กาแลคซีที่อยู่ห่างไกลที่สุด (และการปะทุรังสีแกมมาจากมัน)

 

การสำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ในโครงการ GOODS North Survey ได้พบกาแลคซีแห่งหนึ่งที่อยู่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมาที่ เรดชิพท์ 11 

     ในเดือนมีนาคม 2016 นักดาราศาสตร์ได้พบกาแลคซีแห่งหนึ่งซึ่งเรียกว่า GN-z11 ว่าอยู่ห่างไกลมากกว่า(และจึงเก่าแก่มากกว่า) กาแลคซีใดๆ ที่เคยพบมา แสงจากกาแลคซีที่โตเต็มวัยแห่งนี้มีกำเนิดเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 420 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น เมื่อทางช้างเผือกของเราก็ยังคงอยู่ในระหว่างก่อร่างสร้างตัว

    การสำรวจติดตามผลที่รายงานใน Nature Astronomy ทีมนักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์เคก 1 ได้ตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีแห่งนี้ยืนยันระยะทางที่สุดขั้วของมัน ซึ่งห่างไกลจนน่าจะอยู่ที่ขอบของเอกภพที่สังเกตการณ์ได้(observable universe) เลย ทีมหวังว่าการศึกษานี้จะช่วยเปิดมุมใหม่สู่ช่วงเวลาในความเป็นมาของเอกภพเมื่อเอกภพมีอายุเพียงไม่กี่ร้อยล้านปีเท่านั้น

     Nobunari Kashikawa จากแผนกดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว กล่าวว่า จากการศึกษาก่อนหน้านี้ GN-z11 ดูเหมือนจะเป็นกาแลคซีที่ไกลที่สุดเท่าที่เราจะสามารถสำรวจได้ คือที่ 13.4 พันล้านปีแสง แต่การตรวจสอบและชี้ชัดระยะทางดังกล่าวไม่ใช่เรื่องง่ายเลย Kashikawa และทีมตรวจสิบสิ่งที่เรียกว่า เรดชิพท์(redshift) ของกาแลคซี ซึ่งเป็นค่าที่บอกว่าแสงถูกยืดไปมากแค่ไหน คือยิ่งมีสีแดงมากขึ้น มันก็ยิ่งเดินทางมาไกล

การตรวจสอบกาแลคซีที่กำลังก่อตัวดาวฤกษ์ใหม่ๆ มักจะเปล่งแสงอุลตราไวโอเลต(uv) ที่รุนแรง แต่ถ้ามีกลุ่มเมฆรอบๆ พื้นที่ก่อตัว ก็จะเกิดแสงดร๊อปในช่วงความยาวคลื่นที่สูงขึ้น(Lyman break) ของอุลตราไวโอเลตได้ ซึ่งดร๊อปนี้ก็สามารถสำรวจพบจากกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลมากๆ แต่เนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ ทำให้การดร๊อปซึ่งเกิดในช่วงความยาวคลื่นอุลตราไวโอเลต ถูกยืดออกไปจนเป็นอินฟราเรด

     สัญญาณเคมีที่จำเพาะซึ่งเรียกว่า เส้นเปล่งคลื่น จะแสดงร่องรอยที่โดดเด่นในแสงจากวัตถุไกลโพ้น ด้วยการตรวจสอบว่าสัญญาณโดดเด่นเหล่านี้ยืดไปแค่ไหน นักดาราศาสตร์ก็สามารถระบุได้ว่าแสงเดินทางมาไกลแค่ไหน ก็จะบอกระยะทางสู่กาแลคซีเป้าหมาย เราพิจารณาแสงอุลตราไวโอเลตเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นสเปคตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่เราคาดว่าจะได้เห็นสัญญาณสารเคมีที่เกิดเรดชิพท์ Kashikawa กล่าว กล้องฮับเบิลตรวจพบสัญญาณนี้ในสเปคตรัม GN-z11 หลายรอบ อย่างไรก็ตาม แม้แต่ด้วยฮับเบิลก็ไม่สามารถแสดงเส้นเปล่งคลื่นอุลตราไวโอเลตในระดับที่เราต้องการได้ ดังนั้น เราจึงต้องหันไปหาสเปคโตรกราฟภาคพื้นดินที่ทันสมัยกว่าชิ้นหนึ่งซึ่งเรียกว่า MOSFIRE ที่ติดตั้งบนเคก 1 ในฮาวาย

