วัตถุตั้งต้นเควซาร์ในเอกภพยุคต้น

 

ทฤษฎีปัจจุบันได้ทำนายว่าหลุมดำมวลมหาศาลเริ่มต้นชีวิตในแกนกลางที่ปกคลุมด้วยฝุ่นของกาแลคซีที่ก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst galaxies) ก่อนที่มันจะเจริญเติบโตและขับฝุ่นและก๊าซรอบๆ กลายเป็นเควซาร์ที่สว่างรุนแรง ในขณะที่พบได้ยากมากๆ แต่ก็พบทั้งกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคักที่มีฝุ่นจัด และเควซาร์ที่สว่างไสว ในเอกภพยุคต้นแล้ว ทีมเชื่อว่า GNz7q น่าจะเป็นส่วนเชื่อมที่หายไป ของวัตถุทั้งสองกลุ่ม

   นักดาราศาสตร์ได้พบวัตถุตั้งต้นของเควซาร์ ซึ่งเป็นประภาคารสว่างเจิดจ้ามากที่ได้รับพลังจากหลุมดำยักษ์ที่กลืนก๊าซอย่างตะกละตะกลาม หลุมดำยักษ์ซึ่งมีมวลระดับล้านเท่าจนถึงหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ การค้นพบนี้ได้เปิดช่องสู่ปริศนาว่าเควซาร์เจริญเติบโตรวดเร็วมากๆ ได้อย่างไร

     การสำรวจเบื้องลึกได้แสดงว่า มีเควซาร์(quasar) โตเต็มวัยโผล่มาตั้งแต่ไม่ถึงหนึ่งพันล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง เพื่อค้นหาว่าเควซาร์เจริญมีขนาดใหญ่โตมากๆ รวดเร็วมากได้อย่างไร นักดาราศาสตร์ต้องค้นหาเควซาร์ก่อนที่พวกมันจะสว่างสาดแสงที่เจิดจ้าจนกลบกาแลคซีต้นสังกัดของมันไปหมด แต่การค้นหาสภาพก่อนเกิดเหตุ ก็เป็นสิ่งที่ยาก ส่วนหนึ่งเนื่องจากเส้นทางการเติบโตของเควซาร์เอง

     กล่าวคือ คิดกันว่ากาแลคซีที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่เอี่ยมสองแห่งในเอกภพยุคต้นมาเจอกัน แต่ละแห่งก็อาจมีหลุมดำในใจกลางที่เดิมก็มีขนาดใหญ่อยู่แล้ว(แต่หลุมดำจะใหญ่โตได้อย่างไรก็เป็นอีกเรื่อง) ในช่วงการชน หลุมดำของแต่ละกาแลคซีจะควบรวมกลายเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้นเพียงแห่งเดียว ก๊าซที่หมุนวนเข้าหาใจกลาง ก็มีแต่จะยิ่งเพิ่มมวลให้กับหลุมดำปีศาจยักษ์ที่เพิ่งเกิดใหม่นี้

     หนึ่งในหนทางที่ดีที่สุดที่จะทราบว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลกำลังกลืนกินวัสดุสารอย่างกระตือรือร้นหรือไม่ ก็โดยรังสีเอกซ์ที่เปล่งออกจากวัสดุสารที่อยู่ใกล้ขอบของหลุมดำมากที่สุด แต่การชนของกาแลคซีก็ยังเหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวดาวอย่างรุนแรง ทำให้ทั้งกาแลคซีสว่างขึ้นในขณะที่ใจกลางยังถูกปกคลุมด้วยฝุ่น และจะซ่อนรังสีเอกซ์เหล่านั้นไว้ มีแต่เพียงเมื่อหลุมดำมีลมหรือไอพ่นที่รุนแรงที่อาจจะหยุดการก่อตัวดาว ที่จะทำให้เควซาร์ในใจกลางกาแลคซีส่องสว่างได้โดยไม่ถูกปิดกั้น

ภาพจากศิลปินแสดง Compton-thick active galactic nuclei แม้จะเปล่งรังสีเอกซ์พลังงานสูงแต่ก็ถูกฝุ่นรอบข้างปิดกั้นไว้อย่างรุนแรง จนซ่อนรังสีไว้

     วัตถุตั้งต้นของเควซาร์(ซึ่งเรียกแบบภาษาเทคนิคว่า Compton-thick active galactic nuclei) ถูกพบเห็นมาก่อนในเอกภพที่อยู่ไม่ไกลมาก่อน แต่ถ้ามีเควซาร์อยู่ในช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกของเอกภพจริง ก็ควรจะมีวัตถุตั้งต้นนั้นอยู่ด้วย

     ในขณะที่ตรวจสอบข้อมูลจากภาพห้วงลึกของกล้องฮับเบิลภาพหนึ่งที่เรียกว่า Great Observatories Origins Deep Survey(GOODS)-North Seijo Fujimoto จากศูนย์อรุณรุ่งแห่งเอกภพ มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน เดนมาร์ก และเพื่อนร่วมงานได้พบว่าที่วัตถุตั้งต้นของเควซาร์ในเอกภพยุคต้น รายงานการค้นพบใน Nature วันที่ 13 เมษายน การค้นพบเป็นครั้งแรกที่พบหลุมดำที่กำลังเจริญอย่างรวดเร็วในเอกภพยุคต้น คิดกันว่าหลุมดำที่เจริญอย่างรวดเร็วมากเป็นส่วนเชื่อมที่หายไประหว่างหลุมดำมวลมหาศาลที่พบในกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคักที่มีฝุ่นจัด กับเควซาร์ที่เจิดจ้ามาก  

