ยุค "อรุณรุ่งแห่งเอกภพ" จบลงช้ากว่าที่เคยคิด

 

     นักดาราศาสตร์นานาชาติกลุ่มหนึ่งได้ระบุช่วงเวลาที่สิ้นสุดยุคแห่งการทำให้ไฮโดรเจนเป็นกลางแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้ง(epoch of reionization) ว่าเกิดเมื่อ 1.1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง

     การรีไอออนไนซ์เริ่มต้นขึ้นเมื่อดาวรุ่นแรกสุดก่อตัวขึ้นหลังจาก “ยุคมืด” ของเอกภพ ซึ่งเป็นช่วงเวลายาวนานที่มีแต่ก๊าซเป็นกลางอยู่ในเอกภพ โดยปราศจากแหล่งแสงใดๆ เลย ผลสรุปใหม่ได้ยุติการโต้แย้งที่มีมากว่าสองทศวรรษ โดยติดตามสัญญาณการแผ่รังสีจากเควซาร์(quasars) 67 แห่ง ซึ่งมีร่องรอยของก๊าซไฮโดรเจนเป็นกลาง เมื่อแสงผ่านทะลุก่อนที่มันจะมาถึงโลก การระบุช่วงสิ้นสุด “อรุณรุ่งแห่งเอกภพ” นี้จะช่วยในการจำแนกแหล่งรังสีที่ทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งก็คือ ดาวและกาแลคซีแห่งแรกๆ

      เอกภพได้ผ่านช่วงสถานะต่างๆ จากการเริ่มต้นจนถึงสถานะปัจจุบัน ในช่วง 3.8 แสนปีแรกหลังจากบิ๊กแบง เอกภพเต็มไปด้วยพลาสมาที่ร้อนจัดและมีประจุไฟฟ้าหนาแน่น หลังจากช่วงเวลานี้ มันก็เย็นตัวลงมากพอที่โปรตอนและอิเลคตรอนที่มีอยู่ทั่วเอกภพ จะรวมกันกลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ตลอดช่วง “ยุคมืด” นี้ เอกภพยังไม่มีแหล่งแสงใดๆ เลย

     แต่เมื่อมีดาวฤกษ์และกาแลคซีแห่งแรกๆ ก่อตัวขึ้นเมื่อราว 1 ร้อยล้านปีต่อมา ก๊าซเป็นกลางก็แตกตัวเป็นไอออนอีกครั้งโดยการแผ่รังสีอุลตราไวโอเลตจากดาวฤกษ์ กระบวนการนี้ดึงอิเลคตรอนออกจากโปรตอน ทำให้มันกลายเป็นอนุภาคอิสระ ยุคเวลานี้ถูกเรียกทั่วๆ ไปว่า อรุณรุ่งแห่งเอกภพ(cosmic dawn) ทุกวันนี้ ไฮโดรเจนทั้งหมดที่กระจายอยู่ระหว่างกาแลคซี(หรือ intergalactic gas) แตกตัวเป็นไอออนโดยสมบูรณ์แล้ว อย่างไรก็ตาม การแตกตัวนี้เกิดขึ้นเมื่อใดก็เป็นหัวข้อที่โต้เถียงกันอย่างดุเดือด และเป็นงานวิจัยที่การแข่งขันกันสูง

     ขณะนี้ ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติที่นำโดย Sarah Bosman จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ ในไฮเดลแบร์ก เจอรมนี  ได้ระบุช่วงเวลาที่สิ้นสุดยุคแห่งการรีไอออนไนซ์ ได้ที่ 1.1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ฉันประทับใจเมื่อคิดว่าเอกภพได้ผ่านสภาวะต่างๆ จนกระทั่งนำไปสู่การก่อตัวดวงอาทิตย์และโลก นี่เป็นเกียรติอย่างยิ่งที่ได้เติมชิ้นส่วนเล็กๆ ให้กับองค์ความรู้เกี่ยวกับความเป็นมาของเอกภพ Bosman กล่าว เธอเป็นผู้เขียนหลักในรายงานที่เผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Frederick Davies นักดาราศาสตร์จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์เช่นกัน และผู้เขียนร่วมรายงานนี้ ให้ความเห็นว่า ความคิดเดิมมีว่า รีไออนไนซ์เกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์เร็วกว่าที่เราบอกไว้ เกือบสองร้อยล้านปี ในตอนนี้ เรามีหลักฐานที่หนักแน่นที่สุดว่ากระบวนการจบลงล่าช้ากว่านั้น ในยุคที่สามารถสำรวจถึงได้โดยอุปกรณ์การสำรวจรุ่นปัจจุบัน การปรับช่วงเวลาให้ถูกต้องอาจจะดูเป็นเศษของเวลาหลายพันล้านปีนับตั้งแต่บิ๊กแบงมา อย่างไรก็ตาม เวลาเพียงไม่กี่ร้อยล้านปีก็เพียงพอที่จะสร้างดาวได้หลายสิบรุ่นในวิวัฒนาการเอกภพยุคต้น ช่วงเวลายุคแห่งอรุณรุ่งของเอกภพจะบอกถึงธรรมชาติและวงจรชีวิตของแหล่งที่สร้างรังสีที่มีอยู่ในช่วงหลายร้อยล้านปี

