สสารมืด
หากมองดูภาพถ่ายอวกาศจะเห็นว่า จักรวาลเต็มไปด้วยความว่างเปล่าและมีกระจุกกาแล็กซีอยู่เพียงประปราย ทว่าความเป็นจริง มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้นักดาราศาสตร์เชื่อว่าต้องมี สสารมืด (Dark Matter) ซึ่งยังไม่สามารถตรวจจับได้ อยู่มากมายในเอกภพ ถ้าอวกาศเป็นเพียงความเวิ้งว้างว่างเปล่า กระจุกกาแล็กซีทั้งหลายก็คงไม่สามารถทรงตัวอยู่ได้ จะต้องมีอะไรที่คอยประคับประคองให้กระจุกกาแล็กซีรักษารูปทรง ไม่ให้แตกตัวไปจากกัน นักดาราศาสตร์เชื่อว่าภายในกระจุกกาแล็กซียังมีมวลอีก 10 เท่าที่เรามองไม่เห็น
ตัวกาแล็กซีเองก็เช่นกัน หากอวกาศว่างเปล่า ทำไมสสารทั้งหลายของกาแล็กซีจึงไม่ยุบรวมกัน หรือกระจายตัวไปในอวกาศ เมื่อพิจารณาการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีด้วยกฎของเคปเลอร์ข้อที่ 3 (p2/a3 = k) จะพบว่า หากมวลส่วนใหญ่ของกาแล็กซีอยู่ที่ศูนย์กลางแล้ว ความเร็วที่ปลายแขนของกาแล็กซีควรจะมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าบริเวณใกล้กับศูนย์กลาง ในทำนองเดียวกับการที่ดาวเคราะห์ชั้นนอกมีความเร็วในวงโคจรช้ากว่าดาวเคราะห์ชั้นใน แต่ผลจากการวิเคราะห์ความเร็วในการการหมุนรอบตัวเองของกาแล็กซีกังหัน NGC 4378, NGC 3145, NGC 1620 และ NGC 7664 (ภาพที่ 1) ดังกราฟในภาพที่ 2 แสดงให้เห็นว่า ความเร็วในวงโคจรภายในแขนกังหันไม่ว่าจะอยู่ใกล้หรือไกลจากศูนย์กลาง ไม่แตกต่างกันมากนัก แสดงให้เห็นว่ามีสสารมืดที่มองไม่เห็นโอบอุ้มแขนกังหันไว้
กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถ่ายภาพห้วงอวกาศลึกโดยการเปิดหน้ากล้องเป็นระยะเวลานานหลายชั่วโมงเพื่อให้ได้ภาพกระจุกกาแล็กซี Abell 2218 ซึ่งอยู่ห่างไกล 5,000 ล้านปีแสง ดังในภาพที่ 3 ซึ่งมีกาแล็กซีสีเหลืองซึ่งกระจายตัวอยู่ทั่วไป และกลุ่มกาแล็กซีสีน้ำเงินซึ่งเรียงตัวเป็นอาร์ควงกลม
ภาพแสดงมุมมองด้านข้างอธิบายให้เห็นว่า กระจุกกาแล็กซีสีเหลืองที่อยู่ด้านหน้า มีกาแล็กซีสีน้ำเงินอยู่ลึกเข้าไปข้างหลังเป็นระยะทาง 2 เท่าตัว กาแล็กซีที่อยู่ด้านหลังมีสีน้ำเงินเพราะเป็นภาพย้อนอดีตขณะที่กาแล็กซียังมีอายุน้อย จึงมีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีคลื่นสั้น (แสงสีน้ำเงิน) ส่วนกระจุกกาแล็กซีสีเหลืองเป็นภาพใหม่กว่า (อยู่ใกล้โลกมากกว่า แสงจึงใช้เวลาเดินทางมาถึงโลกน้อยกว่า) กาแล็กซีเย็นตัวลงแล้วจึงแผ่รังสีคลื่นยาวกว่า (แสงสีเหลือง) สิ่งที่น่าสนใจในภาพนี้ก็คือ ระหว่างกลุ่มกาแล็กซีทั้งสองจะต้องมีสสารมืดที่มีความโน้มถ่วงสูงมากดึงให้อวกาศโค้ง ทำให้เรามองเห็นกาแล็กซีสีน้ำเงินที่อยู่ด้านหลังปรากฏตัวเป็นโค้งอาร์ควงกลม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “เลนส์ความโน้มถ่วง” (Gravitational Lensing) ซึ่งเป็นหลักฐานแสดงให้เห็นว่า สสารมืดมีอยู่จริง และภูมิอวกาศของจักรวาลมีความโค้ง แสงจึงเดินทางเป็นเส้นโค้ง
