08
Sep
2022

สายฟ้าตรงแปลก ๆ อาจเป็นสัญญาณของสสารมืดได้หรือไม่?

นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งกล่าวว่าปรากฏการณ์นี้อาจบ่งชี้ว่าสสารมืดเคลื่อนตัวผ่านโลกของเราด้วยความเร็วมากกว่า 300 ไมล์ต่อวินาที

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ต้องตะลึงกับความลึกลับของสสารมืดโดยใช้เงินหลายพันล้านดอลลาร์ไปกับเครื่องตรวจจับที่ซับซ้อนเพื่อค้นหาสำหรับอนุภาคที่เข้าใจยากซึ่งเชื่อกันว่าคิดเป็นร้อยละ 85 ของสสารในจักรวาล จนถึงตอนนี้ การค้นหาเหล่านั้นว่างเปล่า ตอนนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้เสนอกลยุทธ์ที่แตกต่างกันมากในการค้นหาสัญญาณของสสารมืด ไม่ใช่โดยห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของอนุภาค แต่โดยการตรวจสอบอากาศด้านบนเรา หากเราศึกษาแสงวาบที่เห็นในพายุฝนฟ้าคะนองอย่างถี่ถ้วน พวกเขาเถียงกัน เราอาจพบหลักฐานของสสารมืดที่มีความหนาแน่นสูงในขณะที่พวกมันเคลื่อนตัวผ่านชั้นบรรยากาศของเรา พวกเขาเชื่อว่าชิ้นส่วนสสารมืดที่เร่งความเร็วเหล่านี้ซึ่งเรียกว่า “มาโคร” จะทำให้เกิดสายฟ้าตรงอย่างสมบูรณ์ซึ่งไม่เคยมีการบันทึกมาก่อน

กรณีของสสารมืดเริ่มก่อตัวขึ้นตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1930 เมื่อนักดาราศาสตร์สังเกตเห็นครั้งแรกว่าดาราจักรเคลื่อนที่ราวกับว่าพวกมันมีสสารมากกว่าที่เรามองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ของเรา ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงเชื่อว่าต้องมีสสารที่มองไม่เห็นจำนวนมากควบคู่ไปกับของธรรมดาที่มองเห็นได้

ทฤษฎีชั้นนำคือสสารมืดประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน ซึ่งอาจสร้างขึ้นเมื่อประมาณ 14 พันล้านปีก่อนในช่วงเวลาของบิกแบง วัตถุสมมุติเหล่านี้เรียกว่า “อนุภาคขนาดใหญ่ที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อนแอ” หรือWIMPs การค้นหา WIMP ทั่วไปใช้ถังขนาดใหญ่ของของเหลวที่มีความหนาแน่นสูงเช่นซีนอน ถ้าอนุภาคสสารมืดตกกระทบกับของเหลว นักฟิสิกส์ควรจะสามารถมองเห็นรังสีที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสของอะตอมได้ในขณะที่พวกมันหดตัวจากการชนกับ WIMP แต่การทดลองดังกล่าวจำนวนมากไม่พบอะไรเลยจนถึงตอนนี้—ทำให้นักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยว่าสสารมืดอาจเกิดจากสิ่งอื่นทั้งหมดหรือไม่ มาโครเป็นหนึ่งในหลายทางเลือกสำหรับ WIMPS ที่ได้รับการเสนอชื่อ แนวคิดก็คือสสารมืด แทนที่จะประกอบด้วยอนุภาคมูลฐาน แท้จริงแล้วประกอบด้วยกระจุกของสสารขนาดมหึมา กอเหล่านี้อาจหนักสองสามออนซ์ บางทีน้ำหนักของลูกกอล์ฟ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหนาแน่นสูง (หลายร้อยปอนด์ต่อลูกบาศก์นิ้ว) มวลทั้งหมดนั้นจึงจะถูกบรรจุลงในช่องว่างที่มีขนาดเท่ากับแบคทีเรีย แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดคือมาโครไม่น่าจะนั่งเฉยๆ มีแนวโน้มมากกว่าที่พวกเขากำลังพุ่งผ่านอวกาศด้วยความเร็วประมาณ 150 ถึง 300 ไมล์ต่อวินาที (เทียบกับประมาณครึ่งไมล์ต่อวินาทีสำหรับกระสุนปืนไรเฟิล)

หากมาโครผ่านชั้นบรรยากาศของโลก มันจะปล่อยพลังงานออกมามากจนดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมที่มันผลักกัน ทำให้เกิดช่องอนุภาคประจุไฟฟ้าที่เรียกว่าไอออนในอากาศ โดยปกติช่องไอออนดังกล่าวจะมองไม่เห็น—แต่หากมีพายุไฟฟ้าเกิดขึ้น ช่องจะเสนอท่อสำหรับฟ้าผ่า Glenn Starkman นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Case Western Reserve และลูกชายของเขา Nathaniel Starkman นักศึกษาปริญญาโทสาขาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโทรอนโตกล่าว กระดาษของพวกเขาซึ่งร่วมเขียนกับเพื่อนร่วมงาน Harrison Winch และ Jagjit Singh Sidhu ได้ตรวจสอบกลไกที่มาโครอาจทำให้เกิดฟ้าผ่า ตลอดจนวิธีการใหม่ๆ อีกหลายวิธีในการค้นหาหลักฐานของมาโคร มันถูกตีพิมพ์ในเดือนเมษายน ในวารสารPhysical Review D