     ความพยายามเข้าถึงโดยอ้อมนี้ เป็นหนทางเดียวที่จะแจกแจงคุณลักษณะของวัตถุที่ผลักดันให้เกิดกระบวนการรีไอออนไนซ์ การสำรวจดาวฤกษ์และกาแลคซีแห่งแรกๆ เหล่านี้ไกลเกินความสามารถของกล้องโทรทรรศน์รุ่นปัจจุบัน ซึ่งสลัวเกินกว่าจะได้ข้อมูลที่มีประโยชน์ภายในช่วงเวลาที่สมเหตุสมผล แม้แต่ด้วยกล้องโทรทรรศน์รุ่นถัดไปอย่างกล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope; ELT) หรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์(JWST) ก็อาจจะไปไม่ถึงเป้าหมายนี้

สถานะของสสารและพลังงานในเอกภพตั้งแต่บิ๊กแบง

     เพื่อสำรวจว่าเอกภพแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้งทั้งหมดเมื่อใด นักวิทยาศาสตร์จึงใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป ทางหนึ่งก็คือ การตรวจสอบการเปล่งคลื่นของก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลาง เป็นเส้นสเปคตรัมเปล่งคลื่นที่ 21 เซนติเมตร แต่ทีมเลือกจะวิเคราะห์แสงที่เก็บได้จากแหล่งแสงพื้นหลังที่สว่างจ้า พวกเขาใช้เควซาร์ 67 แห่ง ซึ่งเป็นหลุมดำยักษ์ในใจกลางกาแลคซีที่ไกลโพ้น ซึ่งมีกิจกรรมที่สว่างมาก

      ด้วยการพิจารณาสเปคตรัมของเควซาร์ซึ่งจะชัดแจ้งตลอดช่วงความยาวคลื่นที่สำรวจ นักดาราศาสตร์ได้พบรูปแบบว่าแสงหายไปในตำแหน่งใดบ้าง เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า เส้นดูดกลืนคลื่น(absorption lines) ก๊าซไฮโดรเจนเป็นกลางจะดูดกลืนแสงส่วนนี้เมื่อแสงเดินทางจากแหล่งแสงมาถึงกล้องโทรทรรศน์ สเปคตรัมของเควซาร์ 67 แห่งมีคุณภาพสูงอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อการสำเร็จของการศึกษานี้

     วิธีการที่เกี่ยวข้องกับการตรวจสอบเส้นสเปคตรัมที่ความยาวคลื่น 121.6 นาโนเมตร ความยาวคลื่นนี้อยู่ในช่วงอุลตราไวโอเลตและเป็นเส้นเปล่งคลื่นของไฮโดรเจนที่ชัดเจนที่สุด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ เส้นสเปคตรัมจึงเลื่อนไปสู่ความยาวคลื่นที่มากขึ้นเมื่อแสงเดินทางไกลขึ้น ดังนั้น เรดชิพท์ของเส้นดูดกลืนในยูวีที่สำรวจพบ จึงแปลเป็นระยะทางถึงโลกได้ ในการศึกษานี้ ผลกระทบได้เลื่อนเส้นสเปคตรัมช่วงยูวี ไปสู่ช่วงอินฟราเรดเมื่อมันมาถึงกล้อง

      ระดับการดูดกลืนคลื่นขึ้นอยู่กับสัดส่วนระหว่างก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลาง กับก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออน การผ่านทะลุ(transmission) เมฆก้อนหนึ่งๆ จะให้ค่าที่จำเพาะ เมื่อแสงเข้าใกล้พื้นที่ที่มีสัดส่วนก๊าซไอออนสูง มันจะไม่สามารถดูดกลืนยูวีได้อย่างมีประสิทธิภาพนัก คุณสมบัตินี้เป็นสิ่งที่ทีมมองหา แสงจากเควซาร์มองทะลุเมฆไฮโดรเจนมากมายที่ระยะทางต่างๆ ในการเดินทาง ซึ่งแต่ละก้อนก็จะทิ้งร่องรอยที่เรดชิพท์ที่ลดลงจากช่วงยูซี ในทางทฤษฎีแล้ว การวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงการผ่านทะลุเทียบกับเรดชิพท์ ก็น่าจะให้เวลาหรือระยะทางที่ก๊าซไฮโดรเจนแตกตัวเป็นไอออนโดยสมบูรณ์

จากโลก แสงจากเควซาร์ที่ห่างไกลในเอกภพยุคต้น จะผ่านทะลุก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนเรียบร้อยแล้วบางส่วนในยุคแห่งการรีไอออนไนซ์ ซึ่งพบเห็นอยู่รอบๆ กาแลคซียุคต้น ก๊าซไฮโดรเจนเป็นกลางที่พบอยู่ระหว่างกาแลคซีก็สร้างสัญญาณการดูดกลืนคลื่นด้วย เนื่องจากเอกภพขยายตัว เส้นดูดกลืนคลื่นจึงขยับไปทางสีแดง(redshifted) แตกต่างจากในช่วงยูวี

