บิ๊กแบง เกิดจากอะไร? งานวิจัยใหม่เชื่ออาจมีจักรวาลก่อนหน้าเราซึ่งเป็นส่วนหนึ่งในทฤษฎี ‘จักรวาลที่เด้งกลับ’ (Bouncing Universe)
นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าจักรวาลของเราสามารถ ‘เด้งกลับ’ ได้จากจุดที่เล็กที่สุดไปยังสิ่งที่มีขนาดมหึมาแล้วก็หดตัวลงมาอีกครั้งเพื่อเริ่มวัฏจักรใหม่ หากทฤษฎีนี้เป็นจริง มันอาจส่งผลกระทบอย่างลึกซึ่งต่อธรรมชาติของสิ่งที่เรารู้ในปัจจุบัน รวมถึงสิ่งที่ลึกลับและสุดขั้วนั่นคือ หลุมดำและสสารมืด
เราทุกคนต่างเคยได้ยินคำว่า ‘บิ๊กแบง’ (Big Bang) โดยเชื่อกันว่ามันเป็นจุดเริ่มต้นของจักรวาลเมื่อราว 13.8 พันล้านปีก่อน ณ จุดจุดหนึ่งที่ว่างเปล่า จักรวาลก็ได้ขยายตัวอย่างรวดเร็วพร้อมกับสร้างสสารจำนวนมากจนกลายเป็นสิ่งที่เห็นได้ในปัจจุบัน แต่ในขณะเดียวกันมันก็ได้สร้างคำถามหลายอย่างตามมา
เช่นสสารมืดที่แม้แต่ความรู้ในทุกวันนี้ยังไม่สามารถอธิบายได้ว่าคืออะไรกันแน่ กระนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็รู้ว่ามัน ‘จำเป็นต้องมีอยู่’ เพื่อให้จักรวาลวิทยาปัจจุบันสามารถคงอยู่ได้ จากการสังเกตการเคลื่อนที่ของดวงดาวและคลื่นไมโครเวฟเบื้องหลัง มันบ่งชี้ว่าเอกภพของเรามีสสารมืดอยู่ราวร้อยละ 80
แต่มันมาจากที่ไหนกัน? ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ นักวิจัยได้สำรวจการจำลองสถานการณ์ที่ว่า สสารมืดอาจประกอบไปด้วยหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่เกิดจากความผันผวนของความหนาแน่นซึ่งเป็นไปได้ว่าเกิดขึ้นจากการ ‘หดตัว’ ครั้งสุดท้ายของจักรวาลก่อนหน้าเรา
และมันก็อาจสังเกตเห็นได้ผ่านคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการก่อตัวของหลุมดำ ทั้งหมดนี้ถูกเผยแพร่ไว้ในวารสาร Journal of Cosmoslogy and Astroparticle Physics
จักรวาลที่กระเด้งกลับ
ในมุมมองทางจักรวาลวิทยาแบบดั้งเดิมนั้นเชื่อกันว่าจักรวาลปัจจุบันของเราเริ่มต้นขึ้นจากภาวะเอกฐานหรือ singularity ซึ่งตามมาด้วยการขยายตัวอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาสั้น ๆ ที่นักวิทยาศาสตร์เรียกกันอย่างง่าย ๆ ว่า ‘พองตัว’ ซึ่งส่งผลให้เอกภพยังคงขยายตัวอยู่ในปัจจุบัน
อย่างไรก็ตาม งานวิจัยใหม่นี้ได้ลองวิเคราะห์ในสถาณการณ์ที่แตกต่างออกไปนั่นคือ จักรวาลไม่ได้เริ่มต้นจากภาวะเอกฐาน แต่อันที่จริงแล้วเป็นการกระเด้งกลับของสสารก่อนหน้า โดยมีสมมติฐานว่าจักรวาลดังกล่าวได้หดตัวลงจนถึงจุดที่มีความหนาแน่นของสสารสูงสุด และท้ายที่สุดก็กลายเป็นบิ๊กแบง
