โดยใช้พื้นที่ของการฉายแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่ที่เป็นคลื่นวิทยุจนถึงการฉายรังสีแกมม่าพลังงานสูง เพราะรังสีแต่ละแบบจะช่วยให้เราเห็นภาพจักรวาลในมุมที่ต่างกันออกไป เครื่องวัดผลพิเศษจะเป็นตัววิเคราะห์กลุ่มข้อมูลขนาดใหญ่มาก เราจึงสามารถศึกษาปรากฏการณ์ของจักรวาลทุกปรากฏการณ์ได้อย่างละเอียดแบบที่ไม่เคยทำได้มาก่อน ในปี 2015 ได้มีการคิดค้นวิธีใหม่ล่าสุดในการศึกษาวิจัย กล่าวคือ นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดผลคลื่นแรงโน้มถ่วงบนโลก และศึกษาเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ใหม่ๆ ซึ่งยังไม่เคยมีวิธีวัดและประมวนค่าของเหตุการณ์ดังกล่าวได้

จักรวาลในโลกดิจิตอล
สำหรับการจำลองลำดับการถือกำเนิดของจักรวาลที่ใหญ่และมีรายละเอียดสูงสุดที่ชื่อ Illustris TNG เหล่านักวิจัยจะป้อนข้อมูลตั้งแต่จักรวาลเริ่มถือกำเนิด เข้าไปในเครื่องประมวลผลประสิทธิภาพสูงที่ชื่อฮาเซล เฮน (Hazel Hen) ในเมืองสตุตการ์ต มันเป็นเครื่องซูปเปอร์คอมพิวเตอร์ที่คำนวณพัฒนาการของจักรวาลซึ่งมีประวัติศาสตร์นานถึงกว่า 13 พันล้านปี โดยจะต้องใช้แกนโปรเซสเซอร์ (Cores) ถึง 16,000 ตัว ที่ต้องทำงานตลอดยี่สิบสี่ชั่วโมงเป็นเวลากว่าหนึ่งปี โดยหากเทียบกับคอมพิวเตอร์ทั่วไปแล้ว คอมพิวเตอร์หนึ่งเครื่องจะต้องใช้เวลาคำนวณถึง 15,000 ปี การจำลองที่ทำขึ้นเป็นครั้งแรกและมีความแม่นยำสูงจะช่วยให้นักวิจัยเข้าใจการเชื่อมโยงต่างๆ ในมุมกว้างของจักรวาล รวมถึงรายละเอียดอื่น เช่น การไหลของก๊าซในกาแล็กซี่ เป็นต้น

สสารมืดและพลังงานมืด
ส่วนที่เล็กมากส่วนหนึ่งของจักรวาลประกอบไปด้วยดาว ดาวเคราะห์และวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ ที่เรามองเห็นได้ ส่วนที่เหลือหรือก็คืออีก 95 เปอร์เซ็นต์ คือสสารและพลังงานมืด

เรามองสสารมืดไม่เห็นแต่จะสัมผัสได้ผ่านการโน้มถ่วงของมัน หากไม่มีสสารมืดแล้ว วัตถุทุกสิ่งที่มองเห็นได้ในอวกาศและเคลื่อนที่และมีลักษณะต่างไปจากเดิม เช่น กาแล็กซี่ต่างๆ เช่นทางช้างเผือกที่เราอยู่ จะกระจายตัวออกจากกัน พลังงานมืดเป็นชื่อเรียกของผลกระทบที่นักดาราศาสตร์ใช้อธิบายการขยายตัวที่เร็วขึ้นของจักรวาล เพราะการแรงดึงดูดต่อกันและกันของสสารต่างๆ ทำให้จักรวาลต้องลดความเร็วในการยืดขยายตัวนั้น แต่สิ่งที่เราวัดได้กลับเป็นสิ่งตรงข้าม กล่าวคือ เราค้นพบว่าจักรวาลกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็วมากขึ้นเรื่อยๆ เหตุที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ของจักรวาลประกอบไปด้วยพลังงานมืด