     แต่โชคไม่ดีที่เรื่องราวซับซ้อนกว่านั้น เมื่อจบยุครีไอออนไนซ์ลง มีแค่เพียงก๊าซในห้วงอวกาศระหว่างกาแลคซีที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์เท่านั้น ยังมีเครือข่ายของสสารเป็นกลางบางส่วนที่เชื่อมโยงกาแลคซีและกระจุกกาแลคซีที่เรียกว่า ใยเอกภพ(cosmic web) ซึ่งพบก๊าซไฮโดรเจนเป็นกลาง ซึ่งจะทิ้งร่องรอยในแสงเควซาร์ด้วยเช่นกัน

     เพื่อแยกแยะอิทธิพลเหล่านี้ ทีมปรับใช้แบบจำลองทางกายภาพซึ่งสร้างความแปรผันที่อาจพบในยุคหลังๆ เมื่อพวกเขาเปรียบเทียบแบบจำลองกับผลสรุป ก็พบจุดหักเหในช่วงความยาวคลื่นที่ 121.6 นาโนเมตรขยับไปถึง 5.3 เท่า ในช่วงเวลาเทียบเท่ากับ 1.1 พันล้านปี การแปรสภาพนี้บ่งชี้ช่วงเวลาเมื่อการเปลี่ยนแปลงในแสงเควซาร์ ไม่สอดคล้องกับความปั่นป่วนจากใยเอกภพ ดังนั้น จึงเป็นช่วงเวลาสุดท้ายที่จะต้องมีก๊าซไฮโดรเจนเป็นกลางปรากฏในห้วงอวกาศ และสุดท้ายก็แตกตัวเป็นไอออน ก็เป็นการสิ้นสุด ยุคอรุณรุ่งแห่งเอกภพ

     ชุดข้อมูลใหม่นี้ได้เป็นบรรทัดฐานที่สำคัญอย่างยิ่ง ที่จะให้ทดสอบแบบจำลองเสมือนจริงช่วงพันล้านปีแรกของเอกภพในอีกหลายปีข้างหน้า Davies กล่าว แบบจำลองจะช่วยแจกแจงแหล่งแสงที่ทำให้เกิดการแตกตัว เป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกๆ สุด Bosman กล่าวว่า ทิศทางงานของเราในอนาคตที่น่าตื่นเต้นที่สุดก็คือ การขยายสู่ช่วงเวลาย้อนกลับไปอีก สู่ช่วงกลางกระบวนการรีไอออนไนซ์ โชคร้ายที่เมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นก็หมายความว่าเควซาร์ในยุคต้นกว่านั้นก็จะสลัวกว่าอย่างมาก ดังนั้น การใช้กล้องโทรทรรศน์รุ่นใหม่อย่าง ELT จึงมีความสำคัญในการขยายพื้นที่รวบรวมข้อมูล

แหล่งข่าว phys.org : researchers pinpoint the end of “cosmic dawn”, the epoch of reionization
                sciencealert.com : the “cosmic dawn” of our universe ended far later than we thought
                 mpia.de : the end of cosmic dawn     

เฝ้าดูการตายของดาวไฮเปอร์ยักษ์ VY Canis Majoris

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวไฮเปอร์ยักษ์แดง VY Canis Majoris ซึ่งอยู่ไกลออกไป 3009 ปีแสงจากโลก มันอาจจะเป็นดาวมวลสูงสุดเท่าที่เคยพบในทางช้างเผือก

    ทีมนักดาราศาสตร์ได้สร้างภาพดาวไฮเปอร์ยักษ์(hypergiant) ดวงหนึ่งที่กำลังจะตาย ในรายละเอียดสามมิติ ทีมซึ่งนำโดย Ambesh Singh และ Lucy Ziurys จากมหาวิทยาลัยอริโซนา ได้ตามรอยการกระจายตัว, ทิศทางและความเร็วของโมเลกุลหลากหลายชนิดรอบๆ ดาวไฮเปอร์ยักษ์แดงดวงหนึ่งซึ่งมีชื่อว่า VY Canis Majoris

     การค้นพบนำเสนอในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 240 ในพาซาดีนา คาลิฟอร์เนีย ได้ให้แง่มุมในระดับที่ไม่น่าเชื่อ สู่กระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการตายของดาวฤกษ์ยักษ์ ทีมประกอบด้วย Robert Humphreys จากมหวิทยาลัยมินเนโซตา และ Anita Richards จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ในสหราชอาณาจักร

     ดาวซุปเปอร์ยักษ์สุดขั้วที่เรียกว่า ไฮเปอร์ยักษ์ นั้นพบได้ยากมากๆ โดยในทางช้างเผือกพบเพียงไม่กี่ดวงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น บีเทลจุส(Betelgeuse) ดาวที่สว่างที่สุดเป็นอันดับสองในกลุ่มดาวนายพราน(Orion) และ NML Cygni หรือ V1489 Cygni ในกลุ่มดาวหงส์(Cygnus) ดาวมวลสูงไม่เหมือนกับดาวมวลต่ำลงมาซึ่งจะพองตัวออกเมื่อเข้าสู่สถานะดาวยักษ์แดง(red giant) แต่ก็ยังรักษารูปร่างทรงกลมได้ ไฮเปอร์ยักษ์จะมีการสูญเสียมวลอย่างรุนแรงเป็นครั้งคราว ซึ่งจะก่อตัวโครงสร้างที่ซับซ้อนและไม่ปกติมากๆ ประกอบด้วยวงโค้ง(arcs), ก้อน(clumps) และปม(knots)

