กระจุกดาวทรงกลมกลุ่มแรกๆ สุดในเอกภพ

 

ภาพห้วงลึกภาพแรกจากกล้องเวบบ์ เผยให้เห็นกาแลคซีหลายพันแห่งพร่าพรายในภาพกระจุกกาแลคซี SMACS 0723 ในช่วงอินฟราเรดใกล้ความละเอียดสูงนี้

    ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ นักวิจัยคานาดาได้จำแนกกระจุกดาวทรงกลมที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา กลุ่มของดาวที่อยู่กันแออัดนับล้านดวงนี้อาจจะเป็นซากที่มีดาวฤกษ์ดวงแรกสุดและมีอายุมากที่สุดในเอกภพอยู่ การวิเคราะห์ภาพห้วงลึกภาพแรกจากเวบบ์ในเบื้องต้น ซึ่งก็มีกาแลคซีแห่งแรกๆ สุดบางส่วนในเอกภพด้วย เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters

      กล้องเวบบ์ถูกสร้างเพื่อค้นหาดาวฤกษ์ดวงแรกๆ และกาแลคซีแห่งแรกๆ สุด และเพื่อช่วยให้เราเข้าใจกำเนิดของความซับซ้อนในเอกภพ เช่น ธาตุทางเคมีและวัตถุดิบของชีวิต Lamiya Mowla นักวิจัยที่สถาบันดันลอปเพื่อดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยโตรอนโต และผู้เขียนหลักร่วมการศึกษานี้ กล่าว การค้นพบในภาพห้วงลึกแรกจากเวบบ์นี้ได้ให้มุมมองรายละเอียดสู่สภาวะการก่อตัวดาวช่วงแรกสุดแล้ว ได้ยืนยันพลังที่เกินขีดจำกัดของกล้องเวบบ์

นักวิจัยศึกษากาแลคซีสปาร์คเลอร์(Sparkler Galaxy) ที่พบในภาพห้วงลึกภาพแรกจากกล้องเวบบ์ และใช้กล้องเวบบ์เพื่อตรวจสอบว่าวัตถุ “ประกายไฟ”5 แห่งรอบๆ กาแลคซีนี้ เป็นกระจุกดาวทรงกลม

      ในภาพห้วงลึกภาพแรกจากกล้องเวบบ์ นักวิจัยมุ่งเป้าไปที่สิ่งที่พวกเขาเรียกว่า กาแลคซีสปาร์คเลอร์(Sparkler galaxy) อยู่ห่างออกไป 9 พันล้านปีแสง กาแลคซีได้ชื่อนี้มาจากวัตถุขนาดกะทัดรัดที่ปรากฏเป็นจุดสีเหลืองแดงขนาดเล็กที่อยู่รอบๆ มัน ทำให้นักวิจัยนึกถึง “ประกายไฟ”(sparkles) ทีมบอกว่าประกายไฟเหล่านี้อาจจะเป็นกระจุกดาวอายุน้อยที่กำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคัก ซึ่งก่อตัวเมื่อ 3 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงในช่วงที่มีการก่อตัวดาวในอัตราสูงสุด หรือเป็นกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) ซึ่งเป็นกลุ่มของดาวโบราณจากช่วงวัยเยาว์ของกาแลคซี และเก็บงำความลับเกี่ยวกับสภาวะการก่อตัวและการเจริญช่วงแรกสุดของกาแลคซีไว้

     จากการวิเคราะห์เริ่มต้นกับวัตถุกะทัดรัด 12 แห่ง นักวิจัยได้ตรวจสอบพบว่า 5 ใน 12 ไม่เพียงเป็นกระจุกทรงกลม แต่ยังมีอายุเก่าแก่ที่สุดด้วยซึ่งก่อตัวขึ้นเมื่อราว 5 ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง Kartheik G. Iyer นักวิจัยที่สถาบันดันลอปเพื่อดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยโตรอนโต และผู้เขียนนำร่วมอีกคน กล่าวว่า เมื่อพิจารณาภาพแรกจาก JWST และพบกระจุกทรงกลมเก่าแก่รอบกาแลคซีที่ห่างไกลเป็นช่วงเวลาที่ไม่น่าเชื่อ เมื่อไม่เคยเกิดขึ้นกับภาพก่อนหน้านี้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

