กาแลคซีมวลสูงที่ถูกดับเครื่อง

 

ภาพรวมประกอบกระจุกกาแลคซี MACSJ 0138 แสดงข้อมูลจาก ALMA และกล้องฮับเบิลตามที่สำรวจในโครงการสำรวจ REQUIEM พบว่ากาแลคซีมวลสูงยุคต้นที่ REQUIEM ได้ศึกษานี้ ขาดแคลนก๊าซไฮโดรเจนเย็นซึ่งเป็นเชื้อเพลิงสำหรับการก่อตัวดาวใหม่ๆ  

     กาแลคซีมวลสูงในยุคต้นซึ่งก่อตัวในช่วงสามพันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง น่าจะมีก๊าซไฮโดรเจนเย็นซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้สร้างดาวฤกษ์ใหม่ๆ อยู่จำนวนมาก แต่นักวิทยาศาสตร์ที่สำรวจเอกภพยุคต้นด้วย ALMA และกล้องฮับเบิลได้พบบางสิ่งที่แปลก เป็นกาแลคซีมวลสูงห่างไกลหกแห่งที่ปราศจากเชื้อเพลิง(ก๊าซเย็น) แล้ว ผลสรุปจากงานวิจัยนี้เผยแพร่ใน Nature

     สิ่งที่เรียกว่า กาแลคซีถูกดับ(quenched galaxies) เป็นกาแลคซีที่ปิดการก่อตัวดาวแล้ว มี 6 แห่งที่ถูกเลือกมาเพื่อการสำรวจจาก REQUIEM(Resolving Quiescent Magnified Galaxies at High Redshift) กลับไม่สอดคล้องกับสิ่งที่นักดาราศาสตร์คาดไว้จากเอกภพยุคต้นช่วงเวลาดังกล่าว

     กาแลคซีมวลสูงเกือบทั้งหมดในเอกภพจะใช้ชีวิตอย่างรวดเร็วและเกรี้ยวกราด สร้างดาวของพวกมันในเวลาอันสั้นมาก ก๊าซซึ่งเป็นเชื้อเพลิงในการก่อตัวดาวน่าจะมีอยู่มากมายในช่วงต้นของเอกภพเช่นนั้น Kate Whitaker ผู้เขียนนำการศึกษา ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเสตต์ อัมเฮิร์ตส์ กล่าว เดิมทีเราเชื่อว่ากาแลคซีที่ถูกดับเหล่านี้จะต้องชะลอลงเพียงไม่กี่พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง แต่ในงานวิจัยของเรา เราสรุปได้ว่ากาแลคซียุคต้นจริงๆ แล้วไม่เคยชะลอเลย แต่กลับเป็นว่ามันปล่อยจนหมดก๊อกเลย

     เพื่อให้เข้าใจว่ากาแลคซีก่อตัวและตายลงอย่างไร ได้ดีขึ้น ทีมสำรวจพวกมันโดยใช้ฮับเบิล ซึ่งเผยให้เห็นรายละเอียดเกี่ยวกับดาวภายในกาแลคซี เมื่อผนวกกับการสำรวจด้วย ALMA จะเผยให้เห็นการเปล่งคลื่นต่อเนื่อง(continuum emission) ของกาแลคซีนช่วงมิลลิเมตร ซึ่งเป็นตัวตามรอยฝุ่น ช่วยให้ทีมทราบปริมาณก๊าซในกาแลคซี การใช้กล้องทั้งสองในแบบของ REQUIEM ก็คือ ใช้ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงแบบแรง(strong gravitational lensing) เป็นกล้องโทรทรรศน์ในธรรมชาติเพื่อสำรวจกาแลคซีที่จำศีลด้วยความละเอียดที่สูงขึ้น ซึ่งนี่จะให้ภาพสิ่งที่เกิดขึ้นภายในกาแลคซีอย่างชัดเจน ซึ่งเป็นเป้าหมายที่เป็นไปไม่ได้สำหรับพวกที่ไม่มีก๊าซเหลือ

