EHT สำรวจสนามแม่เหล็กหลุมดำทางช้างเผือก

 

     ภาพใหม่จากกลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์ ได้เผยให้เห็นสนามแม่เหล็กที่รุนแรงและเป็นระเบียบรอบๆ ขอบของหลุมดำมวลมหาศาล คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*; Sgr A*) ของทางช้างเผือก

      เมื่อตรวจสอบผ่านแสงโพลาไรซ์เป็นครั้งแรก ภาพหลุมดำในใจกลางทางช้างเผือกได้เผยให้เห็นโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่ดูคล้ายกับสนามแม่เหล็กของหลุมดำที่ใจกลางกาแลคซี M87 อย่างมาก ซึ่งบอกว่าสนามแม่เหล็กที่รุนแรงอาจจะเป็นเรื่องปกติสำหรับหลุมดำทุกแห่ง ความคล้ายคลึงนี้ยังบอกใบ้ถึงไอพ่นที่ซ่อนอยู่ใน Sgr A* ด้วย ผลสรุปเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters

     ในปี 2022 นักวิทยาศาสตร์ได้เปิดเผยภาพแรกของ Sgr A* ซึ่งอยู่ห่างจากโลกออกไปราว 27000 ปีแสง ได้เผยให้เห็นว่าในขณะที่หลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือกมีขนาดเล็กและมวลน้อยกว่าหลุมดำของ M87 พันกว่าเท่า แต่พวกมันก็ยังดูคล้ายกันอยู่ นี่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องฉงนว่าหลุมดำทั้งสองยังมีความคล้ายอื่นนอกเหนือจากลักษณะปรากฏที่ได้เห็นหรือไม่

      เพื่อหาคำตอบ ทีมตัดสินใจศึกษา Sgr A* ในแสงโพลาไรซ์(polarized light; แสงซึ่งเดินทางในทิศทางเดียว) การศึกษาแสงโพลาไรซ์รอบ M87* ก่อนหน้านี้ได้เผยให้เห็นถึงสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำยักษ์แห่งนี้ ซึ่งช่วยให้มันยิงไอพ่นวัสดุสารได้อย่างทรงพลังออกสู่สภาพแวดล้อม จากงานนี้ ภาพใหม่ก็ได้เผยว่าสิ่งเดียวกันก็น่าจะเกิดกับ Sgr A* ด้วย

ซ้าย-Sgr A* หลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางทางช้างเผือกเมื่อมองในแสงโพลาไรซ์ ขีดที่ปรากฏบ่งชี้ทิศทางการเกิดโพลาไรซ์ ซึ่งเชื่อมโยงกับสนามแม่เหล็กรอบเงาของหลุมดำนี้ ภาพกลาง-การเปล่งโพลาไรซ์จากใจกลางทางช้างเผือกตามที่ SOFIA สำรวจพบ ขวา-กลุ่มความร่วมมือพลังค์ทำแผนที่การเปล่งโพลาไรซ์จากฝุ่นรอบทางช้างเผือก

      สิ่งที่เรากำลังได้เห็นตอนนี้ก็คือ สนามแม่เหล็กที่รุนแรง, บิดตัวและเรียงตัวเป็นระเบียบใกล้หลุมดำในใจกลางทางช้างเผือก Sara Issaoun นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมิธโซเนียน(SAO) และผู้นำร่วมโครงการนี้ กล่าว นอกจากที่ Sgr A* จะมีโครงสร้างโพลาไรเซชั่นที่คล้ายคลึงอย่างมากกับที่พบรอบ M87* ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ามากและทรงพลังกว่าอย่างมาก เราได้เรียนรู้ว่าสนามแม่เหล็กที่เป็นระเบียบและรุนแรงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งบอกถึงว่าหลุมดำมีปฏิสัมพันธ์กับก๊าซและวัสดุสารรอบๆ มันอย่างไร

     สภาพสนามแม่เหล็กที่รุนแรงและเป็นระเบียบน่าจะสามารถควบคุมและกระทั่งกำกับก๊าซที่ไหลลงสู่หลุมดำ ควบคุมปริมาณอาหารของหลุมดำได้ และยังอาจทำหน้าที่เป็นท่อประปาให้กับไอพ่นพลาสมาที่จะไหลออก สภาพแวดล้อมการสะสมมวลสาร(accretion) แบบนี้ถูกเรียกว่า ดิสก์จับด้วยแม่เหล็ก(magnetically arrested disk; MAD) การวิเคราะห์ภาพ Sgr A* ภาพแรกได้บอกว่ามันอาจเป็น MAD แต่ทีมต้องการข้อมูลโพลาไรซ์เพื่อยืนยัน

      แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการเคลื่อนที่หรือการสั่น ซึ่งช่วยให้เรามองเห็นวัตถุได้ บางครั้ง แสงก็สั่นในทิศทางที่จำเพาะ และเราเรียกมันว่าเกิดโพลาไรซ์ แม้ว่าสายตามนุษย์จะแยกแยะแสงโพลาไรซ์รอบๆ ตัวเราออกจากแสงปกติไม่ได้ ในก๊าซร้อนมีประจุหรือพลาสมารอบหลุมดำเหล่านี้ อนุภาคไหลเวียนไปรอบๆ เส้นแรงสนามแม่เหล็กสร้างรูปแบบการเกิดโพลาไรซ์ที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก นี่ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นรายละเอียดที่สูงขึ้นกับสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นในพื้นที่รอบหลุมดำและทำแผนที่เส้นแรงสนามแม่เหล็กที่บิดไปรอบหลุมดำได้

