กาแลคซีที่ห่างไกลที่สุด 13.5 พันล้านปีแสง

 

  ภาพว่าที่กาแลคซีที่ห่างไกลที่สุด HD1 ปรากฏเป็นวัตถุสีแดงในใจกลางภาพซูม

     นักดาราศาสตร์อาจจะได้พบกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา ในรายงานสองฉบับที่โพสบนเวบก่อนตีพิมพ์ arXiv

     ใน arXiv Yuichi Harikane จากมหาวิทยาลัยโตเกียวและทีมนานาชาติได้รายงานการตรวจสอบแหล่งแสง 2 แหล่งที่ดูเหมือนจะส่องสว่างจากช่วงเวลาเพียง 330 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น(หรือไกลออกไป 13.5 พันล้านปีแสง) ซึ่งเทียบเท่ากับเรดชิพท์ 13 การศึกษาเหล่านี้นำเสนอเพื่อเผยแพร่แต่ยังไม่ผ่านการทบทวนโดยผู้รู้เสมอกัน(peer-reviewed; พิชญพิจารณ์) และล่าสุดก็เผยแพร่วันที่ 7 เมษายน ใน Astrophysical Journal และ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters 

     เคยมีการพบกาแลคซีจำนวนหนึ่งในช่วงไม่กี่ร้อยล้านแรกของเอกภพ ผู้ยึดครองสถิติปัจจุบันซึ่งมีการตรวจสอบอย่างรัดกุมคือ GN-z11 ซึ่งประกาศโดย Pascal Oesch ขณะนี้สังกัดมหาวิทยาลัยเจนีวา และเพื่อนร่วมงานในปี 2016 GN-z11 มีเรดชิพท์ที่ 11 ซึ่งหมายความว่าเราพบเห็นมันอย่างที่มันเป็น 420 ล้านปีหลังจากกำเนิดเอกภพ การค้นพบอื่นๆ ซึ่งชัดเจนน้อยกว่า บอกว่ากาแลคซีในช่วงเวลาดังกล่าวมีดาวที่ค่อนข้างเต็มวัยแล้ว บอกว่าดาวเริ่มสาดแสงภายในเอกภพมาตั้งแต่ช่วง 3 ร้อยล้านปีแรก

     แม้ว่ากาแลคซีใหม่ทั้งสองแห่งจะอยู่ที่ระยะห่างไกลดังกล่าวจริง พวกมันก็น่าจะยังไม่ใช่ประชากรกาแลคซีแห่งแรกๆ Harikane กล่าว อ้างอิงจากความสว่างของพวกมัน กาแลคซีอาจจะมีมวลสูงอย่างน้อย 1 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ใกล้เคียงกับเมฆมาเจลลัน และใหญ่เกินกว่าจะเป็นกาแลคซีรุ่นแรกสุด เราคิดว่าพวกมันพัฒนาขึ้นจากกาแลคซีขนาดเล็กกว่า เขากล่าว

ภาพรวมประกอบในช่วงอินฟราเรดใกล้เหล่านี้แสดง HD1 และ HD2(วัตถุสีแดง) กาแลคซีสองแห่งในเอกภพยุคต้น พวกมันอาจเป็นกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา

      กาแลคซีแห่งแรกๆ เป็นก้าวใหม่ของเอกภพ ดาวของพวกมันสร้างธาตุที่หนัก(เช่น คาร์บอนและออกซิเจน) มากกว่าธาตุสามัญที่สุดที่ถูกสร้างจากเตาดึกดำบรรพ์(หมายถึงบิ๊กแบง) และหลุมดำของพวกมันก็เจริญจนมีขนาดใหญ่โตอย่างที่เห็นในปัจจุบัน ในใจกลางกาแลคซีมวลสูงเกือบทุกแห่งที่พบ หลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้มีปริศนาในตัวเอง นักวิทยาศาสตร์ได้พบพวกมันย้อนไปถึง 1 พันล้านปีหลังบิ๊กแบง แต่ตัวอย่างยุคต้นๆ เหล่านั้นก็มีขนาดใหญ่กว่าที่คาดไว้อย่างมาก คือในระดับ 1 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์แล้ว ซึ่งยากที่จะอธิบายว่าความใหญ่โตเช่นนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไรในเวลาเพียงพันล้านปีแรก การค้นหากาแลคซีแห่งแรกๆ(และหลุมดำของพวกมัน) และระบุว่าพวกมันมีสภาพอย่างไรเมื่อก่อตัวขึ้นจะช่วยนักดาราศาสตร์ให้ไขปริศนานี้ได้

