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