ภาพรวมประกอบแสดงกระจุกกาแลคซี MACSJ 0138 นี้ แสดงข้อมูลจาก ALMA และกล้องฮับเบิล ส่วนขยายแสดงจุดสีส้ม/แดงสว่าง ซึ่งตามรอยฝุ่นเย็นที่สำรวจในช่วงวิทยุด้วย ALMA ฝุ่นเย็นนี้ช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้เข้าใจ โดยใช้อ้างอิงถึง ปริมาณของก๊าซไฮโดรเจนเย็นซึ่งจำเป็นต่อการก่อตัวดาว ในกาแลคซีเหล่านี้ในกระจุก 

     ถ้ากาแลคซีไม่ได้กำลังสร้างดาวฤกษ์ใหม่ๆ มันก็จะสลัวลงมากอย่างรวดเร็วมากๆ จนยากหรือไม่เป็นไม่ได้ที่จะสำรวจพวกมันในรายละเอียดด้วยกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัว REQUIEM แก้ปัญหานี้โดยการศึกษากาแลคซีที่ถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วง ซึ่งหมายความว่าแสงของพวกมันจะถูกยืดออกและขยายแสงเมื่อแสงเลี้ยวเบนไปรอบๆ กาแลคซีอื่นๆ ที่อยู่ใกล้ทางช้างเผือกมากกว่า Justin Spilker ผู้เขียนร่วมการศึกษาใหม่ นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยเทกซัส ออสติน กล่าว ในวิธีนี้ เลนส์ความโน้มถ่วงรวมกับพลังในการไขภาพและความละเอียดของฮับเบิลและ ALMA ทำหน้าที่เป็นกล้องตามธรรมชาติ และทำให้กาแลคซีที่กำลังตายลงเหล่านี้ดูใหญ่ขึ้นและสว่างกว่าที่เป็นจริง ช่วยให้เราได้เห็นสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นและไม่เกิดขึ้น

     การสำรวจครั้งใหม่ได้แสดงว่าการหยุดก่อตัวดาวในกาแลคซีเป้าหมายทั้งหกแห่ง ไม่ได้เกิดขึ้นจากการไร้ประสิทธิภาพอย่างฉับพลันในการเปลี่ยนก๊าซเย็นให้กลายเป็นดาว แต่กลับเป็นผลจากการพร่องหรือขาดแคลนของแหล่งก๊าซในกาแลคซี Christina Williams นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยอริโซนาและผู้เขียนร่วมงานวิจัยนี้ กล่าวว่า เรายังคงไม่เข้าใจว่าทำไมจึงเกิดขึ้นแบบนี้ แต่คำอธิบายที่เป็นไปได้ก็อาจจะเป็นว่า แหล่งก๊าซหลักที่เป็นวัตถุดิบให้กับกาแลคซีถูกตัดลง หรือบางที หลุมดำมวลมหาศาลกำลังยิงพลังงานที่ทำให้ก๊าซในกาแลคซีร้อน แต่สุดท้ายก็จะหมายความว่า กาแลคซีจะไม่สามารถเติมถังเชื้อเพลิงได้อีกต่อไป และสุดท้ายก็คือไม่สามารถเริ่มต้นการก่อตัวดาวรอบใหม่ได้อีกครั้ง

