Nobel Prize in Physics

The Nobel Prize in Physics 2011

3 นักฟิสิกส์เจ้าของรางวัลโนเบล ปี 2011 พบจุดจบเอกภพจะหนาวเหน็บ

        รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2011 ตกเป็นของ ซอล เพิร์ลมุตเตอร์ (Saul Perlmutter) จากห้องปฏิบัติการเบิร์กเลย์สหรัฐฯ (Berkeley National Laboratory) ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ ไบรอัน ชมิดท์ (Brian Schmidt) จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย (Australian National University) และ อดัม รีสส์ (Adam Riess) จากมหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกินส์ (Johns Hopkins University) ในบัลติมอร์ แมรีแลนด์ สหรัฐฯ จากการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่ง จากการศึกษาการระเบิดของดวงดาวที่เรียกว่าซูเปอร์โนวา (Supernova) ชนิด Ia

        เคยคิดไปไกลถึงจุดจบของเอกภพของเรา ว่าจะเป็นเช่นไรไหม? บางทีเอกภพอันกว้างใหญ่เกินกว่าที่จินตนาการเราจะไปถึงอาจพบจุดจบที่ความ หนาวเย็นยะเยือก เมื่อพิจารณาตามการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปีล่าสุด ซึ่งค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งคงที่ และแม้แต่พวกเขาเองยังแปลกใจต่อการค้นพบดังกล่าว ข่าวแจกจากเว็บไซต์รางวัลโนเบลระบุว่า เมื่อปี 1998 รากฐานของจักรวาลวิทยาถูกสั่นสะเทือน เนื่องจากการค้นพบของ 2 ทีมวิจัย ทีมหนึ่งนำโดย ซอล เพิร์ลมุตเตอร์ (Saul Perlmutter) ซึ่งได้เริ่มศึกษาวิจัยที่นำมาสู่การค้นพบที่สำคัญตั้งแต่ปี 1988 อีกทีมนำโดย ไบรอัน ชมิดท์ (Brian Schmidt) ที่ได้เริ่มต้นวิจัยในช่วงปลายปี 1994 และ อดัม รีสส์ (Adam Riess) ได้มีบทบาทสำคัญดังกล่าว ทั้งสามคนเพิ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2011 จากการค้นพบว่าเอกภพของเรากำลังขยายด้วยอัตราเร่งคงที่ จากการศึกษา “ซูเปอร์โนวา” หรือดาวที่เกิดการระเบิดอย่างรุนแรง ซึ่งในคำแถลงของคณะ กรรมการรางวัลโนเบลระบุว่าการศึกษาของพวกเขาได้เปลี่ยน ความเข้าใจของมนุษยชาติที่มีเอกภพ ทีมวิจัยทั้งสองได้แข่งกันทำแผ่นที่เอกภพ โดยระบุตำแหน่งของซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลที่สุด และด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงประสิทธิภาพทั้งบนพื้นโลกและในอวกาศ รวมถึงคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังงานและเซนเซอร์บันทึกภาพดิจิทัลชนิดใหม่ที่ เรียกว่า “ซีซีดี” (CCD, อีกผลงานรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2009) เปิดโอกาสให้เราได้พบชิ้นส่วนของปริศนาแห่งจักรวาลอันน่ามึนงงมากขึ้นในช่วง ทศวรรษ 1990 ชนิดของซูเปอร์โนวาที่ทั้งสองทีมนำมาศึกษาคือชนิด Ia ซึ่งซูเปอร์โนวาชนิดนี้คือการระเบิดของดาวขนาดเล็กที่หนักพอๆ กับดวงอาทิตย์ของเรา แต่มีขนาดเท่าๆ กับโลก และซูเปอร์โนวาหนึ่งสามารถปลดปล่อยแสงออกมาได้มากเท่ากับกาแลกซีทั้งกาแลกซี แต่โดยรวมแล้วพวกเขาพบว่าซูเปอร์โนวาไกล ๆ กว่า 50 ซูเปอร์โนวา นั้นมีแสงหรี่กว่าที่คาด ซึ่งเป็นสัญญาณบ่งชี้ว่าการขยายตัวของเอกภพนั้นมีอัตราเร่ง และทั้ง 2 ทีมวิจัยก็ได้ข้อสรุปอันน่าประหลาดใจนี้ตรงกัน เป็นเวลาเกือบทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ทราบกันว่าเอกภพกำลังขยายตัว อันเป็นผลต่อเนื่องจากการระเบิดบิกแบง (Big Bang) เมื่อ 1.4 หมื่นล้านปีก่อน แต่การค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่งนั้นเป็นเรื่องชวนให้ตกตะลึง หากการขยายตัวด้วยความเร็วที่มากขึ้นดำเนินต่อไปเรื่อยๆ ที่สุดเอกภพจะพบจุดจบที่ความหนาวเย็น ยะเยือก โดยเชื่อว่าปัจจัยที่ทำให้เอกภพขยายตัวด้วยอัตราเร่งคือ “พลังงานมืด” (dark energy) ซึ่งเอกภพของเราประกอบด้วยพลังงานมืดมากถึง 3 ใน 4 “การค้นพบนี้ได้ช่วยเปลือยเอกภพที่ยากจะรู้ถึงขอบเขตอันกว้างขวาง เปรียบเทียบการค้นพบดังกล่าวเหมือนการโยนลูกบอลขึ้นไปในอากาศ แล้วเฝ้ามองลูกบอลนั้นค่อยๆ ลับตาไปบนท้องฟ้าด้วยความเร็วที่มากขึ้นและมากขึ้น ราวกับว่า แรงโน้มถ่วงไม่มีสามารถดึงลูกบอลกลับมาได้ บางอย่างที่คล้ายๆ กันนี้กำลังเกิดขึ้นในเอกภพของเรา” เอเอฟพีระบุคำอธิบายของคณะกรรมการระหว่างแถลงผลงาน แล้วพวกเขาทราบได้อย่างไรว่าอาณาจักรอันกว้างใหญ่ไพศาลที่โลกเราซ่อนตัวอยู่ ในมุมหนึ่งของกาแกลซีเล็กๆ กำลังขยายตัว ทั้งนี้ ข้อมูลจากหอดูดาวอวกาศรังสีเอกซ์จันทรา (Chandra X-Ray Observatory) ขององค์การบริหารการบินอวกาศสหรัฐฯ (นาซา) อธิบายว่า ทุกๆ 50 ปีหรือประมาณนี้ ดาวขนาดใหญ่ในกาแลกซีของเราจะระเบิดตัวเองเป็นซูเปอร์โนวา ซึ่งนับเป็นหนึ่งในเหตุการณ์รุนแรงที่สุดของเอกภพ และแรงจากการระเบิดจะกระตุ้นให้เกิดแสงวาบจากการแผ่รังสี รวมถึงคลื่นกระแทก (shock wave) คล้ายเสียงโซนิคบูม (sonic boom) และเดิมทีการแบ่งชนิดซูเปอร์โนวาจะแบ่งตามคุณสมบัติทางแสงของซูเปอร์โนวา นั้นๆ แต่ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์จำแนกประเภทตามชนิดของดาวที่ระเบิด ซูเปอร์โนวาชนิด Ia นั้นเป็นการระเบิดอย่างทันทีทันใดเนื่องจากปฏิกิริยานิวเคลียร์เชิงความร้อน หรือเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear) ทำให้ดาวแคระขาวแตกสลาย