     ด้วยการถ่ายภาพแสงโพลาไรซ์จากก๊าซร้อนที่สว่างใกล้กับหลุมดำ เราก็สามารถบอกได้โดยตรงถึงโครงสร้างและความแรงของสนามแม่เหล็กที่กำกับการไหลของก๊าซและสสารที่จะตกลงสู่หลุมดำและอาจถูกผลักออกมา Angelo Ricarte ผู้นำร่วมโครงการ กล่าว แสงโพลาไรซ์สอนเราได้มากเกี่ยวกับดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ตั้งแต่ คุณสมบัติของก๊าซ และกลไกที่เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำได้รับก๊าซ

     แต่การถ่ายภาพหลุมดำในแสงโพลาไรซ์ ก็ไม่ใช่เรื่องง่ายเหมือนกับการสวมแว่นกันแดดโพลาไรซ์ และนี่เป็นยากเป็นพิเศษสำหรับ Sgr A* เนื่องจากมันเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมาก และไม่ได้อยู่นิ่งๆ ให้ถ่ายภาพ การถ่ายภาพหลุมดำมวลมหาศาลต้องการเครื่องมือที่เหนือชั้นกว่าที่เคยใช้กับ M87* ซึ่งเป็นเป้าหมายที่นิ่งกว่ามาก

     Paul Tiede นักดาราศาสตร์ SAO นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ CfA กล่าวว่า นี่น่าตื่นเต้นที่เราสามารถสร้างภาพโพลาไรซ์ของ Sgr A* ได้ในที่สุด ภาพแรกใช้เวลาวิเคราะห์อย่างหมกมุ่นหลายเดือนเพื่อจะให้เข้าใจธรรมชาติอันเปี่ยมด้วยพลวัตและเผยให้เห็นโครงสร้างโดยเฉลี่ยของหลุมดำนี้ การสร้างภาพโพลาไรซ์ที่เพิ่มเติมความท้าทายจากพลวัตของสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำ แบบจำลองมักจะทำนายสนามแม่เหล็กที่ปั่นป่วนอย่างรุนแรง ทำให้สร้างภาพโพลาไรซ์น่าจะยากอย่างสุดขั้ว แต่โชคดีที่หลุมดำของทางช้างเผือกสงบพอสมควร จึงได้ภาพแรกออกมา

     นักวิทยาศาสตร์ตื่นเต้นที่ได้เห็นภาพจากหลุมดำมวลมหาศาลทั้งสองในแสงโพลาไรซ์ เนื่องจากภาพเหล่านี้และข้อมูลที่มาพร้อมมัน ได้ให้หนทางใหม่ในการเปรียบเทียบและเปรียบต่างหลุมดำที่มีขนาดและมวลที่แตกต่างกัน เมื่อเทคโนโลจีพัฒนาขึ้น ภาพก็น่าจะเผยให้เห็นความลับของหลุมดำและความคล้ายคลึงหรือความแตกต่างได้มากขึ้น

เปรียบเทียบภาพในแสงโพลาไรซ์แสดงหลุมดำมวลมหาศาล M87* และ Sgr A* ให้นักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าปีศาจทั้งสองมีโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่คล้ายกัน ซึ่งมีความสำคัญเนื่องจากมันบอกว่ากระบวนการทางกายภาพที่กำกับการกลืนวัสดุสารของหลุมดำ และยิงไอพ่นออกมา อาจจะเป็นรายละเอียดที่เป็นสากลร่วมของหลุมดำมวลมหาศาลทุกแห่ง

     Michi Bauböck นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ กล่าวว่า M87* และ Sgr A* มีความแตกต่างในด้านสำคัญๆ สองสามอย่าง M87* ใหญ่กว่าอย่างมากและมันกำลังดึงวัสดุสารจากรอบข้างด้วยอัตราที่เร็วกว่าอย่างมาก ดังนั้น เราอาจจะคาดว่าสนามแม่เหล็กของมันก็ควรจะดูแตกต่างออกไปอย่างมาก แต่ในกรณีนี้ กลับกลายเป็นว่าพวกมันดูค่อนข้างคล้ายกัน ซึ่งอาจจะหมายถึงว่าโครงสร้างนี้เป็นรายละเอียดพื้นฐานสากลในหลุมดำทุกๆ  แห่ง

     ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กใกล้หลุมดำช่วยเราให้ตอบคำถามได้หลายข้อ ตั้งแต่ว่า ไอพ่นก่อตัวและยิงออกมาได้อย่างไร จนถึงอะไรส่งพลังให้กับการลุกจ้าสว่างที่เราพบเห็นในช่วงอินฟราเรดและรังสีเอกซ์

     EHT ได้ทำการสำรวจมาแล้วหลายครั้งตั้งแต่ปี 2017 และมีกำหนดสำรวจ Sgr A* อีกครั้งในเดือนเมษายนปีนี้ ในแต่ละปี ภาพที่ได้จะดีขึ้นเมื่อ EHT ได้ผนวกกล้องโทรทรรศน์ใหม่เข้ามา, ช่องสัญญาณที่ใหญ่ขึ้น และความถี่การสำรวจใหม่ๆ การขยายเครือข่ายที่วางแผนสำหรับทศวรรษหน้า ก็สร้างภาพยนตร์คุณภาพสูงของ Sgr A* ซึ่งอาจจะเผยให้เห็นไอพ่นที่ซ่อนอยู่ และน่าจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้สำรวจรายละเอียดการเกิดโพลาไรซ์คล้ายๆ กันในหลุมดำอื่นด้วย ในขณะเดียวกัน การขยาย EHT ออกสู่อวกาศจะช่วยให้ได้ภาพหลุมดำที่คมชัดมากกว่าที่เคยเป็นมา

