กล้องฮับเบิลตามรอยการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว

 

 

    นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้ตามรอยตำแหน่งของการระเบิดคลื่นวิทยุที่รุนแรงเป็นช่วงสั้นๆ 5 เหตุการณ์ไปจนถึงแขนกังหันของกาแลคซีที่ห่างไกล 5 แห่ง

      การระเบิดที่เรียกว่า การปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio bursts; FRBs) เหตุการณ์ที่พิเศษเหล่านี้ได้สร้างคลื่นวิทยุพลังงานสูงในเวลาเพียงหนึ่งในพันส่วนของหนึ่งวินาที เท่ากับที่ดวงอาทิตย์ของเราผลิตถึงหนึ่งปี เนื่องจากจังหวะวิทยุชั่วคราวนี้จะหายไปในเวลาน้อยกว่ากะพริบตา(ในระดับมิลลิวินาที) และมักจะปรากฏไม่ซ้ำที่ นักวิจัยจึงพบกับความยุ่งยากในการตามรอยสู่ตำแหน่งที่เกิด จึงบอกไม่ได้มากนักว่าวัตถุชนิดใดที่สร้างเหตุการณ์เหล่านี้ขึ้น

     การระบุว่าการปะทุเหล่านี้มาจากไหน และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง กาแลคซีใดที่ให้กำเนิดพวกมันนั้นมีความสำคัญในการตรวจสอบว่าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ชนิดใดที่สร้างการลุกจ้าที่มีพลังงานรุนแรงเช่นนี้ แต่การสำรวจใหม่ของกล้องฮับเบิลกับ FRBs 8 เหตุการณ์ได้ช่วยให้นักวิจัยตีวงแหล่งที่น่าจะสร้าง FRB ได้แคบลง

     FRB เหตุการณ์แรกถูกพบในข้อมูลในคลังที่บันทึกได้โดยหอสังเกตการณ์วิทยุปาร์คส์เมื่อวันที่ 24 กรกฎาคม 2001 นับแต่นั้นมา นักดาราศาสตร์ก็ได้พบ FRBs มากถึงพันเหตุการณ์ แต่พวกเขาก็สามารถเชื่อมโยงกลับไปถึงกาแลคซีต้นสังกัดได้เพียงราว 15 เหตุการณ์เท่านั้น Alexandra Mannings จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย(UC) ซานตาครูซ ผู้เขียนนำการศึกษา กล่าวว่า ผลสรุปของเรานั้นใหม่และน่าตื่นเต้น นี่เป็นภาพความละเอียดสูงงานแรกของประชากร FRBs กลุ่มหนึ่ง และฮับเบิลก็เผยให้เห็นว่าห้าเหตุการณ์ในกลุ่มนั้นเกิดขึ้นใกล้หรือบนแขนกังหันของกาแลคซีหนึ่งๆ กาแลคซีเกือบทั้งหมดมีขนาดใหญ่, อายุค่อนข้างน้อย และกำลังก่อตัวดาวอยู่ ภาพได้ช่วยให้เราได้แนวคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของกาแลคซีต้นสังกัดโดยรวม เช่น มวลของมัน และอัตราการก่อตัวดาว เช่นเดียวกับตรวจสอบสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่เกิด FRB เนื่องจากกล้องฮับเบิลมีความละเอียดที่สูงมาก

การตามล่าการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio bursts) ด้วยกล้องฮับเบิล ตามรอยการปะทุพลังงานดังกล่าว 4 เหตุการณ์ไปได้ถึงแขนกังหันของกาแลคซีที่ห่างไกล 4 แห่งดังแสดงในภาพ การปะทุมีชื่อตามบัญชี FRB 190741(ซ้ายบน), FRB 191001(ขวาบน), FRB 180924(ซ้ายล่าง) และ FRB 190608(ขวาล่าง) กาแลคซีอยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง ด้วยความช่วยเหลือจากสายตาที่คมกริบของฮับเบิล นักดาราศาสตร์สามารถระบุตำแหน่งการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(แสดงเป็นวงรีเส้นประ) บนแขนกังหันของกาแลคซีได้

     ในการศึกษาของฮับเบิล นักดาราศาสตร์ไม่เพียงแต่ระบุกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันได้ทั้งหมด พวกเขายังจำแนกลักษณะตำแหน่งที่ FRB ถือกำเนิดด้วย ฮับเบิลได้สำรวจหนึ่งในตำแหน่ง FRB ในปี 2017 และอีก 7 เหตุการณ์ในปี 2019 และ 2020 Wen-fai Fong สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น ในอิลลินอยส์ กล่าวว่า เราไม่ทราบว่าอะไรเป็นสาเหตุให้เกิด FRBs ดังนั้นมันจึงสำคัญอย่างยิ่งที่จะใช้บริบทที่เราได้มา เทคนิคนี้ใช้งานได้ดีมากในการจำแนกวัตถุต้นกำเนิดของเหตุการณ์ชั่วคราว(transient events) ชนิดอื่น เช่น ซุปเปอร์โนวาและการปะทุรังสีแกมมา ฮับเบิลมีบทบาทสำคัญในการศึกษาเหล่านั้นด้วยเช่นกัน  