“เนื่องจากมาโครเหล่านี้เดินทางเร็วมาก จึงไม่ได้รับผลกระทบจากลม ดังนั้นช่องไอออนเหล่านี้จึงตรงอย่างน่าทึ่ง ตัดผ่านชั้นบรรยากาศของโลกได้โดยตรง” สตาร์คแมนอายุน้อยกล่าว โดยปกติแล้ว สายฟ้าจะเดินทางไปตามเส้นทางที่ไม่ปะติดปะต่อและคดเคี้ยว เนื่องจากมันพยายามค้นหาเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุดระหว่างเมฆกับพื้นดิน เนื่องจากความผันผวนของอุณหภูมิและความชื้น เส้นทางนั้นมักจะไม่แน่นอน ทำให้เกิดรูปแบบซิกแซกที่มีลักษณะเฉพาะ แต่เมื่อมาโครสร้างช่องไอออนที่ตรงอย่างสมบูรณ์แบบแล้ว สายฟ้าก็จะ “เข้าที่” ส่งผลให้เกิดสายฟ้าตรงมาก “มันยังสว่างอยู่ มันยังดังอยู่—แต่มันไม่ขรุขระแล้ว” นาธาเนียลกล่าว

เนื่องจากมาโครมีพลังงานมากมายในรูปแบบกะทัดรัด พวกมันจึงสามารถทะลุผ่านพื้นโลกและโผล่ออกมาจากอีกด้านหนึ่งได้ ดังที่ผู้เขียนระบุไว้ในบทความ สายฟ้าตรงที่พวกเขาอธิบายอาจเป็นผลมาจากมาโครที่ตกลงมาจากอวกาศ หรือขึ้นมาจากด้านล่าง โดยได้รูดผ่านโลกของเราไปแล้ว

จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีใครเคยเห็นสายฟ้าเส้นตรงเช่นนี้มาก่อน ใกล้เคียงที่สุดที่เคยถูกบันทึกไว้คือสายฟ้าเกือบตรง ที่ เห็นในซิมบับเวในปี 2015 แต่ก็ยังไม่ตรงพอ ผู้เขียนกล่าว แต่การขาดหลักฐานอาจเป็นเพราะขาดความพยายามในการค้นหาที่ประสานกัน ในรายงานของพวกเขา ชาวสตาร์คแมนแนะนำให้ใช้ประโยชน์จากเครือข่ายกล้องที่ยังหลงเหลืออยู่ซึ่งสแกนท้องฟ้าเพื่อหาอุกกาบาตลูกไฟ และลูกไฟ ซึ่งเป็นอุกกาบาตที่แตกออกและสร้างเส้นริ้วหลายเส้น อย่างไรก็ตาม ซอฟต์แวร์ที่ใช้โดยเครือข่ายของกล้องดาวตกเหล่านั้นจะต้องได้รับการปรับแต่ง ได้รับการออกแบบให้มองหาอุกกาบาต พวกมันถูกตั้งโปรแกรมให้กรองฟ้าผ่า

จำนวนครั้งของการเกิดฟ้าผ่าตรงที่การค้นหาอาจปรากฏขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมถึงมวล ขนาด และความเร็วของมาโคร และจำนวนดังกล่าวมีอยู่ในปริมาตรของพื้นที่ที่กำหนด ซึ่งทั้งหมดนี้เป็นตัวเลขที่ไม่แน่นอนอย่างยิ่ง ตามการประมาณการของสนามเบสบอล Starkmans แนะนำว่าอาจมีมาโครมากถึง 50 ล้านตัวต่อปีที่พุ่งชนชั้นบรรยากาศของเรา—แต่เราไม่น่าจะสังเกตเห็นมันได้ เว้นแต่ว่าแมโครจะมากระทบบริเวณที่เกิดพายุฝนฟ้าคะนอง “ถ้าเราโชคดี เราจะพบว่ามีสายฟ้าเป็นเส้นตรง และเราก็ไม่ได้เฝ้าสังเกตพวกมัน” เกล็นน์กล่าว “หนึ่งจะน่าสนใจ มากกว่าหนึ่งจะดี” นาธาเนียลกล่าวเสริม

Sean Tulin นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยยอร์กในโตรอนโตกล่าวว่าแนวคิดในการมองหาหลักฐานของสสารมืดในปรากฏการณ์เหมือนฟ้าผ่านั้น “เจ๋งมาก” “มันเป็นความคิดที่น่าสนใจและสร้างสรรค์มากอย่างแน่นอน” ความจริงที่ว่าการค้นหาสสารมืดอื่น ๆ ยังไม่ได้รับผลกระทบหมายความว่านักฟิสิกส์ควรเปิดใจกว้าง “สาขาฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์สสารมืดอยู่ที่ทางแยก และผู้คนกำลังคิดใหม่เกี่ยวกับอนุภาคประเภทอื่น [นอกเหนือจาก WIMP]”