     การศึกษานี้ยังเป็น “ครั้งแรก” ในการตรวจสอบกาแลคซีมวลสูงในยุคต้นในหลายๆ ด้าน การสังเคราะห์ข้อมูลที่จะช่วยนำทางการศึกษาเอกภพยุคต้นในอนาคต Whitaker กล่าวว่า นี่เป็นการตรวจสอบฝุ่นเย็นในกาแลคซีจำศีลที่ห่างไกลเป็นครั้งแรก และในความเป็นจริงก็เป็นครั้งแรกที่มีการตรวจสอบลักษณะนี้นอกเอกภพท้องถิ่น เขากล่าวเสริมว่าการศึกษาใหม่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นว่าในกาแลคซีที่ตายแล้วแต่ละแห่งมีก๊าซอยู่มากน้อยแค่ไหน เราสามารถตรวจสอบเชื้อเพลิงในการก่อตัวดาวในกาแลคซีมวลสูงยุคต้นเหล่านี้ได้ลึกมากพอได้เหมือนทำการตรวจสอบมาตรวัดถังก๊าซ ช่วยให้เรามีมุมมองที่หายไปเกี่ยวกับคุณสมบัติของก๊าซเย็นในกาแลคซีเหล่านี้ซึ่งสำคัญอย่างยิ่ง

ภาพรวมประกอบจาก ALMA และกล้องฮับเบิล ภาพขยายแสดงสองในหกกาแลคซีมวลสูงที่ไกลโพ้นที่นักวิทยาศาสตร์พบว่าหยุดก่อตัวดาวอันเนื่องมาจากขาดแคลนก๊าซ สีเหลืองตามรอยการเรืองสว่างจากแสงดาว สีม่วงตามรอยฝุ่นเย็น ฝุ่นเย็นใช้อ้างอิงก๊าซไฮโดรเจนเย็นที่เป็นเชื้อเพลิงสำหรับการก่อตัวดาว แม้แต่ด้วย ALMA นักวิทยาศาสตร์ก็ตรวจไม่พบฝุ่น(ก๊าซ) ในตัวอย่างกาแลคซีทั้งหก ตัวอย่างหนึ่งคือ MRG-M1341 ทางบนขวา จะเห็นว่าทางด้านซ้ายของกาแลคซีมีกลุ่มสีม่วงกระจุกซึ่งเป็นกาแลคซีอีกแห่งที่อุดมด้วยฝุ่นและก๊าซ MRG-M2129 ทางล่างขวา กาแลคซีแห่งนี้มีฝุ่นและก๊าซอยู่แค่ในใจกลาง ซึ่งบอกว่าการก่อตัวดาวอาจจะหยุดลงแล้วจากชายขอบเข้ามาเรื่อยๆ

     แม้ว่าขณะนี้ทีมจะทราบว่ากาแลคซีเหล่านี้หมดเชื้อเพลิงลง และมีบางสิ่งที่กำลังทำให้พวกมันไม่สามารถหาเชื้อเพลิงมาเติมเพื่อก่อตัวดาวใหม่ๆ ได้ แต่การศึกษาก็นำเสนอว่านี่เป็นเพียงงานแรกจากความพยายามที่จะบอกว่ากาแลคซีมวลสูงในยุคต้นเกิดขึ้น(หรือไม่เกิด) เพราะเหตุใด Whitaker กล่าวว่า เรายังคงมีอะไรต้องเรียนรู้อีกมากเกี่ยวกับว่าเพราะเหตุใดกาแลคซีมวลสูงเกือบทั้งหมดจึงก่อตัวตั้งแต่ต้นๆ ในเอกภพ และเพราะเหตุใดพวกมันจึงปิดการก่อตัวดาวเมื่อยังคงมีก๊าซเย็นจำนวนมากมายพร้อมให้ใช้อยู่ ความจริงที่ว่าปีศาจกาแลคซีมวลสูงเหล่านี้ก่อตัวดาว 1 แสนล้านดวงภายในเวลาประมาณ 1 พันล้านปี และจากนั้นก็ปิดการก่อตัวดาวอย่างฉับพลัน เป็นปริศนาที่เราอยากจะไขมาตลอด และ REQUIEM ก็ให้เงื่อนงำแรกแล้ว

แหล่งข่าว spaceref.com : ALMA scientists uncover the mystery of early massive galaxies running on empty
                hubblesite.org : Hubble finds early, massive galaxies running on empty
                sciencealert.com : we finally know why some of the earliest galaxies stopped forming 12 billion years ago