูดาวคาร์เนกีและมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย “เหมือนกับไทม์แมชชีนเลย”

การค้นหาและชั่งน้ำหนักกลุ่มวัตถุโบราณเหล่านี้จะช่วยให้นักฟิสิกส์ยึดหลักฟิสิกส์พื้นฐานของสสารมืดได้ดีขึ้น ซึ่งรวมถึงมวลของอนุภาคลึกลับและ "อุณหภูมิ" ซึ่งเป็นคำที่ทำให้เข้าใจผิดซึ่งอธิบายความเร็วที่เมฆของอนุภาคแต่ละอนุภาคเคลื่อนตัวไปมา

หนึ่งในผู้ต้องสงสัยชั้นนำในปริศนาเกี่ยวกับสสารมืดคือสสารมืดเย็น ซึ่งเป็นแบบจำลองที่ผู้กระทำผิดมีขนาดค่อนข้างหนักและเป็นอนุภาคที่เชื่องช้า ตัวอย่างหนึ่งคืออนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์น้อยหรือ WIMP หากทฤษฎีเหล่านี้ถูกต้อง อนุภาคดังกล่าวคงจะตกลงไปเป็นกลุ่มก้อนที่มีแรงโน้มถ่วงในตัวได้อย่างง่ายดายในจักรวาลยุคแรกๆ ซึ่งบางส่วนอาจมีขนาดเล็กเท่ากับมวลโลก ทุกวันนี้ รัศมีเล็กๆ ของสสารมืดที่ยังคงหลงเหลืออยู่เหล่านี้ควรจะลอยอยู่ภายในและรอบๆ รัศมีรวมของกาแลคซีที่มีขนาดใหญ่กว่าอย่างทางช้างเผือก

แต่หากอนุภาคสสารมืดที่เบากว่าเคลื่อนผ่านเอกภพยุคแรกได้เร็วขึ้น ตามที่โมเดลสสารมืด "อบอุ่น" ที่แข่งขันกันแนะนำ มีเพียงกระจุกขนาดใหญ่กว่าที่มีแรงดึงดูดที่มากกว่าเท่านั้นที่จะก่อตัวได้ แบบจำลองเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่ามีจุดตัดสำหรับโครงสร้างสสารมืด ซึ่งเป็นมวลขั้นต่ำที่ไม่มีรัศมีอยู่ข้างใต้ ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่มีคนค้นพบรัศมีมืดใหม่ที่เล็กที่สุดที่รู้จัก (เช่นรัศมีที่อ้างว่าอยู่ระหว่างโลกกับมอธรา) นักทฤษฎีจะถูกบังคับให้แยกแยะสถานการณ์ที่เย็นกว่าออกไป

แบบจำลองยอดนิยมอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าสสารมืดคลุมเครือ ถือว่าเป็นเพียงเสียงกระซิบของอนุภาคสสารมืด - อาจจะ 10²⁸ เบากว่าอิเล็กตรอนหลายเท่า ตัวอย่างเช่น อนุภาคสมมุติที่เรียกว่า แอกเซียน อาจอยู่ในช่วงขนาดนี้และค่อนข้างเย็นด้วย รุ่นเฟเธอร์เวทเหล่านี้จะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นมากกว่าอนุภาค ซึ่งกระเพื่อมไปทั่วกาแลคซี เช่นเดียวกับสสารมืดอุ่น การจุติเป็นมนุษย์เหมือนคลื่นนี้จะไม่ก่อตัวเป็นกลุ่มก้อนที่ยึดเหนี่ยวด้วยแรงโน้มถ่วงในระดับมวลที่เล็กกว่ากาแลคซี แต่สสารมืดเบามากน่าจะบอกอะไรได้อีก เมื่อคลื่นของสสารมืดคลุมเครือปะทะกันภายในรัศมี พวกมันอาจก่อตัวรูปแบบการรบกวนที่มีขนาดเล็กกว่าที่เรียกว่าแกรนูล ซึ่งเป็นบริเวณที่ดูเป็นเม็ดเล็กซึ่งมีความหนาแน่นของสสารมืดสูงกว่า ซึ่งจะแสดงลายเซ็นแรงโน้มถ่วงที่วัดได้ของมันเอง

