กาแลคซีเมื่อเอกภพมีอายุ 350 ล้านปี

 

GLASS-z12

      เพียงไม่กี่วันหลังจากเริ่มต้นทำงานวิทยาศาสตร์อย่างเป็นทางการ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ก็ผลักดันนักดาราศาสตร์ไปจนถึงพรมแดนแห่งกาแลคซียุคต้น ที่เคยซ่อนตัวพ้นจากเงื้อมมือของกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ ใด

     ขณะนี้ กล้องเวบบ์เผยให้เห็นเอกภพอันรุ่มรวยซึ่งกาแลคซีแห่งแรกๆ ที่กำลังก่อตัวขึ้นนั้นมีความแตกต่างอย่างมากกับกาแลคซีเต็มวัยที่พบเห็นรอบตัวเราในปัจจุบัน นักวิจัยได้พบกาแลคซีสว่างอย่างมาก 2 แห่งที่ปรากฏอยู่ราวสามร้อยและสี่ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น ความสว่างที่สุดขั้วของพวกมันสร้างความมึนงงให้กับนักดาราศาสตร์ กาแลคซีอายุน้อยเหล่านี้กำลังเปลี่ยนก๊าซให้กลายเป็นดาวฤกษ์ใหม่ๆ เร็วที่สุดเท่าที่พวกมันจะทำได้ และมีลักษณะขนาดกะทัดรัดเป็นรูปทรงกลมหรือจานแบน ที่เล็กกว่าทางช้างเผือกของเราอย่างมาก การก่อตัวดาวอาจจะเริ่มต้นขึ้นตั้งแต่หนึ่งร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ 13.8 พันล้านปีก่อน

     ทุกๆ สิ่งที่เราได้เห็นเป็นของใหม่เอี่ยม เวบบ์กำลังแสดงให้เราเห็นว่ามีเอกภพที่รุ่มรวยเกินกว่าที่เราจะจินตนาการถึงได้ Tommaso Treu จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ที่ลอสแองเจลิส(UCLA) ผู้นำร่วมโครงการสำรวจจากกล้องเวบบ์งานหนึ่ง กล่าว และอีกครั้งที่เอกภพสร้างความประหลาดใจให้กับเรา กาแลคซียุคต้นเหล่านั้นมีความไม่ปกติในหลายๆ ทาง

      ผลสรุปนี้มาจากการสำรวจ GLASS-JWST Early Release Science Program(Grism Lens-Amplified Survey from Space) และ CEERS(Cosmic Evolution Early Release Science Survey) รายงานการวิจัยสองฉบับที่นำทีมโดย Marco Castellano จากสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ ในกรุงโรม อิตาลี และ Rohan Naidu จากศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CfA) และสถาบันเทคโนโลจีแห่งแมสซาชูเสตต์(MIT) เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters

      เพียงใช้เวลาวิเคราะห์แค่สี่วัน นักวิจัยก็ได้พบกาแลคซีที่สว่างอย่างมาก 2 แห่งในภาพ GLASS-JWST กาแลคซีเหล่านี้ปรากฏอยู่เมื่อ 450 และ 350 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น(เรดชิพท์ราว 10.5 และ 12.5 ตามลำดับ) ซึ่งการตรวจสอบสเปคตรัมด้วยกล้องเวบบ์ในอนาคตจะช่วยยืนยันระยะทาง แต่จากความจริงที่ว่าทีมวิจัยสองทีมซึ่งใช้การวิเคราะห์ที่แตกต่างกันกับชุดข้อมูลเดียวกัน ได้ค่าระยะทางเท่ากัน ก็เพียงพอที่จะยืนยันแล้ว  

     ด้วยเวบบ์ เราต้องประหลาดใจเมื่อพบแสงที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่มีใครเคยเห็นมา ในเวลาเพียงไม่กี่วันหลังจากเวบบ์เผยแพร่ข้อมูลแรกของมันออกมา Rohan Naidu กล่าวถึงกาแลคซี GLASS ที่ไกลกว่า(GLASS-z12) ซึ่งเชื่อว่าปรากฏอยู่เมื่อ 350 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น ผู้ยึดครองสถิติก่อนหน้านี้ GN-z11 ปรากฏอยู่เมื่อ 400 ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบง(เรดชิพท์ 11.1) ซึ่งจำแนกในปี 2016 โดยกล้องฮับเบิลและกล้องเคก จากโครงการสำรวจท้องฟ้าห้วงลึก