     MOSFIRE ได้จับเส้นเปล่งคลื่นจาก GN-z11 ในรายละเอียด ซึ่งช่วยให้ทีมได้ประเมินระยะทางได้ดีขึ้นมาก ซึ่งปรับปรุงความเที่ยงตรงของค่าเรดชิพท์(z value) เพิ่มขึ้นถึงร้อยเท่า

     นอกจากจะทราบระยะทางที่แน่ชัดแล้ว ทีมยังพบบางสิ่งที่ไม่คาดคิดด้วยซึ่งรายงานในการศึกษาชิ้นที่สองเผยแพร่ในวารสารเดียวกัน ตลอดช่วง 5 ชั่วโมงที่ทำการสำรวจด้วยเคก นักดาราศาสตร์ได้สำรวจพบแสงอุลตราไวโอเลตจ้าที่พุ่งสูงขึ้นหลายร้อยเท่าเป็นช่วงเวลาสั้นๆ จาก GN-z11 Linhua Jiang ผู้นำการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเป่ยจิง ประเทศจีน กล่าวว่า เราสังเกตว่าภาพหนึ่งในนั้นมีการปะทุที่สว่างในตำแหน่งเดียวกับกาแลคซีพอดี มันเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจเนื่องจากวัตถุนี้สลัวอย่างมาก หนทางเดียวที่เราจะได้มันก็คือเราเจอมันพอดี และอีกไม่กี่นาทีต่อมา มันก็หายไป

     Jiang และเพื่อนร่วมงานบอกว่าแสงจ้ายูวีที่คาดไม่ถึงนี้อาจจะเป็นแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) ของการปะทุรังสีแกมมา(gamma-ray burst; GRB) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวที่มีมวลสูงมากๆ ยุบตัวลง ก่อนหน้านี้ GRB ที่มีอายุน้อยที่สุดเป็นเหตุการณ์ที่เกิดย้อนกลับไปได้ที่ 520 ล้านปีแสงหลังบิ๊กแบง เหตุการณ์ที่อายุน้อยมากๆ จะอยู่นอกเหนือข่ายการล่า GRB ของดาวเทียมอย่างหอสังเกตการณ์สวิฟท์และกล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีแกมมาเฟอร์มีของนาซา

Gamma-ray burst 

     ก็เป็นไปได้ที่แสงจ้านี้แท้จริงแล้วจะไม่ได้มีกำเนิดจาก GN-z11 เลย มันอาจจะมาจากบางสิ่งที่ผ่านระหว่างโลกกับกาแลคซีแห่งนี้ในเวลาเดียวกันนั้นโดยบังเอิญ ทีมจึงหาตัวการที่เป็นไปได้ทั้งหมดทั้ง ดาวเทียม, ดาวเคราะห์น้อย, การลุกจ้าของดาว(stellar flares) แม้แต่ GRB ที่เกิดขึ้นในกาแลคซีที่ใกล้กว่า ในที่สุด การคำนวณก็บอกว่าไม่น่าเป็นไปได้อย่างสูงที่แสงจ้าจะมีกำเนิดจากแห่งอื่นๆ นอกเหนือจาก GN-z11

     และสำหรับแหล่งการปะทุ นักวิจัยสามารถกำจัดซุปเปอร์โนวาหรือเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วง(tidal disruption event) จากหลุมดำทิ้งได้เลย ซึ่งแสงจากเหตุการณ์เหล่านั้นจะอยู่นานหลายวัน และสิ่งที่ทีมได้เห็นก็โผล่มาและหายไปในเวลาไม่ถึงสามนาที พูดอีกอย่างว่า สเปคตรัม, ความสว่าง และระยะเวลาที่เกิดเหตุการณ์ชั่วคราวนี้ ทั้งหมดสอดคล้องกับการปะทุรังสีแกมมา

     เนื่องจากการปะทุรังสีแกมมาน่าจะพบได้ยากมากๆ Jiang กล่าวว่า ความเป็นไปได้ที่จะตรวจจับการปะทุรังสีแกมมา(ในกาแลคซีแห่งหนึ่งๆ) นั้นแทบจะเป็นศูนย์ ถ้าคุณสำรวจกาแลคซีหนึ่งเป็นเวลา 1 ล้านปี ก็อาจจะได้พบ GRB เพียงสองหรือสามเหตุการณ์เท่านั้น นี่จึงเป็นเหตุผลที่น่าประหลาดใจอย่างมาก อย่างไรก็ตาม ความสว่างและความยาวนานของเหตุการณ์ก็ชี้ไปที่การปะทุรังสีแกมมา และมันอาจจะพบได้บ่อยกว่าจากยุคเวลาดังกล่าว เราอาจจะโชคดีมากๆ หรือไม่ก็ อัตราการปะทุรังสีแกมมา(ในยุคนั้น) สูงกว่าที่เราคาดไว้ Jiang กล่าว