      เมื่อเราสามารถสำรวจประกายไฟในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างระดับหนึ่ง เราก็สามารถทำแบบจำลองพวกมัน และเข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพของพวกมันได้ดีขึ้น อย่างเช่น พวกมันมีอายุเก่าแก่แค่ไหน และมีดาวอยู่มากน้อยแค่ไหน เราหวังว่าองค์ความรู้ที่สามารถสำรวจกระจุกทรงกลมได้จากระยะทางที่ไกลมากด้วยกล้องเวบบ์ จะทำให้วิทยาศาสตร์และการสำรวจหาวัตถุคล้ายๆ กันขยับขยายต่อไป

Globular cluster vs Open cluster

     ทางช้างเผือกมีกระจุกทรงกลมราว 150 แห่ง และก้อนดาวที่อยู่กันอย่างแออัดเหล่านี้ก่อตัวขึ้นอย่างใดและเมื่อใด ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ นักดาราศาสตร์ทราบว่ากระจุกทรงกลมอาจมีอายุเก่าแก่มาก แต่ก็มีความท้าทายอย่างไม่น่าเชื่อในการตรวจสอบอายุ การใช้กระจุกที่ห่างไกลมากๆ เพื่อตรวจสอบอายุของดาวดวงแรกๆ ในกาแลคซีที่ห่างไกลเป็นสิ่งที่ไม่เคยทำได้มาก่อนและจะทำได้ด้วยกล้องเวบบ์เท่านั้น

      กระจุกที่เพิ่งพบใหม่เหล่านี้ก่อตัวในช่วงเวลาใกล้กับที่ดาวได้แรกถือกำเนิดในเอกภพ Mowla กล่าว เนื่องจากกาแลคซีสปาร์คเลอร์นั้นอยู่ไกลกว่าทางช้างเผือกของเราอย่างมาก จึงตรวจสอบอายุของกระจุกทรงกลมได้ง่ายกว่า เรากำลังสำรวจสปาร์คเกอร์อย่างที่มันเป็นเมื่อ 9 พันล้านปีก่อน เมื่อเอกภพมีอายุเพียง 4.5 พันล้านปีเท่านั้น การตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อนานมาแล้ว ก็เหมือนกับการเดาอายุคนโดยอ้างอิงจากลักษณะรูปพรรณสัณฐาน ก็ง่ายที่จะบอกความแตกต่างระหว่างเด็กอายุ 5 ปีกับ 10 ปี แต่ยากที่จะบอกความแตกต่างระหว่างคนอายุ 50 ปีกับ 55 ปี ลูกไฟซึ่งดูอายุน้อยทำให้การตรวจสอบอายุของพวกมันก็เหมือนกับดูภาพเด็ก แทนที่จะเป็นภาพวัยกลางคน

เลนส์ความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น นักดาราศาสตร์ใช้ปรากฏการณ์ประหลาดในธรรมชาตินี้เพื่อศึกษากาแลคซีที่ห่างไกลมาก และสลัวมาก

     ด้วยกล้องฮับเบิล นักดาราศาสตร์ไม่สามารถมองวัตถุกะทัดรัดรอบๆ กาแลคซีสปาร์กเลอร์เห็นได้ แต่สิ่งนี้เปลี่ยนไปด้วยความละเอียดและความไวที่มากขึ้นจากกล้องเวบบ์ ได้เผยให้เห็นจุดขนาดจิ๋วที่ล้อมรอบกาแลคซีนี้เป็นครั้งแรก ในภาพห้วงลึกภาพแรกจากกล้องเวบบ์ กาแลคซีสปาร์คเลอร์มีความพิเศษเนื่องจากมันถูกขยายแสงขึ้น 100 เท่าอันเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) เมื่อกระจุกกาแลคซี SMACS 0723 ในพื้นหน้า รบกวนสิ่งที่อยู่เบื้องหลังไม่ต่างจากแว่นขยายขนาดมหึมา ยิ่งกว่านั้น เลนส์ความโน้มถ่วงยังสร้างภาพกาแลคซีสปาร์คเลอร์ขึ้นมา 3 ภาพ ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ศึกษากาแลคซีแห่งนี้ด้วยรายละเอียดสูงขึ้น

