ตรวจสอบการก่อตัวดาวในใจกลางทางช้างเผือก

 

     เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้จัดทำประวัติการก่อตัวดาวฤกษ์ที่ใจกลางทางช้างเผือกขึ้นมาได้ใหม่ และพบว่าการกำเนิดดาวแผ่กระจายออกจากใจกลางกาแลคซี ผลสรุปยังเผยว่าดาวอายุน้อยเกือบทั้งหมดในใจกลางกาแลคซีที่แออัดนั้น ก่อตัวขึ้นโดยเกาะตัวกันอย่างหลวมๆ และเคลื่อนห่างจากกันในเวลาไม่กี่ล้านปี

      แม้ว่าจะมีประชากรดาวอยู่อย่างหนาแน่นที่ใจกลางทางช้างเผือก ซึ่งห่างจากโลกออกไปราว 26000 ปีแสง แต่เราก็สำรวจดาวเหล่านี้ได้ในสัดส่วนน้อยๆ เท่านั้น เพื่อที่จะสำรวจพื้นที่ใจกลางของกาแลคซี นักดาราศาสตร์จะต้องเอาชนะความท้าทายหลายอย่าง ประการแรกคือ ฝุ่นหนาทึบในดิสก์ทางช้างเผือกที่ปิดบังมุมมองสู่แกนกลางทางช้างเผือกไว้ ทางหนึ่งที่จะจัดการกับปัญหานี้ก็คือทำการสำรวจในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด, มิลลิเมตรหรือคลื่นวิทยุ ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่แสงสามารถผ่านทะลุฝุ่นไว้

     แต่แม้หลังจากแก้ปัญหาฝุ่นได้ ความจริงที่ว่าใจกลางกาแลคซีนั้นมีประชากรดาวอยู่อย่างแออัดก็หมายความว่า สำหรับดาวฤกษ์ทั้งหมด(ยกเว้นดาวมวลสูงมาก) นักดาราศาสตร์ยากที่จะแยกแยะพวกมันออกเป็นดวงๆ ได้ ซึ่งหมายความว่า ในขณะทำการสำรวจไฮโดรเจนที่เกิดไอออนไนซ์ ซึ่งเกิดขึ้นจากรังสีอุลตราไวโอเลตจากดาวร้อนอายุน้อยที่ดึงอิเลคตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจนซึ่งยืนยันว่ากำลังมีการก่อตัวดาวอย่างรวดเร็วในใจกลางกาแลคซี แต่ก็จับตัวดาวที่สร้างยูวีได้ยาก

     ด้วยการใช้กล้องอินฟราเรด HAWK-1 บนกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) ในชิลี นักดาราศาสตร์ได้ทำการสำรวจ GALACTICNUCLEUS ศึกษาพื้นที่ 64000 ตารางปีแสงรอบใจกลางกาแลคซีในรายละเอียดสูงกว่าที่เคยทำมา ด้วยการตามรอยมวลดาวที่หายไปในพื้นที่ และรวบรวมข้อมูลจากดาว 3 ล้านดวง นักวิจัยก็สามารถศึกษาคุณสมบัติของดาวอายุน้อยเหล่านั้นได้เป็นครั้งแรก

      การศึกษาของเราเป็นหนึ่งก้าวใหญ่สู่การค้นหาดาวอายุน้อยในใจกลางกาแลคซี Francisco Nogueras-Lara นักวิจัยที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ และสมาชิกทีมวิจัย กล่าวในแถลงการณ์ ดาวอายุน้อยที่เราได้พบมีมวลรวมมากกว่า 4 แสนเท่ามวลดวงอาทิตย์ นี่สูงกว่าเกือบ 10 เท่าจากมวลรวมกระจุกดาวขนาดใหญ่สองแห่งที่พบว่ามีอยู่ในพื้นที่ดังกล่าวก่อนหน้านี้ ผลสรุปเผยแพร่ใน Nature Astronomy

image credit: discovery magazine 

     การค้นพบใหม่ได้ค้านกับแนวคิดก่อนหน้านี้ว่าดาวในใจกลางทางช้างเผือกก่อตัวเป็นกระจุกที่เบียดเสียดกันอย่างแออัด ซึ่งน่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้เข้าใจการก่อตัวดาวอย่างรวดเร็วที่พบเห็นในเอกภพช่วงต้นและในสิ่งที่เรียกว่า กาแลคซีก่อตัวดาวคึกคัก(starburst galaxies) ได้ดีขึ้น