เงาของหลุมดำมวลมหาศาล M87* (ซ้าย) ซึ่งเป็นภาพเงาหลุมดำภาพแรกที่เผยแพร่ออกมา เทียบขนาดกับเงาของหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือกของเรา(Sgr A* ขวา) หลุมดำ M87* มีมวล 6.5 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ในขณะที่ Sgr A* มีมวล 4.3 ล้านเท่าดวงอาทิตย์

     การขยายงาน EHT ซึ่งเรียกว่า ngEHT(next-generation EHT) กำลังจะอัพเกรด EHT โดยตั้งเป้าที่จะใช้จานรับสัญญาณวิทยุใหม่ๆ หลายตัว ซึ่งจะช่วยให้เกิดการสำรวจในหลายความยาวคลื่นพร้อมๆ กัน และเพิ่มความไวโดยรวมของเครือข่าย EHT เนกซ์เจนน่าจะช่วยให้เครือข่ายสร้างภาพยนตร์ของหลุมดำมวลมหาศาลตามเวลาจริงในระดับขอบฟ้าสังเกตการณ์ ภาพยนตร์เหล่านี้จะเปิดให้เห็นโครงสร้างรายละเอียดและพลวัตใกล้กับขอบฟ้าสังเกตการณ์ เปิดรายละเอียดแรงโน้มถ่วงรุนแรงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ และรวมถึงปฏิสัมพันธ์ของการสะสมมวลสาร(accretion) กับการยิงไอพ่นสัมพัทธภาพ ที่สลักเสลาโครงสร้างขนาดใหญ่ในเอกภพ

     ในขณะเดียวกัน ปฏิบัติการ BHEX(Black Hole Explorer) ซึ่งมีแนวคิดขยาย EHT ออกสู่อวกาส จะสร้างภาพหลุมดำที่คมชัดที่สุดในประวัติศษสตร์ดาราศาสตร์ BHEX จะช่วยให้ตรวจจับและถ่ายภาพ “วงแหวนโฟตอน”(photon ring) ซึ่งเป็นรายละเอียดวงแหวนคมและบางที่ก่อตัวจากการเปล่งคลื่นที่ถูกบิดเบนโดยสนามแรงโน้มถ่วงรอบหลุมดำอย่างรุนแรง คุณสมบัติของหลุมดำจะบ่งบอกที่ขนาดและรูปร่างของวงแหวนโฟตอน เผยให้เห็นมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำ ซึ่งก็จะแสดงให้เห็นว่าวัตถุประหลาดเหล่านี้เจริญเติบโตและมีปฏิสัมพันธ์กับกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันอย่างไร

ภาพมุมกว้างในช่วงแสงที่ตาเห็นได้แสดงเมฆดาวหนาแน่นในกลุ่มดาวคนยิงธนู(Sagittarius) ในทิศทางใจกลางทางช้างเผือก ภาพนี้เต็มไปด้วยดาวจำนวนมาก แต่ก็ยังมีอีกจำนวนมากที่ซ่อนอยู่หลังเมฆฝุ่นและจะเผยตัวเมื่อสำรวจด้วยอินฟราเรดเท่านั้น ภาพนี้มาจากการถ่ายภาพในแสงสีแดงและฟ้า และเป็นส่วนหนึ่งของ Digitized Sky Survey 2

แหล่งข่าว phys.org : astronomers unveil strong magnetic fields spiraling at the edge of Milky Way’s central black hole
                iflscience.com : incredible first view of the magnetic fields around our galaxy’s supermassive black holes
                skyandtelescope.com : strong magnetic fields swirl near Milky Way’s black hole

ไทม์ไลน์ใหม่ของดวงจันทร์?

 

the moon new timeline?

     ประวัติทางธรณีวิทยาของโลกนั้นเป็นเครื่องมือสำคัญสู่ความเข้าใจว่าโลกเปลี่ยนแปลงอย่างไร และนักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ก็อยากจะทำอย่างนั้นกับดาวเคราะห์และดวงจันทร์อื่นๆ ที่เราได้ศึกษา อย่างไรก็ตาม ประวัติของดวงจันทร์ของโลกที่มีอยู่เดิมถูกทำขึ้นเมื่อเราทราบความเป็นมาของมันน้อยกว่านี้อย่างมาก และกำลังตกยุคมากขึ้นเรื่อยๆ มีความพยายามครั้งใหม่เพื่อเสนอประวัติความเป็นมาดวงจันทร์ที่ดูเข้าเค้ามากขึ้น

     ไทม์ไลน์ของโลกสะท้อนถึงความจริงที่ว่ามีเหตุการณ์หายนะภัยหลากหลายแบบเกิดขึ้นซึ่งพบได้ในบันทึกทางธรณีวิทยา และก็สามารถใช้เพื่อกำหนดเวลาทางธรณีวิทยาได้ ในบางกรณี การกำหนดก็ง่ายๆ เช่น ชั้นวัสดุสาร(K-Pg) ที่แบ่งยุคครีเตเชียส(Cretaceous) ออกจากยุคพาลีโอจีน(Paleogene) ส่วนช่วงอื่นๆ อาจจะยุ่งยากมากขึ้น อย่างที่พบเห็นในความขัดแย้งที่เกิดขึ้นว่าจะกำหนดการเริ่มต้นของแอนโธรโปซีน(Anthropocene epoch) เมื่อไหร่