     เมื่อมีข้อสงสัยเหล่านี้อยู่ในใจ ทีมของ Harikane จึงมองหากาแลคซียุคต้นในคลังภาพจากความร่วมมือของกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและอวกาศ ซึ่งครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นตาเห็นและอินฟราเรด พวกเขาตามล่าหากาแลคซีที่ตรวจพบในช่วงความยาวคลื่น(อินฟราเรด) ที่ยาวที่สุดแดงที่สุดแต่ไม่เห็นในช่วงที่สั้นกว่าและในช่วงตาเห็น(เรียกว่า dropout) นั้นเป็นเพราะโฟตอนที่มีความยาวคลื่นสั้น(ในช่วงสีฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งโฟตอนที่สั้นกว่า 91.2 นาโนเมตร) จะถูกดูดกลืนได้ง่ายด้วยไฮโดรเจนเป็นกลาง ทั้งที่อาจจะอยู่ในกาแลคซีเองหรือในเมฆที่อยู่ระหว่างเรากับมัน นี่สร้างสิ่งที่เรียกว่า ไลแมนเบรค(Lyman break) ในสเปคตรัมของกาแลคซี เมื่อเอกภพขยายตัว กาแลคซีจะอยู่ห่างไกลออกไปและแสงของมันก็จะถูกยืดออกสู่ช่วงที่มีสีแดงมากขึ้นเรื่อยๆ และตัวระบุใน
สเปคตรัมก็เลื่อนไปทางสีแดงตามไปด้วย แสงที่เดินทางมาถึงเราจากกาแลคซีนี้จึงบอกเราได้คร่าวๆ ว่าแสงเกิดเรดชิพท์มากแค่ไหน และจึงบอกได้ว่าพวกเรากำลังมองย้อนเวลาในอวกาศกลับไปไกลแค่ไหน

เมื่อคุณขยับไปสู่ช่วงความยาวคลื่นที่มีสีแดงมากขึ้น, ยาวมากขึ้น(ซ้ายไปขวา ระบุด้วยแบนด์ความยาวคลื่น) กาแลคซีที่ห่างไกล HD1 ก็จะปรากฏให้เห็นชัดเจนมากขึ้น(เบลอที่ใจกลางภาพ)

      หลังจากค้นหาภาพด้วยทั้งสายตามนุษย์และคอมพิวเตอร์ ทีมก็พบว่าที่กาแลคซี 2 แห่งที่เรียกว่า HD1 และ HD2 จริงๆ แล้วนักดาราศาสตร์รู้จัก HD1 แล้ว แต่จัดมันไปอยู่ในกาแลคซีที่ใกล้กว่า จากนั้น ทีมก็ตรวจสอบ HD1 ด้วย ALMA เพื่อดูว่าตรวจสอบเรดชิพท์วัตถุได้อย่างแม่นยำหรือไม่ ซึ่งจะช่วยยืนยันเทคนิค ALMA ได้พบ “ร่องรอย” บอกถึงเส้นสเปคตรัมออกซิเจนไอออนไนซ์ที่เกิดเรดชิพท์อย่างรุนแรง ถ้าร่องรอยนั้นเป็นจริง เส้นออกซิเจนไอออนไนซ์จะยืนยันว่า HD1 มีเรดชิพท์ 13.27 และเราก็ได้กาแลคซีที่ย้อนเวลากลับไปได้ไกลที่สุดเท่าที่เคยแล้ว แต่ถ้าเส้นสเปคตรัมไม่ใช่อย่างที่เห็น HD1 และ HD2 ก็น่าจะอยู่ใกล้เข้ามาอีกมากกว่า 1 พันล้านปี Oesch กล่าวว่า แหล่งเหล่านี้น่าสนใจอย่างมาก แต่ผมก็ยังไม่แน่ใจ 100% กับธรรมชาติที่เรดชิพท์สูงมากของพวกมัน

