ประวัติการควบรวมของทางช้างเผือก

 

     นักดาราศาสตร์ได้จัดทำประวัติการควบรวมของทางช้างเผือกขึ้นใหม่ และพบว่ากาแลคซีของเราได้ดูดกลืนกาแลคซีบริวารขนาดใหญ่ 5 แห่งในช่วง 1.2 หมื่นล้านปีหลังนี้

     กาแลคซีของเรานั้นเก่าแก่ น่าจะเก่าแก่พอๆ กับเอกภพทีเดียว แต่มันก็ไม่ได้เริ่มต้นขึ้นมาโดยเป็นวงกังหันของดาวที่ล้อมรอบใจกลางที่มีรูปร่างคล้ายถั่วลิสง มันก็เจริญเติบโตตามเวลา ทั้งสะสมดาวจากการชนกับกาแลคซีแห่งอื่นๆ และก่อตัวดาวขึ้นเองจากกระแสก๊าซที่ไหลเข้าสู่กาแลคซี การปะติดปะต่อรายละเอียดความเป็นมานี้เข้าด้วยกันเป็นเป้าหมายหลักของนักดาราศาสตร์ และ Diederik Kruijssen จากมหาวิทยาลัยไฮเดลแบร์ก เจอรมนี และฮาร์วาร์ด และเพื่อนร่วมงานได้เสนอประวัติในแบบหนึ่ง ซึ่งขณะนี้เผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

     เพื่อเจาะสู่อดีต Kruijssen และเพื่อนร่วมงานได้ตรวจสอบกระจุกดาวทรงกลม(globular clusters) ก้อนของดาวที่อยู่กันอย่างแออัดโบราณเหล่านี้เป็นกุญแจสู่อดีต โดยโดยสารมากับกาแลคซีบริวารเมื่อพวกมันถูกกลืนเข้าสู่ทางช้างเผือก ขณะนี้พวกมันส่วนใหญ่โคจรอยู่นอกดิสก์ทางช้างเผือก ในส่วนที่เรียกว่า กลดดาว(stellar halo) นักดาราศาสตร์ได้พบกระจุกทรงกลมอย่างน้อย 150 แห่ง

     กระจุกทรงกลมหลายแห่งก่อตัวขึ้นในที่ที่พวกมันอยู่ในขณะนี้ แต่วงโคจรของกระจุกกลุ่มย่อยๆ ได้บอกว่าพวกมันเป็นคนแปลกหน้าในถิ่นที่แปลกตา กระจุกเหล่านี้ไม่ได้มีธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม(ซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า โลหะ; metal) มากนัก ซึ่งบ่งชี้ว่ากำเนิดของพวกมันอยู่ในกาแลคซีขนาดเล็ก แทนที่จะเป็นกาแลคซีขนาดใหญ่และอุดมด้วยโลหะมากกว่าอย่างทางช้างเผือก

กระจุกดาวทรงกลม เป็นกลุ่มรวมของดาวฤกษ์โบราณที่อยู่กันอย่างแออัด ในระดับหลายแสนจนถึงหลักล้านดวง ในทรงกลมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียงแค่หลักร้อยปีแสง กระจุกทรงกลมมีอายุเก่าแก่ใกล้เคียงกับอายุของเอกภพ จะพบกระจายอยู่รอบกาแลคซี ในส่วนที่เรียกว่า กลดหรือฮาโล(halo) ดังภาพจากศิลปินนี้

     เพื่อให้เข้าใจว่ากระจุกทรงกลมเหล่านี้มาจากไหนและเมื่อใด ทีมของ Kruijssen พึ่งพาแบบจำลองเสมือนจริงเอกภพวิทยาแบบซูมอินชุดหนึ่งที่เรียกว่า E-MOSAICS แบบจำลองเสมือนจริงเหล่านี้ได้แสดงวิวัฒนาการของกาแลคซีที่คล้ายทางช้างเผือกเมื่อพวกมันฉีกทึ้งและกลืนกินกาแลคซีขนาดเล็กกว่า ดูดกระจุกทรงกลมเข้ามาไว้ด้วย การสร้างตัวของกาแลคซีเป็นกระบวนการที่ยุ่งเหยิงอย่างสุดขั้ว ในระหว่างนั้นวงโคจรของกระจุกทรงกลมจะถูกจัดเรียงใหม่โดยสิ้นเชิง Kruijssen อธิบาย เพื่อให้รู้ถึงที่มาของระบบที่ซับซ้อนที่เหลือไว้ในปัจจุบัน เราจึงตัดสินใจใช้ปัญญาประดิษฐ์เหล่านี้