     ดวงจันทร์มีความแตกต่างจากโลกพอสมควร บนโลก การเปลี่ยนแปลงทางชีววิทยามีความสำคัญพอๆ กับทางธรณีวิทยาเมื่อใช้กำหนดช่วงเวลารอยต่อ บนดวงจันทร์ไม่มีกระบวนการทางชีววิทยา ประวัติความเป็นมาของดวงจันทร์ที่เคยเสนอขึ้นมานั้น เสนอก่อนที่เราจะเดินทางไปเหยียบดวงจันทร์ และปรับแต่งโดยใช้ผลสรุปจากปฏิบัติการอพอลโล แต่ส่วนที่เราได้เรียนรู้นับแต่นั้นมาก็ตกยุคไปแล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อมองข้ามด้านไกลของดวงจันทร์ซึ่งคงสภาพโบราณไว้เกือบทั้งหมด

     ทีมผู้เขียนซึ่งเกือบทั้งหมดมาจากสำนักวิทยาศาสตร์จีน จึงได้เสนอไทม์ไลน์ใหม่ของดวงจันทร์ โดยแบ่งได้เป็น 3 บรมยุค(Eon) และ 6 ยุค ไทม์ไลน์ที่เสนอขึ้นมามีพื้นฐานจากการสำรวจพบว่าดวงจันทร์มีกำเนิดที่ร้อนจัดซึ่งส่งผลอย่างมากต่อการพัฒนาในช่วงต้น แต่เมื่อเวลาผ่านไป ความร้อนก็กระจายออกไป

      สิ่งที่ผู้เขียนเรียกว่า เป็นบรมยุคอีโอลูนาร์เรียน(Eolunarian Eon) เป็นช่วงเวลาที่การเปลี่ยนแปลงบนดวงจันทร์ถูกขับเคลือนโดยแรงจากภายในเป็นหลัก ความร้อนที่สุดขั้วซึ่งมาจากการก่อตัวของดวงจันทร์ได้สร้างมหาสมุทรหินหลอมเหลวที่ค่อยๆ แข็งตัวกลายเป็นเปลือกปฐมภูมิ(primary crust) เมื่อมีวัตถุขนาดใหญ่ชนกับดวงจันทร์ ก็จะไม่ทิ้งรอยแผลถาวรไว้ ต้องขอบคุณสภาพที่เกือบเหลวของมัน

แผนที่ลักษณะภูมิประเทศแสดงความสูงต่ำ จะเห็นว่าพื้นที่ด้านไกลตั้งแต่แอ่งไอท์เค่นจนภึงขั้วใต้ดวงจันทร์เป็นที่ราบต่ำ เป็นแอ่งการชน ที่เรียกรวมๆ ว่า แอ่งการชนขั้วใต้ไอท์เค่น

     บรมยุคพาลิโอลูนาร์เรียน(Paleolunarian Eon) เกิดขึ้นเมื่อกระบวนการภายในและภายนอกมีความสำคัญพอๆ กัน  ซึ่งทั้งสองกระบวนการก็จบสิ้นลง แต่กระแสของดาวเคราะห์น้อยที่พุ่งเข้ามานั้นช้ากว่าแหล่งความร้อนภายใน จึงเกิดการก่อตัวโครงสร้างหลักๆ เหลือรอดจากมหายุคนี้ เริ่มจากการก่อตัวของหฃุมดาสที่ก่อตัวจากวัสดุสารที่ระเบิด(ejecta) ใกล้ขั้วใต้ดวงจันทร์ จากการก่อตัวของแอ่งขั้วใต้-ไอค์เค่น(South Pole-Aitken; SPA basin) ไม่เพียงแต่ขณะนี้ แอ่งจะเป็นโครงสร้างการชนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดและเก่าแก่ที่สุดบนดวงจันทร์ แต่ยังเป็นไปได้ที่จะเป็นพื้นที่สร้างฐานบนดวงจันทร์แห่งแรก ทำให้พื้นที่ที่เป็นอัตลักษณ์แห่งนี้ยิ่งมีความสำคัญเป็นสองเท่า

      บรมยุคนีโอลูนาร์เรียน(Neolunarian Eon) เกิดเมื่อกิจกรรมภูเขาไฟส่วนใหญ่ได้หายไป และการเปลี่ยนแปลงเกือบทั้งหมดก็มาจากภายนอก แม้ว่า ปฏิบัติการฉางเอ่อ 5 จะพิสูจน์ได้ว่ามีกิจกรรมภูเขาไฟเกิดขึ้นยาวนานจนกระทั่งเมื่อราว 2 พันล้านปีก่อน แต่เหตุการณ์ลักษณะนี้โดยตัวมันเองเกิดได้ยาก และน่าจะเกิดจากการชนของดาวเคราะห์น้อย ดังนั้นผู้เขียนจึงเลือกที่จะไม่ใช้การปะทุกิจกรรมภูเขาไฟล่าสุดเป็นเส้นแบ่งระหว่างมหายุค

      ผู้เขียนขีดเส้นแบ่งบรมยุคไว้ที่ 4.31 และ 3.16 พันล้านปีก่อน เช่นเดียวกับโลกซึ่งมี 4 มหายุคใหญ่แบ่งย่อยเป็น มหายุค(eras), ยุค(periods) และ สมัย(epochs) ผู้เขียนก็เสนอว่าบรมยุคล่าสุดสองช่วงของดวงจันทร์ก็น่าจะแบ่งย่อยได้ พวกเขาเรียกยุคปัจจุบันว่า โคเปอร์นิกัน(Copernican) มีอายุตั้งแต่เมื่อ 8 ร้อยล้านปีก่อนเมื่อหลุมอุกกาบาต โคเปอร์นิคัส(Copernicus crater) ถูกสร้างขึ้น

image credit: earthsky.com

     ส่วนช่วงก่อนหน้านั้นในบรมยุค Neolunarian มีชื่อว่า Eratosthenian ตามชื่อหลุมอุกกาบาตที่เก่าแก่ที่สุดที่เคยพบ(3.2 ถึง 1.1 พันล้านปีก่อน) ไทม์ไลน์ใหม่ที่เสนอขึ้นไม่ได้รวมข้อเสนอที่ว่าขณะนี้ดวงจันทร์ก็ควรจะอยู่ใน แอนโธรโปซีน ของมันเอง