      กาแลคซีในการศึกษาของฮับเบิลอยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง นักดาราศาสตร์จึงกำลังได้เห็นกาแลคซีเมื่อพวกมันเป็นเมื่อเอกภพมีอายุประมาณครึ่งหนึ่งของอายุปัจจุบัน หลายๆ แห่งมีขนาดใหญ่พอๆ กับทางช้างเผือก การสำรวจทำในช่วงอุลตราไวโอเลตและอินฟราเรดใกล้โดยกล้องมุมกว้าง 3(WFC3) ของฮับเบิล แสงอุลตราไวโอเลตตามรอยการเรืองสว่างจากดาวฤกษ์อายุน้อยที่พร่างพรายอยู่ตามแนวแขนที่หมุนเวียนของกาแลคซีกังหัน นักวิจัยใช้ภาพอินฟราเรดใกล้เพื่อคำนวณมวลของกาแลคซี และค้นหาว่าประชากรดาวอายุมากอยู่ในตำแหน่งใด

     ภาพที่ได้ได้แสดงความหลากหลายในโครงสร้างแขนกังหัน ตั้งแต่ห่ออย่างแนบชิดจนถึงแบบฝ้าจาง ซึ่งเผยให้เห็นว่าดาวกระจายตัวตามรายละเอียดที่โดดเด่นเหล่านี้อย่างไร แขนกังหันของกาแลคซีเป็นส่วนที่มีดาวมวลสูงอายุน้อยอยู่ อย่างไรก็ตาม ภาพจากฮับเบิลได้เผยให้เห็นว่า FRBs ที่พบใกล้แขนกังหันนั้นไม่ได้มาจากพื้นที่ส่วนที่สว่างที่สุด ซึ่งอาบด้วยแสงรุนแรงจากดาวอวบอ้วน ภาพยังช่วยสนับสนุนภาพที่ว่า FRBs ไม่น่าจะมีกำเนิดจากดาวมวลสูงสุดที่มีอายุน้อยที่สุด

นักดาราศาสตร์ใช้กล้องฮับเบิลตามรอย FRBs 2 เหตุการณ์จนถึงแขนกังหันของกาแลคซีสองแห่งที่แสดงในช่องบนและล่างของภาพนี้ การปะทุมีชื่อตามบัญชีว่า FRB 190714(แถวบน) และ FRB 180924(แถวล่าง) วงรีเส้นประในแต่ละภาพระบุตำแหน่งของการลุกจ้าคลื่นวิทยุ ภาพในแถวบนแสดงภาพฮับเบิลที่ถ่ายได้ แต่เพื่อที่จะศึกษาโครงสร้างกังหันของกาแลคซีในรายละเอียดที่สูงขึ้น นักวิจัยจึงต้องใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์แสงของดาวในกาแลคซี ทับลงบนภาพซ้าย จากนั้นก็ลบแสงดาวที่ราบเรียบกว่าและฝ้าจางกว่าออกจากแต่ละภาพ ภาพที่ได้ทางขวาสองภาพ จึงเผยให้เห็นแขนกังหันของกาแลคซีแต่ละแห่งได้ชัดเจนมากขึ้น ซึ่งยากที่จะเห็นในภาพเดิม

     เงื่อนงำเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยได้กำจัดความเป็นไปได้บางส่วนที่จะสร้างการลุกจ้าที่สว่างเหล่านี้ไปได้ ซึ่งรวมถึงการระเบิดดับชีวิตของดาวมวลสูงสุดอายุน้อยที่สุด ซึ่งสร้างการปะทุรังสีแกมมาและซุปเปอร์โนวาบางชนิดขึ้นมา แหล่งที่ไม่น่าเป็นไปได้อื่นก็คือ การควบรวมของดาวนิวตรอน(neutron stars) ซึ่งเป็นแกนกลางที่บีบอัดแน่นของดาวที่จบชีวิตในการระเบิดซุปเปอร์โนวา การควบรวมเหล่านี้ใช้เวลาหลายพันล้านปี และมักจะพบนอกแขนกังหันของกาแลคซีอายุมากซึ่งได้หยุดการก่อตัวดาวแล้ว