     วัตถุที่เรียกว่า GNz7q เป็นกาแลคซีที่ปรากฏอยู่เมื่อ 750 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ในยุคที่เรียกว่า อรุณรุ่งแห่งเอกภพ(cosmic dawn) และกาแลคซีต้นสังกัดของมันก็กำลังมีการก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst) โดยให้กำเนิดดาว 1600 มวลดวงอาทิตย์ต่อปี(เทียบกับทางช้างเผือก ซึ่งผลิตดาวเพียงไม่กี่เท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปีเท่านั้น) เส้นเปล่งคลื่นที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวดาวอย่างคึกคักของมัน(อุลตราไวโอเลต) ได้ยืนยันระยะทางที่ไกลโพ้นจากโลก

     ความสว่างที่สำรวจได้ของ GNz7q ในช่วงอินฟราเรด ได้แสดงให้เห็นรูปแบบที่คล้ายกับเควซาร์ที่อยู่ใกล้กว่า แต่ก็มีสีแดงมากกว่าเนื่องจากฝุ่น ภาพรังสีเอกซ์จากจันทราในพื้นที่เดียวกัน ได้แสดงว่ากาแลคซีเปล่งรังสีเอกซ์น้อยมากๆ หรือแทบไม่มีเลย ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้อีกอย่างว่าฝุ่นกำลังปิดบังกิจกรรมในแกนกลางกาแลคซีนี้ แต่ส่วนนอกๆ ของกาแลคซีก็เพิ่งเริ่มปลอดฝุ่นจนเผยตัวออกมา

ไทม์ไลน์ความเป็นมาของเอกภพ 

     ถ้ามีหลุมดำมวลมหาศาลที่มีกิจกรรมชุกชุมในกาแลคซีนี้ ก็เข้าทางพอดี ด้วยมวลราว 10 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ และกลืนกินวัสดุสารในอัตราที่สูงสุดขั้วมาก จนในอีกไม่ช้ามันน่าจะผลักก๊าซออกมามากกว่าที่ดึงเข้าไป และกลายเป็นเควซาร์ ซึ่งก็มีโอกาสที่ แทนที่จะเป็นหลุมดำที่กลืนกินก๊าซอย่างตะกละตะกลาม มันจะเป็นแกนกลางของการก่อตัวดาวที่รุนแรงสุดขั้ว แต่ทีมบอกว่าไม่น่าเป็นไปได้เนื่องจากแสงอุลตราไวโอเลตน่าจะต้องมาจากพื้นที่ขนาดกะทัดรัด ซึ่งต้องการก่อตัวดาวที่สุดขั้วมาก ด้วยอัตราเกิน 5000 เท่าดวงอาทิตย์ต่อปี

    Gabriel Brammer รองศาสตราจารย์ จากสถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน อธิบายว่า การเข้าใจว่าหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวและเจริญอย่างไรในเอกภพยุคต้น เป็นปริศนาข้อใหญ่ นักทฤษฎีเคยทำนายว่าหลุมดำยักษ์เหล่านั้นจะมีสถานะช่วงต้นที่เจริญอย่างรวดเร็ว เป็นวัตถุกะทัดรัดสีแดงจากฝุ่น โผล่ขึ้นมาจากกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคักที่มีฝุ่นปกคลุมอย่างหนักหน่วง จากนั้นก็เกิดการเปลี่ยนสภาพสู่วัตถุกะทัดรัดที่สว่างเจิดจ้าไร้การปิดกั้น(จากฝุ่น) โดยการผลักก๊าซและฝุ่นรอบๆ ออกไป

    แม้ว่าจะมีการค้นพบเควซาร์ที่สว่างเจิดจ้าแล้ว แม้แต่ในยุคแรกสุดของเอกภพ แต่ยังไม่เคยพบช่วงการเปลี่ยนสภาพการเจริญอย่างรวดเร็วจากทั้งหลุมดำและกาแลคซีต้นสังกัดที่ก่อตัวดาวอย่างคึกคักในยุคเดียวกันเลย ยิ่งกว่านั้น คุณสมบัติที่ตรวจพบก็สอดคล้องอย่างดียิ่งกับแบบจำลองเสมือนจริงทางทฤษฎี และบอกว่า GNz7q เป็นตัวอย่างแรกสุดของสถานะการเปลี่ยนผ่านอย่างรวดเร็วของหลุมดำในแกนกลางกาแลคซีที่มีฝุ่นจัด เป็นบรรพบุรุษของหลุมดำมวลมหาศาลในเวลาต่อมา

      GNz7q เป็นการค้นพบที่เป็นอัตลักษณ์ที่ได้พบอยู่แค่ในใจกลางพื้นที่สำรวจบนท้องฟ้าที่ถูกศึกษาเป็นอย่างดี มันได้แสดงว่าการค้นพบครั้งใหญ่บางคราวก็ซ่อนอยู่เบื้องหน้าเรานี่เอง Brammer กล่าว เป็นไปได้ยากที่การค้นพบ GNz7q ภายในพื้นที่สำรวจ GOODS-North ขนาดค่อนข้างเล็กนี้จะเป็นเรื่องของความโชคดีล้วนๆ แต่กลับเป็นเพราะแหล่งลักษณะนี้ในความเป็นจริงแล้วอาจจะชุกชุมมากกว่าที่เคยคิดไว้พอสมควร

วัตถุซึ่งเรียกว่า GNz7q ในภาพจากพื้นที่ GOODS-North ของฮับเบิล

     การค้นหา GNz7q ที่ซ่อนอยู่ในพื้นที่โล่งๆ เกิดขึ้นได้ก็เพราะชุดข้อมูลหลายช่วงความยาวคลื่นที่มีรายละเอียดอันเป็นอัตลักษณ์จาก GOODS-North ถ้าปราศจากความรุ่มรวยของข้อมูล GNz7q ก็น่าจะถูกมองข้ามได้ง่าย เมื่อมันขาดแคลนรายละเอียดที่โดดเด่นซึ่งมักจะใช้เพื่อจำแนกเควซาร์ในเอกภพยุคต้น    

