แขนกังหันท้องถิ่นอาจจะใหญ่กว่าที่คิด

 

คุณสมบัติทางกายภาพของทางช้างเผือก

  แผนที่ทางช้างเผือกอันใหม่ได้บอกว่าแขนท้องถิ่นที่เราเรียกว่าบ้านนั้นมีความยาวมากกว่าที่คาดไว้ ขณะนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นรายละเอียดใบกังหันหลัก(ไม่ใช่แค่แขน) ได้แล้ว

     คนโบราณเฝ้ามองทางช้างเผือกมาหลายพันปี แต่ก็จนกระทั่งกลางศตวรรษที่ 20 ที่เราได้พบว่าเราอาศัยอยู่ในกาแลคซีที่มีรูปร่างกังหัน(spiral) แต่ในขณะที่นักดาราศาสตร์เห็นพ้องกันว่ากาแลคซีกังหันของเรานั้นมีแขนกังหันหลัก 4 แขน แต่สภาพจริงๆ เป็นเช่นไรก็ยังเป็นคำถามอยู่ นั้นรวมถึง แขนท้องถิ่น(Local arm) ที่เราเรียกว่าบ้านว่าอาจจะไม่ใช่แขนกังหันแต่อย่างใดเลย

      การศึกษาล่าสุด 2 งานจากการเผยแพร่ข้อมูลครั้งล่าสุด(Early Data Release 3) จากปฏิบัติการไกอา ได้บอกว่ากังหันส่วนที่เราอยู่ อาจจะไม่ใช่เขตชานเมืองอย่างที่เคยคิดไว้ แขนท้องถิ่นได้ถูกปรับขึ้นมาเป็นรายละเอียดแขนกังหันหลักในแผนที่ฉบับใหม่นี้ ซึ่งเผยแพร่ใน Astronomy & Astrophysics และโพสในเวบ arXiv ตามลำดับ

     การตรวจสอบรายละเอียดโครงสร้างกาแลคซีเป็นเรื่องยากเนื่องจากเรากำลังทำแผนที่กาแลคซีของเราจากภายใน ซึ่งก็เหมือนกับการพยายามบอกว่าเครื่องบินที่คุณโดยสารอยู่เป็นแบบไหน โดยมองผ่านหน้าต่างแคบๆ ไม่ใช่แค่มุมมองแบบตาเหยี่ยวจะเป็นเรื่องที่แทบจะเป็นไปไม่ได้ ก็ยังมีวัสดุสารในอวกาศที่ปิดกั้นแสงด้วย

     แม้แต่จะมีข้อจำกัดมากมายเช่นนี้ ก็ขึ้นอยู่กับว่าเราจะหาวิธีมองกาแลคซีของเราอย่างไร การศึกษาบางอย่างได้ตรวจสอบการเปล่งคลื่นวิทยุที่ 21 เซนติเมตรจากก๊าซไฮโดรเจนที่มีอยู่ทั่วกาแลคซี ซึ่งก๊าซไฮโดรเจนเป็นวัตถุดิบสำหรับการก่อตัวดาวฤกษ์ใหม่ๆ การศึกษางานอื่นๆ ยังได้ทำแผนที่ก๊าซไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนจากการเปล่งคลื่นอุลตราไวโอเลตรุนแรงจากดาวที่เพิ่งเกิดใหม่ การศึกษาบางงานก็พิจารณาเมเซอร์วิทยุ(radio masers) ซึ่งตามรอยการกระแทกที่ผลักดันโดยลมดวงดาว(stellar winds) จากดาวอายุน้อย

ภาพจากศิลปินแสดงกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา แต่การศึกษาเมื่อเร็วๆ นี้ได้บอกว่าแขนท้องถิ่น(Local Arm หรือ Orion Arm) น่าจะยาวกว่าที่แสดงไว้ในภาพนี้