ข้อมูลที่พิสูจน์ได้จากการสำรวจ
ผู้ที่เริ่มต้นที่จะพิสูจน์ว่ามีสสารมืดดำรงอยู่จริงในธรรมชาติคือ Fritz Zwicky จาก California Institute of Technology ในปี 1993 เขาตั้งทฤษฎี virial เพื่ออธิบายมวลที่มองไม่เห็นของ Coma cluster of galaxies เนื่องจากเขาพบว่ามวลที่หาได้มีค่ามากกว่ามวลที่ประมาณค่าจากวัตถุที่มองเห็นถึง 400 เท่า ทำให้เขาพบปัญหาที่สำคัญคือ การหายไปของมวลในจักรวาล เขาจึงคาดว่าต้องมีวัตถุที่มองไม่เห็นซึ่งมีขนาดมากพอจนมีผลต่อแรงโน้มถ่วงของกระจุกดาราจักร
การพิสูจน์เกี่ยวกับสสารมืดว่ามีอยู่จริงมีมากขึ้นซึ่งส่วนใหญ่มาจากการอธิบายการเคลื่อนที่ของดาราจักร ซึ่งดูเหมือนจะมีรูปแบบที่แน่นอน จาก virial theorem พบว่าพลังงานจลน์รวมจะมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของพลังงานจากแรงโน้มถ่วง แต่จากการคาดการทางทฤษฏีเมื่อเปรียบเทียบกับการสำรวจพบว่าดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างจากศูนย์กลางของดาราจักรมีความเร็วมากกว่าที่ทำนายไว้ในทฤษฏี ซึ่งจากทฤษฎีคำนวณพลังงานจากแรงโน้มถ่วงซึ่งพิจารณาจากมวลที่มองเห็นเท่านั้น ซึ่ง galactic rotation curve เป็นความสัมพันธ์ของความเร็วเชิงมุมกับระยะห่างจากจุดศูนย์กลางของดาราจักร วัตถุที่มองเห็นเท่านั้นไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวได้ ซึ่งถ้าประมาณคร่าว ๆ ดาราจักรมีลักษณะเป็นทรงกลมที่มีสมมาตรแล้วสสารมืด และวัตถุที่มองเห็นจะมารวมกันอยู่ตรงกลางของดาราจักร ส่วนดาราจักรที่มีดาวแคระขาวอยู่ จะแสดงคุณสมบัติที่แปลกออกไป โดยจะมีอัตราส่วนของมวลวัตถุที่มองเห็นต่อสสารมืดมีค่าน้อย ทำให้การสำรวจวัตถุที่อยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางมาก ๆ มีผลการสำรวจแย่ลง
การศึกษากระจุกของดาราจักรด้วยเลนส์โน้มถ่วงเป็นการประมาณมวลที่มีอยู่ในกระจุกดาราจักรโดยดูจากผลการรวมแสงที่มาจากดาราจักรพื้นหลัง ดังเช่นในกระจุกดาราจักร Abell 1689 การใช้เลนส์โน้มถ่วงสามารถยืนยันถึงการมีอยู่ของมวลมากกว่าที่มองเห็นได้เพียงลำพังจากแสงของกระจุกดาราจักร ในขณะที่การสังเกตการณ์กระจุกดาราจักรหัวกระสุนก็แสดงให้เห็นว่า มีมวลสารจำนวนมามากที่ให้ผลทางเลนส์โน้มถ่วง ซึ่งแยกส่วนออกมาอย่างเด่นชัดจากผลของมวลที่แผ่รังสีเอ็กซ์ที่เรารู้จักเป็นอย่างดี
