ความรู้ในสาขาวิชาวิทยาศาตร์

ลำดับตอนที่ #7 : เส้นใยเอกภพ

 เส้นใยเอกภพ

มวลสารแรกเริ่มของเอกภพ หนาแน่นมากแต่บางเฉียบและยาวเหยียดถึงค่าอนันต์
    พันม้วนไปทั่วเอกภพ ชนิดที่จินตนาการกันไม่ถึง

เมื่อเส้นใยเอกภพชนกัน  มันสามารถแลกเปลี่ยนชิ้นส่วนและรูปแบบของบ่วงที่ลอยอย่างอิสระ   ภาพจำลองจากคอมพิวเตอร์นี้แสดงสองเส้นใยเคลื่อนที่เข้าหากันด้วยความเร็วเป็นครึ่งหนึ่งของความเร็วแสงคายรังสีที่เป็นคลื่นโน้มถ่วง ที่อาจเกิดบ่วงตามมา

               เรื่องราวของเส้นใยเอกภพ (cosmic string) เริ่มต้นเมื่อทศวรรษ 1980   อเล็กซานเดอร์ วิเลนกิน จากมหาวิทยาลัยทัฟท์ เป็นคนแรกที่เสนอว่า  เส้นใยเอกภพให้กำเนิดดาราจักรเมื่อทศวรรษ 1980  ถึงทศวรรษ 1990 ก็ทำท่าจะล้มเลิกไป จนกระทั่งการทบทวนทฤษฎีใหม่สนับสนุนมวลหนาแน่นมากเป็นเมล็ดพันธุ์ของกำเนิดดาราจักร  นักฟิสิกส์ทางทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่อย่างวิทเทนจากสถาบันการศึกษาก้าวหน้าเชื่อว่า มีเส้นใยหลายขนาดและหลายชนิดในเอกภพ  ทั้งๆที่เมื่อ 20 ปีก่อนวิทเทนโต้ว่าไม่มี  ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์พยายามค้นหาเส้นใยเอกภพ
              แรงผลักดันส่วนใหญ่มาจาก ท.บ.สตริงหรือทฤษฎีเส้นเชือก (string theory)  ที่บรรยายแรงและอนุภาคพื้นฐานว่าเป็นบ่วงพลังงานของเส้นเชือกเล็กจิ๋ว  ไม่นานมานี้ทฤษฎีขยายความเป็นเส้นเชือกให้เป็นหน่วยพื้นฐานของพลังงานและมวลสารที่ขยายขนาดจนใหญ่โตได้ทางดาราศาสตร์จากการพองตัว (inflation) และจางจนเลือนราง สูตรใหม่ให้มันเสถียรตลอดอายุของเอกภพและมวลน้อยกว่าในทศวรรษ 1980    มันมาจากเอกภพที่รวดเร็วกะทันหัน ความคิดใหม่ไม่เพ้อฝัน ต่างจากครั้งก่อนๆ การตัดออกจากแผนการการสังเกตการณ์เป็นไปไม่ได้

             มาจากความบกพร่องในอวกาศ
             มีสองทีมงานรายงานในหลายส่วนของท้องฟ้าที่แตกต่างกันให้ความหวังใหม่ในสาขานี้  การค้นพบเส้นใยเอกภพอาจเป็นไปได้    
             เส้นใยเอกภพเป็นสิ่งแปลกประหลาดมากเป็นที่สองรองจากหลุมดำ  ความคับแคบที่หนาแน่นมาก เกิดระหว่างการพองตัวภายในช่วงมิลลิวินาทีแรกของประวัติเอกภพ  เหมือนอย่างที่รอยแตกแยกสามารถเกิดขึ้นได้ในน้ำแข็งเมื่อน้ำเปลี่ยนจากของเหลวไปเป็นของแข็ง 

การเกิดเส้นใยเอกภพ จากรอยแตกในกาลอวกาศเมื่อเอกภพเย็นตัวลง    ขบวนการเหมือนกับรอยแตกที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำแข็งตัวเป็นน้ำแข็ง

