ญี่ปุ่นอัปเกรดกล้องโทรทรรศน์ใต้ดิน ล่าร่องรอย “อนุภาคผี” จากดาวฤกษ์ยุคแรกของจักรวาล

ในปี 2026 นี้นักดาราศาสตร์ทั่วโลกกำลังจับตามองความพยายามครั้งสำคัญของนักวิทยาศาสตร์ญี่ปุ่น ในการตรวจจับอนุภาคลึกลับที่ถูกเรียกว่า “อนุภาคผี” ซึ่งมีชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า นิวตริโน (Neutrinos) อนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติที่แทบไม่ทำปฏิกิริยากับสสารใด ๆ การตรวจจับอนุภาคเหล่านี้อาจช่วยเปิดหน้าประวัติศาสตร์บทใหม่ของจักรวาล เพราะมัน คือ เศษซากพลังงานจากการระเบิดของดาวฤกษ์ยุคโบราณที่เกิดขึ้นก่อนโลกถือกำเนิดหลายพันล้านปี

ภารกิจนี้ดำเนินการผ่านกล้องโทรทรรศน์ตรวจจับนิวตริโนที่มีชื่อว่า ซูเปอร์คามิโอกันเดะ (Super-Kamiokande) ซึ่งตั้งอยู่ลึกลงไปใต้ภูเขาในจังหวัดกิฟุ ประเทศญี่ปุ่น เครื่องตรวจจับขนาดมหึมานี้เป็นหนึ่งในเครื่องมือทางฟิสิกส์อนุภาคที่สำคัญที่สุดของโลก และกำลังถูกอัปเกรดให้มีความไวสูงขึ้น เพื่อค้นหาสัญญาณของนิวตริโนที่เดินทางผ่านอวกาศมานานกว่า 10,000 ล้านปี 

นิวตริโน อนุภาคผีที่แทบไม่มีสิ่งใดหยุดยั้งได้

“อนุภาคผี” ความจริงแล้วไม่เกี่ยวข้องกับผีหรือสิ่งที่อยู่เหนือธรรมชาติแต่เป็นชื่อที่ถูกตั้งขึ้นมาเพื่อใช้เรียกอนุภาคนิวตริโนซึ่งเป็นอนุภาคพื้นฐานชนิดหนึ่งในแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ (Standard Model of Particle Physics) มีคุณสมบัติสำคัญ คือ ไม่มีประจุไฟฟ้า และมีมวลต่ำมากจนเกือบเป็นศูนย์ ด้วยเหตุนี้มันจึงแทบไม่ชนกับสสารใด ๆ เลย

และสิ่งที่ทำให้นักฟิสิกส์จึงเรียกมันว่า “อนุภาคผี” เนื่องจากมันสามารถทะลุผ่านวัตถุแทบทุกชนิดได้อย่างอิสระ ตัวอย่างเช่น ในทุก ๆ วินาทีจะมีนิวตริโนจากดวงอาทิตย์หลายหมื่นล้านตัวพุ่งผ่านร่างกายของมนุษย์โดยที่เราไม่รู้สึกอะไรเลย

สำหรับนิวตริโนนั้นมีแหล่งกำเนิดหลายประเภท เช่น ปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในดวงอาทิตย์, การชนกันของรังสีคอสมิกในบรรยากาศโลก, การระเบิดของดาวฤกษ์ขนาดมหึมา โดยมีแหล่งกำเนิดที่สำคัญที่สุดสำหรับการศึกษาวิวัฒนาการของจักรวาล คือ นิวตริโนจากซูเปอร์โนวา ซึ่งเป็นการระเบิดของดาวฤกษ์มวลมหาศาล

การระเบิดซูเปอร์โนวา ปรากฏการณ์ที่ปลดปล่อยพลังงานมหาศาล

เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 8 เท่าขึ้นไปหมดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แกนกลางของดาวจะยุบตัวอย่างรุนแรงจนเกิดการระเบิดที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (Supernova) แม้ซูเปอร์โนวาจะสว่างจนสามารถมองเห็นได้จากระยะไกลหลายล้านปีแสง แต่ความจริงแล้วพลังงานที่ปล่อยออกมาในรูปแบบแสงคิดเป็นเพียงประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานทั้งหมด ส่วนพลังงานอีกประมาณ 99 เปอร์เซ็นต์ถูกปล่อยออกมาในรูปของนิวตริโน ซึ่งจะพุ่งออกจากดาวฤกษ์ด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง และกระจายไปทั่วจักรวาล

นักดาราศาสตร์เชื่อว่า ในประวัติศาสตร์ของจักรวาลตลอดกว่า 13,800 ล้านปีที่ผ่านมา ได้เกิดซูเปอร์โนวานับพันล้านล้านครั้ง ทำให้มีนิวตริโนจำนวนมหาศาลล่องลอยอยู่ทั่วจักรวาลจนถึงปัจจุบัน อนุภาคเหล่านี้ถูกเรียกรวมกันว่า Supernova Relic Neutrinos หรือ SRN ซึ่งเปรียบเสมือน “ซากฟอสซิลพลังงาน” ของดาวฤกษ์ที่ตายไปแล้ว

