พบกระจุกกาแล็กซี El Gordo ใหญ่ผิดปกติ ชี้สารมืดอาจชนกันเองได้

นักดาราศาสตร์เจอกระจุกกาแล็กซีที่ใหญ่ผิดปกติ อยู่ห่างจากโลก 7,000 ล้านปีแสง มีชื่อเล่นว่า El Gordo แปลว่า ไอ้อ้วน เพราะเป็นสองบริเวณที่กำลังชนกัน รวมมวลมากกว่า 2 พันล้านล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

จุดที่น่าสนใจคือ El Gordo ใหญ่เกินไปสำหรับยุคนั้นของเอกภพ จนนักดาราศาสตร์บางคนมองว่ามันเป็นตัวอย่างที่ขัดแย้งกับโมเดลมาตรฐานของจักรวาลวิทยา เพราะอธิบายยากว่าสารมืดเย็น (cold dark matter) ในเอกภพแบบ inflation จะรวมตัวเป็นกระจุกขนาดนี้ได้เร็วขนาดนั้นได้อย่างไร

งานวิจัยใหม่ที่ตีพิมพ์ใน The Astrophysical Journal เสนอว่าสารมืดอาจชนกันเองได้ หรือที่เรียกว่า self-interacting dark matter (SIDM) ซึ่งช่วยอธิบายได้ว่าทำไมกระจุกนี้เกิดเร็วขนาดนี้ แต่ปัญหาคือโมเดล SIDM แบบนี้มักจะทำให้สารมืดอุ่นขึ้นไปด้วย ซึ่งขัดกับข้อสังเกตที่ว่าสารมืดส่วนใหญ่เย็น คือมีพลังงานจลน์ต่ำ

โดยปกติโมเดล SIDM ส่วนใหญ่มองว่าการชนกันของสารมืดเป็นแบบ elastic เหมือนโมเลกุลอากาศในห้องที่ชนกันโดยไม่เสียพลังงาน ทำให้ห้องมีอุณหภูมิคงที่ ถ้าปรับจูนการชนแบบนี้ให้พอดี ก็อาจเร่งการรวมตัวของกาแล็กซีได้โดยไม่ทำให้สารมืดอุ่นเกินไป แต่ผลลัพธ์จากแนวทางนี้ยังก้ำกึ่งไม่ชัดเจน

ผู้เขียนงานวิจัยนี้จึงเสนอโมเดลสารมืดแบบสองสถานะ คือมีสถานะพื้นและสถานะกระตุ้น ส่วนใหญ่การชนจะเป็นแบบ elastic เหมือนสารธรรมดา แต่ถ้าพลังงานพอดี การชนจะดันอนุภาคขึ้นไปอยู่สถานะกระตุ้น ซึ่งดึงพลังงานจลน์ออกจากการชนไปด้วย ทำให้สารมืดรวมตัวเป็นกระจุกได้พร้อมกับเย็นลงในเวลาเดียวกัน

จากการจำลองแบบ N-body ของสองบริเวณที่ชนกันใน El Gordo โมเดลสองสถานะนี้เข้ากับข้อมูลที่สังเกตได้ดีกว่าทั้งโมเดลที่สารมืดไม่ชนกันเลยและโมเดลที่ชนแบบ elastic อย่างเดียว แต่ยังมีความไม่แน่นอนเรื่องมวลจริงของ El Gordo และความเร็วการชน ถ้ามวลจริงอยู่ในช่วงต่ำของที่ประมาณไว้ โมเดลนี้ก็จะเข้ากับข้อมูลไม่ได้ ดังนั้นนี่เป็นแค่คำตอบที่เป็นไปได้ ยังไม่ใช่ข้อสรุปแน่นอน