     อย่างไรก็ตาม ผลสรุปจากกล้องฮับเบิลนั้นสอดคล้องกับแบบจำลองนำที่บอกว่า FRBs มีกำเนิดจากการปะทุของดาวแม่เหล็ก(magnetar) อายุน้อย มักนีตาร์นั้นเป็นดาวนิวตรอนชนิดหนึ่งที่มีสนามแม่เหล็กที่ทรงพลังมาก พวกมันถูกเรียกว่าเป็นแม่เหล็กที่แรงที่สุดในเอกภพ โดยมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงกว่าแม่เหล็กประตูตู้เย็นถึง 10 ล้านล้านเท่า เมื่อปีที่แล้ว นักดาราศาสตร์ได้เชื่อมโยงการสำรวจ FRB เหตุการณ์หนึ่งในพบในทางช้างเผือกของเรา เข้ากับพื้นที่แห่งหนึ่งที่ทราบอยู่แล้วว่ามีมักนีตาร์อยู่ได้

     จากที่มีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงมาก มักนีตาร์จึงมีพฤติกรรมที่ค่อนข้างทำนายล่วงหน้าไม่ได้ Fong อธิบาย ในกรณีนี้ คิดกันว่า FRBs มาจากการลุกจ้า(flares) จากมักนีตาร์อายุน้อยดวงหนึ่ง ดาวมวลสูงผ่านวิวัฒนาการดาวและกลายเป็นดาวนิวตรอน บางส่วนก็อาจเป็นแม่เหล็กอย่างรุนแรง นำไปสู่การลุกจ้าและมีกระบวนการแม่เหล็กบนพื้นผิว ซึ่งสามารถเปล่งคลื่นวิทยุได้ การศึกษาของเราสอดคล้องกับภาพนี้ และกำจัดความเป็นไปได้ว่าตัวการต้นกำเนิดของ FRBs เป็นดาวอายุน้อยมากหรืออายุเก่าแก่มาก ได้

นักดาราศาสตร์คิดว่าการปะทุคลื่นวิทยุเร็วน่าจะเกิดจากการลุกจ้าของดาวแม่เหล็กรุนแรงที่เรียกว่า มักนีตาร์(magnetar) ดังแสดงในภาพจากศิลปิน 

     การสำรวจยังช่วยนักวิจัยให้เชื่อมโยง FRBs เข้ากับกาแลคซีขนาดใหญ่ที่กำลังก่อตัวดาวได้เข้มแข็งมากขึ้น การสำรวจกาแลคซีที่อาจเป็นต้นสังกัดของ FRB บางส่วนจากภาคพื้นดินก่อนหน้านั้นไม่สามารถตรวจจับโครงสร้างที่ซ่อนอยู่เช่น แขนกังหัน ได้อย่างชัดเจน นักดาราศาสตร์จึงไม่สามารถกำจัดความเป็นไปได้ที่ FRBs มีกำเนิดจากกาแลคซีแคระที่ซ่อนอยู่ภายใต้ร่มเงาของกาแลคซีขนาดใหญ่อีกที ในการศึกษษใหม่ของฮับเบิล การวิเคราะห์และประมวลภาพอย่างระมัดระวังช่วยให้นักวิจัยได้กำจัดกาแลคซีแคระที่อาจซ่อนอยู่ได้ Suni Simha จากยูซี ซานตาครูซ ผู้เขียนร่วมบอก

     แม้ว่าผลสรุปจากกล้องฮับเบิลจะน่าตื่นเต้น แต่นักวิจัยก็บอกว่าพวกเขายังต้องการการสำรวจเพิ่มเติมเพื่อพัฒนาภาพที่ชัดเจนมากขึ้นกับการลุกจ้าแสงเหล่านี้ และระบุแหล่งของพวกมันได้ดีขึ้น นี่เป็นแขนงที่ใหม่เอี่ยมและน่าตื่นเต้นทีเดียว Fong กล่าว การค้นหาตำแหน่งที่เกิดเหตุการณ์เป็นชิ้นส่วนหลักของปริศนา และชิ้นส่วนปริศนาที่เป็นอัตลักษณ์มากๆ เมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งที่เคยทำมาก่อนหน้านี้ นี่เป็นงานถนัดของฮับเบิลเลย ผลสรุปของทีมเผยแพร่ใน Astrophysical Journal

แหล่งข่าว hubblesite.org : these brilliant flares originate from young, massive galaxies
                sciencealert.com : we’ve tracked 5 mysterious fast radio bursts to the arms of distant spiral galaxies  
                space.com : Hubble Space Telescope traces 5 mysterious “fast radio bursts” to distant spiral galaxies