การจะแยกแยะทฤษฎีเหล่านี้บางทฤษฎีจำเป็นต้องมีการค้นหาหรือไม่พบรัศมีสสารมืดที่มีมวลต่ำกว่าหรือน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด การค้นหาเริ่มต้นด้วยการระบุฮาโลที่มีขนาดเล็กที่สุดซึ่งรู้จักห่อหุ้มกาแลคซีแคระ ซึ่งเป็นกระจุกสสารมืดที่ยังคงมีมวลมวลดวงอาทิตย์หลายร้อยล้านดวง และตอนนี้มันกำลังพยายามหาทางไปสู่สิ่งที่ไม่ทราบ อย่างไรก็ตาม ปัญหาก็คือว่ารัศมีมืดเล็กๆ สมมุติเหล่านี้อาจขาดแรงโน้มถ่วงที่จำเป็นในการดึงดูดสสารปกติและจุดชนวนดาวฤกษ์ ไม่สามารถมองเห็นได้โดยตรง เนื่องจากเป็นมากกว่าเงาหนาๆ เล็กน้อย “การตามล่าดำเนินไปเพื่อเป็นหลักฐาน” กล่าว แมทธิววอล์คเกอร์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน “มันแค่หายาก”

บทเรียนจากเลนส์

การค้นหาขั้นสูงสุดในปัจจุบันสำหรับหมูหลังรัศมีย่อยสีเข้มขนาดเล็กในปรากฏการณ์ที่เกือบอัศจรรย์: เลนส์โน้มถ่วง ตามคำทำนายของไอน์สไตน์ เลนส์โน้มถ่วงคือบริเวณกาล-อวกาศที่บิดเบี้ยวซึ่งล้อมรอบวัตถุขนาดใหญ่ สนามโน้มถ่วงของวัตถุนั้น - เลนส์ - บิดเบือนและโฟกัสแสงพื้นหลังในลักษณะเดียวกับที่แว่นขยายสามารถขยายภาพของมดหรือรวมแสงอาทิตย์มากพอที่จะจุดไฟได้

การวางแนวเลนส์แต่ละครั้งเกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดแสงที่ส่องมาจากชายฝั่งอันไกลโพ้นของจักรวาลและตัวเลนส์เอง บ่อยครั้งที่เลนส์เหล่านี้เป็นกาแลคซีขนาดใหญ่หรือกระจุกกาแลคซีที่บิดเบี้ยวอวกาศ-เวลาและบังเอิญอยู่ในแนวเดียวกันระหว่างแหล่งกำเนิดระยะไกลนั้นกับโลก เลนส์สร้างเอฟเฟกต์แสงที่หลากหลาย ตั้งแต่ส่วนโค้งของแสงไปจนถึงสำเนาหลายชุดของแหล่งพื้นหลังเดียวกัน ไปจนถึงภาพวัตถุที่มีการขยายสูง ซึ่งหากไม่อย่างนั้นอยู่ไกลเกินกว่าจะมองเห็นได้มาก

ในปี 2017 นักดาราศาสตร์ถ่ายภาพได้โดยการตกปลาผ่านจักรวาลที่มีเลนส์เท่านั้น อิคารัสซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่เผาไหม้เจิดจ้าเมื่อประมาณ 9 พันล้านปีก่อน ล่าสุดพวกเขาพบเอเรนเดลอายุเกือบ 13 พันล้านปี ซึ่งเป็นเจ้าของสถิติดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดในปัจจุบัน ส่องแสงได้มาก โดยตัวมันเองเท่ากับดวงอาทิตย์ 1 ล้านดวง พวกเขายังเห็นก็อดซิลล่าซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไปซึ่งมีพลังมหาศาล กำลังเกิดระเบิดขึ้นและสัตว์ประหลาด Mothra เพื่อนของ Godzilla ซึ่งดูเหมือนจะเป็นวัตถุแปรผันประเภทเดียวกัน (“และใช่ เรากำลังสนุกกับสิ่งนี้” ดิเอโกกล่าวถึงกระบวนการตั้งชื่อทีมของเขา)

แต่เลนส์โน้มถ่วงไม่ได้เป็นเพียงประตูสู่อีกด้านหนึ่งของจักรวาลเท่านั้น นักล่าสสารมืดถือว่าเลนส์นี้น่าสนใจพอๆ กับเลนส์ขยายมานานแล้ว วิธีที่แม่นยำซึ่งเลนส์บิดเบี้ยวและบิดเบือนภาพพื้นหลังนั้นสอดคล้องกับการกระจายมวลในและรอบๆ ดาราจักรหรือกระจุกเลนส์ หากสสารมืดมีอยู่ในกระจุกไร้ดาวเล็กๆ ภายในรูปแบบของฮาโลขนาดกาแลคซีที่รู้จัก นักดาราศาสตร์ก็น่าจะสามารถเห็นแสงโค้งงอรอบๆ กระจุกเหล่านั้นได้เช่นกัน