     Kruijssen และเพื่อนร่วมงานได้ฝึกสอนเครือข่ายนิวรอนเทียมใน E-MOSAICS โดยสอนให้มันเชื่อมโยงคุณสมบัติของกระจุกทรงกลมเข้ากับกาแลคซีต้นกำเนิด เริ่มต้นด้วยการจำแนกกระจุกทรงกลมโดยมีพื้นฐานจากคุณสมบัติร่วมของดาวด้วยการเดินเครื่องอัลกอริทึมกับกาแลคซีเสมือนจริงหลายพันแห่ง เมื่ออัลกอริทึมสามารถทำนายการก่อตัว, วิวัฒนาการและการทำลายกระจุกทรงกลมในกาแลคซีจำลองเหล่านั้นได้อย่างเที่ยงตรงแล้ว ก็ปรับมาใช้กับทางช้างเผือก

     ด้วยการใช้ข้อมูลที่ได้จากดาวเทียมไกอา อัลกอริทึมวิเคราะห์อายุ, การเคลื่อนที่และองค์ประกอบเคมีของกระจุกทรงกลมที่พบในทางช้างเผือก ผลก็คือประวัติความเป็นมาของการควบรวมที่สำคัญๆ เกือบทั้งหมดของทางช้างเผือกกับกาแลคซีอื่น 5 ครั้ง(แต่ละครั้งมีดาวเกี่ยวข้องในระดับ 1ร้อยล้านดวงหรือมากกว่านั้น) ซึ่งทำนายการควบรวมที่พบแล้ว 4 ครั้งไว้แล้ว ประวัติการควบรวมเริ่มต้นด้วย กาแลคซีแห่งหนึ่งที่มีชื่อเล่นว่า คราเค่น(the Kraken) ได้ชนกับกาแลคซีของเราเมื่อราว 1.1 หมื่นล้านปีก่อน แม้ว่าจะไม่ใช่กาแลคซีบริวารที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่ทางช้างเผือกเคยเฉียดผ่านมา แต่มันก็มีความสำคัญที่สุดในแง่มวลของกาแลคซีในขณะนั้น โดยส่งกระจุกทรงกลมอย่างน้อย 13 แห่งให้กับทางช้างเผือก

     ในอีก 1 พันล้านปีต่อมา ก็มีกาแลคซีขนาดเล็กกว่าแห่งหนึ่งซึ่งปัจจุบันเหลือแค่กระแสธารดาวที่เรียกว่า กระแสธารเฮลมี(Helmi streams) มันนำกระจุกทรงกลมมาให้อย่างน้อย 5 แห่ง และมีกาแลคซีขนาดเล็กอีก 2 แห่งที่มารวมกับทางช้างเผือกอย่างรวดเร็วซึ่งมีชื่อเล่นว่า ซีควอยา(Sequoia) และ ไกอา-เอนเซลาดัส(Gaia-Enceladus) หรือไกอาซอสเซจ(Gaia Sausage) ซึ่งส่งกระจุกทรงกลมอย่างน้อย 3 แห่งและ 20 แห่ง ตามลำดับ

     และการเข้าใกล้ครั้งล่าสุดก็คือ กาแลคซีแคระคนยิงธนู(Sagittarius dwarf) ซึ่งเริ่มวิ่งเข้าทะลุทางช้างเผือกซ้ำๆ ตั้งแต่เมื่อ 7 พันล้านปีก่อน นอกจากกระจุกทรงกลม 7 แห่งที่นำมาให้แล้ว ซากของกาแลคซีก็ยังเห็นได้เป็นวงโค้งของดาวที่ถูกยืดออกล้อมรอบกาแลคซีด้วยวงโคจรที่เกือบอยู่เหนือขั้วกาแลคซีพอดี