การค้นหาชิ้นส่วนลึกลับ
สสารมืดซึ่งพบในอวกาศได้บ่อยกว่า ”สสารปรกติ” ถึงห้าเท่า เป็นสสารที่เราไม่มองไม่เห็นหรือวัดได้ เหล่านักวิจัยจึงสันนิษฐานว่า มันทำจากชิ้นส่วนหลักที่เราไม่รู้จักมาก่อน ซึ่งแทบจะไม่มีปฎิกิริยากับ ”สสารปรกติ” ที่เรามองเห็นได้เลย พวกเขาจึงใช้การทดลอง CRESST ในการเสาะหาชิ้นส่วนดังกล่าว ภายใต้เทือกเขากรัน สัสโซ่ในประเทศอิตาลีจะมีแล็บทดลองใต้ดินที่ติดตั้งตัวตรวจจับซึ่งไวต่อการสัมผัสเป็นพิเศษ โดยเป็นแล็บที่ล้อมรอบไปด้วยชั้นหินกว่า 1,400 เมตรรอบด้าน “สสารปรกติ” ทุกส่วนที่มาจากอวกาศเข้ามายังโลกจะถูกเก็บเข้าไปจับตัวเป็นส่วนหนึ่งของสสารของตัวภูเขา ในทางกลับกัน ชิ้นส่วนของ “สสารมืด” จะสามารถทะลวงผ่านทะลุชั้นหินเข้าไปได้เลย โดยเครื่องมือที่แท้จริงเป็นคริสตัลแคลเซียมโวลฟรามัตบริสุทธิ์ที่ถูกแช่เย็นในอุณหภูมิติดลบ 273 องศาเซลเซียส หากชิ้นส่วนของสสารมืดมาชนกับตัวคริสตัล อุณหภูมิก็จะสูงขึ้นประมาณหนึ่งในล้านองศา เราจึงต้องใช้ตัววัดอุณหภูมิที่ไวต่อการสัมผัสสูงเป็นพิเศษเพื่อวัดความแตกต่างทางอุณหภูมิดังกล่าว

  นักวิจัยทั้งสองคนกำลังติดตั้งตัวตรวจจับของการทดลอง CRESST ในห้องแล็บทดลองใต้ดินในกรัน ซัสโซ่ | © Astrid Eckert

บิ๊กแบง
หนึ่งในปริศนาทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นที่น่าค้นหามากที่สุดคือเรื่องของที่มาของจักรวาล ในปัจจุบัน เราทราบว่าจักรวาลกำลังยืดขยายตัว เรารู้จักแม้กระทั้งรูปแบบและวิธีการยืดขยายดังกล่าว โดยหากเราหันไปดูย้อนหลังเราจะสังเกตเห็นสสารและพลังงานที่หนาแน่นมากยิ่งขึ้นอย่างไม่มีที่สิ้นสุด และนั่นก็น่าจะเป็นจุดเริ่มต้นของจักรวาลของเราในปัจจุบัน ซึ่งก็คือเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อนจากการคำนวณทางคณิตศาสตร์อย่างเดียว แต่บิ๊กแบงไม่ได้บรรยายการระเบิดในพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่ง ตามทฤษฏีที่เป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน บิ๊กแบงคือจุดเริ่มต้นของพื้นที่ เวลาและสสาร


© แต่ปริมาณอันมหาศาลของสสารและพลังงานที่รวมไปถึงตัวอวกาศได้ถูกอัดตัวเข้าไปอยู่ในจุดเล็กๆ เพียงจุดเดียวได้อย่างไร การที่บิ๊กแบงตามที่เรารู้จักกันในปัจจุบันจะเกิดขึ้นได้นั้น จะต้องมีการยืดขยายที่สั้นและรวดเร็วมากเกิดขึ้นช่วงแรก หรือก็คือการขยายด้วยความเร็วเกินแสง เราไม่สามารถใช้วิธีการวัดค่าด้วยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามาวัดบิ๊กแบงในจุดดังกล่าวได้ แต่สามารถใช้คลื่นความถ่วงมาวัดค่าได้