รัศมีมืดที่เล็กที่สุดที่ตรวจพบด้วยวิธีนี้สามารถเทียบเคียงกับรัศมีที่เล็กที่สุดที่วัดได้รอบๆ กาแลคซีแคระอยู่แล้ว ในปี 2020 ทีมงานรวมทั้ง Nierenberg ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและหอดูดาว Keck ในฮาวายเพื่อดูภาพขยายของควาซาร์ ซึ่งเป็นสัญญาณแสงจ้าที่ปล่อยออกมาจากสสารที่ตกลงไปในหลุมดำ และ พบหลักฐานของรัศมีมืดที่มีขนาดเล็กเท่ากับมวลดวงอาทิตย์หลายร้อยล้านดวง. นั่นคือขนาดฮาโลคร่าวๆ แบบเดียวกับกาแลคซีที่เล็กที่สุด ซึ่งเป็นระดับข้อตกลงทางสถิติที่ Nadler เรียน ซึ่งตีพิมพ์ในปีถัดมา เคยแยกแยะแบบจำลองสสารมืดอุ่นที่ประกอบด้วยอนุภาคที่เบากว่าประมาณ 1/50 ของอิเล็กตรอน ซึ่งกระจุกขนาดจิ๋วดังกล่าวไม่สามารถก่อตัวได้

ในขณะเดียวกัน ในปีนี้ ทั้งสองทีมใช้ควาซาร์แบบเลนส์เพื่อค้นหาเม็ดอนุภาคสสารมืดที่คลุมเครือและมีน้ำหนักเบา ซึ่งเป็นธัญพืชที่จะก่อตัวผ่านกระบวนการคล้ายกับที่ทำให้ระลอกคลื่นปรากฏขึ้นบนพื้นผิวของสระว่ายน้ำ ตามที่ผู้เขียนคนแรกกล่าว ของการศึกษาเรื่องหนึ่งเหล่านี้ เดวอน พาวเวลล์ ของสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์มักซ์พลังค์ “คุณได้รับการกระจายของเรื่องที่วุ่นวายและเป็นก้อนนี้” เขากล่าว “มันก็แค่การรบกวนของคลื่น”

การวิเคราะห์ของทีมของเขา ซึ่งตีพิมพ์ในเดือนมิถุนายน ประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์ไม่พบหลักฐาน ผลกระทบของสสารมืดที่มีลักษณะคล้ายคลื่น ในภาพความละเอียดสูงของส่วนโค้งของแสงจากเลนส์โน้มถ่วงหนึ่งเลนส์ บ่งชี้ว่าอนุภาคมืดจะต้องหนักกว่าวัตถุที่คลุมเครือที่เล็กที่สุด แต่เป็นการเรียนเดือนเมษายนค่ะ ธรรมชาติดาราศาสตร์นำโดย อัลเฟรด อัมรูธ ของมหาวิทยาลัยฮ่องกง ดูสำเนาควาซาร์พื้นหลังที่มีเลนส์สี่ชุด และได้ข้อสรุปที่ตรงกันข้าม: เลนส์ที่ทำจากสสารมืดคลุมเครือ พวกเขาแย้งว่า อธิบายได้ดีขึ้น ความผันผวนเล็กน้อยในข้อมูล (การค้นพบที่ขัดแย้งกันจะไม่น่าแปลกใจเลย เนื่องจากสัญญาณที่คาดหวังนั้นละเอียดอ่อน และวิธีการทดลองนั้นใหม่ ผู้เชี่ยวชาญจากทั้งสองทีมบอก ควอนตั้ม.)