     นักดาราศาสตร์ได้ใช้วิธีการทั้งหมดเหล่านี้เพื่อตามรอยแหล่งอนุบาลดาวฤกษ์ ซึ่งพบได้ตามแนวแขนกังหันในกาแลคซีอื่นๆ และสันนิษฐานว่าแขนกังหันของทางช้างเผือกก็น่าจะมี แต่ก็เหมือนกรณีคนตาบอดคลำช้าง การศึกษาให้ความยาวและมุมของแขนต่างๆ ที่แตกต่างกัน ธรรมชาติของแขนท้องถิ่นยังขึ้นอยู่กับเทคนิคที่ใช้ตรวจสอบมันด้วย แต่ด้วยความช่วยเหลือของไกอา ซึ่งทำแผนที่และการเคลื่อนที่ของดาวพันล้านดวงอย่างแม่นยำ แผนที่ทางช้างเผือกจึงเกิดความก้าวหน้าแบบยุคฟื้นฟูศิลปะ(renaissance)

     ในช่วงไม่กี่เดือนล่าสุด ทีมอิสระ 2 ทีมได้เริ่มระบุโครงสร้างแขนกังหันท้องถิ่น ทีมหนึ่งนำโดย Ye Xu จากหอสังเกตการณ์ภูเขาม่วง ในจีน และอีกทีมนำโดย Eloisa Poggio จากมหาวิทยาลัย โค้ตดาซูร์ ฝรั่งเศส Xu และเพื่อนร่วมงานใช้ข้อมูลการเผยแพร่ครั้งล่าสุดจากไกอาเพื่อเลือกดาวฤกษ์เกือบหนึ่งหมื่นดวงที่มีชนิดสเปคตรัม O จนถึง B2 ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ที่สว่างเจิดจ้ามาก ซึ่งมีอายุมากที่สุดไม่เกิน 20 ล้านปี และจึงยังอยู่ไม่ไกลจากที่ๆ พวกมันเกิดในแขนกังหัน

     ในขณะเดียวกัน Poggio และเพื่อนร่วมงานของเธอทำแผนที่ดาววิถีหลัก(main-sequence stars) มวลสูงสุดมากกว่า 750,000 ดวง, กระจุกดาวที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่เกือบ 700 แห่ง และดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิดส์(Cepheid variables) อายุน้อยเกือบ 2000 ดวงซึ่งเป็นดาวยักษ์ที่หดพอง(pulsating) ที่ทราบระยะทางแน่นอน ทีมนี้ยังทำงานกับวัตถุมากกว่าและได้ค่าทางสถิติที่ดีกว่า แต่ดาวและกลุ่มของดาว ก็ดูจะมีอายุมากกว่า(แม้ว่าจะไม่ถึง 1 ร้อยล้านปี) ซึ่งจะมีเวลาหนีออกจากแขนกังหันที่พวกมันกำเนิดขึ้นมากกว่า จึงให้ภาพโครงสร้างกังหันที่รางเลือนมากกว่า

     แม้จะมีความแตกต่าง แต่การศึกษาทั้งสองงานก็พบว่าแขนท้องถิ่นนั้นมีความยาวมากกว่าที่คาดไว้ ระหว่าง 23000 ถึง 26000 ปีแสง การค้นพบยังปรับแขนท้องถิ่นให้เป็นแขนกังหันหลัก เพียงแค่ไม่ใช่แขนที่ยาวเต็มที่ แต่ทีมทั้งสองยังคงไม่เห็นพ้องกันเรื่องลักษณะของแขนท้องถิ่นนี้ ในขณะที่ทีม Xu พบว่าแขนอาจจะบิด, หมุนเข้าข้างใน แต่แผนที่โดยทีม Poggio ได้แสดงว่ามันเป็นเส้นที่เกือบตรง

     แขนท้องถิ่นอาจจะมีช่องว่างขนาดใหญ่ด้วย ซึ่งทำให้มันยากที่จะจำแนกส่วนต่างๆ ที่จัดอยู่ในแขนท้องถิ่นนี้ Mark Reid จากศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าว แขนกังหันไม่ได้มีมุมพิทช์(pitch angle; มุมที่ใบพัดเอียงเมื่อเทียบกับระนาบการหมุน) คงที่เพียงหนึ่งเดียว เขาอธิบาย กลับดูเป็นว่าพวกมันก่อตัวขึ้นจากชิ้นส่วนที่มีมุมพิทช์ที่แตกต่างกัน