     บรมยุคพาลีโอลูนาเรียนมี 3 ยุคคือ อิมเบรียน(Imbrian) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ “ทะเล”(mare) ขนาดใหญ่เกือบทั้งหมดก่อตัวขึ้น, และก่อนหน้านั้นเล็กน้อยเป็นยุค เนคทาเรียน(Nectarian) และไอท์เคนเนียน(Aitkenian) ซึ่งยาวเพียง 70 และ 390 ล้านปี ตามลำดับ

     ไม่ว่านักวิทยาศาสตร์ดวงจันทร์ส่วนใหญ่จะยอมรับ, ปรับแต่ง และเลือกสิ่งอื่นหรือไม่ ก็ยังเป็นเรื่องที่ต้องตามดูต่อไป แต่ถ้าการแข่งขันไปดวงจันทร์ดุเดือดมากขึ้น ก็น่าจะต้องการไทม์ไลน์ที่ดีเป็นอย่างยิ่ง การศึกษานี้เผยแพร่ในวารสาร Science China Earth Sciences

 

แหล่งข่าว iflscience.com : the Moon has a new timeline that reflects what we’ve learned   

กล้องเวบบ์ยืนยัน"ความไม่ลงรอยฮับเบิล" ที่กล้องฮับเบิลพบ

 

     อัตราที่เอกภพกำลังขยายตัว เรียกในชื่อว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) เป็นหนึ่งในตัวแปรพื้นฐานที่สำคัญในการเข้าใจวิวัฒนาการและชะตากรรมของเอกภพ อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างเกิดขึ้นที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension) ระหว่างค่าที่ตรวจสอบได้จากตัวระบุระยะทางชนิดที่แตกต่างกัน กับค่าที่ทำนายจากแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากบิ๊กแบง กล้องเวบบ์ได้ยืนยันว่าสายตาของคมกริบของกล้องฮับเบิลนั้นไม่ผิดเพี้ยนไปเลย ลบข้อสงสัยเกี่ยวกับความสามารถในการตรวจสอบของฮับเบิลไป

     หนึ่งในเป้าหมายสำคัญในการสร้างกล้องฮับเบิล ก็เพื่อใช้พลังในการสำรวจของมันในการหาค่าอัตราการขยายตัวของเอกภพให้ถูกต้อง ก่อนการส่งฮับเบิลในปี 1990 การสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินมีความคลาดเคลื่อนที่สูงมาก เมื่อใช้ค่าเหล่านั้นหาอัตราการขยายตัว เอกภพอาจจะมีอายุตั้งแต่ 1 หมื่นจนถึง 2 หมื่นล้านปี

cosmic distant lladder

     ตลอด 34 ปีที่ผ่านมา ฮับเบิลได้กระชับความคลาดเคลื่อนจนอยู่ในระดับไม่เกิน 1% ให้ค่าอายุเอกภพที่ 1.38 หมื่นล้านปี ซึ่งมาจากการปรับสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางอวกาศ(cosmic distance ladder) โดยตรวจสอบตัวระบุหลักไมล์สำคัญที่รู้จักดี เช่น ดาวแปรแสงเซเฟอิด(Cepheid variable stars) อย่างไรก็ตาม ค่าจากฮับเบิลไม่สอดคล้องกับการตรวจสอบเป็นการสำรวจซึ่งทำโดยดาวเทียมพลังค์(Planck) ซึ่งทำแผนที่ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ(cosmic microwave background) ซึ่งเป็นพิมพ์เขียวว่าเอกภพน่าจะพัฒนาโครงสร้างไปอย่างไรหลังจากที่มันเย็นตัวลงหลังจากบิ๊กแบง

    สิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล ระหว่างสิ่งที่เกิดขึ้นในเอกภพใกล้ๆ เปรียบเทียบกับการขยายตัวของเอกภพยุคต้น ก็ยังคงหลอกหลอนนักเอกภพวิทยาต่อไป ซึ่งอาจมีบางสิ่งที่ซ่อนอยู่ในผืนกาลอวกาศที่เรายังคงไม่เข้าใจ แล้วก็แก้ปัญหาความแตกต่างนี้ต้องใช้ฟิสิกส์แบบใหม่หรือไม่ หรือมันเป็นผลจากความผิดพลาดในการตรวจสอบระหว่างวิธีการที่แตกต่างกัน 2 วิธีที่ใช้เพื่อตรวจสอบอัตราการขยายตัวของอวกาศ

     คำตอบง่ายๆ สำหรับความไม่ลงรอยนี้อาจจะโยนไปให้การสำรวจของฮับเบิลที่ผิดพลาด ซึ่งเป็นผลจากความไม่เที่ยงตรงในการตรวจสอบหลักไมล์ในอวกาศห้วงลึก จึงเป็นส่วนที่กล้องเวบบ์เข้ามาสานต่อ โดยช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ตรวจทานผลจากฮับเบิล โดยเวบบ์ใช้สายตาในช่วงอินฟราเรดสำรวจเซเฟอิดส์ สอดคล้องกับข้อมูลในช่วงตาเห็นจากฮับเบิล เวบบ์ยืนยันว่า สายตาคมกริบของฮับเบิลไม่ผิดเพี้ยน ลบข้อสงสัยกับการตรวจสอบของฮับเบิลได้