กล้องโทรทรรศน์ใต้ดิน Super-Kamiokande ขนาดยักษ์ของโลก

สำหรับเครื่องตรวจจับซูเปอร์คามิโอกันเดะ นั้นตั้งอยู่ลึกลงไปใต้ภูเขาประมาณ 1,000 เมตร เพื่อลดสัญญาณรบกวนจากรังสีคอสมิก ตัวเครื่องมีลักษณะเป็นถังทรงกระบอกขนาดมหึมาบรรจุน้ำบริสุทธิ์ประมาณ 50,000 ตัน

ภายในถังติดตั้งอุปกรณ์ตรวจจับแสงที่เรียกว่า โฟโตมัลติเพลเยอร์ (Photomultiplier tubes) มากกว่า 11,000 ตัว อุปกรณ์เหล่านี้สามารถตรวจจับแสงแฟลชขนาดเล็กที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคนิวตริโนชนกับโมเลกุลของน้ำ กระบวนการนี้เรียกว่า Cherenkov radiation หรือการแผ่รังสีเชเรนคอฟ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมีความเร็วสูงกว่าแสงในตัวกลางอย่างน้ำ

การตรวจจับสัญญาณเพียงเล็กน้อยเหล่านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุการมาถึงของนิวตริโนได้ กล้องโทรทรรศน์ Super-Kamiokande มีบทบาทสำคัญในวงการฟิสิกส์อนุภาค โดยผลงานการค้นพบเกี่ยวกับการสั่นของนิวตริโน (Neutrino Oscillation) ส่งผลให้นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น ทาคากิ คาจิตะ (Takaaki Kajita) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2015

การอัปเกรดครั้งใหม่เพื่อค้นหานิวตริโนจากจักรวาลยุคแรก

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ปรับปรุงระบบตรวจจับของ Super-Kamiokande ด้วยการเติมสารกาดอโลเนียม (Gadolinium) ลงไปในน้ำ โดยเจ้าธาตุกาดอโลเนียมมีคุณสมบัติพิเศษ คือ สามารถจับนิวตรอนได้ดี เมื่อเกิดปฏิกิริยาระหว่างนิวตริโนกับน้ำ จะมีนิวตรอนเกิดขึ้น ซึ่งกาดอโลเนียมจะช่วยทำให้สัญญาณดังกล่าวตรวจจับได้ง่ายขึ้น

การปรับปรุงนี้ช่วยเพิ่มความไวของเครื่องตรวจจับอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีโอกาสตรวจพบ Supernova relic neutrinos ได้เป็นครั้งแรก หากตรวจพบสำเร็จ นั่นหมายความว่านักวิทยาศาสตร์จะสามารถศึกษาเหตุการณ์ซูเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล ไม่ใช่เพียงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในยุคปัจจุบัน 

กุญแจสำคัญสู่ปริศนาการตายของดาวฤกษ์

ข้อมูลจากนิวตริโนสามารถเปิดเผยรายละเอียดของกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในแกนกลางของดาวฤกษ์ระหว่างการระเบิด ซึ่งเป็นบริเวณที่แสงธรรมดาไม่สามารถหลบหนีออกมาได้ ด้วยเหตุนี้ นิวตริโนจึงเปรียบเสมือนผู้ส่งสารจากใจกลางของการระเบิดซูเปอร์โนวา ข้อมูลดังกล่าวจะช่วยตอบคำถามสำคัญหลายข้อ เช่น

1. หลังการระเบิด แกนกลางของดาวฤกษ์กลายเป็นดาวนิวตรอน (Neutron Star) หรือหลุมดำ (Black Hole)
2. ซูเปอร์โนวาแต่ละประเภทปล่อยพลังงานต่างกันอย่างไร
และ 3. อัตราการเกิดซูเปอร์โนวาในประวัติศาสตร์จักรวาลเป็นเท่าใด

คำตอบของคำถามเหล่านี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจวิวัฒนาการของกาแล็กซีและจักรวาลได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

ดังนั้นการศึกษานิวตริโนกำลังเปิดประตูสู่วงการที่เรียกว่า Neutrino Astronomy หรือดาราศาสตร์นิวตริโน ซึ่งเป็นวิธีการสังเกตจักรวาลที่แตกต่างจากการใช้แสง คลื่นวิทยุ หรือรังสีเอกซ์แบบดั้งเดิม เนื่องจากนิวตริโนสามารถเดินทางผ่านสสารหนาแน่นได้ จึงทำให้มันสามารถนำข้อมูลจากบริเวณที่กล้องโทรทรรศน์ทั่วไปไม่สามารถมองเห็นได้ เช่น ใจกลางดาวฤกษ์ที่กำลังระเบิด หรือบริเวณใกล้หลุมดำ

และหากการตรวจจับอนุภาคผีจากซูเปอร์โนวาโบราณประสบความสำเร็จ นี่อาจเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดของศตวรรษ และจะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถมองย้อนกลับไปศึกษาประวัติศาสตร์ของจักรวาลได้ไกลกว่าที่เคยเป็นมา