             เส้นใยเอกภพตามทฤษฎีมาจากการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนจนได้โครงสร้างราวกับเส้นสปาเกตตี้ เส้นใยแต่ละเส้นเคลื่อนที่เร็วเป็นสัดส่วนของความเร็วแสง มีความยาวและโค้ง ที่ซับซ้อนหรืออาจแตกแยกไปเป็นบ่วงที่เล็กลงไปอีก
             เส้นใยเอกภพมีความยาวไม่จำกัด ยืดขยายไปทั่วเอกภพ มวลต่อความยาวหรือความตึงชี้ให้เห็นแรงโน้มถ่วง  ความหนาแน่นเชิงเส้นมีค่าสูงเหลือเชื่อ  ราว 1 ล้านเมกาตันต่อเซนติเมตรสำหรับเส้นใยที่มีพลังงานมหึมา(10 ยกกำลัง 16 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์และสูงกว่า) ในช่วงเวลาที่แรงพื้นฐานทั้งสี่ในธรรมชาติรวมกันเป็นหนึ่ง

              เลนส์จากเส้นใยเอกภพ
              วัตถุมวลมากขนาดนี้ต้องแสดงอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงได้ชัดเจน  ถ้าเส้นใยเอกภพเคลื่อนระหว่างทางช้างเผือกและดาราจักรอื่นได้แสงจากดาราจักรนั้นผลิตสองภาพที่คล้ายคลึงใกล้กันบนท้องฟ้า  ตามปกติถ้าเลนส์เป็นดาราจักรสามารถผลิตภาพได้มากกว่าสองภาพเช่น สามหรือสี่ภาพ  แต่เส้นใยผลิตภาพได้แค่สองภาพเท่านั้น
              ทีมงานรัสเซีย-อิตาลี นำทีมโดยซาซิน ของมหาวิทยาลัยมอสโคว์สเตตได้ค้นพบภาพคู่ที่คล้ายกันของดาราจักรที่ชื่อ CSL -1 ในกลุ่มดาวนกกา (Corvus) ภาพทั้งสองมีเรดชิฟท์เหมือนกัน (0.46) และสเปกตรัมคล้ายคลึงกันถึง 99.96% ตีความได้ว่าอาจมาจากการวางตัวของสองดาราจักรที่เหมือนกัน หรือไม่ก็เป็นภาพจากเลนส์ของเส้นใยเอกภพ

