กาแลคซีระเบียบจัดในเอกภพยุคต้น

    นักดาราศาสตร์ใช้ ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ได้เผยให้เห็นกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลอย่างมากแห่งหนึ่ง และจึงมีอายุน้อยมากๆ ซึ่งดูคล้ายกับทางช้างเผือกอย่างน่าอัศจรรย์ กาแลคซีแห่งนี้อยู่ไกลมากๆ จนแสงของมันใช้เวลามากกว่า 12 พันล้านปีเพื่อเดินทางมาถึงเรา เราจึงได้เห็นมันเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 1.4 พันล้านปีเท่านั้น

นักดาราศาสตร์ที่ใช้ ALMA ได้เผยให้เห็นกาแลคซีที่ห่างไกลมากแห่งหนึ่งซึ่งดูคล้ายกับทางช้างเผือกอย่างน่าประหลาดใจ กาแลคซีแห่งนี้ SPT0418-47 ถูกขยายด้วยความโน้มถ่วงโดยกาแลคซีใกล้ๆ แห่งหนึ่ง จนปรากฏภาพบนท้องฟ้าเป็นวงแหวนแสงเกือบสมบูรณ์ 

     และมันยังเป็นระเบียบเรียบร้อยมากอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งค้านกับทฤษฎีที่ว่า กาแลคซีในเอกภพยุคต้นทั้งหมดจะปั่นป่วนและไร้เสถียรภาพ การค้นพบที่คาดไม่ถึงนี้ท้าทายความเข้าใจของเราว่ากาแลคซีก่อตัวอย่างไร เปิดช่องทางใหม่ๆ สู่อดีตของเอกภพ Francesca Rizzo นักศึกษาปริญญาเอกจากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ในเจอรมนี ซึ่งนำทีมวิจัยที่เผยแพร่รายงานในวารสาร Nature กล่าวว่า ผลสรุปนี้แสดงถึงความก้าวหน้าในแขนงการก่อตัวกาแลคซี ได้แสดงว่าโครงสร้างที่เราสำรวจในกาแลคซีกังหันใกล้ๆ และในทางช้างเผือกของเรา ได้เกิดขึ้นมาตั้งแต่เมื่อ 12 พันล้านปีก่อนแล้ว

     ในขณะที่กาแลคซีที่นักดาราศาสตร์ศึกษาที่เรียกว่า SPT0418-47 ไม่ได้ดูเหมือนจะมีแขนกังหัน แต่มันก็มีรายละเอียดที่พบได้ทั่วไปในทางช้างเผือก 2 อย่าง ก็คือ ดิสก์ที่หมุนรอบตัว และส่วนป่อง(bulge) ดาวกลุ่มใหญ่อยู่กันอย่างแออัดรอบใจกลางกาแลคซี นี่เป็นครั้งแรกที่ได้พบส่วนป่องตั้งแต่ในช่วงต้นของความเป็นมาของเอกภพ ทำให้ SPT0418-47 เป็นกาแลคซีที่ดูคล้ายทางช้างเผือกที่อยู่ห่างไกลที่สุด

     สิ่งที่น่าแปลกใจอย่างมากก็คือ การพบกาแลคซีแห่งนี้ว่าแท้จริงแล้วค่อนข้างคล้ายกับกาแลคซีใกล้ๆ แย้งกับความคาดหมายทั้งหมดจากแบบจำลอง และการสำรวจก่อนหน้านี้ซึ่งลงรายละเอียดน้อยกว่า Filippo Fraternali ผู้เขียนร่วมจากสถาบันดาราศาสตร์กัปไตน์ มหาวิทยาลัยกรอนิงเงน ในเนเธอร์แลนด์ส กล่าว ในเอกภพยุคต้นนั้น กาแลคซีอายุน้อยยังคงอยู่ในกระบวนการก่อตัว ดังนั้น นักวิจัยคาดว่าพวกมันจะต้องวุ่นวายและขาดรายละเอียดที่ชัดเจน ซึ่งพบได้ทั่วไปในกาแลคซีที่เต็มวัยมากกว่าอย่างเช่น ทางช้างเผือก

     การศึกษากาแลคซีที่ห่างไกลอย่าง SPT0418-47 เป็นพื้นฐานในความเข้าใจว่ากาแลคซีก่อตัวและพัฒนาตัวอย่างไร กาแลคซีแห่งนี้อยู่ห่างไกลมากๆ จนเราเห็นมันเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 10% ของอายุปัจจุบัน ด้วยการศึกษามัน เราได้ย้อนเวลากลับไปเมื่อกาแลคซีทารกเหล่านี้เพิ่งเริ่มพัฒนาตัวขึ้น