     โดยปกติ ดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำขนาดใหญ่น่าจะปรากฏสว่างมากในทั้งยูวีและรังสีเอกซ์ แต่คราวนี้ แม้ว่าทีมจะตรวจสอบแสงยูวีด้วยฮับเบิล ก็ยังไม่พบรังสีเอกซ์ให้เห็นแม้แต่ในชุดข้อมูลรังสีเอกซ์ห้วงลึกที่สุด ผลสรุปเหล่านี้บอกว่าแกนกลางของดิสก์สะสมมวลสารซึ่งเป็นที่กำเนิดรังสีเอกซ์ยังคงถูกปิดกั้นไว้ ในขณะที่พื้นที่ส่วนนอกของดิสก์สะสมมวลสารซึ่งสร้างยูวี กำลังถูกสะสางออกมา การแปลผลก็คือ GNz7q เป็นหลุมดำที่เจริญอย่างรวดเร็วแต่ก็ยังถูกปกคลุมด้วยแกนอุดมด้วยฝุ่นของกาแลคซีที่กำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคัก

     การจำแนกธรรมชาติวัตถุเหล่านี้อย่างแตกฉานและตรวจสอบวิวัฒนาการและฟิสิกส์ที่ซ่อนอยู่ด้วยรายละเอียดที่สูงขึ้นจะเป็นไปได้ด้วยกล้องเวบบ์ Fujimoto กล่าวสรุป เมื่อเริ่มทำงาน กล้องเวบบ์จะมีพลังที่จะตรวจสอบได้อย่างแน่ชัดว่าหลุมดำที่โตเร็วเหล่านี้พบได้มากแค่ไหน

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : Hubble image reveals possible quasar forerunner
                phys.org : a dusty, compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn
                astronomy.com : astronomers find “missing link” black hole in the early universe    

ดาวเคราะห์ที่ก่อตัวด้วยวิธีทางเลือก

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่เพิ่งก่อตัวขึ้น AB Aurigae b นักวิจัยใช้ข้อมูลใหม่และในคลังจากกล้องฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์ซูบารุเพื่อยืนยันว่าดาวเคราะห์ทารกดวงนี้กำลังก่อตัวขึ้นผ่านกระบวนการที่รุนแรง ที่เรียกว่า disk instability ในลำดับเหตุการณ์การก่อตัวแบบใหญ่ไปเล็กนี้ ดิสก์ขนาดใหญ่รอบดาวฤกษ์เย็นตัวลงและแรงโน้มถ่วงก็ทำให้ดิสก์แตกออกเป็นชิ้น ซึ่งจะก่อตัวดาวเคราะห์ขึ้นมาได้

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้ถ่ายภาพหลักฐานการก่อตัวดาวเคราะห์ทารกที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ดวงหนึ่งได้โดยตรง ในช่วงที่นักวิจัยอธิบายว่าเป็น กระบวนการที่รุนแรงและดุเดือด การค้นพบนี้สนับสนุนทฤษฎีที่มีมานานเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์อย่างดาวพฤหัสฯ ในทฤษฎีที่เรียกว่า ความไร้เสถียรภาพในดิสก์(disk instability)

       พิภพแห่งใหม่ที่กำลังก่อร่างสร้างตัวนี้ยังฝังตัวอยู่ในดิสก์กำเนิดดาวเคราะห์ที่เป็นฝุ่นและก๊าซ ซึ่งมีโครงสร้างกังหันโดดเด่นหมุนไปรอบๆ ล้อมรอบดาวฤกษ์อายุน้อยดวงหนึ่งที่กำลังเจริญเติบโต ซึ่งประเมินว่ามีอายุราว 2 ล้านปี นี่เป็นอายุใกล้เคียงกับระบบสุริยะเมื่อเกิดการก่อตัวดาวเคราะห์ขึ้น(ระบบสุริยะปัจจุบันมีอายุ 4.6 พันล้านปี) ระบบนี้อยู่ค่อนข้างใกล้เพียง 508 ปีแสง Thayne Currie จากกล้องโทรทรรศน์ซูบารุ นักวิจัยนำในการศึกษานี้ กล่าวว่า ธรรมชาตินั้นฉลาดล้ำ สามารถสร้างดาวเคราะห์ได้หลากหลายวิธี

     ดาวเคราะห์ทั้งหมดประกอบขึ้นจากวัสดุสารที่มีที่มาในดิสก์รอบดาวฤกษ์ ทฤษฎีนำว่าด้วยการก่อตัวดาวเคราะห์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ เรียกว่า การสะสมแกนกลาง(core accretion) เป็นความพยายามจากเล็กไปใหญ่ เมื่อดาวเคราะห์ฝังตัวอยู่ในดิสก์ เจริญขึ้นจากวัตถุขนาดเล็กโดยมีขนาดตั้งแต่เม็ดฝุ่นจนเป็นก้อนหิน เมื่อพวกมันโคจรไปรอบๆ ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งจะ ชนและยึดเกาะเข้าด้วยกันด้วยแรงไฟฟ้าสถิต จากนั้น แกนกลางจะค่อยๆ สะสมก๊าซจากดิสก์รอบข้าง

     เมื่อเทียบแล้ว ทฤษฎีความไร้เสถียรภาพในดิสก์ จะบอกถึงแบบจำลองที่เกิดจากใหญ่ไปเล็ก เมื่อดิสก์ขนาดใหญ่พบดาวฤกษ์ดวงหนึ่งเย็นตัวลง แรงโน้มถ่วงเป็นสาเหตุให้ดิสก์แตกออกอย่างรวดเร็วกลายเป็นชิ้นส่วนที่ก่อตัวดาวเคราะห์หนึ่งหรือหลายดวงขึ้นมา

การก่อตัวดาวเคราะห์เปรียบเทียบระหว่างการสะสมแกนกลาง(core accretion) กับ ความไร้เสถียรภาพ(stability) 