แนวคิดเรื่องมาโครไม่ใช่เรื่องใหม่ นักฟิสิกส์ Ed Witten ที่รู้จักกันดีในงานของเขาเกี่ยวกับทฤษฎีสตริง เขียนเกี่ยวกับการมีอยู่ของวัตถุที่ค่อนข้างคล้ายกับมาโคร แต่ถึงกระนั้นก็หนาแน่นกว่า—เขาเรียกพวกมันว่า “นักเก็ตควาร์ก”—ในบทความในช่วงทศวรรษ 1980 และยังแนะนำวัตถุแปลก ๆ เหล่านี้ว่า ผู้สมัครสสารมืดที่มีศักยภาพ แต่ไม่ว่าวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงเช่นมาโครหรือนักเก็ตควาร์กจะมีเสถียรภาพเป็นเวลานานหรือไม่ยังคงเป็นประเด็นถกเถียง

ในรายงานของพวกเขา เหล่าสตาร์คแมนยังแนะนำสถานที่อื่นๆ ที่แมโครแบบเร็วอาจทิ้งร่องรอยไว้ ซึ่งรวมถึงสิ่งที่คุณอาจมีในครัวของคุณด้วย ถ้ามาโครรูดซิปผ่านแผ่นหินแกรนิตในบางครั้งในประวัติศาสตร์ของโลก พวกเขาเถียงว่า มันจะละลายเส้นเหมือนดินสอผ่านหิน ซึ่งจะทำให้แข็งตัวอีกครั้ง นักธรณีวิทยาเรียกหินชนิดนี้ซึ่งหลอมเหลวแล้วแข็งตัวเป็นหินออบซิเดียน. หากแผ่นบาง ๆ ถูกตัดออกจากบล็อกหินแกรนิตที่เจาะด้วยมาโคร ก็จะมีแผ่นหินออบซิเดียนวงรีปากโป้ง บางทีอาจกว้างครึ่งนิ้วทั้งสองข้างของแผ่น Glenn กล่าวถึงหินอัคนีสีเข้มว่า “มันกลายเป็นว่าเมื่อคุณละลายหินแกรนิตแล้วทำให้เย็นลง มันจะก่อตัวเป็นหินออบซิเดียน ซึ่งดูแตกต่างจากหินแกรนิต” เกล็นน์กล่าวถึงหินอัคนีสีเข้ม เขาสนับสนุนให้ผู้คนสำรวจแผ่นหินแกรนิตที่พวกเขาอาจเห็นที่ร้านปรับปรุงบ้าน หรือแม้แต่ในห้องครัวของตัวเอง นอกจากนี้ เขายังหวังที่จะจัดตั้งเว็บไซต์วิทยาศาสตร์พลเมือง เพื่อให้ผู้คนสามารถส่งภาพถ่ายหินแกรนิตที่น่าสงสัยได้

สถานที่ที่สามในการค้นหาสัญญาณของมาโครอาจอยู่บนดาวพฤหัสบดี ดาวพฤหัสบดีมีพายุไฟฟ้าที่ใหญ่กว่าโลกมาก ซึ่งเพิ่มโอกาสที่แมโครจะตัดผ่านพายุดังกล่าว เหตุการณ์ดังกล่าวอาจสร้างสัญญาณวิทยุที่โดดเด่น ซึ่งสามารถตรวจสอบได้จากดาวเทียมที่โคจรรอบโลก

ทั้งหมดนี้อาจฟังดูไม่ค่อยเป็นกระแสหลัก—แต่แล้วอีกครั้ง หลายปีของการค้นหาด้วยวิธีการแบบเดิม ๆ ยังไม่ปรากฏสัญญาณที่เป็นรูปธรรมของสสารมืด แน่นอน เป็นไปได้ว่าการศึกษาอย่างละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับพายุฝนฟ้าคะนอง แผ่นหินแกรนิต และชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีอาจล้มเหลวในการสร้างร่องรอยของสสารมืดในทำนองเดียวกัน แต่แม้ผลลัพธ์เชิงลบก็มีประโยชน์ในฟิสิกส์ โดยช่วยจำกัดแบบจำลองทางทฤษฎี Dan Hooper นักฟิสิกส์จาก Fermilab ในรัฐอิลลินอยส์กล่าวว่า “เมื่อใดก็ตามที่คุณสามารถแยกแยะสมมติฐานที่เป็นไปได้ไม่ว่าจะเป็นไปได้ยากแค่ไหนก็ตาม กระดาษของสตาร์คแมน “เป็นวิทยาศาสตร์ที่ถูกต้องตามกฎหมาย เป็นขั้นตอนในการหาคำตอบ”

หน้าแรก

Share

You may also like...

Leave a Reply

Your email address will not be published.