3.10 สารสื่อจากเอกภพพลังงานสูง: ภาพรวมแบบรวมหนึ่งเดียวของคันทางความตึงและการเร่งด้วยการเชื่อมต่อใหม่

หน้าแรก ／ บทที่ 3: จักรวาลในระดับมหภาค

เกริ่นนำและคำศัพท์
ส่วนนี้เสนอภาพเดียวที่เชื่อม “การเร่ง–การหลบหนี–การแพร่กระจาย” ของอนุภาคและโฟตอนพลังงานสุดขั้วให้เป็นเรื่องเดียวกัน โดยใช้กฎ “เอ่ยครั้งแรกให้ชื่อเต็ม (ตัวย่อ) ต่อจากนั้นใช้แต่ชื่อเต็ม”:

• อนุภาคไม่เสถียรทั่วไป (GUP): ตระกูลสถานะเปลี่ยนผ่านอายุสั้น เกิดฉับพลันในบริเวณถูกรบกวนแรง มีบทบาทส่งผ่านพลังงานแล้วแยกสลายอย่างรวดเร็ว
• แรงโน้มถ่วงจากความตึงเชิงสถิติ (STG): แรงสนามเฉลี่ยที่ “ขึ้นรูปภูมิประเทศ” ของทะเลพลังงาน เกิดจากกระบวนการจุลภาคจำนวนมากทบซ้อนตามเวลา
• สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง (TBN): การอัดฉีดความถี่กว้างและความเชื่อมประสานต่ำ อันหลงเหลือจากการแยกสลาย/การทำลายคู่ สร้างพื้นฐานกระจายกว้าง

รายละเอียด “ลายนิ้วมือ” ทางเรขาคณิตและโพลาไรเซชันของลำเจ็ตรูปดินสอ (เช่น ยอดโพลาไรซ์นำหน้า การกระโดดของมุมโพลาไรซ์ ขั้นบันไดของค่าการหมุนแบบฟาราเดย์ และการแตกช่วงหลายระดับของแสงหลังเหตุการณ์) ดูหัวข้อ 3.20 (“ลำกล้องเส้นใย”)

I. ปรากฏการณ์และโจทย์ท้าทาย

• สเปกตรัมและระดับพลังงานสุดขั้ว: ตั้งแต่แกมมารังสีระดับ GeV–TeV นิวทริโนระดับ PeV ไปจนรังสีคอสมิกพลังงานสูงยิ่งยวดที่ 10^18–10^20 eV ปัญหาคือจะผลักอนุภาคให้ข้ามธรณีภายในแหล่งกำเนิดได้อย่างไร และในเวลาเดียวกันไม่ให้สนามใกล้แหล่งดึงพลังงานกลับ
• สว่างวูบไวกับเครื่องยนต์จิ๋ว: การปะทุระดับมิลลิวินาทีถึงนาทีบ่งชี้ “ห้องเครื่อง” เล็กมากแต่กำลังสูงมาก แหล่งกำเนิดเนื้อเดียวอธิบายความ “เล็กแต่ดุ” ได้ยาก
• การแพร่และความโปร่งทะลุเกินคาด: โฟตอนพลังงานสูงที่ตามทฤษฎีควรถูกดูดกลืนจำนวนมากกลับผ่านได้ง่ายขึ้นตามบางทิศทาง โครง “เข่า/ข้อเท้า” ของรังสีคอสมิก การกระจายทิศทาง และองค์ประกอบ ยังต่อภาพกับชนิดแหล่งไม่ลงตัว
• สารสื่อหลายชนิดไม่เสมอไปว่าตรงกันเวลา: การปะทุแกมมาหรือควาซาร์แบบแปรผันไม่ใช่ทุกครั้งที่จะมีนิวทริโนหรือรังสีคอสมิกที่ตรวจจับได้มาประกบ สถิติ “เมื่อไรตรงกัน” ไม่ง่าย
• องค์ประกอบปลายบนและความไม่สมมาตรเชิงมุมแบบอ่อน: สัดส่วนแก่นเบา/หนักที่พลังงานสูงสุดและความไม่สมมาตรเชิงมุมยังไม่สอดรับอย่างสะอาดกับการกระจายของชนิดแหล่ง