     การสำรวจได้เผยให้เห็นก้อนและรายละเอียดอื่นๆ ในดิสก์ที่สอดคล้องกับการก่อตัวดาวเคราะห์นอกระบบ ดาวเคราะห์ที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่เอี่ยมมีชื่อว่า AB Aurigae b อาจจะมีมวลราว 9 เท่าดาวพฤหัสฯ และโคจรรอบดาวฤกษ์แม่ด้วยระยะทางที่ไกลมาก 13.8 พันล้านกิโลเมตร(93 AU) หรือกว่าสองเท่าระยะทางเฉลี่ยจากพลูโตถึงดวงอาทิตย์ ในระยะทางดังกล่าวนั้น มันน่าจะใช้เวลานานมากๆ ถ้าดาวเคราะห์ขนาดพอๆ กับดาวพฤหัสฯ จะก่อตัวขึ้นจากการสะสมแกนกลาง นี่ทำให้นักวิจัยสรุปได้ว่าความไร้เสถียรภาพในดิสก์ช่วยให้ดาวเคราะห์นี้ก่อตัวขึ้นในระยะทางที่ไกลมากนี้ และก็แตกต่างอย่างมากกับที่คาดไว้จากการก่อตัวดาวเคราะห์ด้วยวิธีสะสมแกนกลาง

     การวิเคราะห์ใหม่ได้รวมข้อมูลจากเครื่องมือสองชิ้นบนฮับเบิล คือ STIS(Space Telescope Imaging Spectrograph) และ NICMOS(Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph) ข้อมูลเหล่านี้ถูกนำมาเทียบกับข้อมูลจากเครื่องมือถ่ายภาพดาวเคราะห์ที่ละเอียดอ่อนที่เรียกว่า SCExAO บนกล้องโทรทรรศน์ซูบารุขนาด 8.2 เมตรบนยอดเมานาคี ฮาวาย

     ข้อมูลมากมายทั้งจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและอวกาศมีความจำเป็นอย่างยิ่งยวด เนื่องจากเป็นเรื่องยากมากๆ ในการแยกแยะระหว่างดาวเคราะห์ทารก กับรายละเอียดดิสก์ที่ซับซ้อนไม่เกี่ยวข้องกับดาวเคราะห์ การแปลผลระบบนี้เป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างสุดขั้ว Currie กล่าว นี่เป็นเหตุผลประการหนึ่งที่เราต้องการใช้ฮับเบิลในโครงการนี้ เพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจน เพื่อแยกแสงจากดิสก์และดาวเคราะห์ใดๆ ที่มีได้ดีขึ้น

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์นอกระบบขนาดใหญ่ที่เพิ่งก่อตัวขึ้น AB Aurigae b นักวิจัยใช้ข้อมูลใหม่และข้อมูลในคลังจากกล้องฮับเบิลและกล้องซูบารุเพื่อยืนยันดาวเคราะห์ทารกดวงนี้กำลังก่อตัวขึ้นผ่านกระบวนการที่รุนแรง ที่เรียกว่า disk instability ในลำดับเหตุการณ์การก่อตัวแบบใหญ่ไปเล็กนี้ ดิสก์ขนาดใหญ่รอบดาวฤกษ์เย็นตัวลงและแรงโน้มถ่วงก็ทำให้ดิสก์แตกออกเป็นชิ้น ซึ่งจะก่อตัวดาวเคราะห์ขึ้นมาได้ ประเมินว่าดาวเคราะห์มีมวลราว 9 เท่าดาวพฤหัสฯ และโคจรรอบดาวฤกษ์แม่ไกลกว่าวงโคจรพลูโตรอบดวงอาทิตย์เกิน 2 เท่า

     รายละเอียดแขนกังหันที่เราสำรวจพบในดิสก์นี้เป็นไปตามที่เราคาดไว้ถ้ามีดาวเคราะห์มวลพอๆ กับดาวพฤหัสฯ หรือสูงกว่านั้น ส่งผลต่อโครงสร้างฝุ่น Kevin Wagner นักดาราศาสตร์จากหอสังเกตการณ์สจ๊วต มหาวิทยาลัยอริโซนา กล่าว ธรรมชาติเองก็ยังยื่นมือมาช่วยด้วย เมื่อดิสก์ฝุ่นและก๊าซขนาดใหญ่โตนี้หมุนวนไปรอบๆ ดาวฤกษ์ AB Aurigae กำลังเอียงเกือบหันหน้า(face-on) เข้าหามุมมองจากโลก ทีมยังได้พบรายละเอียดในดิสก์ที่ระยะทาง 430 ถึง 580 AU จาก AB Aurigae ด้วยซึ่งบอกว่าอาจจะมีดาวเคราะห์นอกระบบกำลังก่อตัวที่ตำแหน่งดังกล่าวด้วย

     Currie เน้นย้ำว่าอายุที่ยาวนานของปฏิบัติการกล้องฮับเบิลมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยนักวิจัยตรวจสอบวงโคจรของดาวเคราะห์ทารกดวงนี้ เดิมเขาเคยสงสัยอย่างมากว่า AB Aurigae b เป็นดาวเคราะห์จริงหรือ แต่ข้อมูลในคลังฮับเบิล รวมกับภาพถ่ายจากซูบารุ ได้เปลี่ยนความคิดในใจ เราไม่สามารถตรวจสอบการเคลื่อนที่ในเวลาเพียงหนึ่งหรือสองปี Currie กล่าว ฮับเบิลให้เวลากับเราเมื่อรวมกับข้อมูลซูบารุ ก็กินเวลา 13 ปี ซึ่งเพียงพอที่จะสามารถตรวจจับการเคลื่อนที่โคจรได้