ระเบิดบิ๊กแบงที่อาจจะไม่บิ๊กอย่างที่คิด
การระเบิดบิ๊กแบงทำให้เกิดพื้นที่ เวลาและสสารจากที่ที่ไม่มีอะไรมาก่อน ซึ่งเป็นทฤษฏีที่เป็นที่รู้จักกัน ด้วยความรู้ในปัจจุบัน ทำให้เราสามารถคำนวณสถานการณ์ทุกลำดับขั้นตอนตั้งแต่วินาทีที่ที่หนึ่งในพันล้านแรกหลังการเกิดบิ๊กแบงแล้ว โดยเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นทันทีหลังจากระเบิดแล้วถือเป็นเรื่องที่มีความสำคัญต่อการวิจัยทางดาราศาสตร์มาก ซึ่งเป็นเรื่องที่ยังไม่มีใครทราบดีอยู่ นักวิทยาศาสตร์สาวรุ่นใหม่ Anna Ijjas ของสถาบันวิจัยฟิสิกซ์การโน้มถ่วงของสถาบัน Max Planck กำลังวิจัยเรื่องดังกล่าวอยู่ เธอได้ใช้แบบจำลองวงจรลำดับในการวิจัยและมีข้อสันนิษฐานว่า จักรวาลสมัยก่อนทั้งยุบและขยายตัวอย่างช้าๆ ประมาณ 10-25 ซม.  นั่นแสดงให้เห็นว่า บิ๊กแบงน่าจะเป็นการปะทุเบาๆ เสียมากกว่า โดยส่วนหนึ่งของทฤษฏีบิ๊กแบงที่ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนไหนอธิบายได้คือการขยายตัวอย่างรวมเร็วมากที่เกิดขึ้นทันทีหลังจาก “ระเบิด” แล้ว แบบจำลองการประทุจึงเป็นตัวแย้งข้อสันนิษฐานของทฤษฏีดังกล่าว

  เกิดอะไรขึ้นก่อนบิ๊กแบง อาจจะเคยมีจักรวาลช่วงก่อนมาก่อนหรือไม่ | © Anna Ijjas

คลื่นความถ่วง
และอัลเบิร์ต ไอน์ชไตน์ก็พิสูจน์ความถูกต้องให้เราเห็นอีกครั้ง กล่าวคือ วันที่ 14 กันยายน 2015 เป็นวันที่เริ่มวัดคลื่นความถ่วงครั้งแรกหลังจากที่เรื่องของคลื่นดังกล่าวได้ถูกพูดถึงในทฤษฏีสัมพันธภาพเมื่อ 100 ปีก่อน แต่คลื่นความถ่วงคืออะไร ไอน์ชไตน์เชื่อว่าทุกสสารจะทิ้งร่องรอยในพื้นที่เวลาสี่มิติ หากสสารเคลื่อนที่ คลื่นก็จะเกิดขึ้น คลื่นดังกล่าวจะขยายตัวในอวกาศด้วยความเร็วแสงและจะกลืนกินพื้นที่ไปเรื่อยๆ

ในอวกาศจะเกิดคลื่นความถ่วงอยู่ตลอดเวลา โดยเราสามารถวัดคลื่นดังกล่าวบนโลกได้ หากสสารขนาดใหญ่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว เช่น เวลาหลุมดำสองหลุมรวมตัวเข้าเป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน และก็จะมีการวัดค่าดังกล่าวขึ้นในเดือนกันยายน ปี 2015 ซึ่งเราจะต้องมีเครื่องวัดค่าที่มีความละเอียดสูงมาก ตัวมาตรแทรกสอด (Interferometer) ขนาดมหึมาทั้งคู่ที่ตั้งอยู่ในประเทศสหรัฐอเมริกาจะคอยจับสัญญาณ แต่เทคนิคความแม่นยำขั้นสูงส่วนใหญ่ในเครื่องวัดค่าดังกล่าว รวมถึงโปรแกรมการตีค่านั้นมาจากประเทศเยอรมนี จากสถาบันวิจัยฟิสิกส์แรงถ่วง สถาบัน Max Planck ในเมืองโพสดัมและฮันโนเวอร์