Hubble tension

     ขณะนี้ ฮับเบิลและเวบบ์จับมือกันเพื่อทำการตรวจสอบให้แน่ชัดในระดับความเชื่อมั่นสูง ยิ่งเน้นว่ามีบางสิ่งที่ไม่ใช่ความผิดพลาดจากการตรวจสอบ กำลังส่งผลต่ออัตราการขยายตัว เมื่อตรวจสอบซึ่งกันและกัน การสำรวจของเวบบ์ในปี 2023 ยืนยันความเที่ยงตรงของการตรวจสอบเอกภพขยายตัวจากฮับเบิล อย่างไรก็ตาม ด้วยความหวังที่จะแก้ความไม่ลงรอยฮับเบิล นักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยว่าจะมีความผิดพลาดที่มองไม่เห็นในการตรวจสอบ ซึ่งอาจจะโผล่ขึ้นมาและมองเห็นได้เมื่อเรามองลึกไปในเอกภพเพิ่มขึ้น

     โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในกลุ่มของดาวที่อยู่กันอย่างแออัดซึ่งอาจส่งผลต่อการตรวจสอบความสว่างของดาวที่อยู่ห่างไกล เป็นความผิดพลาดแบบเป็นระบบ ความท้าทายในการสำรวจก็คือ ภาพเซเฟอิดส์ที่อยู่ห่างไกลจากกล้องฮับเบิลนั้นดูเกาะและซ้อนทับกับดาวเพื่อนบ้านมากขึ้นเมื่อระยะทางไกลมากขึ้น จึงต้องตรวจสอบผลกระทบนี้อย่างระมัดระวัง ฝุ่นที่คั่นอยู่ก็ยิ่งทำให้ความคลาดเคลื่อนการตรวจสอบในช่วงตาเห็นยุ่งมากขึ้น เวบบ์ซึ่งสามารถเจาะผ่านฝุ่นและแยกแยะเซเฟอิดส์จากดาวเพื่อนบ้านได้เพราะสายตาของมันในช่วงอินฟราเรดที่คมชัดกว่ากล้องฮับเบิล

     เมื่อปฏิเสธความผิดพลาดจากการตรวจสอบได้แล้ว สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือความเป็นไปได้ของจริงว่า เรากำลังเข้าใจเอกภพแบบผิดๆ Adam Riess นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ในบัลติมอร์ นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบลในการร่วมค้นพบความจริงที่ว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง เป็นผลจากปรากฏการณ์ประหลาดที่ขณะนี้เรียกกันว่า พลังงานมืด(dark energy)

ภาพอธิบายสามขั้นตอนพื้นฐานที่นักดาราศาสตร์ใช้คำนวณว่าเอกภพขยายตัวเร็วแค่ไหน โดยทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศที่แม่นยำ โดยเริ่มด้วยการตรวจสอบวัตถุที่ทราบความสว่างที่แท้จริงชนิดต่างๆ เพื่อที่จะคำนวณระยะทางได้ โดยเริ่มจากดาวแปรแสงเซเฟอิด 70 ดวงในเมฆมาเจลลันใหญ่(LMC) จากนั้นก็เปรียบเทียบเซเฟอิดส์ใกล้เคียงกับพวกที่อยู่ไกลออกไปในกาแลคซีที่มีบันไดชนิดอื่นๆ คือซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ(SNe Ia) ด้วย ซึ่งสว่างกว่าเซเฟอิดส์จึงใช้ซุปเปอร์โนวาวัดระยะทางได้ไกลมากขึ้น และคำนวณว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน

     ทีม SH0ES(Supernova H0 for the Equation of State of Dark Energy) ซึ่งนำโดย Riess ได้ทำการสำรวจวัตถุที่เป็นหลักไมล์หลัก คือดาวแปรแสงเซเฟอิด เพิ่มเติมด้วยกล้องเวบบ์ ซึ่งขณะนี้พบว่าคล้องจองกับข้อมูลจากกล้องฮับเบิล ขณะนี้เรากำลังขยายครอบคลุมไปถึงสิ่งที่ฮับเบิลได้สำรวจไว้ทั้งหมด และเราก็บอกได้ด้วยความเชื่อมั่นสูงมาก(8 sigma) ว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิลไม่ได้เกิดขึ้นจากความผิดพลาดจากการตรวจสอบ Riess กล่าว

      การสำรวจเซเฟอิดส์ด้วยเวบบ์ของทีมครั้งแรกในปี 2023 ประสบความสำเร็จเมื่อแสดงว่าฮับเบิลมาถูกทางในการตรวจสอบบันไดวัดระยะทางในอวกาศขั้นแรก นักดาราศาสตร์ใช้หลากหลายวิธีการเพื่อตรวจสอบระยะทางเปรียบเทียบในเอกภพ ขึ้นอยู่กับวัตถุที่ต้องการสำรวจ โดยรวมๆ แล้วเทคนิคเหล่านั้นถูกเรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศ ซึ่งแต่ละขั้นหรือเทคนิคการตรวจสอบก็พึ่งพาการตรวจเทียบมาตรฐาน(calibrate) ในขั้นก่อนหน้า

     แต่นักดาราศาสตร์บางคนบอกว่า เมื่อขยับไปที่บันไดวัดระยะทางในอวกาศขั้นที่สอง อาจจะมีปัญหาได้เนื่องจากการตรวจสอบดาวแปรแสงเซเฟอิดมีความเที่ยงตรงน้อยลงตามระยะทาง ความไม่เที่ยงตรงเหล่านั้นอาจเกิดจากแสงของเซเฟอิดส์ที่ผสมกลมกลืนกับดาวที่อยู่ใกล้ๆ เป็นผลกระทบที่น่าจะรุนแรงมากขึ้นด้วยระยะทาง เมื่อดาวเกาะกลุ่มอยู่ด้วยกันบนท้องฟ้าและแยกแยะออกจากกันและกันได้ยากมากขึ้น