และยังมีซูเปอร์โนวาชนิด Ib, ชนิด Ic และชนิด II ซึ่งเกิดจากการยุบตัวของใจกลางดวงดาวขนาดยักษ์ โดยการระเบิดชนิด II นั้นจะทิ้งร่องรอยของไฮโดรเจน และเศษซากมวลจากการระเบิดออกมาด้วย แต่การระเบิดชนิด Ia ไม่เหลือเศษซากทิ้งไว้ สำหรับซูเปอร์โนวาชนิด II จะเกิดขึ้นในบริเวณที่มีดาวอายุน้อยที่สว่างใสอยู่เป็นจำนวนมาก อย่างเช่นบริเวณแขนของกาแลกซีก้นหอย (spiral galaxy) แต่ไม่พบในกาแลกซีวงรี (elliptical galaxy) ซึ่งเป็นที่อยู่ของดาวแก่ๆ ที่มีมวลน้อย และเนื่องจากดาวอายุน้อยมักมีมวลมากกว่า 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และหลักฐานร่วมอื่นๆ จึงนำไปสู่ข้อสรุปว่าซูเปอร์โนวาชนิดนี้เกิดจากดาวที่มีมวลมหาศาล ตรงข้ามกันสำหรับซูเปอร์โนวาชนิด Ia นั้นพบได้ในกาแลกซีทุกประเภท และเป็นซูเปอร์โนวาที่เกิดจากดาวแคระขาว ซึ่งเป็นเศษซากของดาวฤกษ์คล้ายๆ กับดวงอาทิตย์ โดยเป็นดาวที่อัดแน่นด้วยอะตอมของคาร์บอนกับออกซิเจน ซึ่งดาวชนิดนี้เป็นดาวที่ความเสถียรที่สุด ตราบเท่าที่มวลซึ่งเหลืออยู่ยังคงต่ำกว่าค่าขีดจำกัดจันทรสิกขาร์ (Chandrasekhar limit) คือ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ดี หากดาวในระบบดาวคู่ (binary star) ดึงสสารจากดาวแคระขาวที่อยู่เป็นคุ่หรือรวมเข้ากับดาวแคระขาวในระบบ จะทำให้มวลของดาวเกินขีดจำกัดดังกล่าว และอุณหภูมิใจกลางของดาวก็จะเพิ่มสูงขึ้น แล้วจุดชนวนให้เกิดการระเบิดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ซึ่งปลดปล่อยพลังงานออกมามหาศาล โดยการระเบิดกินเวลาประมาณ 10 วินาที และไม่ทิ้งเศษซากเอาไว้ แต่จะมีเมฆฝุ่นฟุ้งกระจายเรืองแสงสว่างสดใสอยู่นานหลายสัปดาห์ เป็นไปตามการสลายตัวของนิกเกิลรังสีที่เกิดจากการระเบิดกลายเป็นโคบอลต์และ สลายตัวเป็นเหล็กต่อไป เนื่องจากซูเปอร์โนวาชนิด Ia ทั้งหมดเกิดขึ้นจากดาวที่มีมวลประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งผลิตแสงออกมาในปริมาณเท่ากัน ซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับเป็นตัวชี้ระยะทาง หากซูเปอร์ โนวาชนิดนี้ในตำแหน่งหนึ่งมีแสงหรี่กว่าซูเปอร์โนวาชนิดเดียวอีก ตำแหน่งหนึ่ง ในตำแหน่งซูเปอร์โนวาที่แสงหรี่กว่าจะอยู่ไกลกว่า ซึ่งเป็นระยะทางที่สามารถคำนวณได้ และนักวิทยาศาสตร์ได้นำซูเปอร์โนวาชนิดนี้ไปคำนวณหาอัตราการขยายตัวของเอกภพ ซึ่งนำไปสู่การค้นพบที่น่าตกตะลึงว่าเอกภพของเรากำลังขยายตัวด้วยอัตราเร่ง ซึ่งอัตราเร่งที่เกิดขึ้นนี้อาจเป็นเพราะเอกภพเต็มไปด้วยสิ่งที่เรียกว่า “พลังงานมืด” (dark energy)