Nierenberg และเพื่อนร่วมงานของเธอใช้เวลาเมื่อปีที่แล้วโดยใช้ JWST เพื่อสังเกตเลนส์ความโน้มถ่วงที่ขยายควาซาร์ โดยมีเป้าหมายเบื้องต้นในการเผยแพร่การวิเคราะห์ครั้งแรกในเดือนกันยายน ตามทฤษฎี พวกเขาคำนวณว่าความสามารถของ JWST ในการค้นพบโครงสร้างขนาดเล็กในเลนส์น่าจะเผยให้เห็นว่าฮาโลสีเข้มนั้นมีอยู่ในกระจุกไร้ดาวที่มองไม่เห็นโดยสิ้นเชิงซึ่งมีช่วงขนาดหลายสิบล้านมวลดวงอาทิตย์หรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น รัศมีเหล่านั้นจะทำให้เกิดข้อจำกัดที่รุนแรงที่สุดว่าสสารมืดจะ “อบอุ่น” ได้อย่างไร

วิธีการดูดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลสุดขั้วเช่นมอธราผ่านเลนส์โน้มถ่วงที่ใหม่กว่านี้อาจเปลี่ยนจากการระบุสิ่งประหลาดที่เกิดขึ้นเพียงครั้งเดียว กลายมาเป็นคุณลักษณะปกติของดาราศาสตร์ในยุค JWST หากดิเอโกและเพื่อนร่วมงานของเขาถูกต้อง และพวกเขาสามารถมองเห็นมอธราได้เพราะมันกำลังถูกเลนส์โดยกลุ่มสสารมืดที่มีน้ำหนักน้อยกว่าสองสามล้านมวลดวงอาทิตย์ การสังเกตการณ์นั้นเพียงอย่างเดียวก็จะตัดแบบจำลองสสารมืดอุ่นเป็นแนวกว้างออกไปได้ แต่มันก็ยังคงรองรับทั้งสสารมืดที่เย็นและคลุมเครือ แม้ว่าในกรณีหลังนี้ โดยที่การขยายพิเศษของมอธรามาจากเม็ดสสารมืดหนาแน่นแทนที่จะเป็นกระจุกที่ยึดเหนี่ยวด้วยแรงโน้มถ่วง มันยังคงบังคับสสารมืดคลุมเครือให้อยู่ในช่วงแคบ ของมวลที่เป็นไปได้

นักดาราศาสตร์กำลังค้นพบดาวฤกษ์ที่มีเลนส์อื่นๆ อีกมากมายด้วยฮับเบิลและ JWST ดิเอโกกล่าว โดยคอยจับตาดูความบิดเบี้ยวทางแสงที่ผิดปกติอื่นๆ ที่อาจเกิดจากการโค้งงอของแสงดาวรอบๆ วัตถุมืดขนาดเล็ก “เราเพิ่งเริ่มที่จะเกาพื้นผิว” เขากล่าว “ช่วงนี้ฉันไม่ค่อยมีวันหยุด”

หมู่เกาะอันมืดมิดในสายธารแห่งดวงดาว

การค้นหาฮาโลสสารมืดขนาดเล็กอื่นๆ มุ่งเน้นไปที่ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้มาก เช่น ดวงดาวในลำแสงใกล้ทางช้างเผือก และดาวคู่ในกาแลคซีแคระใกล้เคียง ในปี 2018 อานา โบนาก้าซึ่งปัจจุบันเป็นนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่หอดูดาวคาร์เนกี ได้เร่งดาวน์โหลดข้อมูลจากยานอวกาศ Gaia ขององค์การอวกาศยุโรป ซึ่งวัดการเคลื่อนที่ของดวงดาวเกือบ 2 พันล้านดวงในทางช้างเผือก โบนาคาจัดเรียงการสังเกตเบื้องต้นเหล่านั้นและแยกข้อมูลจากดาวฤกษ์ที่อยู่ในโครงสร้างที่เรียกว่า GD-1 สิ่งที่เธอเห็นคือ “น่าตื่นเต้นสุด ๆ ในทันที” เธอกล่าว “เรารีบเร่งเขียนบทความในสัปดาห์หน้าโดยประมาณ”

GD-1 คือกระแสดาวฤกษ์ ซึ่งเป็นกลุ่มดาวทางช้างเผือกที่หลวมๆ ซึ่งถ้าคุณหยิบมันออกมาด้วยตาเปล่าได้ ก็จะทอดยาวไปมากกว่าครึ่งทางของท้องฟ้ายามค่ำคืน ดาวเหล่านี้หลุดออกจากกระจุกดาวทรงกลมเมื่อนานมาแล้ว ขณะนี้พวกมันโคจรรอบทางช้างเผือกทั้งสองด้านของกระจุกดาวนั้น โดยเคลื่อนไปข้างหลังและข้างหน้าเส้นทางของมันราวกับทุ่นที่ทำเครื่องหมายช่องระหว่างดวงดาว