ในกลางภาพทั้งสองเป็นดาวชนิดพิเศษที่ใช้เป็นหลักไมล์ในการตรวจสอบระยะทางที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด ภาพทั้งสองละเอียดในระดับพิกเซล ภาพจากกล้องเวบบ์มีความคมชัดในช่วงอินฟราเรดใกล้มากกว่าภาพจากฮับเบิล(ซึ่งทำงานในช่วงตาเห็นเป็นหลัก) ด้วยสายตาที่คมกริบของเวบบ์ จึงมองเห็นเซเฟอิดส์ได้ชัดเจนมากขึ้นกำจัดสิ่งที่อาจทำให้สับสนอื่นๆ ออกไป เวบบ์ได้ยืนยันความเที่ยงตรงในการสำรวจเซเฟอิดส์ของกล้องฮับเบิล ซึ่งใช้ตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพและอายุได้

    การรวมฮับเบิลเข้ากับเวบบ์ช่วยให้เราเข้าถึงสิ่งที่ดีที่สุดทั้งสองส่วน เราพบว่าการตรวจสอบของฮับเบิลยังเชื่อถือได้กระทั่งแม้เมื่อเราขยับไปสู่บันไดวัดระยะทางในอวกาศที่ไกลออกไปมากขึ้น Riess กล่าว การสำรวจครั้งใหม่จากเวบบ์รวมถึงกาแลคซีต้นสังกัด 5 แห่งที่มีซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernova) 8 เหตุการณ์ซึ่งมีเซเฟอิดส์รวม 1 พันดวง และขยับออกไปไกลที่สุดเท่าที่เคยตรวจสอบเซเฟอิดส์ได้ ก็คือ NGC 5468 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 130 ล้านปีแสง

     นี่ครอบคลุมส่วนที่เราเคยสำรวจด้วยกล้องฮับเบิลไว้ทั้งหมด ดังนั้นเราจึงยาวไปถึงจุดสิ้นสุดของบันไดขั้นที่สองของบันไดวัดระยะทางในอวกาศ Gagandeep Anand จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศในบัลติมอร์ ซึ่งดำเนินงานกล้องฮับเบิลและกล้องเวบบ์ให้กับนาซา

     โดยรวมแล้ว การยืนยันความไม่ลงรอยฮับเบิลของกล้องเวบบ์และกล้องฮับเบิล ทำให้หอสังเกตการณ์อื่นๆ อาจจะจบปริศนานี้ได้ เช่น กล้องโทรทรรศน์โรมัน(Nancy Grace Roman Space Telescope) ของนาซา และปฏิบัติการยูคลิด(Euclid) ของอีซา

กราฟทั้ง 6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างปรากฏหรืออันดับความสว่าง(magnitude) กับคาบการแปรแสง จากความสัมพันธ์ฯ ก็สามารถทราบความสว่างที่แท้จริงและคำนวณระยะทางได้ จุดสีแดงเป็นการตรวจสอบใหม่จากเวบบ์ ในขณะที่จุดสีเทามาจากกล้องฮับเบิล

     ในตอนนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าบันไดวัดระยะทางที่ฮับเบิลและเวบบ์สำรวจได้หยั่งรากอย่างมั่นคงที่ด้านหนึ่งของแม่น้ำ(H0 ราว 73 km/s/Mpc) และแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากบิ๊กแบงที่พลังค์สำรวจจากช่วงเริ่มต้นเอกภพ ก็หยั่งรากอย่างแข็งแรงที่อีกด้าน(67 km/s/Mpc) แล้วจะสำรวจการขยายตัวของเอกภพที่เปลี่ยนแปลงในช่วงหลายพันล้านปีระหว่างปลายทั้งสองนี้ได้โดยตรงหรือไม่ Riess กล่าวว่า เราอยากจะรู้แค่ว่าเรากำลังพลาดอะไรไปหรือเปล่าที่จะเชื่อมโยงช่วงเริ่มต้นของเอกภพ กับสภาพปัจจุบัน การค้นพบนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 6 กุมภาพันธ์ 2024

     Wendy Freedman จากมหาวิทยาลัยชิคาโก ผู้นำร่วมทีมซึ่งทำการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลอย่างเที่ยงตรงได้เป็นทีมแรกในปี 2001 และขณะนี้ เธอนำทีมคาร์เนกี้-ชิคาโก ก็ทำงานเพื่อระบุอัตราการขยายตัวเอกภพ โดยใช้วิธีการอื่น เช่นผ่านการสำรวจดาวยักษ์แดง ด้วยวิธีการนี้ Freedman ได้ค่าคงที่ฮับเบิลที่สอดคล้องกับการตรวจสอบจากเอกภพยุคต้นมากกว่า แต่กระนั้นเธอก็คิดว่ายังต้องการข้อมูลเพิ่มขึ้นจากแหล่งที่แตกต่างอื่นๆ อีกมาก ก่อนที่เราจะบอกได้ว่าความไม่ลงรอยฮับเบิลนั้นมีรากฐานจากปํญหาด้านการตรวจสอบจริงหรือไม่