     VY Canis Majoris(เขียนสั้นๆ ว่า VY CMa) อยู่ห่างจากโลกออกไป 3009 ปีแสง มันเป็นดาวแปรแสงที่หดพองได้(pulsating variable star) ในกลุ่มดาวสุนัขใหญ่(Canis Major) มีมวลราว 17 เท่าดวงอาทิตย์ เส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 10,000 ถึง 15,000 เท่าหน่วยดาราศาสตร์(astronomical units; 1 AU คือระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์) VY CMa จึงอาจจะเป็นดาวขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยพบในทางช้างเผือกมา Ziurys บอกไว้

ขนาดของ VY CMa ถ้านำมาไว้ในใจกลางระบบสุริยะแทนดวงอาทิตย์ พื้นผิวจะมีขนาดเลยวงโคจรของดาวเสาร์ image credit: quora.com 

      ลองนึกถึงบีเทลจุสในแบบโด๊ปสเตียรอยด์ Ziurys กล่าว แต่มันใหญ่กว่ามาก, มีมวลสูงกว่ามาก และมีการผลักมวลอย่างรุนแรงทุกๆ 200 ปีหรือประมาณนั้น ทีมเลือกศึกษา VY CMa ด้วยเหตุผลที่มันเป็นหนึ่งในตัวอย่างดาวฤกษ์ชนิดเหล่านี้ที่ดีที่สุดดวงหนึ่ง

     เราสนใจเป็นพิเศษว่าไฮเปอร์ยักษ์ทำอะไรเมื่อถึงจุดจบชีวิตของพวกมัน Singh นักศึกษาปริญญาเอกปีที่สี่ในห้องทดลอง Ziurys กล่าว ผู้คนมักจะคิดว่าดาวมวลสูงเหล่านี้ก็แค่พัฒนาระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา แต่เราชักจะไม่แน่ใจอีกต่อไป เพราะถ้าเป็นเช่นนั้น เราก็น่าจะได้เห็นซุปเปอร์โนวาได้มากกว่านี้ Ziurys กล่าวเสริม ขณะนี้เราคิดว่าพวกมันอาจจะยุบตัวลงอย่างเงียบๆ กลายเป็นหลุมดำแต่เราไม่ทราบว่าดวงไหนจะจบชีวิตแบบนั้น หรือเกิดขึ้นเพราะอะไรและอย่างไร

      ุ   การตรวจสอบสเปคตรัมและภาพถ่าย VY CMa ก่อนหน้านี้จากกล้องฮับเบิล ได้แสดงถึงการมีอยู่ของวงโค้งและปมก้อนอื่นๆ อย่างชัดเจน หลายรายละเอียดแผ่ออกไปไกลหลายพัน AU จากดาว เพื่อค้นหารายละเอียดกระบวนการที่ไฮเปอร์ยักษ์จะจบชีวิตให้มากขึ้น ทีมจึงตามรอยโมเลกุลบางชนิดที่พบรอบๆ ดาว และทำแผนที่โมเลกุลเหล่านั้นบนภาพฝุ่นที่มีอยู่ก่อนแล้วซึ่งถ่ายโดยกล้องฮับเบิล

     ไม่มีใครที่จะสามารถสร้างภาพดาวดวงนี้ได้โดยสมบูรณ์ Ziurys กล่าว อธิบายว่าทีมของเธอต้องการจะเข้าใจกลไกที่ดาวทิ้งมวล ซึ่งดูจะแตกต่างจากที่ดาวขนาดเล็กกว่าเป็น เมื่อเข้าสู่ช่วงยักษ์แดงในบั้นปลายชีวิตของพวกมัน คุณจะไม่เห็นการสูญเสียมวลแบบสมมาตร แต่จะเป็นเซลล์การพาความร้อน(convective cells) ที่พัดพาผ่านชั้นโฟโตสเฟียร์ของดาว เหมือนกับลูกกระสุนยักษ์ และผลักมวลออกมาในทิศทางที่แตกต่างกัน เธอกล่าว มันก็คล้ายกับ coronal arc ที่ดวงอาทิตย์ แต่ใหญ่กว่าถึงหนึ่งพันล้านเท่า

ภาพมุมกว้างแสดง VY Canis Majoris

      ทีมใช้ ALMA ในชิลีเพื่อตามรอยโมเลกุลหลายชนิดในวัสดุสารที่พื้นผิวดาวผลักออกมา ในขณะที่ยังคงทำการสำรวจบางส่วนอยู่ แต่ก็ทำแผนที่เบื้องต้นจากโมเลกุลกำมะถันออกไซด์, กำมะถันไดออกไซด์, ซิลิกอนออกไซด์, ฟอสฟอรัสออกไซด์ และโซเดียมคลอไรด์ เรียบร้อยแล้ว จากข้อมูลเหล่านี้ ทีมได้สร้างภาพโครงสร้างโมเลกุลที่ไหลออกจาก VY CMa ในระดับที่แสดงแนวโน้มที่วัสดุสารทั้งหมดถูกผลักออกจากดาวฤกษ์