II. กลไกทางฟิสิกส์ (คันทางความตึง + การเร่งด้วยการเชื่อมต่อใหม่ + การหลบหนีแบบแบ่งเส้นทาง)

“ตัวจุดติด” ภายในแหล่ง: ชั้นบางของเฉือน–การเชื่อมต่อใหม่
ใกล้ “ตัวนำกำกับ” ที่แรง—บริเวณใกล้แกนหลุมดำ ดาวแมกนีตาร์ ซากการรวมตัว หรือแกนกำเนิดดาวหนาแน่น—ทะเลพลังงานถูก “ดึงให้ตึง” เกิดบริเวณแคบๆ ที่มีเฉือนสูงและการเชื่อมต่อสนามแม่เหล็กใหม่ (reconnection) รุนแรง ชั้นบางนี้ทำงานเหมือนวาล์วแบบพัลส์ เปิด–ปิดแต่ละครั้งรวมพลังงานแล้วยกให้อนุภาคและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงให้จังหวะปะทุระดับมิลลิวินาทีถึงนาทีโดยธรรมชาติ

ในสนามแรง ปฏิสัมพันธ์โปรตอน–โฟตอน/โปรตอน–โปรตอน สร้างนิวทริโนพลังงานสูงและแกมมารังสีทุติยภูมิในที่เกิด เหตุ ระหว่างก่อรูป อนุภาคไม่เสถียรทั่วไป เพิ่มความเป็นระเบียบเฉพาะที่ และเมื่อสลายก็ป้อนพลังงานกลับเป็น สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง ค้ำจุนความมีชีวิตและจังหวะของชั้น

เอาต์พุต → การหลบหนีที่ขอบเขต:
สิ่งที่พ้นออกมาคือขบวน “แพ็กเก็ตพัลส์” (ความแรง/ช่วงเวลา/ระยะห่าง) วิถีเวลาของพารามิเตอร์ลำดับของชั้น และสัดส่วนตั้งต้นของผลิตผลทุติยภูมิใกล้แหล่ง

ขอบเขตไม่ใช่กำแพงแข็ง: มีสามคันทาง “ต่ำกว่าจุดวิกฤต” แบ่งทางหนี—ทางใดต้านทานต่ำกว่าจะได้ส่วนแบ่งมากกว่า

1. เจาะตามแกน (ลำเจ็ตรูปดินสอ): โถงทางยาวเรียวและเสถียรเกิดใกล้แกนการหมุน อนุภาคและรังสีพลังงานสูงได้วิ่ง “ช่องทางด่วน”—ตรงและเร็ว หลักยึดสังเกต: โพลาไรซ์เชิงเส้นสูง แนวคงที่ หรือกระโดดของมุมโพลาไรซ์ระหว่างพัลส์ที่ติดกัน; ปะทุสั้นและคม
2. แถบริมต่ำกว่าวิกฤต (ลมจากจาน/การไหลมุมกว้าง): โถงกว้างกว่าเปิดตามขอบจานหรือเปลือก พลังงานปล่อยออกด้วยสเปกตรัมหนาและเปลี่ยนช้ากว่า มักเห็นในแสงหลังเหตุการณ์ หลักยึดสังเกต: โพลาไรซ์ระดับกลาง เส้นแสงราบเรียบ มีจุดกลับมารวมแนวให้เห็น
3. รูเข็มชั่วคราว (รั่ว/ซึม): แถบวิกฤตถูก สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง เจาะทะลุชั่วขณะ เกิดรูเล็กอายุสั้น มีลักษณะเป็นเม็ดๆ ในอวกาศ–เวลา หลักยึดสังเกต: “กะพริบจุกจิก” ในย่านวิทยุ/ความถี่ต่ำ

เอาต์พุต → การแพร่กระจาย:
น้ำหนักสัมพัทธ์ของคันทางทั้งสาม บวกเรขาคณิตแนวการมอง กำหนดเงื่อนไขตั้งต้นบนเส้นทาง

การแพร่ไม่เกิดในหมอกเนื้อเดียว: โครงข่ายจักรวาลคือ “มอเตอร์เวย์ของความตึง”