สองภาพควอซาร์ที่เบนจากเลนส์โน้มถ่วงที่เป็นดาราจักร

CSL-1 อาจใช้ตามหาเส้นใยเอกภพ

                ไม่ง่ายที่จะตีความการสังเกตการณ์ดาราจักรหนึ่งคู่บนท้องฟ้า อย่างเช่นแอนโดรมิดาและทางช้างเผือกที่ใกล้กันจะคล้ายกันถ้ามองจากระยะไกล  ถ้ามีเส้นใยเอกภพจำนวนภาพสองดาราจักรคล้ายกันควรมีมากเกินสองดาราจักรที่อยู่ใกล้กันโดยบังเอิญ ซาชินและทีมงานพบอีก 11 คู่ ในบริเวณรอบๆ CSL-1  ขั้นตอนต่อไปคือการใช้สเปกโตรสโคปที่มีความละเอียดมากขึ้นในกล้องใหญ่มาก VLT ของยุโรปที่ชิลี  เพื่อค้นหาว่าดาราจักรคู่เหล่านี้คืออะไรกันแน่? ทีมงานติดตามการทดสอบแบบอื่นที่แน่นอนกว่าเพื่อหาว่าภาพเหมือนกันจริงหรือดูคล้ายๆกันเท่านั้น  ดาราจักรที่เป็นเลนส์ทำให้ภาพบิดเบี้ยวแตกต่างกันทั้งขนาดและรูปร่าง
               แสงที่ผ่านไกลจากดาราจักรปรากฏเบนน้อยกว่าแสงที่ผ่านดาราจักรใกล้  แต่เส้นใยเอกภพเบนแสงเป็นมุมเท่ากันไม่ว่าแสงผ่านห่างไกลแค่ไหน   ดังนั้นถ้าเส้นใยเอกภพมีแนวตรงจะผลิตสองภาพที่มีขอบคมระหว่างกันโดยไม่มีการรบกวนใด ชนิดที่ไม่มีปรากฏการณ์ใดอื่นทำได้เหมือน   ถ้าเราเห็นสองภาพดาราจักรมีขอบคมจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ก็มั่นใจไปเลยว่าภาพมาจากเลนส์เส้นใยเอกภพ  อาจมีเส้นใยเอกภพล่องลอยไปรอบๆดาราจักรเพื่อนบ้านของเรา   การแกว่งความสว่างของควอซาร์คู่   Q0957+561A/B   น่าจะเกิดจากบ่วงเส้นใยเอกภพที่อยู่ภายในฮาโลดาราจักรของเรา แต่มันเป็นแค่ตัวอย่างเดียวยังสรุปไม่ได้ จำต้องมีแบบจำลองเลนส์เส้นใยเอกภพมากกว่านี้เพื่อจะดูว่ามันไปด้วยกันได้ไหม
               การค้นหาเส้นใยเอกภพใกล้เคียง ห่างกันราว 10,000 ปีแสงเป็นไปแทบไม่ได้ การจำลองภาพด้วยคอมพิวเตอร์แสดงถึงเส้นใยที่ยาวควรกระจายในอวกาศห่างกันถึง 325 ล้านปีแสง  การยืนยันปรากฏการณ์เลนส์เส้นใยเอกภพเป็นงานสำคัญต้องหาความตึงของเส้นใยโดยดูว่าให้แสงใดเลี้ยวเบน ความตึงสะท้อนให้เห็นขนาดของพลังงานที่เปลี่ยนแปลงวัฒภาคแรกเริ่มเกิดเป็นเส้นใย หากทราบขนาดพลังงานนี้ได้ก็จะจำกัดรูปแบบจำลองที่เป็นไปได้ของเอกภพแรกเริ่มได้ด้วย
               ความคลุมเครือของเลนส์จากเส้นใยเอกภพทำให้การค้นหาอย่างมีระบบเป็นความจำเป็น  งานวิทยาศาสตร์น่าจะก้าวไปข้างหน้าอย่างรวดเร็วได้ถ้าพิสูจน์การค้นพบครั้งแรกได้  ความก้าวหน้าจากหนึ่งปรากฏการณ์ไปถึงหนึ่งพันปรากฏการณ์ภายใน 10 ปีอาจเป็นไปได้เมื่อการค้นหาดำเนินต่อไป ผู้คนก็จะประดิษฐ์คิดค้นวิธีการใหม่ๆเพื่อค้นหาเส้นใยเอกภพ  อย่างเช่น  CMB เสนอแนวใหม่  ให้เส้นใยเอกภพเป็นตัวการทำให้อุณหภูมิต่างไป 10 % ใน CMB (และเกี่ยวกับการแกว่งความหนาแน่น) ที่สามารถสร้างดาราจักรและกระจุกดาราจักรได้ ข้อมูลที่รอคอยคือบทบาทของเส้นใยในการก่อสร้างโครงสร้าง

วิวัฒนาการของเส้นใยเอกภพตามแบบจำลอง  ดูคุณสมบัติอย่างเช่น ความเร็ว รอยแตกแยกและจำนวนของเส้นเชือกในปริมาณที่เปลี่ยนแปลงไปกับเวลา  การจำลองเส้นใยเอกภพเมื่อเอกภพอายุยังน้อย และมีรังสีเด่นตอนเอกภพอายุได้หมื่นปีแรก  เอกภพเต็มไปด้วยเส้นใยเอกภพ เส้นใยยาวๆมีรอยหยักมากมาย บ่วงเส้นใยขนาดเล็กมีความหนาแน่นสูง

เครือข่ายของเส้นใยเอกภพในยุคที่เอกภพเด่นด้วยมวลสาร หลังหมื่นปีแรกเกิดเอกภพ แสดงเส้นใยยาวและบ่วงมีความหนาแน่นต่ำมาก  เส้นใยยาวมีรอยหยักน้อยกว่า  การจำลองภาพวิวัฒนาการของเส้นใยเอกภพช่วยให้นักเอกภพศาสตร์ตรวจสอบเส้นใยเอกภพสามารถก่อกำเนิดดาราจักรได้อย่างไร