(บน) ลูกศรชี้กาแลคซีที่ไกลโพ้นที่สุดในเอกภพ (ล่าง) เส้นเปล่งคลื่นจากคาร์บอนที่สำรวจพบในช่วงอินฟราเรด เมื่อมันออกจากกาแลคซี สัญญาณสเปคตรัมนี้เคยอยู่ในช่วงอุลตราไวโอเลตที่ 0.2 ไมครอน แต่เกิดเรดชิพท์และยืดออกไปมากกว่าสิบเท่าจนถึง 2.28 ไมครอน สเปคตรัมของ GN-z11 แสดงการเปล่งคลื่นจากคาร์บอนไอออน ซึ่งเป็นธาตุที่ไม่ควรจะมีอยู่นอกจากว่าดาวฤกษ์รุ่นก่อนหน้านั้นได้หลอมมันขึ้นมาในแกนกลางแล้ว สเปคตรัมคาร์บอนจะปรากฏในช่วงความยาวคลื่นอุลตราไวโอเลต แต่มันจะถูกยืดจากเอกภพที่กำลังขยายตัว จนเคกสำรวจมันไว้ในช่วงอินฟราเรด

     Peter Meszaros จากมหาวิทยาลัยเพนน์สเตท ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ เห็นด้วยว่าสเปคตรัมที่เห็นเป็นสิ่งที่คาดไว้จาก GRB นี่อาจจะเป็นการค้นพบที่สำคัญมากๆ เขากล่าว เมื่อคิดกันว่าการปะทุรังสีแกมมาเกิดขึ้นจากการยุบตัวจากดาวมวลสูงมาก และจากที่ GN-z11 นั้นปรากฏอยู่หลังจากบิ๊กแบงไม่นานนัก ก็คิดได้ว่า GRB จากยุคต้นเช่นนั้นน่าจะแสดงถึงการดับของหนึ่งในดาวรุ่นแรกสุดที่เรียกว่า ประชากรกลุ่ม 3(Population III stars) Bing Zhang สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยเนวาดา ลาสเวกัส กล่าวว่า แต่สิ่งที่น่าสนใจอย่างแท้จริงก็คือ เราได้เห็นเส้นเปล่งคลื่นจากคาร์บอนที่รุนแรง ซึ่งหมายความว่ามันเป็นดาวรุ่นที่สอง หมายเหตุ ประชากรกลุ่มสามซึ่งเป็นดาวรุ่นแรกสุดที่ก่อตัวในเอกภพ ควรจะประกอบด้วย ไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด ธาตุที่หนักกว่าอย่าง คาร์บอน จะถูกหลอมขึ้นภายในแกนกลางของดาวและกระจายออกเมื่อดาวระเบิด

     โชคร้ายที่การสำรวจในช่วงอุลตราไวโอเลตเพียงลำพัง ไม่เพียงพอที่จะจำแนกว่าแสงจ้านั้นเป็นการปะทุรังสีแกมมาอย่างแน่นอนหรือไม่ โอกาสที่กล้องโทรทรรศน์อื่นๆ จะมองไปที่ส่วนเดียวกันบนท้องฟ้าในเวลาเดียวกันนั้นก็มีน้อยมากๆ การค้นพบนี้ซึ่งนอกเหนือจากที่ผลักดันขีดจำกัดความสามารถในการตรวจจับ ยืนยันอายุของ GN-z11 และให้หลักฐานประชากรกลุ่มสองในช่วงเวลาเพียง 4 ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง การค้นพบนี้ยังแง้มให้เห็นอนาคตที่น่าตื่นเต้นด้วย เมื่อเครื่องมือรุ่นต่อไปอย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ น่าจะตรวจสอบวัตถุเรดชิพท์สูงยิ่งขึ้นได้ หรือบางทีอาจจะสามารถพบประชากรดาวกลุ่ม 3 แต่กว่าจะถึงเวลานั้น ความทะเยอทะยานเพื่อตรวจสอบยุคอรุณรุ่งแห่งเอกภพก็ยังคงต้องเก็บงำได้

แหล่งข่าว phys.org : the farthest galaxy in the universe
                skyandtelescope.com : astronomers find most distant gamma-ray burst yet
                newscientist.com : we may have seen a huge explosion on the oldest galaxy in the universe