     ในแง่ของมวล ทางช้างเผือกก่อตัวดาวใหม่ๆ ด้วยอัตราเพียงไม่กี่เท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปีเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม กาแลคซีทีก่อตัวดาวคึกคักผลิตดาวหลายสิบจนถึงหลายร้อยเท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปี การก่อตัวดาวอย่างรวดเร็วนี้เกิดขึ้นเป็นกระแสโหมนานเพียงไม่กี่ล้านปีเท่านั้น คิดกันว่าอัตราการก่อตัวดาวที่สูงเกิดขึ้นได้ทั่วไปเมื่อเอกภพมีอายุราว 4 พันล้านปี

     อัตราการก่อตัวดาวที่ต่ำของทางช้างเผือกไม่ได้หยุดยั้งนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ไม่ให้ใช้มันเพื่อสำรวจการก่อตัวดาวในกาแลคซีแห่งอื่นๆ ต้องขอบคุณพื้นที่ใจกลางกาแลคซีบ้านของเรา ในระยะทางราว 1300 ปีแสงจาก คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*; Sgr A*) หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ในใจกลางทางช้างเผือก อัตราการก่อตัวดาวสูงกว่าส่วนอื่นๆ ในทางช้างเผือกถึงสิบเท่า ในช่วงหนึ่งร้อยล้านปีหลังนี้ นี่หมายความว่าแกนกลางของทางช้างเผือกเป็นส่วนเชื่อมที่เหมาะสมสู่กาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคัก หรือกระทั่งกับกาแลคซีเมื่อ 10 พันล้านปีก่อน

     ก่อนการค้นพบนี้ นักดาราศาสตร์ระบุมวลดาวรอบ Sgr A* ได้เพียง 10% องค์ประกอบมวลนี้รวมกระจุกดาวขนาดใหญ่สองแห่งและดาวที่กระจัดกระจายกันอยู่กลุ่มใหญ่ไว้ด้วย การสำรวจโดยใช้เทคนิคการถ่ายภาพโฮโลกราฟ(holographic imaging) ซึ่งรวมภาพถ่ายเปิดหน้ากล้องสั้นๆ จำนวนมากของ VLT ใช้เพื่อลดผลการเบลอชั้นบรรยากาศโลก ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบพื้นที่นี้ด้วยรายละเอียดยิบย่อย ก่อนหน้านี้ มีการทำแผนที่ดาวเพียงจำนวนหนึ่งเท่านั้น ในขณะที่ GALACTICNUCLEUS ได้ให้ข้อมูลดาวถึง 3 ล้านดวง ได้เผยให้เห็นพื้นที่แห่งหนึ่งที่เรียกว่า Sagittarius B1 ว่ามีดาวอายุน้อย อยู่มากกว่าที่การสำรวจได้เคยบอกไว้

     แม้ว่าทีมจะทำได้แค่ศึกษาดาวมวลสูงสุดบางส่วนใน B1 แต่พวกเขาก็ตรวจสอบความสว่างและกำลังสว่าง(luminosity; ปริมาณแสงโดยรวมที่ดาวเปล่งออกมาในทุกช่วงความยาวคลื่น) ของดาวแต่ละดวงได้ ด้วยการตรวจสอบการกระจายกำลังสว่างของดาวในทางสถิติและจัดพวกมันเป็นวงคอกความสว่าง นักวิจัยก็สามารถตามรอยช่วงชีวิต, มีดาวก่อตัวขึ้นเท่าใดในช่วงเวลาใด และรวมถึงวิวัฒนาการการก่อตัวดาวในพื้นที่ใจกลางกาแลคซี

ภาพสีเพี้ยน(false-color) แสดงพื้นที่ คนยิงธนู บีหนึ่ง(Sagittarius B1) ตามที่การสำรวจ
 GALACTICNUCLEUS ได้เห็น ข้อมูลที่สร้างภาพนี้ขึ้น ช่วยให้นักวิจัยได้จำแนกดาว 3 ล้านดวงในใจกลางกาแลคซี และระบุคุณสมบัติหลักการก่อตัวดาวอย่างมีประสิทธิภาพในพื้นที่นี้ของทางช้างเผือกได้