ในการวิเคราะห์ของพวกเขา ของ GD-1 ทีมของโบนาคาพบลายนิ้วมือทางทฤษฎีของก้อนสสารมืดที่ทับซ้อนกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ส่วนหนึ่งของ GD-1 ดูเหมือนจะแยกออกเป็นสองส่วนราวกับว่ามีวัตถุขนาดใหญ่ที่มองไม่เห็นได้พังทลายไปตามเส้นทาง และดึงดวงดาวขึ้นมา พวกเขาคำนวณว่าวัตถุที่ผ่านไปนั้นอาจเป็นรัศมีย่อยของสสารมืดที่มีน้ำหนักประมาณสองสามล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ทำให้มันกลายเป็นคู่แข่งสำหรับกลุ่มสสารมืดสมมุติที่เล็กที่สุด และอาจคุกคามต่อสสารมืดอุ่นที่ร้อนกว่า .

แต่จะเปลี่ยนการค้นพบเพียงครั้งเดียวให้กลายเป็นสิ่งที่มีสถิติมากกว่าได้อย่างไร ตอนนี้ โบนาคากล่าวว่า นักดาราศาสตร์ได้บันทึกธารดวงดาวไว้แล้วประมาณ 100 แห่ง แม้ว่ามีการศึกษารายละเอียดเพียงไม่กี่ชิ้นเท่านั้น แต่แต่ละชิ้นที่ได้รับการตรวจสอบอย่างละเอียดก็ยังมีจุดหักเหและส่วนโค้งที่ผิดปกติของตัวเองซึ่งอาจเกิดจากการเผชิญหน้าด้วยแรงโน้มถ่วงกับวัตถุมืดขนาดเล็กที่คล้ายคลึงกัน แต่ข้อสังเกตยังไม่เป็นที่แน่ชัด

“ฉันคิดว่าวิธีที่ดีที่สุดคือการวิเคราะห์กระแสน้ำไปพร้อมๆ กัน” เธอกล่าว “เพื่อทำความเข้าใจว่า [คุณสมบัติผิดปกติเหล่านั้น] มาจากสสารมืดมากน้อยเพียงใด”

ในขนาดที่เล็กกว่านั้น วอล์คเกอร์ที่คาร์เนกี เมลลอน ใช้เวลาในปีที่แล้วสแกนการสำรวจกาแลคซีแคระของ JWST เพื่อค้นหาระบบดาวที่เปราะบางที่สุดที่เขาหาได้ นั่นก็คือ ดาวคู่ที่อยู่ห่างกันมากและเกาะติดกันในอ้อมกอดโน้มถ่วงที่หลวม หากรัศมีมืดเล็กๆ วัตถุประเภทต่างๆ ที่แบบจำลองสสารมืดเย็นบอกว่าน่าจะมีอยู่มากมาย เคลื่อนผ่านอย่างต่อเนื่องและออกแรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงต่อบริเวณโดยรอบ ก็ไม่ควรจะมีดาวคู่ที่กว้างมากเหล่านี้ แต่ถ้าไบนารี่กว้างปรากฏขึ้น นั่นแสดงว่าไม่มีรัศมีมืดเล็กๆ อยู่ ซึ่งกระทบกับวัตถุที่พัดใส่แบบจำลองสสารมืดเย็นจำนวนมากที่ทำนายพวกมัน

“นี่คือสิ่งที่ฉันเรียกว่าการต่อต้านการค้นหารัศมีสสารมืดใต้กาแลกติก” วอล์คเกอร์กล่าว

การเคลื่อนไหวในกำแพง

การค้นหาเงาคอสมิกยังคงเป็นส่วนเล็กๆ ของความพยายามที่ยิ่งใหญ่กว่าในการปักหมุดบางสิ่งที่ดิ้นจนเกินเอื้อม การทดลองบนพื้นโลกที่ออกแบบมาเพื่อดักจับอนุภาคที่เหมาะกับกระบวนทัศน์สสารมืดที่คลุมเครือ อบอุ่น และเย็น ทีมงานยังคงมองหาลักษณะเด่นอื่นๆ ของฟิสิกส์ของสสารมืด ตั้งแต่ผลข้างเคียงที่เกิดขึ้นหากอนุภาคมีปฏิกิริยากับสสารปกติ ไปจนถึงคำถามที่ละเอียดอ่อนว่าความหนาแน่นของสสารมืดเพิ่มขึ้นและลดลงภายในรัศมีมืดอย่างไร ซึ่งขึ้นอยู่กับว่าอนุภาคมืดมีปฏิกิริยาโต้ตอบอย่างไร ซึ่งกันและกัน

