นักดาราศาสตร์พบนิวตริโนพลังงานสูงจากหลุมดำไกลโพ้น

เมื่อวันที่ 12 กรกฎาคม 2018 ได้มีการประกาศการค้นพบนิวตริโนพลังงานสูงที่สามารถเชื่อมโยงไปสู่แหล่งกำเนิดรังสีคอสมิก (cosmic rays) ที่เป็นปริศนามาเนิ่นนาน

เมื่อวันที่ 22 กันยายน 2017 ได้มีนิวตริโน (neutrino) พลังงานสูงวิ่งทะลุทะลวงผ่านห้วงอวกาศอันไกลโพ้นด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ผ่านเข้ามาในชั้นบรรยากาศโลก วิ่งเข้าชนนิวเคลียสของน้ำแข็งที่ขั้วโลกใต้ เกิดเป็นแสง “Cherenkov” สีน้ำเงินแวววาบ วิ่งไปกระทบ “photomultipliers” ที่ฝังลึกลงในท่อยาวใต้น้ำแข็งที่กินปริมาตรกว่า 1 ลูกบาศก์กิโลเมตร ณ สถานีวัดนิวตริโนของ “IceCube”
 

 

นิวตริโนเป็นอนุภาคมวลน้อยนิด เมื่อเทียบกับอิเล็กตรอนที่ว่ากระจิ๋วหลิวแล้ว อิเล็กตรอนยังมีมวลมากกว่านิวตริโนถึงล้านเท่า นิวตริโนวิ่งด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ทะลุทะลวงทุกสิ่งทุกอย่างที่ขวางหน้า วิ่งผ่านโลกและร่างกายของเรา พวกมันแทบไม่เคยถูกวัดได้ สสารและอนุภาคต่างๆในเอกภพช่างดูโปร่งโล่งสำหรับมัน เสมือนเรากำลังเดินโดดเดี่ยวเดียวดายกลางทะเลทรายอันกว้างใหญ่ไร้ผู้คน ไม่สามารถมีอันตรกิริยาใดๆกับใครได้เลย

จึงไม่ใช่เหตุการณ์ปกตินักที่นักดาราศาสตร์จะสามารถตรวจวัดนิวตริโนได้ โดยเฉพาะนิวตริโนที่ IceCube วัดได้นี้มีพลังงานสูงถึง 300 ล้านล้านอิเล็กตรอนโวลต์ หรือมีพลังงานมากกว่าอนุภาคที่ถูกเร่งด้วยเครื่องเร่งอนุภาคอันทรงพลังที่สุดในโลกถึง 40 เท่า
พวกมันน่าจะมาจากแหล่งกำเนิดนอกทางช้างเผือก และแหล่งกำเนิดนั้นต้องมีกิจกรรมสุดโต่งที่ผลิตอนุภาคพลังงานสูงออกมามากมาย มันอาจเป็นการชนกันของหลุมดำ การชนกันของดาวนิวตรอน ซุปเปอร์โนวา หรืออาจเป็นกาแล็กซีคุกรุ่น ที่เรียกว่า “blazar” ที่ซึ่งกลุ่มสสารกำลังหมุนวนรอบหลุมดำยักษ์มวลมหาศาล ก่อเกิดเป็นกาแล็กซีขนาดเล็กรูปร่างเหมือนโดนัทมีรอยบุ๋มตรงกลาง ที่ปล่อยพวยอนุภาคพลังงานสูงพุ่งออกมาจากขั้วบนล่าง หันขั้วมาทางโลกพอดิบพอดี รังสีคอสมิกพลังงานสูงที่ประกอบไปด้วย รังสีแกมม่า คลื่นวิทยุ และนิวตริโน ต่างวิ่งผ่านห้วงอวกาศลึกไกลโพ้น ใช้เวลาเนิ่นนานและในที่สุดก็เดินทางมาถึงโลก

กล้องโทรทรรศน์รังสีแกมม่า Fermi Gamma-ray Space Telescope ที่โคจรรอบโลกอยู่จึงพยายามตรวจหาการประทุของรังสีแกมมาซึ่งต้องมาจากแหล่งกำเนิดเดียวกันที่ส่งตรงนิวตริโนพลังงานสูงออกมาชนเครื่องวัดของ IceCube
Fermi สอดส่องหา “blazar” ถึง 2,000 ดวง และพบการประทุของรังสีแกมม่าที่น่าจะสอดคล้องกับนิวตริโนที่ IceCube วัดได้ การประทุนั้นมาจาก blazar นามว่า “TXS 0506+056” ในทิศทางตรงไหล่ของกลุ่มดาวนายพราน ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 3.7 พันล้านปีแสง นิวตริโนและรังสีแกมม่าที่วัดได้นี้ ถูกสร้างขึ้นจากหลุมดำที่ขับเคลื่อนให้ TXS 0506+056 ประทุคุกกรุ่นเมื่อกว่า 3.7 พันล้านปีที่แล้ว
หลังจากการค้นพบของ Fermi และ IceCube ได้มีการใช้กล้องโทรทรรศน์อีกกว่า 20 แห่ง ที่สามารถวัดรังสีคอสมิกในย่านความถี่อื่นๆ เพื่อยืนยันว่า TXS 0506+056 นั้นเป็นแหล่งกำเนิดนิวตริโนพลังงานสูงจริง
จากความร่วมมือกันของนักดาราศาสตร์ในครั้งนี้ยังสรุปได้อีกว่า "blazar" นั้นเป็นแหล่งกำเนิดสำคัญของ “รังสีคอสมิก” การใช้รังสีในหลายๆย่านความถี่หรือใช้อนุภาคหลายๆชนิด หรือเทคนิควิธีการที่แตกต่างกันเพื่อสืบเสาะ ค้นหา อธิบายที่มาของปรากฏการณ์ดาราศาสตร์ เราเรียกว่า “Multimessenger Astronomy”

การตรวจวัดนิวตริโนนั้นเป็นเรื่องสำคัญในทางฟิสิกส์ เพราะนิวตริโนนั้นมักจะหลุดรอดจากการตรวจวัด วิ่งทะลุทะลวงทุกสิ่งทุกอย่าง นิวตริโนบางตัวเหลือรอดมาตั้งแต่สมัยบิกแบง นำข้อมูลตั้งแต่สมัยนั้นติดตัวไปด้วย นอกจากนี้นิวตริโนยังมักเข้าไปมีส่วนร่วมเกี่ยวพันกับอันตรกิริยาที่สำคัญต่างๆมากมาย ไม่ว่าจะเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซุปเปอร์โนวา กิจกรรมรอบๆหลุมดำ ฯลฯ ดังนั้นหากเราวัดนิวตริโนได้ เราจะสามารถปะติดปะต่อเพื่อทำความเข้าใจธรรมชาติและปรากฏการณ์ต่างๆในเอกภพได้มากยิ่งขึ้น

 

เรียบเรียงโดย

มณีเนตร เวชกามา
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

• [1] http://science.sciencemag.org/content/early/2018/07/11/science.aat1378
• [2] https://icecube.wisc.edu/news/view/586