รีรันภาพซุปเปอร์โนวา

 

     เป็นเรื่องท้าทายที่จะทำนาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำนายในทางดาราศาสตร์ อย่างไรก็ตาม มีการพยากรณ์ไม่กี่อย่างที่นักดาราศาสตร์จะทำได้ เช่น ช่วงเวลาที่จะเกิดสุริยุปราคาและจันทรุปราคา และการกลับมาของดาวหางบางดวงที่ตรงตามเวลา

     ในตอนนี้ เมื่อมองออกไปไกลกว่าระบบสุริยะ นักดาราศาสตร์ได้เพิ่มการทำนายเหตุการณ์หนึ่งอย่างหนักแน่น ซึ่งจะเกิดขึ้นลึกในห้วงอวกาศ เป็นภาพของดาวที่กำลังระเบิดดวงหนึ่งที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวาเรคเควียม(Supernova Requiem) ว่าจะเกิดขึ้นราวปี 2037 แม้ว่าการปรากฏซ้ำนี้ไม่สามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่กล้องโทรทรรศน์ในอนาคตบางตัวก็น่าจะพบมันได้

     กลับเป็นว่าภาพในอนาคตนี้จะเป็นภาพของซุปเปอร์โนวาเดียวกันที่เห็นเป็นครั้งที่สี่ ซึ่งถูกขยายแสงจนสว่างขึ้นและแยกเป็นแต่ละภาพโดยกระจุกกาแลคซีแห่งหนึ่งที่พื้นหน้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นเลนส์ซูมในอวกาศ ภาพซุปเปอร์โนวาสามภาพแรกถูกพบเป็นครั้งแรกจากข้อมูลในคลังที่ถ่ายในปี 2016 โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของนาซา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ทำนายว่า วัตถุมวลสูงทำให้กาลอวกาศรอบๆ มันบิดโค้ง ทำให้แสงที่เดินทางเข้าใกล้ห้วงกาลอวกาศดังกล่าว เดินทางไม่เป็นเส้นตรง 

     พหุภาพ(multiple images) ถูกสร้างโดยแรงโน้มถ่วงที่ทรงพลังของกระจุกกาแลคซีขนาดมหึมาแห่งนี้ ซึ่งรบกวนและขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาที่อยู่เบื้องหลังกระจุก เป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นคนแรกที่ได้ทำนายไว้ ปรากฏการณ์นี้ก็คล้ายกับเลนส์แว่นที่บิดแสงเพื่อขยายภาพจากวัตถุไกลโพ้นแห่งหนึ่ง

     ภาพซุปเปอร์โนวาจากเลนส์ 3 ภาพที่เห็นเป็นจุดขนาดจิ๋วในภาพฮับเบิลภาพเดียวนี้ เป็นแสงจากการระเบิด จุดเหล่านี้มีความสว่างและสีที่แปรเปลี่ยนไป ซึ่งเน้นย้ำถึงการระเบิดในสถานะที่แตกต่างกัน ซึ่งกำลังสลัวลงเมื่อมันเย็นตัวลงตามเวลา Steve Rodney นักวิจัยนำจากมหาวิทยาลัยเซาธ์คาโรไลนา ในโคลัมเบีย อธิบายว่า การค้นพบใหม่นี้เป็นเพียงตัวอย่างภาพซุปเปอร์โนวาที่ฉายซ้ำเหตุการณ์ที่สามเท่านั้น ซึ่งเราสามารถตรวจสอบความล่าช้าการปรากฏของภาพได้จริง และมันยังอยู่ไกลที่สุดในบรรดาสามเหตุการณ์ และการล่าช้าที่ทำนายไว้ก็น่าจะนานมาก เราจะสามารถย้อนกลับมาและเห็นภาพสุดท้ายนี้ได้ซึ่งเราทำนายว่าจะเกิดในปี 2037 บวกหรือลบไม่กี่ปี

     แสงที่ฮับเบิลได้จับไว้จากกระจุก MACS J0138.0-2155 ใช้เวลาประมาณ 4 พันล้านปีเพื่อมาถึงโลก แสงจากซุปเปอร์โนวาเรคเควียมใช้เวลาราว 1 หมื่นล้านปีเพื่อเดินทางมายืนตามระยะทางถึงกาแลคซีต้นสังกัดการระเบิด

     การทำนายเวลาปรากฏของซุปเปอร์โนวาของทีมมีพื้นฐานจากแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของกระจุกแห่งนี้ ซึ่งอธิบายถึงเส้นทางต่างๆ ที่แสงจากซุปเปอร์โนวาใช้เดินทางผ่านเขาวงกตแห่งสสารมืดที่กระจุกเป็นก้อนในกลุ่มของกาแลคซีแห่งนี้ สสารมืดเป็นสสารที่มองไม่เห็นที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของสสารในเอกภพ และเป็นโครงสร้างให้กาแลคซีและกระจุกกาแลคซีได้ก่อตัวขึ้น

ภาพซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์เดียวกันปรากฏขึ้น 3 ครั้งในภาพทางซ้ายซึ่งถ่ายในปี 2016 โดยกล้องฮับเบิล แต่พวกมันหายไปในภาพปี 2019 ซุปเปอร์โนวาที่ไกลโพ้นซึ่งเรียกว่า เรคเควียม(Requiem) นั้นฝังตัวอยู่ในกระจุกกาแลคซี MACJ J0138.0-2155 กระจุกมีมวลสูงมากจนแรงโน้มถ่วงมหาศาลของมันบิดเบนและขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาซึ่งอยู่ในกาแลคซีที่ห่างไกลออกไปเบื้องหลังมัน ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ปรากฏการณ์ประหลาดนี้ยังแยกแสงจากซุปเปอร์โนวาออกเป็นภาพซ้ำหลายภาพ เน้นโดยวงกลมสีขาวในภาพ 2016 ในภาพปี 2019 พหุภาพเหล่านั้นหายไป นักวิจัยทำนายว่าซุปเปอร์โนวาเดียวกันจะปรากฏซ้ำในปี 2037 วงกลมสีเหลืองทางบนซ้ายเน้นตำแหน่งที่ทำนายไว้ของภาพที่สี่

     ภาพที่ถูกขยายแต่ละภาพจะใช้เส้นทางผ่านกระจุกแห่งนี้ที่แตกต่างกัน และมาถึงโลกในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน ส่วนหนึ่งก็เนื่องจากความแตกต่างของระยะทางที่แสงจากซุปเปอร์โนวาเดินทาง Rodney กล่าวว่า เมื่อใดก็ตาม ที่แสงบางส่วนผ่านเข้าใกล้วัตถุที่มีมวลสูงมากๆ อย่างกาแลคซีหรือกระจุก การบิดโค้งของห้วงกาลอวกาศตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ก็เกิดขึ้นจากมวลใดๆ นี้ ทำให้การเดินทางของแสงรอบมวลนั้นๆ ล่าช้าไป

     เขาเปรียบเทียบเส้นทางเดินทางต่างๆ ของแสงซุปเปอร์โนวา กับขบวนรถไฟที่ออกจากสถานีต้นทางในเวลาเดียวกัน ทั้งหมดเดินทางด้วยความเร็วเท่ากันและมีจุดหมายปลายทางที่เดียวกัน อย่างไรก็ตาม รถไฟแต่ละขบวนใช้เส้นทางที่แตกต่างกัน และแต่ละเส้นทางก็มีระยะทางที่แตกต่างกันด้วย เนื่องจากรถไฟเดินทางบนเส้นทางที่มีความยาวต่างกันผ่านภูมิประเทศที่แตกต่างกัน พวกมันจึงไม่ได้มาถึงปลายทางในเวลาพร้อมกัน

     นอกจากนี้ ภาพซุปเปอร์โนวาที่ผ่านเลนส์ซึ่งทำนายว่าจะมาในปี 2037 ล้าหลังภาพซุปเปอร์โนวาอื่นๆ เนื่องจากแสงของมันเดินทางผ่านทะลุใจกลางกระจุกโดยรวม ซึ่งมีสสารมืดหนาแน่นที่สุดอยู่ภายในนั้น มวลที่สูงมากของกระจุกบิดเบนแสงจนทำให้เกิดการล่าช้านาน Rodney อธิบายว่า นี่เป็นภาพสุดท้ายที่จะมาถึงเนื่องจากมันก็เหมือนกับรถไฟที่ต้องขับลงไปในหุบเขาและค่อยไต่ขึ้นมา นี่เป็นการเดินทางที่ช้าที่สุดของแสง

     ภาพซุปเปอร์โนวาที่มาจากเลนส์ถูกพบในปี  2019 โดย Gabe Brammer ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากศูนย์ดอว์น(Cosmic Dawn Center) ที่สถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน ในเดนมาร์ก Brammer สังเกตเห็นภาพซุปเปอร์โนวาที่เหมือนกัน ในขณะที่วิเคราะห์กาแลคซีไกลโพ้นที่ถูกขยายแสงโดยกระจุกกาแลคซีที่พื้นหน้า อันเป็นส่วนหนึ่งของโครงการสำรวจของฮับเบิลที่เรียกว่า REQUIEM(Resolved Quiescent Magnified Galaxies) เขากำลังเปรียบเทียบข้อมูลใหม่ของ REQUIEM จากปี 2019 กับภาพในคลังที่ถ่ายในปี 2016 จากโครงการสำรวจอีกงานของฮับเบิล วัตถุสีแดงขนาดจิ๋วในข้อมูล 2016 ได้ดึงดูดความสนใจ ซึ่งเดิมเขาคิดว่าเป็นกาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปมาก แต่มันกลับหายไปในภาพปี 2019