     ผลสรุปนี้หยิบยืมการสำรวจทั้งภาคพื้นดินและอวกาศ และเราก็ต้องย้อนกลับไปสู่การสำรวจในคลังฮับเบิล Olivier Guyon จากมหาวิทยาลัยอริโซนา ทุคซอน และกล้องโทรทรรศน์ซูบารุ กล่าวเสริม ขณะนี้เมื่อมอง AB Aurigae b ในหลายช่วงความยาวคลื่น และก็มีภาพที่สอดคล้องกันอุบัติขึ้นมา เป็นภาพที่ชัดแจ้งมาก ผลสรุปของทีมเผยแพร่ใน Nature Astronomy ฉบับวันที่ 4 เมษายน

ภาพดาวฤกษ์ AB Aurigae โดยกล้องซูบารุแสดงแขนกังหันในดิสก์ และดาวเคราะห์ทารกที่เพิ่งพบใหม่ AB Aurigae b ดาวในใจกลางที่สว่างถูกบังไว้ ระบุตำแหน่งด้วย * พร้อมแสดงขนาดวงโคจรเนปจูนเปรียบเทียบ

    การค้นพบใหม่เป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์สามารถก่อตัวขึ้นจากกลไกความไร้เสถียรภาพในดิสก์ Alan Boss จากสถาบันวิทยาศาสตร์คาร์เนกี้ ในวอชิงตัน ดีซี ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้กล่าวเน้น แต่เป็นคนแรกที่เสนอทฤษฎีความไร้เสถียรภาพในดิสก์ในปี 1997 ในท้ายสุด แรงโน้มถ่วงก็ชนะทุกสิ่ง เมื่อสิ่งที่เหลืออยู่จากกระบวนการก่อตัวดาวฤกษ์สุดท้ายก็ถูกดึงเข้ามารวมกันโดยแรงโน้มถ่วง เพื่อก่อตัวดาวเคราะห์ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง

     การเข้าใจช่วงวันแรกๆ ของการก่อตัวดาวเคราะห์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ช่วยให้นักดาราศาสตร์มีบริบทที่มากขึ้นสู่ความเป็นมาของระบบสุริยะของเรา การค้นพบนี้แผ้วถางทางสู่การศึกษาในอนาคตเกี่ยวกับองค์ประกอบเคมีในดิสก์ก่อตัวดาวเคราะห์อย่าง AB Aurigae ซึ่งรวมถึงการศึกษาที่จะทำโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ด้วย

แหล่งข่าว hubblesite.org : Hubble finds a planet forming in an unconventional way  
               sciencealert.com : this giant exoplanet is forming in a very strange way, astronomers say

ต้นเหตุความแตกต่างด้านไกล-ใกล้ของดวงจันทร์

 

ด้านใกล้และด้านไกลของดวงจันทร์ดูแตกต่างกันอย่างมาก และในที่สุดเราก็อาจมีคำอธิบายให้กับความแตกต่างนี้ ทั้งหมดนั้นเกี่ยวข้องกับปื้นสีมืดจางๆ ใกล้ขั้วใต้บนด้านไกล

     ไม่ว่าคุณจะอยู่มุมใดบนโลก ก็จะเห็นดวงจันทร์ได้เพียงด้านเดียว ด้านของดวงจันทร์ที่หันเข้าหาโลกก็ดูแตกต่างอย่างมากกับด้านที่มันซ่อนไว้ที่ด้านไกล

     ด้านใกล้นั้นเต็มไปด้วยทะเล(sea หรือ maria) เมื่อลาวาโบราณไหลกินพื้นที่กว้างใหญ่ มีสีคล้ำ ในทางตรงกันข้าม ด้านไกลปุปะด้วยหลุมอุกกาบาตนั้นแทบจะมองไม่เห็นรายละเอียด “ทะเล” ขนาดใหญ่เลย เพราะเหตุใดทั้งสองด้านจึงแตกต่างกันมากเป็นหนึ่งในปริศนาที่อยู่มายาวนานที่สุดประการหนึ่งของดวงจันทร์

     ขณะนี้ นักวิจัยมีคำอธิบายใหม่ให้กับดวงจันทร์สองหน้านี้ คือเกี่ยวข้องกับการชนขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นเมื่อหลายพันล้านปีก่อนใกล้กับขั้วใต้ของดวงจันทร์ การศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ในวารสาร Science Advances ได้แสดงว่าการชนที่ก่อตัวแอ่งขั้วใต้-ไอค์เคน(South Pole-Aitken basin; SPA basin) ขนาดใหญ่ของดวงจันทร์เมื่อราว 4.3 พันล้านปีก่อน น่าจะสร้างความร้อนจำนวนมหาศาลที่แทรกซึมไปทั่วภายในดวงจันทร์ กลุ่มความร้อนซึ่งน่าจะนำวัสดุสารที่จำเพาะเช่น กลุ่มของธาตุแรร์เอิร์ธ(rare-Earth elements)และธาตุที่สร้างความร้อน ไปสู่ด้านใกล้ของดวงจันทร์ ความเข้มข้นของธาตุน่าจะทำให้เกิดกิจกรรมภูเขาไฟที่สร้างที่ราบทุ่งลาวาที่ด้านใกล้ของดวงจันทร์

การกระจุกตัวอย่างไม่ปกติของเหล็กและธอเรียมใน PKT(Procellarum KREEP Terrane) 

     เราทราบว่าการชนครั้งใหญ่อย่างที่สร้างแอ่ง SPA ก็น่าจะสร้างความร้อนจำนวนมากด้วย Matt Jones ว่าที่ดอกเตอร์ที่มหาวิทยาลัยบราวน์ และผู้เขียนนำการศึกษา กล่าว คำถามก็คือแล้วความร้อนส่งผลต่อพลวัตภายในดวงจันทร์อย่างไรบ้าง สิ่งที่เราแสดงก็คือภายในสภาวะที่เหมาะสมในช่วงเวลาที่ก่อตัว SPA ขึ้นมา มันก็ทำให้เกิดการกระจุกตัวของธาตุที่สร้างความร้อนเหล่านี้บนด้านใกล้ด้วย เราคาดว่านี่จะทำให้แมนเทิลเกิดการหลอมเหลว ซึ่งสร้างการไหลลาวาที่เราเห็นบนพื้นผิว