     ก่อนหน้านี้เคยคิดว่า ไกอา-เอนเซลาดัสเป็นการชนครั้งใหญ่ที่สุด อย่างไรก็ตาม การควบรวมกับคราเค่นซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ 1.1 หมื่นล้านปีก่อน เมื่อทางช้างเผือกมีมวลต่ำกว่าปัจจุบัน 4 เท่า ด้วยเหตุนี้ การชนกับคราเค่นจะต้องแปรสภาพให้ทางช้างเผือกเป็นอย่างที่เป็นนับแต่นั้นมา Kruijssen อธิบาย

     เป็นไปได้ที่จะมีการชนของกาแลคซีขนาดเล็กกว่าอื่นๆ อีก ซึ่งไม่ได้ส่งกระจุกดาวทรงกลมมาให้ ซึ่งนักดาราศาสตร์สงสัยว่าจะต้องมีการควบรวมย่อยอย่างน้อย 15 ครั้งซึ่งแต่ละครั้งมีดาวเกี่ยวข้องที่ 10 ล้านดวงหรือมากกว่านั้น แต่การศึกษานี้ไม่ได้ออกแบบมาให้ทำบัญชีรายชื่อกาแลคซีเหล่านั้นด้วย ที่น่าสนใจก็คือ Kruijssen และเพื่อนร่วมงานยังได้พบแม้ว่าการชนของกาแลคซีเหล่านี้จะเป็นเหตุการณ์หลักๆ ในความเป็นมาเกือบตลอดของทางช้างเผือก แต่พวกมันก็ส่งมวลดาวมาให้เพียง 1 พันล้านดวงเท่านั้น ซึ่งประมาณมวลของฮาโล แต่แทบไม่เพิ่มดาวในดิสก์กังหันเลย ดาวเกือบทั้งหมดในทางช้างเผือกก่อตัวขึ้นในกาแลคซีของเราเอง

ภาพจากศิลปินแสดง Sagittarius stream 

     Helmer Koppelman จากสถาบันเพื่อการศึกษาชั้นสูง พรินซตัน ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ เรียกการศึกษานี้ว่าเป็น การสรุปความเป็นมาเรื่องการควบรวมของทางช้างเผือกที่น่ามหัศจรรย์ที่สุด แต่ก็ยังมีข้อควรระวังบางสิ่งที่ต้องจำได้ ประการแรก แม้ว่าการศึกษานี้จะมีพื้นฐานจากแบบจำลองเสมือนจริงกาแลคซีซึ่งโดยเฉลี่ยเหมือนกับทางช้างเผือก แต่ Koppelman อธิบายว่าคำว่า กาแลคซีโดยเฉลี่ย อาจจะไม่มีอยู่จริง ซึ่งหมายความว่าแต่ละกาแลคซีก็มีความพิสดารในแบบของมันเอง

     ไม่เพียงแต่แบบจำลองเสมือนจริงจะสันนิษฐานเกี่ยวกับทางช้างเผือกแบบเฉลี่ย แต่พวกมันยังสันนิษฐานเอกภพที่จำเพาะด้วย แบบจำลองเสมือนจริงอื่นๆ(และก็มีแบบอื่นที่หลากหลาย) อาจจะสร้างผลสรุปที่แตกต่างกัน ในความเป็นจริง การศึกษาประวัติการก่อตัวของกาแลคซีนั้นได้รับแรงบันดาลใจส่วนหนึ่งจากความต้องการจะทดสอบว่าเอกภพเสมือนจริงจะสะท้อนถึงความเป็นจริงได้ดีแค่ไหน

     ด้วยวิธีนี้ ผู้เขียนจึงจะทดสอบได้ดีที่สุด Koppelman กล่าว งานวิจัยในอนาคตซึ่งอาจจะสอดคล้องหรือไม่สอดคล้องกับประวัติการควบรวมที่นำเสนอในรายงานนี้ อาจจะบอกเราได้ว่าแบบจำลองเสมือนจริงนั้นเที่ยงตรงหรือไม่

      แน่นอนว่ายังมีงานต้องทำอีกมากเพื่อสร้างประวัติความเป็นมาอันยุ่งเหยิงของกาแลคซีของเราขึ้นมาใหม่ แต่การศึกษานี้ก็ให้เค้าโครงกับความพยายามนี้