โครงสร้างกังหันของทางช้างเผือกใกล้ดวงอาทิตย์นั้นแบ่งได้เป็นรายละเอียดกังหัน 4 แห่ง(จากส่วนในกาแลคซีออกไปข้างนอก) ได้แก่ แขนกลุ่มดาวโล่-คนครึ่งม้า(Scutum-Centaurus Arm; สีเขียว), แขนกลุ่มดาวคนยิงธนู-กระดูกงูเรือ(Sagittarius-Carina Arm; สีม่วง), แขนท้องถิ่น(Local Arm; สีฟ้า) และแขนกลุ่มดาวเพอร์ซีอุส(Perseus Arm; สีดำ) เมเซอร์วิทยุ(สามเหลี่ยม) ตามรอยแขนได้เกือบทั้งหมดเนื่องจากอายุที่น้อยของพวกมัน แต่เมเซอร์ก็ครอบคลุมเพื่อหนึ่งในสามของทางช้างเผือก ทีมของ Xu จึงหันไปหาดาวฤกษ์มวลสูงชนิด O และ B(สีแดง) เพื่อเติมข้อมูลจนพบว่าแขนท้องถิ่นมีความยาวมากกว่าที่คาดไว้ ในข้อมูลของทีม แขนท้องถิ่นดูเหมือนจะบิดหักเข้ามาทางด้านซ้าย

     นักดาราศาสตร์คิดกันมานานแล้วว่า แขนกังหันก่อตัวขึ้นผ่านคลื่นความหนาแน่น(density waves) ที่ซึ่งดาวที่โคจรรอบใจกลางกาแลคซีสะสมจนเกิดจราจรติดขัดด้วยรูปแบบกังหัน ในขณะที่ดาวหลายดวงก่อตัวขึ้นในการจราจรติดขัดนี้ แต่สุดท้ายพวกมันก็จะเคลื่อนผ่านไปได้ แต่ส่วนที่มีการจราจรติดขัดนี้ก็ยังคงอยู่กับที่

     อย่างไรก็ตาม รูปร่างที่ขรุขระของแขนกังหันทางช้างเผือก ซึ่งรวมถึงสภาพเป็นชิ้นส่วนของแขนท้องถิ่นด้วย อาจจะชี้ไปถึงเรื่องราวที่แตกต่างออกไป โดยกลุ่มของดาวได้ก่อตัวขึ้นและจากนั้นก็กระจายออกเป็นชิ้นส่วนแขน ชิ้นส่วนเหล่านั้นก็มาอยู่ร่วมกันก่อตัวเป็นแขนที่ยาวขึ้น แต่ก็ไม่สามารถรักษารูปร่างกังหันที่แท้จริงไปได้ตลอด

     กลไกเดียวกันนี้อาจจะไม่ได้เกิดขึ้นในทุกที่ สำหรับกาแลคซีกังหัน แบบแกรนด์ดีไซน์(grand-design) ที่มีแขนกังหันชัดเจน 2 แห่ง ยังอาจจะมีกำเนิดจากการจราจรติดขัดอยู่ แต่หลักฐานก็บอกว่าทางช้างเผือกไม่ได้เป็นชนิดแกรนด์ดีไซน์แต่อย่างใด

     เมื่อปฏิบัติการไกอายังคงนำส่งการตรวจสอบตำแหน่งดาวในกาแลคซีของเราที่แม่นยำเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะพวกที่มีอายุน้อยกว่าและสลัวกว่า(และยังอยู่ห่างไกลกว่า) ด้วย นักดาราศาสตร์ก็จะสามารถยืนยันรายละเอียดของแขนที่เราอาศัยอยู่นี้ เช่นเดียวกับแขนอื่นๆ ในทางช้างเผือก

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : The Milky Way’s Local Arm is longer than we thought