     การตรวจสอบวัตถุที่อยู่ห่างไกลนั้นท้าทายอย่างมาก เธอกล่าว นี่เป็นเหตุผลที่เราตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลโดยใช้หนทางต่างๆ เนื่องจากวิธีการใดๆ ที่เราใช้ก็อาจมีความคลาดเคลื่อนในระบบของมันเอง เทคโนโลจีใหม่อย่างกล้องเวบบ์จะช่วยให้เราคืบหน้าได้มากขึ้น ทีมของฉันกำลังตรวจสอบไม่เพียงแต่เซเฟอิดส์ แต่ยังตรวจดาวยักษ์แดงซึ่งเราเคยสำรวจพวกมันด้วยฮับเบิล และยังมีการตรวจสอบชนิดใหม่ๆ โดยใช้ดาวคาร์บอน และพวกมันทั้งสามชนิดก็พบได้ในกาแลคซีแห่งเดียวกัน ที่เคยพบเซเฟอิดส์และซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ อยู่ด้วย

ภาพ NGC 5468 ซึ่งอยู่ไกลออกไป 130 ล้านปีแสง จากการรวมข้อมูลจากกล้องเวบบ์และฮับเบิล นี่เป็นกาแลคซีที่ไกลที่สุดเท่าที่ฮับเบิลเคยจำแนกดาวแปรแสงเซเฟอิดได้ ระยะทางที่คำนวณได้จากเซเฟอิดส์ได้รับการตรวจทานโดยการคำนวณจากซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอในกาแลคซีแห่งนี้ด้วย

     Riess เองก็เห็นด้วยที่จะใช้กล้องเวบบ์เพื่อตรวจสอบดาวแบบต่างๆ (รวมถึงดาวยักษ์แดง, ดาวแปรแสงมิรา และดาวยักษ์ที่หลอมฮีเลียม) เพื่อหาค่าคงที่ฮับเบิล อย่างไรก็ตาม เขาบอกว่าถ้ามีความผิดพลาดในการสำรวจ ก็น่าแปลกที่วัตถุที่สำรวจในเอกภพใกล้เคียงนั้นก็จะต้องแสดงความผิดพลาดในแบบเดียวกัน ผมอยากจะบอกว่าผมได้กลิ่นตุๆ ว่าแบบจำลองเอกภพวิทยาจะมีปัญหา ง

ในกลางภาพทั้งสองเป็นดาวชนิดพิเศษที่ใช้เป็นหลักไมล์ในการตรวจสอบระยะทางที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด ภาพทั้งสองละเอียดในระดับพิกเซล ภาพจากกล้องเวบบ์มีความคมชัดในช่วงอินฟราเรดใกล้มากกว่าภาพจากฮับเบิล(ซึ่งทำงานในช่วงตาเห็นเป็นหลัก) ด้วยสายตาที่คมกริบของเวบบ์ จึงมองเห็นเซเฟอิดส์ได้ชัดเจนมากขึ้นกำจัดสิ่งที่อาจทำให้สับสนอื่นๆ ออกไป เวบบ์ได้ยืนยันความเที่ยงตรงในการสำรวจเซเฟอิดส์ของกล้องฮับเบิล ซึ่งใช้ตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพและอายุได้

กราฟทั้ง 6 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างปรากฏหรืออันดับความสว่าง(magnitude) กับคาบการแปรแสง จากความสัมพันธ์ฯ ก็สามารถทราบความสว่างที่แท้จริงและคำนวณระยะทางได้ จุดสีแดงเป็นการตรวจสอบใหม่จากเวบบ์ ในขณะที่จุดสีเทามาจากกล้องฮับเบิล

พื้นที่สำรวจด้วย NIRCam ซ้อนทับบนภาพสีจาก Digitized Sky Survey จากกาแลคซีต้นสังกัด(บน) 4 แห่ง และภาพ NIRCam RGB แสดงตำแหน่งของเซเฟอิดส์(วงกลมสีฟ้า; ล่าง)

ภาพ NGC 5468 ซึ่งอยู่ไกลออกไป 130 ล้านปีแสง จากการรวมข้อมูลจากกล้องเวบบ์และฮับเบิล นี่เป็นกาแลคซีที่ไกลที่สุดเท่าที่ฮับเบิลเคยจำแนกดาวแปรแสงเซเฟอิดได้ ระยะทางที่คำนวณได้จากเซเฟอิดส์ได้รับการตรวจทานโดยการคำนวณจากซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอในกาแลคซีแห่งนี้ด้วย

ภาพอธิบายสามขั้นตอนพื้นฐานที่นักดาราศาสตร์ใช้คำนวณว่าเอกภพขยายตัวเร็วแค่ไหน โดยทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศที่แม่นยำ โดยเริ่มด้วยการตรวจสอบวัตถุที่ทราบความสว่างที่แท้จริงชนิดต่างๆ เพื่อที่จะคำนวณระยะทางได้ โดยเริ่มจากดาวแปรแสงเซเฟอิด 70 ดวงในเมฆมาเจลลันใหญ่(LMC) จากนั้นก็เปรียบเทียบเซเฟอิดส์ใกล้เคียงกับพวกที่อยู่ไกลออกไปในกาแลคซีที่มีบันไดชนิดอื่นๆ คือซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ(SNe Ia) ด้วย ซึ่งสว่างกว่าเซเฟอิดส์จึงใช้ซุปเปอร์โนวาวัดระยะทางได้ไกลมากขึ้น และคำนวณว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน

แหล่งข่าว esawebb.org : Webb and Hubble telescopes affirm universe’s expansion rate, puzzle persists
                sciencealert.com : JWST and Hubble agree on the universe’s expansion, and it’s a major problem    
                skyandtelescope.com : Webb telescope measures universe’s expansion
                 space.com : James Webb Space Telescope complicates expanding universe paradox by checking Hubble’s work