กาแลคซีโบราณที่กำลังหมุนรอบตัว

 

     ด้วยการใช้ ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) นักดาราศาสตร์ได้พบกาแลคซีทารกที่กำลังหมุนรอบตัวแห่งหนึ่ง ซึ่งมีขนาดเพียงหนึ่งในร้อยส่วนของทางช้างเผือก ในช่วงเวลาเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 7% ของอายุปัจจุบันเท่านั้น

     ต้องขอบคุณความช่วยเหลือจากปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ทีมก็สามารถสำรวจธรรมชาติของ “กาแลคซีปกติ” ที่เล็กและมืดในเอกภพยุคต้นได้เป็นครั้งแรก ซึ่งน่าจะเป็นตัวแทนประชากรหลักของกาแลคซีแห่งแรกๆ ซึ่งน่าจะพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสภาวะต้นๆ ของวิวัฒนาการกาแลคซีไปได้อย่างมาก Nicolas Laporte จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กล่าวว่า กาแลคซีหลายแห่งที่ปรากฏในเอกภพยุคต้นนั้นมีขนาดเล็กมากจนความสว่างของพวกมันอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดของกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันบนโลกและในอวกาศ ทำให้ยากที่จะศึกษาคุณสมบัติและโครงสร้างภายในของพวกมันได้ อย่างไรก็ตาม แสงที่มาจากกาแลคซีที่เรียกว่า RXCJ0600-z6 นั้นถูกขยายแสงอย่างรุนแรงโดยเลนส์ความโน้มถ่วง ทำให้มันเป็นเป้าหมายในอุดมคติสำหรับการศึกษาคุณสมบัติและโครงสร้างของกาแลคซีทารกทั่วไป(ในเอกภพยุคต้น) ได้

     เลนส์ความโน้มถ่วงเป็นปรากฏการณ์ประหลาดตามธรรมชาติซึ่งแสงที่เปล่งออกจากวัตถุที่ไกลโพ้นถูกบิดโดยแรงโน้มถ่วงของวัตถุมวลสูงเช่น กาแลคซีหรือกระจุกกาแลคซี ที่อยู่ในพื้นหน้า เลนส์ความโน้มถ่วงได้ชื่อเช่นนี้จากความจริงที่ว่าแรงโน้มถ่วงของวัตถุมวลสูงทำหน้าที่เสมือนเป็นเลนส์ เมื่อเรามองผ่านเลนส์ความโน้มถ่วง แสงจากวัตถุที่ห่างไกลจะถูกขยายและรูปร่างของพวกมันก็ยืดออก พูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ มันเป็นกล้องโทรทรรศน์ตามธรรมชาติที่กำลังลอยอยู่ในอวกาศ

     ทีม ALCS(ALMA Lensing Cluster Survey) ใช้ ALMA เพื่อสำรวจหากาแลคซีจำนวนมากในเอกภพยุคต้นซึ่งถูกขยายโดยเลนส์ความโน้มถ่วง ด้วยการรวมพลังของ ALMA กับกล้องโทรทรรศน์ตามธรรมชาติ นักวิจัยก็สามารถค้นหาและศึกษากาแลคซีที่สลัวได้

กาแลคซี RXCJ0600-z6 ถูกขยายแสงด้วยเลนส์ความโน้มถ่วง(จุดแสงระบุด้วยกากบาทสีแดงทางซ้าย) 

     การสำรวจกาแลคซีที่สลัวที่สุดในเอกภพยุคต้นมีความสำคัญอย่างไร ทฤษฎีและแบบจำลองเสมือนจริงได้ทำนายว่ากาแลคซีส่วนใหญ่ที่ก่อตัวในช่วงไม่กี่ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบงนั้นจะมีขนาดเล็กและจึงสลัวด้วย แม้ว่าจะเคยมีการสำรวจกาแลคซีหลายแห่งในเอกภพยุคต้นมาก่อนหน้านี้ แต่การศึกษาเหล่านั้นก็ถูกจำกัดแค่เพียงวัตถุที่มีมวลสูงที่สุดเท่านั้น และจึงไม่อาจเป็นตัวแทนของประชากรกาแลคซีหลักๆ ในเอกภพยุคต้นได้ หนทางเดียวที่จะเข้าใจการก่อตัวมาตรฐานของกาแลคซีแห่งแรกๆ และได้ภาพการก่อตัวกาแลคซีที่ครบถ้วน ก็คือการมุ่งเป้าไปที่กาแลคซีที่สลัวกว่าแต่มีจำนวนมากกว่าแทน