การเคลื่อนที่รอบดาราจักร
40 ปีก่อนที่ Zwicky จะเริ่มสำรวจไม่มีสิ่งใดที่จะยืนยันได้ว่า mass to light ratio มีค่าเป็นอย่างอื่นที่ไม่ใช่หนึ่งหน่วย (ซึ่งค่า mass to light ratio ที่มีค่ามากจะเป็นสิ่งบ่งบอกได้ถึงว่ามีสสารมืดอยู่จริง) ต่อมาในปี 1960 จนถึงปี 1970 Vera Rubin นักดาราศาสตร์รุ่นใหม่ได้พบเส้น spectrograph ที่แปลกไป และสามารถวัดความเร็วที่ขอบของดาราจักรรูปก้นหอยได้ ซึ่งมีความแม่นยำสูง และเพื่อนร่วมงานของเธอ Kent Ford ได้ประกาศในงานประชุมในปี 1975 ว่าดาวส่วนใหญ่ในแกเลกซี่รูปก้นหอยมีความเร็วคร่าว ๆ ใกล้เคียงกัน แสดงให้เห็นว่าความหนาแน่ของมวลมีรูปแบบที่สม่ำเสมอแม้ดาวจะอยู่ไกลออกไป ผลดังกล่าวไม่สามารถใช้ Newtonian gravity อธิบายได้ แสดงว่าเนื่องจากต้องมีมวลเพิ่มขึ้นอีก 50% แต่ยังไม่ส่องสว่าง และทั้งคู่ยังยืนยันว่าผลการสำรวจของทั้งคู่ถูกต้องแน่นอน ในที่สุดนักดาราศาสตร์คนอื่น ๆ ก็เริ่มยืนยันว่างานของทั้งคู่เป็นจริง ทำให้ยืนยันได้ว่าต้องมีสสารมืดอยู่จริงแน่นอนและเป็นตัวที่มีผลอย่างมากกับดาราจักร ด้วย mass to light ratio ของดาวต่าง ๆ มีค่าใกล้เคียงกัน ต่อมาจึงมีการสำรวจเกี่ยวกับสสารมืดอีกมากมายจนมีสิ่งยืนยันอีกหนึ่งว่ามีสสารมืดอยู่จริงและเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาล อีกทั้งนักดาราศาสตร์ยังพยายามที่จะแสดงว่า สสารมืดเป็นสิ่งที่สามารถบ่งบอกขนาด โครงสร้าง และรูปร่างของดาราจักรได้อีกด้วย
โรเตชั่นเคิร์ฟทั่วไปของดาราจักรกังหัน : ตามที่ทำนายได้ (A) และที่สังเกตการณ์ได้ (B)
ความเร็วของดาราจักร
การสำรวจของ Rubin ดำเนินต่อไป การวัด velocity curves ในดาราจักรรูปก้นหอยมีการกระจายเช่นเดียวกับดาราจักรรูปวงรี ขณะที่บางครั้งก็สามารถวัดค่าของ mass to light ratio ได้เช่นกันแต่มีค่าน้อยกว่า แสดงว่าดาราจักรรูปวงรีก็ยังคงแสดงสมบัติของสสารมืดว่ามีอยู่เช่นกัน นอกจากนั้นเมื่อวัดการแพร่ของแก๊สระหว่างดวงดาวพบว่าที่ขอบของดาราจักรพบสสารมืดกระจายอยู่และยืดไกลออกไปจากขอบเขตของวัตถุที่มองเห็นได้ ไกลออกไปประมาณ สิบเท่าของรัศมีของขอบเขตที่มองเห็น ซึ่งเมื่อนำสสารมืดมาคำนวณเพิ่มเติมโดยคิดเป็น 50% ของgravitational พบว่ามีค่าใกล้เคียงกับที่สำรวจได้ถึง 95%
แต่มีบางดาราจักรเช่นกันที่ไม่พบ สสารมืด หรือพบน้อยราวกับว่าไม่มีเลย แต่ในบางครั้งความเร็วของดาวก็สามารถบ่งบอกว่ามี สสารมืด ได้เช่นกัน