ทีมนักวิจัยได้สร้างภาพรูปร่างที่แท้จริงของกาแลคซีห่างไกล SPT0418-47 ขึ้นมาใหม่ได้ดังภาพ และยังทราบการเคลื่อนที่ของก๊าซในกาแลคซี จากข้อมูลของ ALMA โดยใช้เทคนิคทำแบบจำลองคอมพิวเตอร์แบบใหม่

     และเนื่องจากกาแลคซีอยู่ห่างไกลมาก การสำรวจในรายละเอียดด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุดก็แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยเมื่อกาแลคซีปรากฏให้เห็นสลัวและมีขนาดเล็ก ทีมเอาชนะข้อจำกัดนี้โดยการใช้กาแลคซีใกล้ๆ แห่งหนึ่งทำหน้าที่เป็นแว่นขยายที่ทรงพลัง ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ช่วยให้ ALMA ได้เห็นอดีตที่ห่างไกลด้วยรายละเอียดดีอย่างไม่น่าเชื่อ ในปรากฏการณ์นี้ แรงโน้มถ่วงจากกาแลคซีใกล้เคียง จะรบกวนและบิดเบนแสงจากกาแลคซีห่างไกล ทำให้มันมีรูปร่างบิดเบี้ยวและสว่างขึ้น

      กาแลคซีห่างไกลที่ถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วง ปรากฏเป็นวงแหวนแสงที่เกือบสมบูรณ์แบบ(Einstein ring) รอบๆ กาแลคซีใกล้ ต้องขอบคุณการเรียงตัวที่แทบจะพอดี ทีมวิจัยจึงได้ทราบรูปร่างที่แท้จริงและการเคลื่อนที่ของก๊าซในกาแลคซีแห่งนี้ จากข้อมูลของ ALMA โดยใช้เทคนิคแบบจำลองคอมพิวเตอร์แบบใหม่ เมื่อฉันได้เห็นภาพของ SPT0418-47 ที่ทำขึ้นใหม่ ฉันก็แทบจะไม่เชื่อ ราวกับว่าหีบสมบัติกำลังเปิดออก Rizzo กล่าว

      สิ่งที่เราได้พบนั้นค่อนข้างน่าพิศวง กาแลคซีห่างไกลมีขนาดเล็ก(เล็กกว่าทางช้างเผือกราวสิบเท่า) และกำลังก่อตัวดาวในอัตราที่สูง(ประมาณร้อยเท่าของทางช้างเผือก) และยังเป็นพื้นที่ที่มีกระบวนการที่สร้างพลังงานสูงด้วย SPT0418-47 ก็ยังเป็นดิสก์กาแลคซีที่มีความเป็นระเบียบดีเลิศที่สุดเท่าที่เคยพบมาในเอกภพยุคต้น Simona Vegetti ผู้เขียนร่วมจาก สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์เช่นกัน บอกไว้

     เมื่อแบบจำลองบอกว่ากาแลคซีดิสก์ในเอกภพยุคต้นควรจะเต็มไปด้วยความวุ่นวาย โดยมีพลังจำนวนมากที่ผลักดันการเคลื่อนที่ของก๊าซในทิศทางต่างๆ จนยุ่งเหยิง ยกตัวอย่างเช่น ดาวที่ก่อตัวขึ้นใหม่จะเปล่งรังศีที่ผลักก๊าซออก และซุปเปอร์โนวาก็จะสาดก๊าซออกอย่างรุนแรงด้วยเช่นกัน เช่นเดียวกัน หลุมดำที่กลืนก๊าซในใจกลางกาแลคซี ก็อาจจะสร้างไอพ่นที่รบกวนการหมุนวนของก๊าซรอบๆ ใจกลางกาแลคซี แต่สิ่งเหล่านี้ดูจะไม่ได้รบกวนกาแลคซีใหม่นี้เลย ดิสก์ยังคงหมุนวนอย่างเป็นระเบียบเนี๊ยบกริ๊บ การเคลื่อนที่โคจรเทียบกับการเคลื่อนที่แบบสุ่มแล้ว อยู่ในอัตราประมาณ 10:1

ภาพแสดงเลนส์ความโน้มถ่วงจากกาแลคซีใกล้ๆ แห่งหนึ่งได้ขยายและบิดเบนแสงจาก SPT0418-47 จนสามารถสำรวจรายละเอียดการเคลื่อนที่ของก๊าซในกาแลคซีไกลโพ้นนี้ได้ 