      โมเลกุลประปรายอยู่ตามวงโค้งในเปลือกก๊าซ ซึ่งบอกเราว่าโมเลกุลผสมคลุกเคล้ากับฝุ่นอย่างทั่วถึง Singh กล่าว ข้อดีของการเปล่งคลื่นจากโมเลกุลในช่วงวิทยุก็คือ พวกมันให้ข้อมูลความเร็ว ไม่เหมือนกับการเปล่งคลื่นจากฝุ่น ซึ่งอยู่นิ่ง

     ด้วยการหันจานรับสัญญาณวิทยุ 48 จานของ ALMA ไปในทิศทางที่แตกต่างกัน นักวิจัยก็สามารถเก็บข้อมูลเกี่ยวกับทิศทางและความเร็วของโมเลกุล และทำแผนที่โมเลกุลในพื้นที่ต่างๆ ในเปลือกก๊าซรอบไฮเปอร์ยักษ์ดวงนี้ ในรายละเอียด กระทั่งเชื่อมโยงโมเลกุลกับการผลักมวลครั้งต่างๆ ได้

     การประมวลผลข้อมูลยังเป็นภาระหนักในแง่พลังการคำนวณ Singh กล่าว โดยรวมแล้ว เราได้ประมวลผลข้อมูลเกือบ 1 เทร่าไบต์จาก ALMA และเรายังคงได้รับข้อมูลเพื่อที่เราจะได้เข้าถึงความละเอียดสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ เขากล่าว แค่เทียบมาตรฐาน(calibrate) กับล้างข้อมูล ก็ต้องวนทำซ้ำ(iteration) ถึง 2 หมื่นรอบแล้ว ซึ่งใช้เวลาหนึ่งถึงสองวันสำหรับโมเลกุลแต่ละชนิด

     ด้วยการสำรวจเหล่านี้ ขณะนี้เราสามารถทำแผนที่ได้ Ziurys กล่าว กระทั่งตอนนี้ ก็ทำได้เพียงศึกษาพื้นที่ส่วนเล็กๆ ของโครงสร้างขนาดมหึมานี้เท่านั้น แต่คุณก็ยังไม่เข้าใจการสูญเสียมวลและดาวขนาดใหญ่เหล่านี้ตายได้อย่างไร โดยที่ไม่ได้พิจารณาพื้นที่ทั้งหมดทั้งมวล นี่เป็นเหตุผลที่เราอยากจะสร้างภาพที่สมบูรณ์ขึ้นมา

 

แหล่งข่าว spaceref.com : watching the death of a rare giant star
                space.com : “Betelgeuse on steroids ” sheds light on how rare massive stars die

ดาวในกาแลคซีอื่นมีขนาดใหญ่กว่าดาวในทางช้างเผือก

 

ภาพจากกล้องฮับเบิลแสดงกาแลคซี MCG+07-33-027 เป็นกาแลคซีที่กำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคักมากหรือ starburst galaxy Image credit: International Business Times 

     ทีมนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกนได้บรรลุถึงข้อสรุปใหญ่เกี่ยวกับประชากรดาวฤกษ์นอกกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา ผลสรุปนี้อาจจะเปลี่ยนแปลงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับปรากฏการณ์ประหลาดทางดาราศาสตร์ในขอบเขตที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงการก่อตัวของหลุมดำ, ซุปเปอร์โนวา และเพราะเหตุใดกาแลคซีจึง “ตาย”

     กาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda) เพื่อนบ้านที่อยู่ใกล้ทางช้างเผือกมากที่สุด ก็เป็นวัตถุที่อยู่ไกลที่สุดบนท้องฟ้าที่คุณจะสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าด้วย

     เป็นเวลานานตราบเท่าที่มนุษยชาติได้ศึกษาสรวงสวรรค์ว่า ดาวในกาแลคซีที่ห่างไกลจะมีสภาพเป็นอย่างไรนั้นก็ยังเป็นปริศนา ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal ทีมนักวิจัยที่สถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน กำลังทำงานกับความเข้าใจก่อนหน้านี้เกี่ยวกับดาวนอกกาแลคซีของเรา

     นับตั้งแต่ปี 1955 ก็สันนิษฐานว่าองค์ประกอบของดาวในกาแลคซีอื่นๆ ในเอกภพ ก็คงคล้ายกับดาวนับแสนล้านดวงในทางช้างเผือกของเรา คือ เป็นส่วนผสมของดาวมวลสูง, มวลปานกลาง และมวลต่ำ แต่ด้วยความช่วยเหลือจากการสำรวจกาแลคซี 140,000 แห่งทั่วเอกภพ และแบบจำลองชั้นสูงอีกชุดใหญ่ ทีมได้ทดสอบว่าการกระจาย(มวล) ของดาวในทางช้างเผือกจะสามารถใช้กับที่อื่นๆ ได้หรือไม่ คำตอบก็คือ ไม่ได้ ดาวในกาแลคซีที่ไกลโพ้นมักจะมีมวลสูงกว่าพวกที่อยู่ในละแวกท้องถิ่นของเรา การค้นพบนี้ส่งผลอย่างใหญ่หลวงต่อสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้จักในเอกภพนี้