     การศึกษานี้เป็นความร่วมมือระหว่าง Jones กับอาจารย์ที่ปรึกษาของเขา Alexander Evans ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่บราวน์ พร้อมทั้งนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเพอร์ดิว, ห้องทดลองวิทยาศาสตร์ดวงจันทร์และดาวเคราะห์ในอริโซนา, มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซา

     ความแตกต่างระหว่างด้านใกล้และด้านไกลบนดวงจันทร์เปิดเผยออกมาเป็นครั้งแรกในทศวรรษ 1960 โดยปฏิบัติการลูนา(Luna) ของอดีตสหภาพโซเวียตและโครงการอพอลโลของสหรัฐฯ ในขณะที่มองเห็นความแตกต่างจากกิจกรรมภูเขาไฟได้ง่าย ปฏิบัติการในอนาคตก็น่าจะเผยให้เห็นความแตกต่างในองค์ประกอบธรณีเคมีได้ด้วยเช่นกัน ทะเลที่ใหญ่ที่สุดบนดวงจันทร์ด้านใกล้ Oceanus Procellarum เป็นที่ที่พบความผิดปกติในองค์ประกอบ(เคมี) ที่เรียกว่า PKT(Procellarum KREEP terrane) เป็นการกระจุกของธาตุโพทัสเซ๊ยม(K), แรร์เอิร์ธ(REE), ฟอสฟอรัส(P) พร้อมกับธาตุที่สร้างความร้อนอย่าง ธอเรียม(Th)  KREEP ดูจะกระจุกอยู่ภายในและรอบๆ ทะเลแห่งนี้ แต่ก็กระจายเบาบางอยู่ทั่วดวงจันทร์ แต่แทบไม่พบที่ด้านไกลเลยซึ่งบอกใบ้ว่า KREEP อาจจะเป็นกุญแจสำคัญ

ตำแหน่งของ Oceanus Procellarum ที่ด้านใกล้ และ South Pole-Aitken บนด้านไกล 

     นักวิทยาศาสตร์บางส่วนสงสัยถึงความเชื่อมโยงระหว่าง PKT กับการไหลลาวาบนด้านใกล้ แต่คำถามก็คือเพราะเหตุใดชุดธาตุเหล่านั้นจึงกระจุกเหลืออยู่ที่ด้านใกล้ การศึกษาใหม่ได้ให้คำอธิบายที่เชื่อมโยงกับแอ่งขั้วใต้-ไอค์เคน ซึ่งเป็นแอ่งการชนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นอันดับสองบนระบบสุริยะ และมีโครงสร้างประหลาดที่เป็นโลหะซึ่งอาจเป็นวัตถุที่พุ่งมาชนอยู่ข้างใต้แอ่ง  

     ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้ทำแบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์แสดงว่าความร้อนที่สร้างในการชนครั้งใหญ่น่าจะส่งผลต่อรูปแบบการพาความร้อน(convection) ในภายในดวงจันทร์อย่างไร และสิ่งที่เกิดขึ้นจะทำให้วัสดุสาร KREEP ในแมนเทิลดวงจันทร์กระจายตัวใหม่อย่างไร คิดกันว่า KREEP เป็นตัวแทนของแมนเทิลส่วนท้ายสุดที่แข็งตัวหลังจากการก่อตัวของดวงจันทร์ ด้วยเหตุนี้ มันก็น่าจะก่อตัวแมนเทิลชั้นนอกสุดซึ่งอยู่ใต้เปลือกดวงจันทร์ลงไปเล็กน้อยด้วย แบบจำลองภายในดวงจันทร์ได้บอกว่ามันน่าจะกระจายค่อนข้างสม่ำเสมอใต้พื้นผิว แต่แบบจำลองใหม่บอกถึงการกระจายที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งน่าจะถูกรบกวนโดยกลุ่มความร้อนจากการชนที่ขั้วใต้-ไอค์เค่น

     จากแบบจำลอง วัสดุสาร KREEP น่าจะล่องไปกับคลื่นความร้อนที่ปล่อยออกจากการชนที่ SPA เหมือนกับนักโต้คลื่น เมื่อกลุ่มความร้อนกระจายใต้เปลือกดวงจันทร์ วัสดุสารเหล่านี้ก็จะถูกนำไปกองที่ด้านใกล้ ทีมได้เดินแบบจำลองเสมือนจริงลำดับเหตุการณ์การชนที่แตกต่างกันมากมาย ตั้งแต่ การชนแบบจังๆ จนถึงการชนแบบเฉียดเฉี่ยว ในขณะที่แต่ละอันก็สร้างรูปแบบความร้อนที่แตกต่างกันไปและผลักดัน KREEP ไปด้วยปริมาณที่แตกต่างกัน แต่ทั้งหมดสร้างการกระจุก KREEEP บนด้านใกล้สอดคล้องกับความผิดปกติที่ Oceanus Procellanum  

การศึกษาใหม่ได้เผยว่าการชนโบราณบนขั้วใต้ของดวงจันทร์ได้เปลี่ยนแปลงรูปแบบการพาความร้อน(convection) ในชั้นแมนเทิลของดวงจันทร์ โดยทำให้เกิดการกระจุกตัวธาตุกลุ่มที่สร้างความร้อนบนด้านใกล้ ธาตุเหล่านั้นแสดงบทบาทสำคัญในการสร้างทะเลบนดวงจันทร์กว้างใหญ่ที่เห็นได้จากโลก

     ในแบบจำลองเสมือนจริงนี้ ที่ราบภูเขาไฟด้านใกล้ที่โบราณที่สุดปะทุขึ้นราว 2 ร้อยล้านปีหลังจากการชน ในความเป็นจริง กิจกรรมภูเขาไฟที่รุนแรงเกิดขึ้นเป็นช่วงๆ ดำเนินไปบนด้านใกล้ของดวงจันทร์ยาวนานถึง 7 ร้อยล้านปีหลังการชน