                 การมองหาคลื่นโน้มถ่วงด้วยลิโกและลิซา
                 การมองหาเส้นใยเอกภพยาวของมวลหนาแน่นเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสง ควรต้องสังเกตการณ์การแผ่รังสีจากคลื่นโน้มถ่วง  ลิโก (LIGO) ในหลุยส์เซียนาและวอชิงตัน อาจค้นพบได้ วิเลนกินผู้คิดว่ามีคลื่นความโน้มถ่วงจากเส้นใยเอกภพในปีคศ.1982 ให้เส้นใยเอกภพเป็นแหล่งเดียวที่ผลิตคลื่นโน้มถ่วงเข้มจนลิโกจะค้นพบได้ 
                 สัญญานคลื่นโน้มถ่วงที่จะรับได้ดีที่สุดอาจผลิตจากยอดแหลมชั่วขณะที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเคลื่อนคดเคี้ยวไปมาตามเส้นใยเอกภพตรงกันข้ามพบกันชั่วครู่ ปลายแหลมนั้นยืดตัวออกไปเคลื่อนด้วยความเร็วเท่าแสง  เหมือนรอยแตกหรือการสะบัดแซ่ที่มีพลังงานมากมายเข้มข้นมารวมกันที่ปลาย  คายคลื่นโน้มถ่วงหนาแน่นในทิศทางการเคลื่อนที่  ลิโกจะหาตำแหน่งปลายแหลมได้ง่ายที่สุด  จะดียิ่งขึ้นถ้ามีการพัฒนาให้ก้าวหน้าในไม่กี่ปีข้างหน้า   ลิซาที่จะขึ้นสู่อวกาศในอีกสิบปีข้างหน้ามีความไวมากกว่าย่อมมีโอกาสจับสัญญานได้ดีกว่า