  กาแล็กซี่
กาแล็กซี่เปรียบเสมือน “เกาะดาวเคราห์” ในมหาสมุทรอันกว้างอย่างไม่มีที่สิ้นสุดของจักรวาล เป็นที่เก็บรวบรวมดวงดาว ระบบดาวเคราะห์ เมฆฝุ่นขนาดเล็ก หมอกก๊าซและสสารมืด ซึ่งมีการโน้มถ่วงเป็นตัวยึดทุกอย่างเข้าด้วยกัน กาแล็กซี่ล้วนมีหลากหลายโครงสร้าง ทั้งแบบวงรีธรรมดาไปจนถึงกาแล็กซี่เกรียวที่ซับซ้อนเป็นพิเศษ ซึ่งมี ”แขนขา” งอกออกมาเช่นเดียวกับกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา หลายต่อหลายกาแล็กซี่หลากหลายขนาดอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อน โดยกลุ่มก้อนกาแล็กซี่ขนาดใหญ่ที่สุดจะมีอีกกว่าหลายพันกาแล็กซี่ข้างใน

หมอกอันโดรเมด้าเป็นกาแล็กซี่ซึ่งอยู่ใกล้กับกาแล็กซี่เรามากที่สุด โดยมีขนาดโดยประมาณใหญ่เกือบเท่ากับทางช้างเผือก เป็นวัตถุอวกาศที่อยู่ใกลมากที่สุด ที่เราสามารถเห็นด้วยตาเปล่าจากบนโลกได้
  กาแล็กซี่อันโดรเมด้า © ESO/S. Brunier

ซูเปอร์โนวา
ดาวบางดวงดับสลายไปอย่างน่าตื่นตาตื่นใจ การระเบิดที่สว่างไสวของดาวที่เต็มไปด้วยสสารดวงหนึ่งซึ่งถือเป็นวงจรชีวิตขั้นสุดท้ายมีชื่อเรียกว่า ซูเปอร์โนวา ชื่อเรียกดังกล่าว (โนวา = ใหม่ในภาษาละติน) มีที่มาจาก Tycho Brahe ซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์ก โดยเขาได้สังเกตเห็นแสงสว่างจ้าทันทีทันใดของดาวดวงหนึ่งที่สว่างมากในปี 1572 ในจุดที่ไม่เห็นอะไรเลยก่อนหน้า

ในการระเบิดซูปเปอร์โนวา ส่วนใหญ่ส่วนหนึ่งของดาวจะแปลเปลี่ยนเป็นพลังงานและแผ่กระจายรังสีออก ทำให้หลงเหลือเพียงดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ซูปเปอร์โนว่าที่ตระการตาที่สุดจะเกิดขึ้น เมื่อดาวยักษ์ที่เต็มไปด้วยสสาร เช่น ดาวยักษ์แดงได้ใช้สสารเผาไหม้ของตัวเองไปจนหมดแล้ว อย่างไรก็ตาม แรงดึงดูดของตัวมันเองจะทำให้ทุกอย่างรวมเข้าไปเป็นจุดเดียว ซึ่งก่อให้เกิดการปลดปล่อยปริมาณพลังงานจำนวนมหาศาล ซูปเปอร์โนวาสามารถแผ่กระจายรังสีสว่างของตัวเองได้สว่างกว่ากาแล็กซี่ทั้งกาแล็กซี่ที่ตัวมันเองอยู่