      การศึกษาสปาร์คเลอร์ของเราเน้นให้เห็นพลังอย่างเกินต้านทานในการรวมความสามารถอันเป็นเอกอุของกล้องเวบบ์ กับพลังการขยายตามธรรมชาติที่ได้จากเลนส์ความโน้มถ่วง Chris Willott ผู้นำทีม CANUCS(Canadian NIRISS Unbiased Cluster Survey) จากศูนย์วิจัยดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์เฮิร์ตซ์เบิร์ก สภาการวิจัยแห่งชาติคานาดา กล่าว ทีมตื่นเต้นกับการค้นพบที่จะเพิ่มเติมขึ้นมาเมื่อกล้องเวบบ์จะหันไปเล็งที่กระจุกกาแลคซี CANUCS ในเดือนตุลาคม

สภาพแวดล้อมรอบข้างกาแลคซีสปาร์คเลอร์(L) และภาพโคลสอัพ

     นักวิจัยรวมข้อมูลใหม่จากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์ เข้ากับข้อมูลในคลังฮับเบิล NIRCam ตรวจจับวัตถุสลัวด้วยความยาวคลื่นที่มีสีแดงมากกว่าและยาวกว่า เพื่อสำรวจเกินสิ่งที่สายตามนุษย์และกระทั่งกล้องฮับเบิลจะมองเห็นได้ ทั้งการขยายแสงจากกระจุกกาแลคซี และความละเอียดที่สูงของกล้องเวบบ์ เป็นสิ่งที่ทำให้การสำรวจวัตถุกะทัดรัดเหล่านั้นเป็นไปได้

      เครื่องมือ NIRISS(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) บนกล้องเวบบ์ที่คานาดาสร้าง ก็ช่วยยืนยันอีกทางว่าวัตถุกะทัดรัดนั้นเป็นกระจุกดาวทรงกลมโบราณ เนื่องจากนักวิจัยสำรวจไม่พบเส้นเปล่งคลื่นจากออกซิเจน ซึ่งเป็นการเปล่งคลื่นที่เกิดจากกระจุกดาวอายุน้อยที่กำลังก่อตัวดาวอย่างกระตือรือร้น NIRISS ยังช่วยเผยเรขาคณิตของภาพกาแลคซีสามภาพที่เกิดจากเลนส์ด้วย

     เครื่องมือ NIRISS ที่คานาดาสร้างไว้ มีส่วนสำคัญในการช่วยเราให้เข้าใจว่าภาพของ(กาแลคซี) สปาร์คเลอร์ทั้งสามภาพและกระจุกทรงกลมของมันมีความเชื่อมโยงกันอย่างไร Marcin Sawicki ประธานการวิจัยดาราศาสตร์คานาดา ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยเซนต์แมรี่ และผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าว การได้เห็นกระจุกทรงกลมจำนวนมากจากภาพสปาร์คเลอร์ทั้งสาม ก็เห็นได้ชัดเจนว่าพวกมันกำลังโคจรไปรอบๆ กาแลคซี แทนที่จะอยู่ข้างหน้ากาแลคซีโดยบังเอิญ

การเปรียบเทียบภาพถ่ายกาแลคซีสปาร์คเลอร์และประกายไฟของมัน จากกล้องฮับเบิลและกล้องเวบบ์

     JWST จะสำรวจพื้นที่สำรวจ CANUCS เริ่มต้นในเดือนตุลาคมนี้ กล้องเวบบ์จะตรวจสอบกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ 5 แห่ง ซึ่งนักวิจัยคาดว่าจะได้พบวัตถุกะทัดรัดรอบๆ กระจุกเหล่านั้นมากขึ้น การศึกษาในอนาคตยังรวมแบบจำลองกระจุกกาแลคซีเพื่อให้เข้าใจผลจากการเกิดเลนส์และช่วยในการวิเคราะห์ประวัติการก่อตัวดาว

แหล่งข่าว sciencedaily.com : Webb reveals a galaxy sparkling with the universe’s oldest star clusters
                space.com : James Webb Space Telescope spots “Sparkler Galaxy” that could host universe’s 1^st stars  
                phys.org : Webb reveals a galaxy sparkling with the universe’s oldest star clusters