                เส้นใยเอกภพจากเบรน
                เส้นใยเอกภพเป็นส่วนหนึ่งของเอกภพในสภาวะพลังงานสูง มันจะให้มุมมองแก่ฟิสิกส์ทั่วไปตอนเอกภพแรกเกิด  เส้นใยเอกภพอาจจะให้การสังเกตการณ์ที่เป็นไปได้ของทฤษฎีเส้นเชือกพื้นฐาน จนเสนอโอกาสให้ทดสอบแบบจำลองการพองตัวที่มีเส้นใยเอกภพ  แบบจำลองเหล่านี้ส่วนใหญ่ตอนนี้ขึ้นกับการพองตัวเบรน (brane inflation) ที่มาจากความคิดของ Tye และ Dvali ในค.ศ. 1999  ที่เสนอว่า เมื่อสองเมมเบรนในสามมิติลอยละล่องเข้าหากันในมิติสูงเนื่องจากแรงดึงจากความโน้มถ่วง การพองตัวสิ้นสุดเมื่อมีเมมเบรนชนกันจนละลายผลิตบิกแบง พลังงานที่ขับให้เกิดการพองตัวมาจากไหน? การพองตัวเบรน (brane inflation) เสนอภาพเรขาคณิตในธรรมชาติที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงขั้นตอนผลิตเส้นใยเอกภพ
               มีเส้นใยเอกภพสองชนิดถูกผลิตขึ้นมาระหว่างการเปลี่ยนแปลงขั้นตอนตามความคิดของ Tye คือเส้นใยเอฟ (F-string) เป็นเหมือนก้อนอิฐพื้นฐานในการสร้างทฤษฎีเส้นเชือกที่ผลิตโปรตอนและอิเล็กตรอน  ยืดขยายไปทั่วท้องฟ้า และเบรนดี(D-brane) ที่มีหลายรูปแบบรวมทั้งเส้นเชือก1 มิติ การพองตัวเบรนให้เส้นใยเอกภพที่อยู่รอดให้สังเกตการณ์ได้     
               เส้นใยเอกภพในปัจจุบันแตกต่างจากเส้นใยเอกภพแบบเก่าที่กิบเบิลและวิเลนกินพิจารณาเมื่อทศวรรษ 1970-1980  ก่อนมีทฤษฎีเส้นเชือก    นักวิจัยบางคนใช้เส้นใยใหญ่ (cosmic superstring) เพื่อให้เห็นความแตกต่างระหว่างทฤษฎีเส้นเชือก(string theory) แบบใหม่กับเส้นใยเอกภพ(cosmic string) แบบเก่า   ทุกความคิดของเส้นใยเอกภพเกี่ยวข้องกับทฤษฎีเส้นเชือก แต่ข้อคิดเห็นมีมากกว่าเพราะการทำนายเส้นใยใหญ่มีหลายรูปหลากแบบ  เส้นใยใหญ่เอกภพเดินทางในหลายมิติด้วยค่าความตึงต่างกันมาก ขณะที่คาดว่าเส้นใยเอกภพตามแบบฉบับมีความตึงสม่ำเสมอในทฤษฏีเส้นเชือก เส้นใยใหญ่เอกภพต่างกันสามารถเชื่อมกันเป็นรอยต่อ ที่แต่ละเส้นจะมีความตึงแตกต่างกันที่เหมาะกับความสัมพันธ์เฉพาะแห่ง       เส้นใยเอกภพแบบเก่าไม่มีรอยต่อแบบนี้
               ความแตกต่างสำคัญอื่นระหว่างเส้นใยเอกภพและเส้นใยใหญ่เอกภพสัมพันธ์กับอะไรที่เกิดขึ้นเมื่อมันชนกัน  เส้นใยเอกภพเชื่อมต่อกันใหม่เกือบไม่เปลี่ยนแปลง หมายความว่า เส้นใยสองเส้นตัดกันเพื่อเป็นตัว X เมื่อ X แตกแยกก็เกิดเป็น V สองตัวที่กลายเป็นบ่วงที่แกว่งไกวและสลายคายคลื่นความโน้มถ่วงหายไปในที่สุด  เส้นใยใหญ่เอกภพไม่เชื่อมต่อกันเสมอแต่ผ่านข้ามกันไปได้โดยไม่ได้ตัดผ่านกัน เพราะมันเคลื่อนในมิติที่สูงกว่ากัน เส้นใยใหญ่เอกภพเห็นง่ายเพราะยาวกว่าเส้นใยเอกภพ  เส้นใยใหญ่ตัดย่อยน้อยครั้งกว่า  จากการมองท้องฟ้าและนับจำนวนของเส้นใยอาจบอกได้ว่ามันเป็นเส้นใยเอกภพหรือเป็นเส้นใยใหญ่เอกภพ
              การสำรวจประชากรเส้นใยเอกภพจะช่วยได้   ความพยายามควรทำด้วยคอมพิวเตอร์ก่อนกล้องโทรทรรศน์  การจำลองภาพการกระจายของเส้นใยเอกภพยากมากเพราะช่วงกว้างพลศาสตร์ ตั้งแต่บ่วงขนาดปีแสงไปยังเส้นใยยืดขยายไปยาวกว่า 10 พันล้านปีแสงหรือมากกว่า  ระบบซับซ้อนมีเส้นยาวและเป็นบ่วงเคลื่อนที่ข้ามกันแกว่งไม่เป็นแนวตรงทั้งหมดเกิดภายในเอกภพขยายตัว  การจำลองภาพด้วยคอมพิวเตอร์ที่มีความไวมากช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คาดการได้ว่าเส้นใยจัดวางตัวเองในท้องฟ้าอย่างไร  จะช่วยให้การค้นหาน่าเชื่อถือมากขึ้น ก่อนนักวิจัยจะเริ่มต้นโครงการสังเกตการณ์  วิเลนกินและทีมงานของทัฟท์กำลังพัฒนาการจำลองภาพเพื่อค้นหาสิ่งอื่น   ความโค้ง จำนวน และขนาดของเส้นคดเคี้ยว และบ่วงของเส้นใย   ทั้งหมดให้คลื่นโน้มถ่วงได้ ภารกิจสำคัญคือการค้นหาวิวัฒนาการของเส้นใยเอกภพ
   

               ความรู้ที่ได้จากการจำลองภาพ ทฤษฎีและการสังเกตการณ์เส้นใยเอกภพ จะให้ผลคุ้มค่า  มันเป็นหน้าต่างของฟิสิกส์พลังงานสูงนับล้านล้านเท่าจากตัวเร่งอนุภาค  เราอยู่ในยุคเริ่มต้นใหม่ของวิทยาศาสตร์  เส้นใยเอกภพที่เกือบเป็นขยะของฟิสิกส์แต่ตอนนี้กลายเป็นศูนย์กลางของสรรพสิ่ง 


ยุพา   วานิชชัย รายงาน
อ้างอิง
Steve Nadis, The return of cosmic strings, Astronomy, October 2005
ผู้เขียนเขียนความรู้เบื้องต้นของเส้นใยเอกภพ (cosmic string) ในหนังสืออาณาจักรดวงดาวที่ตอนนั้นยังไม่เห็นความเกี่ยวข้องกับทฤษฎีเส้นเชือก (string theory)  ให้ชื่อคงเดิมเพื่อจะได้เห็นเส้นที่แตกต่างกันง่ายขึ้นไปก่อน