     นักวิจัยบอกว่างานนี้ได้ให้คำอธิบายที่มีน้ำหนักกับปริศนาที่ยาวนานอย่างหนึ่งของดวงจันทร์ PKT ก่อตัวได้อย่างไรนั้นเป็นคำถามที่สำคัญที่สุดในวิทยาศาสตร์ดวงจันทร์ Jones กล่าว และการชนที่ขั้วใต้-ไอค์เคน ก็เป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่สำคัญที่สุดในความเป็นมาดวงจันทร์ งานศึกษานี้นำสองสิ่งนี้มาไว้ด้วยกัน และผมก็คิดว่าผลสรุปนั้นน่าตื่นเต้นมากจริงๆ

แหล่งข่าว phys.org : differences between the Moon’s near and far sides linked to colossal ancient
impact    
               sciencealert.com : the far side of the Moon is significantly more cratered. We may finally know why
                iflscience.com : huge impact may be why the Moon’s near and far sides differ so much

หลุมดำทางช้างเผือกเป่าฟองยักษ์

 

ฟองเฟอร์มี(สีแดง) และฟองอีโรสิตา(สีฟ้า)

     ฟองขนาดยักษ์ 2 ชุดที่แผ่ออกไปหลายพันปีแสงเหนือและใต้ระนาบทางช้างเผือก น่าจะเกิดขึ้นจากเหตุการณ์เดียวกัน แม้ว่าจะมีความแตกต่างในเรื่องขนาดของพวกมันก็ตาม

      ฟองทั้งสองถูกเรียกว่า ฟองเฟอร์มี(Fermi Bubble) และ ฟองอีโรสิตา(e ROSITA bubble) และนักดาราศาสตร์เชื่อว่าพวกมันเป็นผลจากกิจกรรมของคนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) มวล 4.3 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ในใจกลางทางช้างเผือกแต่เนื่องจากฟองชุดหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกแห่งอย่างมาก จึงยังไม่แน่ชัดว่าพวกมันถูกสร้างขึ้นในเวลาเดียวกัน หรือจากเหตุการณ์ที่แตกต่างกัน

     ฟองเฟอร์มี ซึ่งตรวจพบในปี 2010 และอุดมไปด้วยก๊าซร้อนและสนามแม่เหล็กที่เปล่งรังสีแกมมา แผ่ออกไป 9 กิโลพาร์เซค(29354 ปีแสง) เหนือและใต้ระนาบกาแลคซี โดยมีขนาดรวมที่ 18 กิโลพาร์เซค พวกมันยังมีการแผ่รังสีไมโครเวฟคู่เคียง(microwave counterpart) ด้วย ซึ่งเรียกว่า หมอกไมโครเวฟ(microwave haze)

     ในขณะที่ฟองอีโรสิตา ซึ่งเปล่งรังสีเอกซ์ แผ่ออกไปราว 14 กิโลพาร์เซค(45661 ปีแสง) ในแต่ละทิศทางจากใจกลางกาแลคซี โดยมีขนาดรวม 28 กิโลพาร์เซค ด้วยขนาดใหญ่แบบนี้ พวกมันจึงครอบคลุมฟองเฟอร์มีไว้ได้จนหมดสิ้น ก่อนที่จะทราบขนาดที่แท้จริงของฟองอีโรสิตา รายงานในปี 2020 นักวิทยาศาสตร์ก็คิดแล้วว่ามันน่าจะถูกสร้างจากการปะทุเดียวกัน ฟองทั้งสองชุดมีรูปร่างใกล้เคียงกัน ซึ่งบอกว่าพวกมันเชื่อมโยงกันในบางประการ

e ROSITA bubbles

     เนื่องจากฟองผุดขึ้นมาจากใจกลางกาแลคซี และเนื่องจากก็พบเห็นฟองลักษณะคล้ายๆ กันนี้ในกาแลคซีอื่นด้วย จึงดูเป็นไปได้ที่ฟองเฟอร์มีและฟองอีโรสิตา มีความเชื่อมโยงกับหลุมดำของทางช้างเผือก แทนที่จะเกิดจากกิจกรรมการก่อตัวดาวที่คึกคักมาก(starburst) แล้วเกิดซุปเปอร์โนวาชุดใหญ่

     ทีมนักดาราศาสตร์ที่นำโดย Hsiang-Yi Karen Yang จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติซิงฮวาในไต้หวัน ได้ใช้แบบจำลองเสมือนจริงหลายอันเพื่อระบุกิจกรรมของหลุมดำยักษ์ซึ่งอาจจะสร้างฟองอย่างที่เราเห็น ด้วยการสร้างปรากฏการณ์ประหลาดที่เป็นไปได้ 2 อย่าง คือ ลมยักษ์ที่พัดพาออกจาก Sgr A*หรือไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์ นักวิจัยได้พบว่าไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์น่าจะสมเหตุสมผลกว่า

     ก่อนการตรวจพบฟองอีโรสิตา กำเนิดทางกายภาพของฟองเฟอร์มีและหมอกไมโครเวฟเป็นที่ถกเถียงกันอย่างเผ็ดร้อน นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน เราได้แสดงว่าข้อมูลอีโรสิตาใหม่ได้ให้รายละเอียดที่สำคัญที่ช่วยให้เราได้ปะติดปะต่อเรื่องราวเพิ่มเติมให้กับลำดับเหตุการณ์ทั้งสองนี้ และการรวมภาพรังสีแกมมา, รังสีเอกซ์ และไมโครเวฟ และสเปคตรัม ก็บอกอย่างชัดเจนว่ากิจกรรมไอพ่นในอดีตจากหลุมดำในใจกลางกาแลคซี น่าจะเป็นตัวการ