     ผลสรุปนี้ค่อนข้างไม่คาดฝันและมีนัยสำคัญต่อความคิดของเราว่ากาแลคซีพัฒนาอย่างไร อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์เขียนไว้ว่าแม้ว่า SPT0418-47 จะมีดิสก์และรายละเอียดอื่นที่คล้ายกับที่มีในกาแลคซีกังหันที่เราเห็นในทุกวันนี้ แต่พวกเขาคาดว่ามันจะพัฒนาตัวไปเป็นกาแลคซีที่แตกต่างอย่างมากจากทางช้างเผือก โดยไปอยู่ในกลุ่มของกาแลคซีทรงรี(elliptical galaxies) ซึ่งเป็นกาแลคซีอีกชนิดหนึ่ง ที่พบในเอกภพยุคปัจจุบัน พอๆ กับกาแลคซีกังหัน

     การค้นพบที่คาดไม่ถึงนี้บอกว่าเอกภพยุคต้นอาจจะไม่ได้เป็นสถานที่ที่วุ่นวายอย่างที่เคยเชื่อกัน และเพิ่มคำถามมากมายว่ากาแลคซีที่เป็นระเบียบเช่นนี้สามารถก่อตัวขึ้นเร็วมากๆหลังจากบิ๊กแบงได้อย่างไร การค้นพบของ ALMA งานนี้ติดตามการค้นพบเมื่อช่วงก่อนหน้านี้ในเดือนพฤษภาคม ซึ่งมีการประกาศการค้นพบ ดิสก์ที่หมุนรอบตัวขนาดใหญ่ที่เห็นในระยะทางที่ใกล้เคียงกัน SPT0418-47 มีรายละเอียดให้เห็นมากกว่า ต้องขอบคุณปรากฏการณ์เลนส์ และยังมีส่วนป่องนอกเหนือจากดิสก์ด้วย ทำให้มันยิ่งคล้ายกับทางช้างเผือกปัจจุบันของเรา มากกว่าดิสก์อีกแห่งก่อนหน้านี้

     ความจริงที่ว่ากาแลคซีแห่งนี้ได้ก่อตัวอย่างเป็นระเบียบได้เร็วมากๆ ก็เป็นหลักฐานอีกชิ้นว่ากระบวนการก่อตัวกาแลคซีในเอกภพยุคต้นนั้นไม่ได้ใช้เวลานานอย่างที่แบบจำลองการก่อตัวกาแลคซีได้เคยบอกไว้ ในช่วงไม่กี่ปีหลังนี้ มีการพบกาแลคซีขนาดใหญ่, กาแลคซีขนาดใหญ่พิเศษ(ultramassive galaxies) และกาแลคซีเควซาร์ ในเอกภพยุคต้นมากกว่าที่เราเคยคิด เมื่อเพิ่มกาแลคซีที่เป็นระเบียบนี้เข้าไป ก็บอกว่าในเอกภพยุคต้นที่คิดว่าน่าจะปั่นป่วน ยังมีอะไรให้ต้องกลับไปคิดพิจารณาใหม่อีกมาก และแบบจำลองวิวัฒนาการกาแลคซีของเราก็อาจจะต้องมีการปรับปรุงใหม่

SPT0418-47 ปรากฏบนท้องฟ้าเป็นวงแหวนแสงเกือบสมบูรณ์แบบ(ซ้าย) ทีมวิจัยได้สร้างรูปร่างที่แท้จริงและการเคลื่อนที่ของก๊าซในกาแลคซีนี้ขึ้นใหม่(ขวา) จากข้อมูล ALMA การสำรวจบ่งชี้ว่า SPT0418-47 เป็นกาแลคซีดิสก์ที่มีส่วนป่องใจกลาง(central bulge) และวัสดุสารภายในนั้นก็หมุนวนไปรอบๆ ใจกลาง ก๊าซที่เคลื่อนที่ออกห่างจากเราแสดงเป็นสีแดง ในขณะที่ก๊าซที่เคลื่อนที่ในทิศทางเข้าหาเรา แสดงเป็นสีฟ้า

     การศึกษาในอนาคต ซึ่งรวมถึงด้วยกล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope) จะสืบเสาะเพื่อไขความลับว่ากาแลคซีดิสก์ทารกเหล่านี้พบได้มากแค่ไหน และพวกมันมีความปั่นป่วนน้อยกว่าที่ทำนายไว้จริงหรือไม่ ซึ่งจะเปิดหนทางใหม่ให้กับนักดาราศาสตร์ในการค้นพบว่ากาแลคซีพัฒนาอย่างไร

แหล่งข่าว esa.org : ALMA sees most distant Milky Way look-alike
               sciencealert.com : a galaxy suspiciously similar to Milky Way has been spotted in the early universe
               skyandtelescope.com : “dead ringer” for the Milky Way found in early universe