     แต่ตอนนั้น เมื่อผมตรวจสอบข้อมูลปี 2016 มากขึ้น ก็สังเกตว่าจริงๆ แล้วมีวัตถุที่ถูกขยายแสง 3 แห่ง แดงสองและม่วงหนึ่ง เขาอธิบาย วัตถุทั้งสามแต่ละแห่งอยู่คู่กับภาพของกาแลคซีมวลสูงไกลโพ้นแห่งหนึ่งที่ผ่านเลนส์ ในทันทีนั้นก็ไม่ใช่เป็นตัวกาแลคซีเอง แต่แท้จริงแล้วเป็นเหตุการณ์ชั่วคราว(transient) ในระบบแห่งนี้ ซึ่งได้จางหายไปในภาพปี 2019 เหมือนกับหลอดไฟที่ดับลง

     Brammer รวมตัวกับ Rodney เพื่อทำการวิเคราะห์ระบบแห่งนี้ให้มากขึ้น ภาพซุปเปอร์โนวาที่ผ่านเลนส์เรียงตัวเป็นวงโค้งรอบๆ แกนกลางกระจุก พวกมันปรากฏเป็นจุดขนาดเล็กใกล้กับรายละเอียดที่พร่าเลือนสีส้ม ซึ่งคิดกันว่าเป็นภาพกาแลคซีต้นสังกัดของซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายแสงขึ้นมา Johan Richard ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยลียง ฝรั่งเศส ได้สร้างแผนที่ปริมาณสสารมืดในกระจุกแห่งนี้ โดยมีพื้นฐานจากการเกิดเลนส์ที่กระจุกสร้างขึ้น แผนที่แสดงตำแหน่งวัตถุผ่านเลนส์ที่ทำนายไว้ มีการทำนายว่าซุปเปอร์โนวานี้จะปรากฏอีกครั้งในปี 2042 แต่มันจะสลัวอย่างมากจนทีมวิจัยคิดว่าไม่น่าจะมองเห็น

     จากการฉายภาพซุปเปอร์โนวาซ้ำๆ นี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบการล่าช้าระหว่างภาพซุปเปอร์โนวาทั้งสี่ ซึ่งจะให้เงื่อนงำสู่ชนิดของพื้นที่กาลอวกาศที่แสงของซุปเปอร์โนวาได้เดินทางผ่าน เมื่อมีการตรวจสอบเหล่านี้ นักวิจัยก็สามารถปรับรายละเอียดแบบจำลองแผนที่มวลของกระจุกได้ การพัฒนาแผนที่สสารมืดของกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ที่แม่นยำจะเป็นอีกทางหนึ่งสำหรับนักดาราศาสตร์ที่จะตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพ และสำรวจธรรมชาติของพลังงานมืดซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบปริศนาที่ทำงานต้านกับแรงโน้มถ่วง และเป็นสาเหตุให้เอกภพขยายตัวด้วยอัตราที่สูงขึ้น

ภาพที่ผ่านการขยายและบิดเบนจากเลนส์ความโน้มถ่วง จะปรากฏด้วยเวลาที่ต่างกัน การสำรวจความล่าช้าที่แต่ละภาพปรากฏขึ้น ช่วยบอกสภาพ "ภูมิประเทศ" ในเส้นทางที่แสงใช้เดินทาง 

     วิธีการเวลาที่ล่าช้านั้นมีประโยชน์ เนื่องจากเป็นวิธีที่ตรงไปตรงมากว่าในการตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพ Rodney อธิบาย การล่าช้าที่ยาวนานเหล่านี้มีประโยชน์เป็นพิเศษเนื่องจากคุณจะทำการตรวจสอบการล่าช้าได้ดีและแม่นยำ ถ้าคุณแค่อดทนรอเวลาหลายปีหน่อย ในกรณีนี้ก็ทศวรรษกว่าๆ ที่ภาพสุดท้ายจะโผล่มา มันเป็นเส้นทางที่เป็นอิสระอย่างแท้จริงในการคำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพ ประโยชน์ที่แท้จริงในอนาคตจะเป็นการใช้ตัวอย่างเหตุการณ์ลักษณะนี้กลุ่มใหญ่มากขึ้นเพื่อปรับปรุงความแม่นยำ

      การพบภาพซุปเปอร์โนวาที่เกิดจากเลนส์ความโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้นจนเป็นปกติในอีก 20 ปีข้างหน้าเมื่อมีการส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมัน(Nancy Grace Roman Space Telescope) และการเริ่มต้นดำเนินงานของกล้องรูบิน(Vera C. Rubin Observatory) กล้องทั้งสองจะสำรวจท้องฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งจะช่วยให้พวกมันได้พบพหุภาพจากซุปเปอร์โนวาได้อีกหลายสิบเหตุการณ์ ผลสรุปของทีมเผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy วันที่ 13 กันยายน 

แหล่งข่าว hubblesite.org : rerun of supernova blast is expected to appear in 2037