      มวลของดาวบอกเหล่านักดาราศาสตร์ได้มากมาย ถ้าคุณเปลี่ยนมวล คุณก็จะเปลี่ยนจำนวนของซุปเปอร์โนวาและหลุมดำที่เกิดขึ้นจากดาวมวลสูงด้วย ด้วยเหตุนี้ ผลสรุปของเราจึงหมายความว่าเราจะต้องปรับปรุงหลายอย่างที่เราเคยคาดเดาไว้ เนื่องจากกาแลคซีที่ไกลโพ้นนั้นดูค่อนข้างต่างจากกาแลคซีของเรา Albert Sneppen นักศึกษาปริญญาโทที่สถาบันนีล บอห์ร และผู้เขียนคนแรกในการศึกษานี้ กล่าว

ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ขนาดกลาง(G-type) มีสีเหลือง ในขณะที่ดาวมวลสูง จะมีสีฟ้า, ฟ้าอมขาว(O,B types) ดาวมวลต่ำสุด คือ ดาวฤกษ์แคระแดง(M-type) 

     นักวิจัยประเมินขนาดและมวลของดาวในกาแลคซีอื่นๆ ว่าใกล้เคียงกับดาวในกาแลคซีของเรามานานกว่าห้าสิบปีแล้ว ด้วยเหตุผลง่ายๆ ก็คือ พวกเขาไม่สามารถใช้กล้องโทรทรรศน์สำรวจพวกมันได้อย่างที่ทำได้กับดาวในกาแลคซีของเรา กาแลคซีที่อยู่ห่างไกลนั้นอยู่ไกลออกไปหลายพันล้านปีแสง ด้วยเหตุนี้ จึงมีแต่แสงจากดาวที่ทรงพลังที่สุด, มวลสูงและสว่างที่สุดในกาแลคซีเท่านั้นที่เดินทางมาถึงเราได้ และจะต้องคาดเดาเกี่ยวกับประชากรดาวที่มีมวลเบากว่า  

     จึงเป็นเรื่องทีสร้างความปวดหัวให้กับนักวิจัยทั่วโลกมาหลายปี เมื่อพวกเขาไม่เคยจะแน่ใจว่าดาวในกาแลคซีแห่งอื่นๆ มีการกระจาย(มวล) อย่างไร เป็นความคลาดเคลื่อนที่บังคับให้พวกเขาต้องเชื่อว่าพวกมันมีการกระจายเหมือนกับดาวในกาแลคซีของเรา

    เราทำได้เพียงมองยอดของภูเขาน้ำแข็งเท่านั้น และรู้มานานแล้วว่าการคาดหวังว่ากาแลคซีแห่งอื่นๆ จะเหมือนกับกาแลคซีของเรานั้นไม่ใช่ข้อสันนิษฐานที่ดีเลย อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ากาแลคซีแห่งอื่นๆ จะมี(สัดส่วน) ประชากรดาวที่แตกต่างออกไป การศึกษานี้ช่วยให้เราทำแบบนั้นได้ ซึ่งอาจจะเปิดประตูสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งมากขึ้นเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแลคซี Charles Steinhardt รองศาสตราจารย์ ผู้เขียนร่วมการศึกษานี้ กล่าว

     ในการศึกษา นักวิจัยได้วิเคราะห์แสงจากกาแลคซี 140,000 แห่งในบัญชีรายชื่อ COSMOS ซึ่งเป็นฐานข้อมูลการสำรวจแสงมากกว่าหนึ่งล้านงานจากกาแลคซีอื่นๆ ในระดับนานาชาติ กาแลคซีเหล่านั้นกระจายอยู่ตั้งแต่ใกล้ที่สุดจนถึงห่างไกลที่สุดในเอกภพซึ่งแสงใช้เวลาเดินทาง 12 พันล้านปีก่อนที่จะสำรวจได้บนโลก ทีมได้พบว่าโดยเฉลี่ยแล้ว ดาวในกาแลคซีที่ไกลโพ้นมักจะมีมวลสูงกว่าพวกที่อยู่ในละแวกท้องถิ่นของเรา การค้นพบนี้ส่งผลอย่างใหญ่หลวงต่อสิ่งที่เราคิดว่าเรารู้จักในเอกภพนี้

ซ้าย: อุณหภูมิระหว่าง 10 ถึง 50 เคลวิน กับเวลาที่มองย้อนกลับไปจากตัวอย่างกาแลคซีใน COSMOS 139305 แห่งที่มี S/N>10 ใน V band เรดชิพท์ที่มากขึ้น จะมีกาแลคซีที่อุณหภูมิต่ำน้อยลง อุณหภูมิเฉลี่ยเพิ่มขึ้นจากราว 28 ไปเป็น 36 เคลวิน จากเวลาปัจจุบันย้อนไป 12 พันล้านปีก่อน ในขณะที่การกระจายช่วงอุณหภูมิก็แคบลง