         ทางด้าน อดัม สมิธ (Adam Smith) จากเว็บไซต์รางวัลโนเบลได้สัมภาษณ์เพิร์ลมุตเตอร์เป็นเวลาสั้นๆ ตามธรรมเนียมหลังการประกาศผลสาขาฟิสิกส์เมื่อวันที่ 4 ต.ค.ที่ผ่านมา โดยช่วงหนึ่งของการสัมภาษณ์สมิธได้ถามว่า มีใครทราบหรือยังว่าพลังงานมืดที่ผลักให้เอกภพขยายตัวนั้นเป็นอย่างไร ซึ่งเพิร์ลมุตเตอร์ตอบว่า ยัง และไม่เพียงแค่ไม่ทราบว่าคืออะไร แต่ยังไม่ทราบด้วยว่าพลังงานมืดนั้นเป็นพลังงานอีกชนิดของเอกภพด้วยหรือไม่ ส่วน รีสส์ซึ่งร่วมกับชมิดท์ศึกษาซูเปอร์โนวาแข่งกับทีมของเพิร์ลมุตเตอร์ให้ สัมภาษณ์สมิธตามธรรมเนียมเช่นกัน และบอกถึงชั่วขณะที่ทีมของเขาวิเคราะห์ข้อมูลและได้ข้อสรุปว่าเอกภพกำลัง ขยายตัวด้วยอัตราเร่งนั้น เขาบอกกับตัวเองว่า คำตอบดังกล่าวต้องผิดแน่ เขาคงทำการผิดพลาดครั้งใหญ่และต้องหาให้ได้ว่าข้อผิดพลาด ดังกล่าวคืออะไร แต่เมื่อทีมของเพิร์ลมุตเตอร์พบในสิ่งเดียวกันเขาจึงเชื่อแน่ว่าคำตอบที่ได้ นั้นถูกต้อง โดยทั้งสองทีมต่างวัดระยะทางของซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลออกไปประมาณ 5 พันล้านปีแสง ซูเปอร์โนวาชนิด Ia เป็นประโยชน์แก่นักดาราศาสตร์เพราะนักดาราศาสตร์ใช้การส่องสว่างของการ ระเบิดนี้เป็นเสมือน "เทียน" เพื่อใช้วัดระยะทางวัตถุในเอกภพที่อยู่ไกลๆ โดยการทำความความเข้มแสงและฟังก์ชันเวลา ซึ่งทีมวิจัยของนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปีนี้สุดได้วัดการบิด เบี้ยวของแสงจากซูเปอร์โนวาชนิด Ia เพื่อดูว่ากาแลกซีเคลื่อนห่างจากกันเร็วแค่ไหน เพื่อดูความเร็วในการขยายตัวของเอกภพ แสงซึ่งเดินทางมาถึงเราผ่านอวกาศที่กำลังขยายตัว จะยืดขยายออกและกลายเป็นสีแดงมากขึ้น เรียกว่าเป็นปรากฏการณ์ "เรดชิฟท์" (redshifted) และแสงจากซูเปอร์โนวาที่อยู่ไกลกว่าจะเป็นสีแดงมากกว่าแสงจากซูเปอร์ โนวาที่ อยู่ใกล้กว่า เพราะเดินทางผ่านเอกภพที่กำลังขยายตัวด้วยระยะทางที่ไกลกว่าและใช้เวลา นานกว่า หากแต่ทีมวิจัยก็พบด้วยว่าแสงจากซูเปอร์โนวาในตำแหน่งใกล้สุดนั้น เกิดเรดชิฟท์อย่างผิดสัดส่วน อันเป็นผลจากสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์สรุปได้ว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วกว่าเดิม มาก หรืออีกแง่หนึ่งการขยายตัวของเอกภพมีอัตราเร่ง ซึ่งดวงดาว         กาแลกซีและกลุ่มกาแลกซีทั้งหมดกำลังเคลื่อนตัวเร็วขึ้น

         สำหรับเพิร์ลมุตเตอร์วัย 52 ปี หัวหน้าจากห้องปฏิบัติการเบิร์กเลย์สหรัฐฯ (Berkeley National Laboratory) ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ จะได้รับรางวัลครึ่งหนึ่งของเงินรางวัลทั้งหมด 10 ล้านโครน หรือ กว่า 46 ล้านบาท ส่วน ชมิดท์วัย 44 ปี จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย (Australian National University) และ รีสส์ วัย 41 ปี ศาสตราจารย์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยจอห์นฮอปกินส์ (Johns Hopkins University) ในบัลติมอร์ แมรีแลนด์ สหรัฐฯ จะแบ่งรางวัลอีกครึ่งที่เหลือร่วมกัน

เอกสารอ้างอิง

http://www.manager.co.th/Science/ViewNews.aspx?NewsID=9540000126448 http://www.nobelprize.org/ http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2011/ http://www.nobelprize.org/educational/physics/star_stories/

[อ.ต๋อย]

ขออภัยด้วยครับ ได้พิจารณาให้คะแนน ณ บัดนี้แล้วครับ