     ทีม ALCS ได้ทำโครงการสำรวจขนาดใหญ่ที่ใช้เวลา 95 ชั่วโมงซึ่งยาวนานมากสำหรับการสำรวจด้วย ALMA เพื่อสำรวจพื้นที่ใจกลางกระจุกกาแลคซี 33 แห่งที่น่าจะเป็นสาเหตุให้เกิดปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงได้ กระจุกแห่งหนึ่งในนี้ที่เรียกว่า RXCJ0600-2007 อยู่ในทิศทางของกลุ่มดาว (Lepus) และมีมวล 1 พันล้านล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ทีมได้พบกาแลคซีห่างไกลแห่งหนึ่งที่กำลังได้รับผลกระทบจากเลนส์ความโน้มถ่วงโดยกล้องโทรทรรศน์ตามธรรมชาติแห่งนี้ ALMA ตรวจจับแสงจากไอออนคาร์บอนและฝุ่นในกาแลคซี และเพื่อรวมกับข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์เจมิไน ก็ตรวจสอบได้ว่ากาแลคซีแห่งนี้ถูกพบเมื่อช่วงเวลา 9 ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง(หรือ 12.9 พันล้านปีก่อน) การวิเคราะห์ข้อมูลในเวลาต่อมา ได้บอกว่าแหล่งแสงนี้ส่วนหนึ่งถูกขยายแสงถึง 160 เท่าของความสว่างที่แท้จริง

     ด้วยการตรวจสอบการกระจายมวลของกระจุกอย่างแม่นยำ ก็เป็นไปได้ที่จะลบผลจากเลนส์ความโน้มถ่วง และหารูปลักษณ์เดิมของวัตถุที่ถูกขยายแสงได้ ด้วยการรวมข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) กับแบบจำลองทางทฤษฎี ทีมก็ประสบความสำเร็จในการสร้างภาพรูปร่างเดิมของกาแลคซี RXCJ0600-z6 ขึ้นมาได้ มวลรวมของกาแลคซีแห่งนี้ที่ประมาณ 2 หรือ 3 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งประมาณหนึ่งในร้อยของทางช้างเผือกของเรา

     สิ่งที่สร้างความประทับใจให้กับทีมก็คือ RXCJ0600-z6 กำลังหมุนรอบตัว โดยปกติ คิดกันว่าก๊าซในกาแลคซีอายุน้อยจะมีการเคลื่อนที่แบบสุ่มที่วุ่นวาย เพิ่งจะเมื่อไม่นานมานี้ที่ ALMA ได้พบกาแลคซีอายุน้อยที่กำลังหมุนรอบตัวหลายแห่ง ซึ่งท้าทายกรอบทฤษฎีเดิมๆ แต่พวกมันก็ถูกขยายแสงจนสว่างกว่า RXCJ0600-z6 หลายเท่า Kotaro Kohno ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยโตเกียว และผู้นำทีม ALCS กล่าวว่า การศึกษาของเราได้แสดงว่าเราสามารถตรวจสอบการเคลื่อนที่ภายในของกาแลคซีที่สลัว(และมีมวลต่ำ) เช่นนี้ในเอกภพยุคต้นได้โดยตรงเป็นครั้งแรก และเปรียบเทียบมันกับการทำนายทางทฤษฎีได้

      ความจริงที่ว่า RXCJ0600-z6 ถูกขยายแสงอย่างรุนแรงยังเพิ่มความคาดหวังให้กับงานวิจัยในอนาคต Seiji Fujimoto จากสถาบันนีลบอห์ร อธิบาย กาแลคซีแห่งนี้ถูกเลือกจากกาแลคซีหลายร้อยแห่ง ให้ถูกสำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นต่อไปที่จะส่งออกในเดือนตุลาคมนี้ จากการสำรวจร่วมระหว่าง ALMA และเวบบ์ เราจะเผยให้เห็นคุณสมบัติของก๊าซและดาวในกาแลคซีอายุน้อยและการเคลื่อนที่ภายในของมันได้ เมื่อกล้องโทรทรรศน์สามสิบเมตร(Thirty Meter Telescope) และกล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope) สร้างเสร็จ พวกมันก็อาจจะตรวจจับกระจุกดาวในกาแลคซีนี้ได้ และอาจจะแม้แต่เห็นดาวเป็นดวงๆ ได้ มีตัวอย่างเลนส์ความโน้มถ่วงที่จะถูกใช้เพื่อสำรวจดาวเดี่ยวดวงหนึ่ง ที่ห่างออกไป 9.5 พันล้านปีแสง และงานวิจัยนี้ก็มีศักยภาพในการขยายสู่ดาวที่ปรากฏในช่วงไม่ถึงหนึ่งพันล้านปีแรกหลังจากเอกภพถือกำเนิดขึ้นมา

     ผลสรุปจากการสำรวจเผยแพร่ใน Seiji Fujimoto et al. “ALMA Lensing Cluster Survey: Bright[CII] 158 µm Lines from Multiply Imaged Sub-L* Galaxy at z=6.0719” ใน Astrophysical Journal วันที่ 22 เมษายน 2021 และ Nicolas Laporte et al. “ALMA Lensing Cluster Survey: a strong lensed multiply imaged dusty system at z>6” ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society วันที่ 22 เมษายน 2021

 

แหล่งข่าว spaceref.com : ALMA discovers rotating infant galaxy with help of natural cosmic telescope