      .งานวิจัยใหม่โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานกับข้อมูลจากการสำรวจ APOGEE(Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) ของการสำรวจ SDSS(Sloan Digital Sky Survey) ได้พบฟอสซิลกาแลคซีแห่งหนึ่ง ซ่อนอยู่ลึกในทางช้างเผือก ผลสรุปเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society อาจจะเขย่าความเข้าใจของเราว่าทางช้างเผือกเจริญกลายเป็นกาแลคซีที่เราเห็นทุกวันนี้ได้อย่างไร 

ภาพจากศิลปินแสดงว่าทางช้างเผือกมีสภาพเช่นไรเมื่อมองจากด้านบน วงแหวนสีแสดงขนาดคร่าวๆ ของกาแลคซีฟอสซิลที่เรียกว่า เฮราเคิล(Heracles) จุดสีเหลืองแสดงตำแหน่งของดวงอาทิตย์

     กาแลคซีฟอสซิลแห่งนี้อาจจะชนกับทางช้างเผือกเมื่อ 1 หมื่นล้านปีก่อน เมื่อกาแลคซีของเรายังคงอยู่ในช่วงเยาว์วัย นักดาราศาสตร์เรียกมันว่า เฮราเคิล(Heracles; เป็นชื่อภาษากรีกของเฮอร์คิวลิส) ซึ่งเป็นวีรบุรุษชาวกรีกโบราณที่ได้รับพรความเป็นอมตะเมื่อทางช้างเผือกถูกสร้างขึ้นมา ซากของเฮราเคิลมีอยู่ราวหนึ่งในสามของฮาโลกทางช้างเผือก แต่ถ้าดาวและก๊าซจากเฮราเคิลเป็นสัดส่วนที่สูงในฮาโล แล้วทำไมเราจึงไม่เห็นมันมาก่อนหน้านี้ คำตอบซ่อนอยู่ในตำแหน่งของมันที่ฝังอยู่ลึกภายในทางช้างเผือก

      เพื่อที่จะหากาแลคซีฟอสซิลเช่นนี้ เราจะต้องพิจารณาองค์ประกอบเคมีและการเคลื่อนที่ในรายละเอียดของดาวหลายหมื่นดวง Ricardo Schiavon จากมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูล จอห์น มัวร์ ในสหราชอาณาจักร สมาชิกคนสำคัญในทีมวิจัย กล่าว นี่เป็นเรื่องที่ทำได้ยากมากๆ สำหรับดาวในใจกลางทางช้างเผือก เนื่องจากพวกมันถูกเมฆฝุ่นในอวกาศซ่อนไว้จากสายตาของเรา APOGEE ช่วยให้เราได้เจาะทะลุผ่านฝุ่นและมองเข้าไปในใจกลางทางช้างเผือกได้ลึกกว่าที่เคยทำมาก่อน

     APOGEE ทำได้โดยการเก็บสเปคตรัมของดาวในช่วงอินฟราเรดใกล้ แทนที่จะเป็นช่วงตาเห็นได้ซึ่งถูกฝุ่นปิดบังไว้ ตลอดช่วงการสำรวจที่นาน 10 ปี APOGEE ได้ตรวจสอบสเปคตรัมของดาวมากกว่าห้าแสนดวงทั่วทางช้างเผือก ซึ่งรวมถึงในส่วนแกนกลางที่เคยถูกฝุ่นบังไว้ด้วย

     Danny Horta นักศึกษาจาก LJMU ผู้เขียนนำรายงานประกาศผลสรุป อธิบายว่า การตรวจสอบดาวจำนวนมากมายเช่นนี้เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อค้นหาดาวที่ไม่ปกติในใจกลางทางช้างเผือกที่มีประชากรดาวอยู่กันอย่างแออัด ซึ่งก็ไม่ต่างจากการงมเข็มในมหาสมุทร

     เพื่อที่จะแยกแยะดาวของเฮราเคิลออกจากพวกที่มีกำเนิดในทางช้างเผือก ทีมใช้ทั้งองค์ประกอบเคมีและความเร็วของดาวที่ตรวจสอบโดย APOGEE ดาวหลายหมื่นดวงที่เราตรวจสอบ มีไม่กี่ร้อยดวงที่มีองค์ประกอบเคมีและความเร็วที่แตกต่างอย่างเห็นได้ชัด Horta กล่าว ดาวเหล่านี้แตกต่างอย่างมากจนพวกมันจะมาจากกาแลคซีอื่นเท่านั้น ด้วยการศึกษาพวกมันในรายละเอียด เราสามารถตามรอยตำแหน่งและความเป็นมาที่แม่นยำของกาแลคซีฟอสซิลนี้ได้