1. สันเส้นใยคือโถงต้านต่ำ: สนามแม่เหล็กและพลาสมาถูก “หวีให้เรียบ” อนุภาคมีประจุเบี่ยงน้อยและแพร่เร็ว ตามทิศเหล่านี้ โฟตอนพลังงานสูงจะแสดงภาวะ โปร่งทะลุเกินคาด
2. ปม/กระจุกคือโรงงานแปรสภาพ: เอื้อต่อการเร่งครั้งที่สอง/การทำให้สเปกตรัมแข็งขึ้นใหม่ สเปกตรัมอาจมี “ยอดย่อย” พร้อมความล่าช้ามาถึงและการเปลี่ยนโพลาไรเซชัน
3. ความล่าร่วมไร้การกระจาย: ผลเรขาคณิต/ศักย์ เพิ่มเวลาหน่วงที่ไม่ขึ้นกับความถี่ คล้ายความล่าจากเลนส์ความโน้มถ่วง
4. พื้นรบกวนร่วมทาง: สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง สร้างพื้นกว้างจากวิทยุถึงไมโครเวฟที่เดินทางเคียงข้างสัญญาณ

เอาต์พุต → สังเคราะห์การสังเกต:
คาดเห็น “รูปเท้า” ของสเปกตรัม แนวโน้มองค์ประกอบและความไม่สมมาตรเชิงมุมระดับอ่อน และเวลา–โครงสร้างระหว่างสารสื่อหลายชนิด

5. สเปกตรัมและองค์ประกอบ: การเร่งแบบแบ่งชั้น + การหลบหนีแบ่งเส้นทาง หลายชั้นบางและน้ำหนักคันทางที่ซ้อนกันขึ้นรูปเส้นหลายท่อน—กำลังยก → เข่า → ข้อเท้า เมื่อ ลำเจ็ตรูปดินสอ เด่น อนุภาคความแข็งสูงหลบหนีได้สะอาดกว่า องค์ประกอบปลายบนอาจโน้มไปทางนิวเคลียสหนัก การผ่าน ปม/กระจุก อาจทำให้สเปกตรัมแข็งขึ้นใหม่หรือเกิดยอดย่อยจากการเร่งระหว่างทาง
6. สารสื่อหลายชนิด “คลาดเฟส”: คันทางที่เปิดกว้างกว่าจะดังเสียงกว่า
   • ลำเจ็ตรูปดินสอ เด่น: ฮาดรอนหลบหนีก่อน → นิวทริโนและรังสีคอสมิกเด่นกว่า ขณะที่แกมมาอาจถูกปฏิสัมพันธ์ใกล้แหล่งกดทับ
   • แถบริมหรือรูเข็ม เด่น: ช่องทางแม่เหล็กไฟฟ้าโล่งกว่า → แกมมา/วิทยุสว่างกว่า ฮาดรอนถูกกักหรือนำไปแปรสภาพ นิวทริโนอ่อนลง
   • เปลี่ยนเกียร์ภายในเหตุการณ์เดียว: การจัดสรรความเค้นใหม่อาจสับคันทางหลักในปะทุเดียว—“แม่เหล็กไฟฟ้าก่อน ฮาดรอนทีหลัง” หรือกลับกันก็เป็นไปได้