เทรซี่ สลาเทียร์นักฟิสิกส์ทฤษฎีแห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ วาดภาพความลึกลับของสสารมืดว่าเป็นกล่องอันกว้างใหญ่ที่เต็มไปด้วยความเป็นไปได้มากมาย แต่มีคำตอบที่ถูกต้องเพียงคำตอบเดียว ในการเปรียบเทียบนี้ กลยุทธ์ของเธอคือการเจาะลึกเข้าไปในกล่องนั้นด้วยแนวคิดเฉพาะเจาะจงและพิสูจน์ไม่ได้เกี่ยวกับคุณสมบัติของอนุภาคสสารมืด ด้านข้างของกล่องเป็นเพียงข้อเท็จจริงที่จำกัดอย่างแท้จริงที่นักดาราศาสตร์สามารถให้ได้ เช่น ขีดจำกัดบนว่าสสารมืดอุ่นได้แค่ไหน และขีดจำกัดล่างว่ามันจะคลุมเครือหรือเบาแค่ไหน

หากนักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับวัตถุคอสมิกมืดสนิทในช่วงล้านดวงอาทิตย์ได้อย่างมั่นใจ นั่นจะเป็น "แรงดึงดูดเชิงสังเกตการณ์" สลาไทเยอร์กล่าว “มันคงจะเหลือเชื่อมาก” ผนังกล่องของเธอจะเคลื่อนเข้าด้านใน ทำให้พื้นที่ว่างสำหรับความเป็นไปได้ลดลง

เทคโนโลยีที่กำลังจะเกิดขึ้นในไม่ช้าอาจเปลี่ยนการค้นหาต่างๆ เหล่านี้จากการแทงในความมืดในยุคแรกๆ ไปสู่การจู่โจมที่ลึกยิ่งขึ้นให้กลายเป็นโครงสร้างเงาที่อยู่ใต้จักรวาล JWST จะเพิ่มการศึกษาเลนส์ความโน้มถ่วงให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ตัวอย่างเช่น กลุ่มของนีเรนเบิร์กเริ่มต้นด้วยระบบดังกล่าว 31 ระบบ แต่วางแผนที่จะวิเคราะห์ 2027 ระบบในท้ายที่สุด เมื่อเปิดตัวในปี 2024 กล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมันแนนซี เกรซ ซึ่งเป็นหอดูดาวระดับฮับเบิลที่มีมุมมองที่กว้างกว่ามาก น่าจะทำให้การแพนผ่านกาแลคซีแคระได้ง่ายขึ้นมากเช่นเดียวกับที่วอล์คเกอร์กำลังทำอยู่ หอดูดาวเวรา ซี. รูบิน ตั้งชื่อตามนักดาราศาสตร์รุ่นบุกเบิกซึ่งการสำรวจบังคับให้นักวิจัยต้องจริงจังกับความลึกลับของสสารมืดตั้งแต่แรก จะเปิดเผยรายละเอียดเพิ่มเติมของธารดวงดาวเมื่อเริ่มสังเกตจากชิลีในปี พ.ศ. XNUMX หอดูดาวทั้งสองแห่งร่วมกัน ควรเพิ่มเลนส์โน้มถ่วงใหม่หลายพันชิ้นที่สามารถตรวจดูโครงสร้างย่อยที่มืดได้

จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีข้อสังเกตใดที่จะโค่นล้มแบบจำลองสสารมืดเย็นที่เป็นที่นิยม ซึ่งคาดการณ์ว่าจักรวาลจะเต็มไปด้วยกระจุกของวัตถุที่เล็กลงเรื่อยๆ ในขณะที่นักดาราศาสตร์ยังคงทำงานอันหนักหน่วงในการค้นหากลุ่มก้อนเหล่านั้น นักทฤษฎีและนักทดลองหลายคนหวังว่าการทดลองฟิสิกส์ของอนุภาคบนโลกจะตัดเข้าสู่ใจกลางของความลึกลับได้เร็วกว่ามาก แต่การค้นพบความมืดมิดอันโดดเดี่ยวเหล่านี้ และฟิสิกส์ที่ซับซ้อนที่มาพร้อมกับพวกมัน ก็เหมือนกับ "การหาห้องทดลองที่สะอาดขึ้น" Slatyer กล่าว “เราอยู่ในช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้น”