      เนื่องจากกาแลคซีทั้งสองสว่างมากกว่าที่คาดไว้สำหรับกาแลคซีที่ก่อตัวดาวปกติอย่างว่าที่กาแลคซีแห่งอื่นๆ ที่พบในยุคดังกล่าว รวมถึง GN-z11 ด้วย ในรายงานข้างเคียงกับรายงานการค้นพบนี้ Fabio Pacucci จากศูนย์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CfA)
ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียน, Harikane และเพื่อนร่วมงานคนอื่นได้ให้เหตุผลที่เป็นไปได้สำหรับกำลังสว่างที่มาก โดยบอกว่าอาจเป็นผลร่วมจากการก่อตัวดาวอย่างคึกคักกับหลุมดำที่ตะกละตะกลาม อาจจะทำให้ทั้ง HD1 และ HD2 มีกำลังสว่างที่สูงจนน่าประหลาดใจ ผลจากอย่างใดอย่างหนึ่งก็ทำให้เกิดการแผ่รังสีรุนแรงได้ แต่ก็ยากมากที่จะบรรลุถึง

     HD1 ยังสว่างในช่วงยูวี ซึ่งโดยปกติเป็นหลักฐานว่ากาแลคซีกำลังก่อตัวดาวด้วยอัตราที่สูงมาก แต่นักวิจัยก็ตระหนักอย่างรวดเร็วว่าแม้ถ้า HD1 เป็นกาแลคซีที่ก่อตัวอย่างบ้าคลั่ง(starburst galaxy) จริง มันก็น่าจะก่อตัวดาวมากกว่าหนึ่งร้อยดวงในแต่ละปี ซึ่งสูงกว่าที่เราคาดไว้จากกาแลคซีเหล่านี้อย่างน้อย 10 เท่า Pacucci กล่าว ดังนั้น ทีมจึงต้องหาความเป็นไปได้อื่นที่อาจอธิบายยูวีที่สูงจาก HD1

ไทม์ไลน์นี้แสดงว่าที่กาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดในช่วงประวัติความเป็นมาของเอกภพ

     คำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับยูวีที่รุนแรงของ HD1 ก็คือ ดาวในกาแลคซีแห่งนี้กำลังถูกสร้างแตกต่างจากดาวที่สร้างในกาแลคซีรุ่นใหม่ ทุกวันนี้ ดาวประกอบด้วยวัสดุสารรีไซเคิลที่ผลักออกจากดาวรุ่นก่อนหน้านั้น ดังนั้น ดาวทุกดวงจึงมีธาตุหนักอยู่บ้างแม้จะเล็กน้อยมากๆ แต่ในเอกภพยุคต้นไม่นานหลังจากบิ๊กแบง ก๊าซดึกดำบรรพ์ที่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วนๆ ดาวดวงแรกๆ ที่ก่อตัวขึ้นมาซึ่งเรียกว่า ประชากรดาวกลุ่ม 3(Population III stars) พวกมันจะมีมวลสูงกว่า, สว่างไสวกว่า และร้อนกว่าดาวในยุคปัจจุบัน

     ปัญหาเดียวที่มีก็คือ ประชากรดาวกลุ่ม 3 เป็นเพียงกลุ่มในทางทฤษฎี เนื่องจากพวกมันใช้เวลาอย่างรวดเร็วมากเพียงไม่กี่ล้านปี จึงหมายความว่าไม่มีหลักฐานทางตรงใดๆ ให้พบเห็นเลย แต่การค้นพบล่าสุดกับดาวที่เก่าแก่มาก เออาเรนเดล(Earendel) ก็อาจจะเป็นกลุ่ม 3 ได้ถ้าการศึกษาติดตามผลองค์ประกอบดาวดวงนี้ พบว่ามันมีแต่ไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วนๆ