     นักวิจัยยังพบว่าดาวใน B1 ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของกระจุกดาวขนาดใหญ่ แต่อยู่กันอย่างกระจัดกระจายมากกว่า นี่บ่งชี้ว่าดาวก่อตัวในกลุ่มที่จับกันแบบหลวมๆ ซึ่งจะกระจายออกเมื่อพวกมันโคจรรอบใจกลางทางช้างเผือกตลอดช่วงหลายล้านปี ในขณะที่การกระจายพบเห็นได้ในการสำรวจ B1 เท่านั้น แต่มันก็อาจจะอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใด การศึกษาความละเอียดสูงอย่าง GALACTICNUCLEUS ซึ่งใช้กล้องอินฟราเรด HAWK-I บน VLT เพื่อถ่ายภาพใจกลางทางช้างเผือกเกือบ 150 ภาพ(ในช่วงอินฟราเรด J, H และ Ks band) ครอบคลุมพื้นที่รวม 64,000 ตารางปีแสง จึงสามารถพบดาวอายุน้อยที่กระจายอยู่ในใจกลางทางช้างเผือกได้

     ทีมยังพบว่า B1 และพื้นที่ส่วนในสุดของใจกลางกาแลคซีนั้นเต็มไปด้วยดาวสูงอายุมากกว่า(เลย 7 พันล้านปี) ในขณะที่กลับขาดแคลนดาวที่มีอายุระหว่าง 2 ถึง 7 พันล้านปี นี่อาจจะแสดงว่าการก่อตัวดาวในใจกลางทางช้างเผือกเริ่มต้นจากพื้นที่ส่วนในสุดและจากนั้น ก็ขยายออกด้านนอก ซึ่งยืนยันแบบจำลองการก่อตัวดาวที่พบก่อนหน้านี้ในใจกลางกาแลคซีอื่นๆ ที่อยู่ห่างไกลด้วย

     กระบวนการ(ก่อตัว) จากในออกนอกที่คล้ายกันนี้ก็เคยพบในกาแลคซีแห่งอื่น และเป็นกุญแจสู่การสร้างดิสก์ดาวขนาดเล็กที่ล้อมรอบพื้นที่ใจกลาง ที่เรียกว่า nuclear disk ขณะนี้ ทีมสำรวจติดตามผลจากเครื่องมือบน VLT อีกชิ้นคือ KMOS(K-band Multi-object Spectrograph)

     ด้วยการศึกษาแสงจากประชากรดาวในพื้นที่ B1 โดยตรงและโดยการใช้การสำรวจสเปคตรัมเพื่อประเมินองค์ประกอบของพวกมัน นักวิจัยก็น่าจะสามารถจำแนกดาวอายุน้อยมากๆ บางดวงได้

     นักดาราศาสตร์จะตามรอยการเคลื่อนที่เร็วของดาวใน B1 ไปรอบๆ ใจกลางกาแลคซีไปอีกหลายปี เพื่อเฝ้าดูว่าตำแหน่งเปรียบเทียบของมันเทียบกับดวงอื่นๆ เปลี่ยนแปลงอย่างไร นี่อาจจะช่วยให้เข้าใจว่าดาวเกาะกลุ่มอย่างไรก่อนหน้านี้

     Nadine Neumayer หัวหน้าทีมที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ กล่าวในแถลงการณ์ว่า การตรวจสอบทั้งสองชนิดจะเป็นการยืนยันแต่น่าจะปรับแต่งผลสรุปงานปัจจุบันนี้ ในเวลาเดียวกัน เราและเพื่อนร่วมงานจะเริ่มศึกษาแง่มุมใหม่ๆ ที่การก่อตัวดาวในใจกลางทางช้างเผือก จะบอกเราได้เกี่ยวกับการก่อตัวดาวอย่างเปี่ยมประสิทธิผลในกาแลคซีอื่น

แหล่งข่าว space.com : “star factory” at Milky Way’s heart seen for the first time
                phys.org : a first glimpse at the high-productivity star factory in the galactic center