ภาพดาวในทางช้างเผือกทั่วท้องฟ้าเมื่อมองจากโลก วงแหวนสีแสดงการกระจายคร่าวๆ ของดาวที่มาจากกาแลคซีเฮราเคิล วัตถุขนาดเล็กทางล่างขวาของภาพคือ เมฆมาเจลลันใหญ่และเล็ก ซึ่งเป็นกาแลคซีบริวารขนาดเล็ก 2 แห่งของทางช้างเผือก

      เนื่องจากกาแลคซีนั้นก่อร่างสร้างตัวผ่านการควบรวมกับกาแลคซีขนาดเล็กกว่าเมื่อเวลาผ่านไป ซากของกาแลคซีที่เก่าแก่มากกว่าก็มักจะพบได้ในฮาโลส่วนนอกของทางช้างเผือกซึ่งเป็นเมฆของดาวขนาดมหึมาแต่อยู่กันอย่างกระจัดกระจายตัวมากล้อมรอบทางช้างเผือกไว้ แต่เนื่องจากกาแลคซีของเราสร้างตัวขึ้นจากภายในออกไปข้างนอก การพบการควบรวมที่เกิดขึ้นแรกเริ่มที่สุดจึงต้องพิจารณาไปที่ส่วนตรงกลางที่สุดของฮาโลทางช้างเผือก ซึ่งก็ฝังตัวอยู่ภายในดิสก์และส่วนป่องที่ใจกลาง(central bulge)

     ดาวที่เดิมเคยอยู่กับเฮราเคิลมีอยู่ราวหนึ่งในสามของมวลฮาโลทางช้างเผือกทั้งหมดในปัจจุบัน ซึ่งหมายความว่า การชนโบราณที่เพิ่งค้นพบใหม่นี้จะต้องเป็นเหตุการณ์ใหญ่ในประวัติความเป็นมาของทางช้างเผือก นี่บอกว่ากาแลคซีของเราอาจจะไม่ปกติ เนื่องจากกาแลคซีกังหันขนาดใหญ่ที่คล้ายๆ กันเกือบทั้งหมดจะมีชีวิตในช่วงต้นที่สงบเงียบกว่านี้ ในฐานะบ้านของเรา ทางช้างเผือกได้กลายเป็นความพิเศษไปแล้ว แต่กาแลคซีโบราณที่ฝังตัวอยู่แห่งนี้ก็ยิ่งทำให้มันมีความพิเศษมากขึ้น Schiavon กล่าว

     Karen Masters โฆษกของ SDSS-IV ให้ความเห็นว่า APOGEE เป็นหนึ่งในการสำรวจเรือธงในช่วงที่สี่ของ SDSS และผลสรุปนี้ก็เป็นตัวอย่างของวิทยาศาสตร์ที่น่าอัศจรรย์ที่ใครๆ ก็ทำได้ ขณะนี้เราใกล้จะเสร็จสิ้นปฏิบัติการที่ยาวนานสิบปีแล้ว แต่ยุคสมัยแห่งการค้นพบก็จะไม่จบลงเมื่อการสำรวจ APOGEE สำเร็จลง ช่วงที่ห้าของ SDSS ได้เริ่มเก็บข้อมูลแล้ว และนักทำแผนที่ทางช้างเผือกนี้ก็จะดำเนินรอยตามความสำเร็จของ APOGEE ในการตรวจสอบสเปคตรัมของดาวในทุกๆ ส่วนของทางช้างเผือกมากขึ้นเป็นสิบเท่า โดยใช้แสงช่วงอินฟราเรดใกล้, ช่วงตาเห็น และอาจจะรวมทั้งสองช่วง

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : stellar fossils reveal the “Kraken” in the Milky Way’s past
                space.com : newfound “Kraken merger” may have been the biggest collision in Milky Way’s history
                sciencealert.com : “family tree” of the Milky Way reveals the fate of the mysterious Kraken galaxy
                 phys.org : astronomers discover new “fossil galaxy” buried deep within the Milky Way