     นอกจากคำอธิบายเรื่องประชากรดาวกลุ่ม 3 แล้ว การมีหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่มีมวล 1 ร้อยล้านเท่าดวงอาทิตย์ ก็อาจจะอธิบายความสว่างช่วงยูวีของกาแลคซีนี้ได้ด้วยเช่นกัน ถ้าเป็นกรณีหลัง หลุมดำมวลมหาศาลแห่งนี้ก็จะเป็นหลุมดำที่เก่าแกที่สุดเท่าที่เคยพบมา ทำลายสถิติก่อนหน้านี้ไปประมาณ 5 ร้อยล้านปี Pacucci กล่าวว่า การตอบคำถามเกี่ยวกับธรรมชาติของแหล่งไกลโพ้นนี้เป็นเรื่องท้าทาย มันก็เหมือนกับการเดาสัญชาติของเรือจากธงที่สะบัดโบกอยู่เมื่อยังห่างไกลจากฝั่งมาก ท่ามกลางกระแสน้ำและกลุ่มหมอกหนา ใครสักคนอาจจะมองเห็นสีและรูปร่างบางส่วนของธงได้บ้าง แต่ไม่ใช่ทั้งหมด 

     ถ้านักวิจัยยืนยันว่า HD1 และ HD2 เป็นกาแลคซียุคต้นจริง วัตถุเหล่านี้ก็อาจจะกำลังบอกเราว่าการก่อตัวดาวในเอกภพยุคต้นเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า พวกมันยังอาจจะเปิดช่องว่าหลุมดำมวลมหาศาลแห่งแรกๆ ก่อตัวและเจริญได้อย่างไร

ภาพจากศิลปินแสดงประชากรดาวกลุ่ม 3(Population III stars) ล่องลอยในก๊าซดึกดำบรรพ์ที่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมดในเอกภพยุคต้นสุด

     แต่ถ้าปรากฏว่าพวกมันมาจากยุคหลังกว่า ก็น่าจะเพิ่มหลักฐานว่ามีกาแลคซีมากมายที่หลุดรอดการตรวจจับเนื่องจากพวกมันถูกปกคลุมด้วยฝุ่น ซึ่งทำให้ดูมืดเกินและแดงจัดเกินกว่าที่กล้องฮับเบิลจะพบได้ ไม่ว่าธรรมชาติของวัตถุเหล่านี้จะเป็นแบบใด พวกมันก็น่าสนใจ Oesch กล่าว ทีมได้เวลาการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์แล้ว ซึ่งจะตรวจสอบสเปคตรัมของ HD1 และ HD2 และว่าที่แห่งที่สามด้วย

     สำหรับกล้องเวบบ์ซึ่งขึ้นสู่อวกาศเมื่อช่วงคริสตมาสปีที่แล้ว กำลังปรับแต่งระบบทัศนศาสตร์ รวมถึงการเทียบมาตรฐาน(calibrate) อุปกรณ์อื่นๆ ซึ่งจะมีงานอีกหลายร้อยอย่างที่ต้องทำในช่วงกระบวนการทดสอบการทำงาน(commissioning) รวมถึงทำให้เครื่องตรวจจับเย็นตัวลงจนถึงอุณหภูมิเหนือศูนย์องศาสัมบูรณ์เพียงเล็กน้อย และแต่ละงานก็มีความสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าเวบบ์จะบรรลุถึงเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ เป้าหมายหนึ่งก็คือ การตรวจจับกาแลคซีแห่งแรกๆ สุด ซึ่งต้องมีการวางแผนและสร้างทฤษฎีมากมายเพื่อเตรียมการให้หอสังเกตการณ์

     Harikane และกลุ่มความร่วมมือได้จองเวลาการสำรวจของกล้องเวบบ์เพื่อเก็บสเปคตรัม HD1, HD2 และว่าที่อีกกาแลคซีหนึ่ง ในฤดูร้อนนี้ เวบบ์จะเริ่มสำรวจหากาแลคซีในเอกภพอันไกลโพ้น ซึ่งเป็นกุญแจในการไขความลับวิวัฒนาการกาแลคซีและความเป็นมาของเอกภพ พวกเขาประเมินว่ากล้องเวบบ์และกล้องโทรทรรศน์อวกาศอื่นๆ ที่วางแผนไว้น่าจะร่วมกันพบกาแลคซีมากกว่าหนึ่งหมื่นแห่งในยุคต้นของเอกภพนี้    

 

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : are these the most distant galaxies yet seen?
                phys.org : scientists have spotted the farthest galaxy ever
                space.com : astronomers spot most distant galaxy yet at 13.5 billion light-years away