ในจักรวาลที่เด้งกลับนี้ ทีมวิจัยระบุว่ามันจะหดตัวจนมีขนาดเล็กลงกว่าจักรวาลปัจจุบันประมาณ 50 เท่า ซึ่งทำให้อนุภาคอย่างโฟตอน อิเล็กตรอนและอื่น ๆ เข้าใกล้กันจนมีความหนาแน่นสูงมากและทำให้เกิดหลุมดำขนาดเล็กก่อตัวขึ้นจากความผันผวนของควอนตัมในความหนาแน่นของสสารดังกล่าว ณ ตอนนั้นเองหลุมดำของจักรวาลก่อนหน้าก็ได้กลายเป็นสสารมืดของจักรวาลปัจจุบัน
“หลุมดำยุกดึกดำบรรพ์ขนาดเล็กสามารถเกิดขึ้นได้ในช่วงเริ่มต้นของจักรวาล และหากหลุมดำเหล่านี้ไม่เล็กเกินไป การสลายตัวของหลุมดำที่เกิดจากการแผ่รังสีฮอว์คิงจะไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะกำจัดหลุมดำเหล่านี้ได้ ดังนั้นมันจึงยังคงมีอยู่มาจนถึงทุกวันนี้” แพทริก ปีเตอร์ (Patrick Peter) ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยที่ศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติของฝรั่งเศส (CNRS) ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษานี้ กล่าว
“หลุมดำที่มีน้ำหนักมากกว่าหรือน้อยกว่ามวลของดาวเคราะห์น้อย อาจมีส่วนสนับสนุนให้เกิดสสารมืด หรืออาจแก้ปัญหาทั้งหมดนี้ก็ได้” เขาเสริม
กล่าวอย่างเรียบง่ายที่สุด ในกระบวนการเด้งกลับความหนาแน่นของอนุภาคต่าง ๆ ก่อเกิดเป็นหลุมดำขนาดเล็ก ๆ ซึ่งไม่ใช่หลุมดำขนาดใหญ่ที่เกิดจากดาวฤกษ์ที่เราคุ้นเคยในปัจจุบัน ทว่ามันก็ไม่ได้เล็กจนสลายตัวไปอย่างรวดเร็วตามการแผ่รังสีฮอว์คิง
ท้ายที่สุดเมื่อจักรวาลถึงเวลาที่ต้องเริ่มต้นใหม่อีกครั้ง หลุมดำเหล่านี้ก็อยู่รอดมาและแอบซ่อนอยู่ในจักรวาลของเราในรูปแบบสสารมืด การคำนวณของนักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่าความโค้งของอวกาศและค่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลัง ต่างก็สอดคล้องกับการสังเกตการณ์ปัจจุบัน ซึ่งสนับสนุนสมมติฐานของพวกเขา
แต่เพื่อให้แนวคิดนี้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ทีมวิจัยระบุว่าจำเป็นต้องมีการสังเกตการณ์เกี่ยวกับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งต่อ ๆ ไป ซึ่งการคำนวณคุณสมบัติอย่างละเอียดของมันจะบอกได้ว่ามีหลุมดำดึกดำบรรพ์เป็นสสารมืดจริงหรือไม่ อย่างไรก็ตามพวกเขาชี้ว่าอาจต้องใช้เวลาอีกหลายสิบปีก่อนที่จะเห็นผลลัพธ์