     นักวิจัยบอกว่า การค้นพบใหม่จะส่งนัยอย่างกว้างขวาง ยกตัวอย่างเช่น ยังคงเป็นปัญหาที่ไม่มีคำตอบว่าเพราะเหตุใดกาแลคซีจึงตายและหยุดก่อตัวดาวฤกษ์ใหม่ๆ ผลสรุปใหม่บอกว่านี่อาจอธิบายได้ด้วยแนวโน้มธรรมดา Sneppen กล่าวว่า ขณะนี้เมื่อเราสามารถถอดรหัสมวลของดาวได้ดีขึ้น เราก็จะเห็นรูปแบบใหม่คือ กาแลคซีที่มีมวลต่ำสุดยังคงก่อตัวดาวฤกษ์ ในขณะที่กาแลคซีที่มีมวลสูงขึ้นมาหยุดสร้างดาวใหม่ นี่บอกถึงแนวโน้มอันเป็นสากลในการตายของกาแลคซี

     งานวิจัยทำที่ศูนย์อรุณรุ่งแห่งเอกภพ(Cosmic Dawn Center) ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยดาราศาสตร์พื้นฐานในระดับนานาชาติที่ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิจัยแห่งชาติเดนมาร์ก DAWN เป็นความร่วมมือระหว่างสถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน กับ DTU Space ที่มหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเดนมาร์ก ศูนยนี้อุทิศให้กับความเข้าใจว่ากาแลคซีแห่งแรกๆ ก่อตัวอย่างไรและเมื่อใด, ดาวและหลุมดำก่อตัวและพัฒนาอย่างไรในเอกภพยุคต้น ผ่านการสำรวจที่ทำโดยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่สุดพร้อมกับงานทางทฤษฎีและแบบจำลองเสมือนจริง

แหล่งข่าว spaceref.com : stars are heavier than we thought
                sciencealert.com : census of 140,000 galaxies reveals a surprising fact about their stars
                universetoday.com : the stars in other galaxies are generally heavier than the Milky Way’s stars

โครงสร้างวิทยุขนาดมหึมารอบเควซาร์ที่สว่างที่สุด

 

ภาพจากศิลปินแสดงกาแลคซียักษ์แห่งหนึ่งที่มีไอพ่นพลังงานสูง

     นักดาราศาสตร์ได้พบวัตถุปริศนาขนาดใหญ่ 2 อย่างที่พุ่งออกจากหลุมดำที่สว่างที่สุดในเอกภพเท่าที่เคยรู้จักมา หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ของ 3C 273 ถูกพบในการสำรวจแหล่งคลื่นวิทยุเมื่อปี 1959 มันเป็นเควซาร์(quasar) ย่อมาจาก quasi-stellar object เนื่องจากแสงที่เปล่งออกจากหลุมดำยักษ์เหล่านี้สว่างมากพอที่จะเข้าใจผิดว่าเป็นแสงดาวฤกษ์ได้

     ในขณะที่ โดยตัวหลุมดำเองไม่เปล่งแสงใดๆ แต่หลุมดำขนาดมโหฬารก็จะมีกลุ่มก๊าซก้อนมหึมาหมุนวนรอบๆ ซึ่งเรียกว่า ดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) เมื่อก๊าซตกลงสู่หลุมดำด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ความร้อนจากแรงเสียดทานจะทำให้วัสดุสารในดิสก์ร้อนขึ้นและเปล่งรังสี ซึ่งโดยปกติจะตรวจจับได้เป็นคลื่นวิทยุ

     เควซาร์ 3C 273 เป็นเควซาร์แห่งแรกที่เคยพบมา และมันยังเป็นเควซาร์ที่สว่างที่สุด โดยเจิดจ้ามากกว่า 4 ล้านล้านเท่าดวงอาทิตย์ และยังเป็นเควซาร์ที่อยู่ใกล้ทางช้างเผือกมากที่สุดอยู่ห่างออกไปมากกว่า 2.4 พันล้านปีแสง ตลอดหลายทศวรรษ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษานิวเคลียสหลุมดำที่เจิดจ้านี้อย่างเข้มข้น

     อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเควซาร์นี้สว่างมาก การศึกษากาแลคซีรอบข้างที่เป็นต้นสังกัดของมันจึงแทบจะเป็นไปไม่ได้ ความสว่างเช่นนี้จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์พบกับความมืดมนว่าเควซาร์ส่งผลกระทบต่อกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันอย่างไรบ้าง แต่การศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 28 เมษายน ก็อาจจะจบความมืดมนนั้นในที่สุด

     ในการศึกษา ทีมนักวิจัยได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA ในชิลี เพื่อแยกแสงเรืองรองจากเควซาร์ 3C 273 ออกจากแสงที่กาแลคซีต้นสังกัดเปล่งออกมา โดนใช้เทคนิคใหม่ที่เรียกว่า self-calibration โดยการลดแสงจ้าจากเควซาร์โดยใช้ตัวเควซาร์เองเพื่อปรับความปั่นป่วนจากชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งอาจส่งผลต่อการตรวจจับคลื่นวิทยุของ ALMA ซึ่งจะทำให้ความเปรียบต่าง(contrast) เพิ่มสูงขึ้น เมื่อเหลือเพียงแต่แหล่งวิทยุที่กาแลคซีเปล่งออกมา ก็เผยให้เห็นโครงสร้างวิทยุปริศนาขนาดใหญ่ 2 แหล่งที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อน