    ขณะนี้ Sgr A* ค่อนข้างเงียบเชียบ โดยเปล่งเฉพาะการปะทุเป็นครั้งคราวเท่านั้น นี่ไม่ใช่สิ่งที่เราเรียกว่า นิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์(active galactic nucleus) ซึ่งเป็นหลุมดำยักษ์ใจกลางกาแลคซีที่กลืนกินวัสดุสารจากเมฆรอบๆ มันอย่างกระตือรือร้น นั้นเป็นกระบวนการที่ยุ่งเหยิง ซึ่งมีการทะลักออก(outflow) ในรูปแบบที่แตกต่างกันไป

     ห้วงอวกาศรอบๆ หลุมดำนั้นมีความซับซ้อนอย่างมาก วัสดุสารที่ป้อนลงสู่หลุมดำจากดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ที่หมุนวนรอบๆ หลุมดำก็ไม่ต่างจากน้ำที่หมุนไปรอบๆ ท่อระบายน้ำทิ้ง คิดกันว่าไอพ่นเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นจากวัสดุสารส่วนน้อยๆ ที่ถูกไขเข้ามาตามแนวเส้นแรงสนามแม่เหล็กนอกขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) จากพื้นที่ส่วนในของดิสก์สะสมมวลสาร

โครงสร้างฟองเฟอร์มีและฟองอีโรสิตา

     เส้นแรงสนามแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นซิงโครตรอน(synchrotron) ที่เร่งความเร็ววัสดุสารนี้ไปถึงพื้นที่ขั้วของหลุมดำ ซึ่งเป็นตำแหน่งที่วัสดุสารถูกยิงออกสู่อวกาศในรูปของไอพ่นก๊าซที่แตกตัวเป็นประจุ(plasma) ความเร็วสูง ไอพ่นเหล่านี้สามารถเป่าห้วงอวกาศไปได้ไกลทั้งเหนือและใต้ระนาบกาแลคซี

     แบบจำลองเสมือนจริงของ Yang และทีมของเธอสันนิษฐานว่า Sgr A* เคยมีกิจกรรมที่คึกคักเมื่อ 2.6 ล้านปีก่อน บริโภควัสดุสารประมาณ 1000 ถึง 10000 เท่าดวงอาทิตย์ภายในช่วง 1 แสนปี และได้ยิงวัสดุสารบางส่วนออกมาเป็นไอพ่นออกสู่อวกาศ ถางเข้าสู่ตัวกลางในอวกาศระหว่างดวงดาว(interstellar medium) ในฮาโล(halo) ของทางช้างเผือก การสันนิษฐานเหล่านี้ได้สร้างชุดฟองที่คล้ายกับที่สำรวจพบฟองเฟอร์มีและฟองอีโรสิตาขึ้นใหม่อย่างแนบเนียน

     ความต่างอย่างมากระหว่างแรงดันในไอพ่นกับก๊าซในตัวกลางในอวกาศ เป็นสาเหตุให้ไอพ่นขยายออกเป็นฟองหรือโคคูน(cocoon) คู่หนึ่ง ที่คล้ายกับฟองวิทยุ(radio bubbles) ที่สำรวจพบในกระจุกกาแลคซี ในตอนนี้ โคคูนเจริญและไปถึงระดับความสูงราว 7.5 กิโลพาร์เซคจากระนาบกาแลคซี อิเลคตรอนในรังสีคอสมิคภายในโคคูนที่ถูกเคลื่อนย้ายจากใจกลางกาแลคซีมีปฏิสัมพันธ์กับสนามรังสีในอวกาศ และเปล่งคลื่นในช่วงรังสีแกมมาออกมาตามที่สำรวจพบในฟองเฟอร์มี นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน

     การอัดฉีดพลังงานเดียวกันนี้จากหลุมดำและการขยายตัวของโคคูนที่เกิดขึ้นตามมา ได้ผลักก๊าซภายในฮาโลกาแลคซีออกจากฮาโลไปด้วยความเร็วเหนือเสียง สร้างเป็นการกระแทกที่เคลื่อนที่ออกนอก ที่หน้าคลื่นกระแทก การบีบอัดของก๊าซเป็นสาเหตุให้ความหนาแน่นก๊าซในท้องถิ่นเพิ่มสูงขึ้น สร้าง การเปล่งคลื่นเบรมชตราลุง(Bremsstrahlung; จากความเร่งของประจุในสนามไฟฟ้า) ความร้อนในแถบรังสีเอกซ์ปรากฏเป็นฟองอีโรสิตา

     ใจกลางกาแลคซีนั้นยากที่จะเห็นได้อันเนื่องจากฝุ่นที่ปกคลุมหนาแน่นมาก ถ้าฟองเหล่านี้ถูกสร้างโดยไอพ่นเมื่อราว 2.6 ล้านปีก่อน ก็น่าจะให้เงื่อนงำบางอย่างเกี่ยวกับความเป็นมาของมัน แบบจำลองของทีมบอกว่าสนามแม่เหล็กและสนามรังสีถูกกดไว้ในช่วงเวลาที่ยิงไอพ่นออกมา การสำรวจกลไกว่าเกิดขึ้นที่ใดอาจจะเป็นหัวข้อการวิเคราะห์ในอนาคต การสำรวจในอนาคตจะยิ่งเผยให้เห็นผลกระทบต่อกลไกย้อนกลับ(feedback) ต่อประวัติวิวัฒนาการของทางช้างเผือก นักวิจัยเขียนไว้ และบอกว่าเหตุการณ์นี้สอดคล้องกับภาพกว้างๆ ในวิวัฒนาการร่วมระหว่างหลุมดำมวลมหาศาล-กาแลคซี ในเอกภพอย่างไร งานวิจัยเผยแพร่ใน Nature Astronomy

แหล่งข่าว sciencealert.com : giant bubbles expanding from the Milky Way could be explained by a single event
                live-sci.com : gargantuan “Fermi bubbles” are the result of a 100,000-year-long black hole explosion, study suggests