“งานนี้มีความสำคัญในแง่ที่ว่าให้วิธีการตามธรรมชาติสร้างหลุมดำขนาดเล็กแต่ยังคงมีอยู่ ซึ่งสร้างสสารมืดในกรอบที่ไม่ใช่กรอบปกติ” ปีเตอร์ กล่าวและว่า “ปัจจุบันงานอื่น ๆ ก็กำลังตรวจสองพฤติกรรมของหลุมดำขนาดเล็กดังกล่าวรอบดวงดาว ซึ่งอาจนำไปสู่วิธีการตรวจจับหลุมดำเหล่านี้ได้ในอนาคต”
ปัญหาที่ยังมีอยู่
แม้ทฤษฎีจักรวาลเด้งกลับจะสามารถแก้ไขปัญหาสสารมืดได้ในจักรวาลปัจจุบัน แต่นักวิทยาศาสตร์บางคนก็กล่าวว่าทฤษฎีนี้ยังคงมีปัญหาที่ใหญ่ที่สุดอยู่นั่นคือ มันจำเป็นต้องมีจุดเริ่มต้นที่แท้จริง ‘ตั้งแต่แรก’
กล่าวคือจักรวาลปัจจุบันของอาจเป็นจักรวาลที่สอง สาม หรือสี่ หรือมากกว่านั้น ซึ่งเราอาจสามารถบอกได้ว่าจักรวาลที่สามเกิดจากเศษซากของจักรวาลที่สอง และสองก็เกิดจากหนึ่ง ดังนั้นมันจึงนำไปสู่คำถามที่ว่า แล้วจักรวาลที่หนึ่งเกิดขึ้นได้อย่างไรตั้งแต่แรก
“น่าเสียดายที่ทราบกันมานานเกือบหนึ่งร้อยปีแล้วว่าแบบจำลองวัฏจักรเหล่านี้ใช้ได้ไม่ได้ เนื่องจากความไม่เป็นระเบียบหรือเอนโทรปีจะค่อย ๆ สะสมขึ้นในจักรวาลเมื่อเวลาผ่านไป” วิลล์ คินนีย์ (Will Kinney) นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยบัฟฟาโล กล่าวเมื่อปี 2022
เขาระบุว่าในเมื่อปัจจุบันมีเอนโทรปีดังนั้นมันต้องมีจุดเริ่มต้นแรกสุดที่สร้างเอนโทรปีขึ้นมา ซึ่งจำเป็นจะต้องมีจริง ๆ โดยมันไม่สามารถเกิดจากความว่างเปล่าได้จริง ๆ
“ความคิดที่ว่ามีช่วงเวลาหนึ่งในช่วงเวลาก่อนหน้านั้นซึ่งไม่มีอะไรเลย ไม่มีเวลา สร้างความรำคาญให้กับเรา และเราต้องการทราบว่ามีอะไรเกิดขึ้นก่อนหน้านั้นรวมถึงนักวิทยาศาสตร์ด้วย” นีน่า สไตน์ (Nina Stein) นักศึกษาปริญญาเอกสาขาฟิสิกส์เพื่อนร่วมงานของคินนีย์ กล่าว “แต่เท่าที่เราทราบ ในแบบจำลองที่กล่าวถึงเอนโทรปีต้องมีจุดเริ่มต้นแน่ ๆ”
นั่นหมายความว่าในตอนนี้แม้ทฤษฎีจักรวาลเด้งกลับจะช่วยแก้ปัญหาหลายอย่างได้ แต่ก็ยังคงมีปริศนาใหญ่อยู่ซึ่งนักวิทยาศาสตร์จะพยายามค้นหาต่อไปเพื่อเติมเต็มความรู้ให้ได้มากที่สุด
“มีหลายเหตุผลที่ทำให้เราอยากรู้เกี่ยวกับจักรวาลในยุคแรก แต่ฉันคิดว่าเหตุผลที่ฉันชอบที่สุดคือแนวโน้มตามธรรมชาติของมนุษย์ที่ต้องการรู้ว่าอะไรเกิดขึ้นก่อนหน้านั้น” สไตน์ กล่าว “ในวัฒนธรรมประวัติศาสตร์ มนุษย์ได้เล่าเรื่องราวเกี่ยวกับการสร้างสรรค์ในตอนเริ่มต้น และเราก็อยากรู้เสมอว่าเรามาจากไหน”
สืบค้นและเรียบเรียง วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ภาพ : NASA
ที่มา
https://www.scientificamerican.com
อ่านเพิ่มเติม : กล้องเจมส์ เวบบ์ พบดาวเคราะห์ไร้แม่ 6 ดวง ที่อาจกลายเป็นดาวฤกษ์