     โครงสร้างหนึ่งดูจะเป็นก้อนแสงวิทยุขุ่นมัวขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบกาแลคซีทั้งหมดไว้ จากนั้นก็แผ่ยืดออกไปหลายหมื่นปีแสงในทิศทางตะวันตกเฉียงใต้ กลุ่มหมอกวิทยุนี้ซ้อนทับกับโครงสร้างที่สอง ซึ่งเป็นไอพ่นพลังงานลำเขื่อง ที่เรียกว่า ไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์(astrophysical jets) ซึ่งก็พาดยาวหลายหมื่นปีแสงด้วยเช่นกัน

image credit: hubblesite.org 

     นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่าไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์ก่อตัวได้อย่างไรหรือเพราะอะไร อย่างไรก็ตาม พวกเขาทราบว่าไอพ่นนั้นพบได้ทั่วไปรอบๆ เควซาร์และหลุมดำมวลมหาศาลอื่นๆ และน่าจะเกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างหลุมดำกับดิสก์สะสมมวลสารของมัน ไอพ่นมักจะประกอบด้วยสสารที่มีประจุไฟฟ้า(หรือไอออน) และเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง

     คลื่นวิทยุที่ไอพ่นเหล่านี้เปล่งออกมาอาจปรากฏสว่างขึ้นหรือมืดลงได้ ขึ้นอยู่กับความถี่คลื่นวิทยุที่พวกเขาใช้ตรวจสอบ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างวิทยุขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบ 3C 273 ได้แสดงความสว่างที่สม่ำเสมอ ไม่ว่าจะสำรวจในช่วงความถี่ใด นักวิจัยบอกว่า นี่บอกว่าโครงสร้างวิทยุทั้งสองถูกสร้างขึ้นโดยปรากฏการณ์ประหลาดที่ไม่เกี่ยวข้องกันและเป็นอิสระต่อกัน

     หลังจากทดสอบทฤษฎีมากมาย ทีมก็สรุปว่ากลุ่มหมอกวิทยุสลัวขนาดใหญ่รอบๆ กาแลคซีเกิดขึ้นจากก๊าซไฮโดรเจนมวลหลายหมื่นจนถึงหลายแสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ที่กำลังก่อตัวดาวฤกษ์ ได้แตกตัวเป็นไอออนจากอุลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์จากเควซาร์โดยตรง

     นี่เป็นครั้งแรกที่พบเห็นก๊าซมีประจุแผ่ออกไปหลายหมื่นปีแสงรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่ง การค้นพบยังเกี่ยวข้องกับปริศนาอีกข้อที่มีมานานในทางดาราศาสตร์ ก็คือ เควซาร์จะทำให้ก๊าซในกาแลคซีต้นสังกัดของมัน แตกตัวเป็นไอออนได้มากมายจนป้องกันการก่อตัวดาวใหม่ๆ หรือไม่

เควซาร์ 3C 273 สำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล(ซ้าย) ความสว่างที่จ้าเกินเป็นผลจากแสงที่เล็ดลอดตามแนวรัศมีซึ่งเกิดจากแสงกระเจิงออกจากกล้องโทรทรรศน์ ทางขวาล่างเป็นไอพ่นพลังงานสูงที่ก๊าซรอบหลุมดำในใจกลางกาแลคซีปล่อยออกมา ภาพวิทยุสำรวจโดย ALMA ได้แสดงการเปล่งวิทยุสลัวๆ แผ่ออกมา(สีขาว-ฟ้า) รอบๆ นิวเคลียส(ด้านขวา) แหล่งใจกลางที่สว่างถูกลบออกจากภาพนี้ ไอพ่นเดียวกันในภาพซ้ายจะเห็นเป็นสีส้ม

     เพื่อตอบคำถามนี้ นักวิจัยจึงเปรียบเทียบมวลก๊าซที่ประเมินไว้ของกาแลคซีแห่งนี้ กับกาแลคซีแห่งอื่นๆ ที่เป็นชนิดและขนาดใกล้เคียงกัน พวกเขาพบว่า ในขณะที่เควซาร์ได้ทำให้ก๊าซจำนวนมากมหาศาลแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจะทำให้ไอออนเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างดาวใหม่ๆ ไม่ได้ แต่เท่าที่เห็นก็ไม่ได้หยุดการก่อตัวดาวในกาแลคซีโดยรวม ดูเหมือนจะยังเหลือก๊าซไฮโดรเจนที่เย็นจำนวนมาก นี่บอกว่า กาแลคซียังคงอยู่รอดและเติบโตได้แม้จะมีเควซาร์ที่เปล่งแสงเจิดจ้าอยู่ในใจกลาง

     การค้นพบนี้เป็นหนทางใหม่ในการศึกษาปัญหาที่เคยฟาดเราเมื่อทำการสำรวจในช่วงตาเห็น Shinya Komugi ผู้เขียนนำการศึกษา รองศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยโคกาคุอิน ในโตเกียว กล่าวในแถลงการณ์ ด้วยการปรับใช้เทคนิคเดียวกันนี้กับเควซาร์อื่น เราคาดว่าจะเข้าใจว่ากาแลคซีพัฒนาผ่านปฏิสัมพันธ์กับนิวเคลียสในใจกลางของมันอย่างไร

แหล่งข่าว sciencealert.com : mysterious radio structures discovered around the brightest quasar ever found   
                 space.com : strange “unknown structure,” a faint radio glow thousands of light-years wide, found around closest quasar