III. คำทำนายที่ตรวจได้และการเทียบยัน (เช็กลิสต์ภาคสังเกต)

• P1 | ลำดับเวลา: เสียงรบกวนมาก่อน แรงตามมา หลังเหตุการณ์ใหญ่ สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง (พื้นวิทยุ/ความถี่ต่ำ) จะยกขึ้นก่อน จากนั้น แรงโน้มถ่วงจากความตึงเชิงสถิติ จึงลึกขึ้น พร้อมผลผลิตพลังงานสูงและระดับโพลาไรซ์ที่เข้มขึ้น
• P2 | ทิศทาง: ความโปร่งทะลุเกินคาดเรียงตามแกนเส้นใย ทิศที่โฟตอนพลังงานสูง “โปร่งผิดคาด” จะสอดรับกับแกนยาวของเส้นใยจักรวาลหรือแกนเฉือนเด่น
• P3 | โพลาไรเซชัน: ล็อกแนว—พลิกฉับพลัน ช่วงที่ ลำเจ็ตรูปดินสอ ครองจะมีโพลาไรซ์สูง แนวคงที่; เมื่อเรขาคณิตของคันทางจัดระเบียบใหม่จะเกิดการพลิกเร็ว มักตรงกับขอบพัลส์ของการปะทุ (พฤติกรรมเชิงเฟสและขั้นบันไดของค่าการหมุนแบบฟาราเดย์ ดูหัวข้อ 3.20)
• P4 | “กราฟแบ่งส่วน” ข้ามสารสื่อ น้ำหนัก ลำเจ็ตรูปดินสอ มาก → สารสื่อฝั่งฮาดรอนเด่น; น้ำหนัก แถบริม/รูเข็ม มาก → ช่องทางแม่เหล็กไฟฟ้าเด่น
• P5 | รูปเท้าของสเปกตรัมกับสิ่งแวดล้อม ใกล้ ปม/กระจุก พบการแข็งขึ้นใหม่/ยอดย่อยได้ง่าย ควบคู่ความล่าที่วัดได้และการเปลี่ยนโพลาไรซ์
• P6 | ความไม่สมมาตรเชิงมุมแบบอ่อนของทิศทางมาถึง เหตุการณ์พลังงานสูงยิ่งยวดจะหนาแน่นขึ้นเล็กน้อยในบริเวณที่ “เครือข่ายมอเตอร์เวย์” เชื่อมต่อกันดี และมีสหสัมพันธ์บวกระดับอ่อนกับแผนที่เลนส์ความโน้มถ่วงแบบอ่อน/แผนที่เฉือน

IV. เทียบกับทฤษฎีดั้งเดิม (ส่วนร่วมและส่วนเพิ่ม)

• การเร่ง: ช็อก vs. สังเคราะห์ในชั้นบาง มุมมองดั้งเดิมอาศัยเฟอร์มีชนิด I/II และความปั่นป่วน ที่นี่รวมสองกระบวนการไว้ใน ชั้นบางของเฉือน–การเชื่อมต่อใหม่ ซึ่งมีจังหวะพัลส์และทิศทางโดยกำเนิด ใกล้เคียงกับความแปรผันแบบ “เล็กแต่ดุ”
• ขอบหลบหนี: กำแพงตายตัว vs. แถบวิกฤตแบบไดนามิก ไม่ตั้งสมมติกำแพงคงที่ แต่ย้ำว่าขอบเขต “ยอมถอย” ได้ ก่อ รูเข็ม/เจาะแกน/แถบริม จึงอธิบายได้ว่าทำไมบางคราวเร็ว บางคราวช้า และคันทางใดชนะ
• ตัวกลางการแพร่: หมอกเนื้อเดียว vs. มอเตอร์เวย์ของความตึง ค่าเฉลี่ยใช้ได้ในบริเวณโครงสร้างอ่อน แต่ใกล้ เส้นใย/ปม ความไม่สมมาตรของคันทางและการแปรสภาพใหม่เป็นตัวกำหนดทั้งความโปร่งทะลุเกินคาด การแข็งขึ้นใหม่ และทิศทางมาถึง
• สารสื่อคลาดเฟสโดยไม่ต้อง “บังคับให้ตรงกัน” การบัญชีคันทางบวกการแปรสภาพใกล้แหล่งให้สัดส่วนและไทม์ไลน์ต่างกันอย่างเป็นธรรมชาติ
• การเกื้อหนุนกัน เรขาคณิตและข้อมูลตั้งต้น (คันทาง น้ำหนัก วิถีพารามิเตอร์ลำดับ) มาจากภาพนี้ ส่วนพลวัตและรังสีเชิงรายละเอียดยังใช้เครื่องมือมาตรฐานเพื่อจำลองและฟิตข้อมูล

V. คำแนะนำการจำลองและการปฏิบัติ (เช็กลิสต์ไร้สมการ)

สามปุ่มหลัก:

• ชั้นบางภายในแหล่ง: ความแรงของเฉือน กิจกรรมการเชื่อมต่อใหม่ ความกว้าง/จำนวนชั้น และจังหวะพัลส์
• คันทางที่ขอบ: สัดส่วนรูเข็ม เสถียรภาพการเจาะตามแกน เกณฑ์เปิดของแถบริม
• ภูมิประเทศการแพร่: แม่แบบ แรงโน้มถ่วงจากความตึงเชิงสถิติ สำหรับ เส้นใย/ปม + แม่แบบพื้นความถี่ต่ำจาก สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง

การฟิตข้อมูลร่วมหลายชนิด:
ใช้ชุดพารามิเตอร์ร่วมเดียว จัดแนวองค์ประกอบเบา/หนัก “รูปเท้า” ของสเปกตรัม ลำดับเวลา–โพลาไรซ์ ทิศทางมาถึง และพื้นกระจายกว้าง ตรวจร่วมกันบนผืนเดียว: จังหวะปะทุ โพลาไรซ์ พื้นวิทยุ และแผนที่เลนส์/เฉือน

เกณฑ์แยกแยะฉับไว:

• โพลาไรซ์: สูงและนิ่ง → ลำเจ็ตรูปดินสอ; ระดับกลางและเรียบ → แถบริม; ต่ำและเป็นเม็ด → รูเข็ม
• ลวดลายเวลา: คมถี่ → ชั้นหนาแน่น/สับคันทางไว; เรียบกว้าง → ปล่อยแบบเป็นวง; กะพริบจุกจิก → การซึม
• ดุลยภาพสารสื่อ: ฝั่งแม่เหล็กไฟฟ้าแรง/ฮาดรอนอ่อน → ช่องนอกแกนเด่น; ฮาดรอนแรง/แม่เหล็กไฟฟ้าอ่อน → “ทางด่วน” ตามแกนเด่น

VI. อุปมา (ทำเรื่องยากให้เห็นภาพง่าย)

ให้คิดว่าเขตแหล่งคือห้องปั๊มแรงดันสูง (ชั้นบางของเฉือน–การเชื่อมต่อใหม่), ขอบแหล่งคือวาล์วอัจฉริยะ (สามคันทางต่ำกว่าวิกฤต), และโครงสร้างเอกภพขนาดใหญ่อย่างเครือข่ายท่อในเมือง (มอเตอร์เวย์ของความตึง) วิธีเปิดวาล์ว เปิดกว้างแค่ไหน และต่อเข้าท่อหลักเส้นใด เป็นตัวชี้ว่าบนโลกเราจะ “ได้ยิน” เสียงใดดังสุด: แกมมาเด่น นิวทริโนนำ หรือรังสีคอสมิกมาถึงก่อน ถ้าต้องการ “อุโมงค์หลัก” ที่ตรงกว่า แคบกว่า เร็วกว่า ดูหัวข้อ 3.20 (“ลำกล้องเส้นใย”)

VII. สรุป

• พลังงานมาจากไหน: ใกล้ตัวนำกำกับที่แรง ชั้นบางของเฉือน–การเชื่อมต่อใหม่ ยกพลังของอนุภาคและรังสีในปริมาตรเล็กมาก อนุภาคไม่เสถียรทั่วไป “ดึงให้ตึงและป้อนกลับ” ผ่าน สัญญาณรบกวนพื้นหลังจากความตึง
• หนีออกอย่างไร: ขอบแหล่งคือแถบวิกฤตแบบไดนามิก การหลบหนีแบ่งสามทาง—รูเข็ม เจาะแกน แถบริม—โดย ลำเจ็ตรูปดินสอ ทำหน้าที่เป็น “ทางด่วน” (ดูหัวข้อ 3.20)
• เดินทางเส้นไหน: โครงข่ายจักรวาลคือ มอเตอร์เวย์ของความตึง วิ่งเร็วตาม เส้นใย แปรสภาพที่ ปม และ “โปร่งทะลุเกินคาด” ตามบางทิศ
• ทำไมคลาดเฟส: การเร่งแบบแบ่งชั้น การหลบหนีแบบแบ่งเส้นทาง และการแพร่แบบมีคันทาง กำหนดน้ำหนักและไทม์ไลน์ต่างกันของแกมมา รังสีคอสมิก และนิวทริโน

เมื่อนำ การเร่ง → การหลบหนี → การแพร่ กลับมาวางบนแผนที่เดียวของความตึง ปริศนากระจัดกระจายมากมายจะรวมเป็นภาพฟิสิกส์ที่กระชับ สอดคล้อง และตรวจพิสูจน์ได้