     อ้างอิงจากการทำนายทั้งปวง เราคิดว่าเราจะต้องสำรวจอวกาศมากกว่านี้เพื่อหากาแลคซีลักษณะนี้ Castellano กล่าว วัตถุที่สว่างและห่างไกลจนไม่น่าเชื่อเหล่านี้อาจจะไม่ใช่เข็มในมหาสมุทร การสำรวจนี้เลยทำให้ผมแทบหัวระเบิด นี่เป็นบทใหม่ในด้านดาราศาสตร์ เป็นเหมือนกับขุดค้นทางโบราณคดี เมื่อจู่ๆ คุณก็ได้พบนครที่สาบสูญไป หรือบางสิ่งที่คุณไม่เคยรู้เกี่ยวกับมันมาก่อน ทำเอาอึ้ง Paola Santini ผู้เขียนคนที่สี่ในทีม Castellano et al. กล่าว

      ในขณะที่ยังคงต้องยืนยันระยะทางถึงแหล่งยุคต้นเหล่านี้โดยการตรวจสอบสเปคตรัม แต่ความสว่างที่สุดขั้วของพวกมันกลับเป็นปริศนาของจริง ท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวกาแลคซี Pascal Oesch จากมหาวิทยาลัยเจนีวา สวิตเซอร์แลนด์ ระบุ

     การสำรวจของเวบบ์ดึงให้นักดาราศาสตร์เข้าสู่ข้อสรุปว่ามีกาแลคซีในเอกภพยุคต้นจำนวนสูงผิดปกติ ที่สว่างกว่าที่เคยคาดไว้ นี่ทำให้มันง่ายขึ้นที่เวบบ์จะค้นหากาแลคซีที่ห่างไกลออกไปอีกในการสำรวจท้องฟ้าห้วงลึก Garth Illingworth จากยูซี ซานตาครูซ กล่าวว่า เราพบเรื่องที่น่ามหัศจรรย์ กาแลคซีเหล่านี้จะต้องเริ่มตั้งต้นขึ้นมาอาจจะเพียง 100 ล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น ไม่มีใครเคยคาดว่ายุคมืด(Dark Ages) จะจบลงได้ไวมากแบบนั้น เอกภพยุคดั้งเดิมน่าจะเป็นเพียงหนึ่งในร้อยส่วนของอายุปัจจุบัน เป็นเพียงช่วงเวลาพริบตาในประวัติ 13.8 พันล้านปี

ช่วงเวลาต่างๆ ในประวัติความเป็นมาของเอกภพ

     Erica Nelson สมาชิกทีม Naidu/Oesch จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด บอกว่าทีมของเราอึ้งไปเลยเมื่อสามารถตรวจสอบรูปร่างของกาแลคซีแรกๆ เหล่านี้ได้ ดิสก์ที่เป็นระเบียบเรียบร้อยท้าทายความเข้าใจว่ากาแลคซีแห่งแรกๆ ก่อตัวในเอกภพยุคต้นอันวุ่นวายและแออัดได้อย่างไร การค้นพบดิสก์ขนาดกะทัดรัดในช่วงเวลาต้นๆ ครั้งสำคัญนี้เกิดขึ้นได้ก็เพราะภาพจากเวบบ์ซึ่งคมชัดในช่วงอินฟราเรดมากกว่าภาพฮับเบิล อย่างมาก

     กาแลคซีเหล่านี้แตกต่างอย่างมากกับทางช้างเผือกหรือกาแลคซีขนาดใหญ่อื่นๆ ที่เราเห็นรอบตัวทุกวันนี้ Treu กล่าว Illingworth บอกว่ากาแลคซีสว่างทั้งสองมีแสงจำนวนมาก เขาบอกว่าคำอธิบายหนึ่งก็คือ พวกมันอาจจะมีขนาดใหญ่มากเต็มไปด้วยดาวมวลต่ำจำนวนมาก เหมือนกับกาแลคซีในยุคหลัง

     หรืออีกทาง พวกมันก็อาจจะมีขนาดเล็กกว่านั้น ประกอบด้วยดาวสว่างเป็นพิเศษจำนวนหนึ่งที่เรียกว่า ประชากรดาวฤกษ์กลุ่ม 3(Population III stars) ซึ่งน่าจะเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกสุดที่ก่อตัวขึ้นมา มีอุณหภูมิที่ร้อนสุดโต่งและประกอบด้วยธาตุดั้งเดิมจากบิ๊กแบงคือ ไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วนๆ ในเอกภพ ในเอกภพท้องถิ่นไม่พบดาวที่มีองค์ประกอบดั้งเดิมและร้อนยิ่งยวดเช่นนี้แล้ว

     ในความเป็นจริง แหล่งแสงที่อยู่ห่างไกลมากที่สุดนี้มีขนาดเล็กกะทัดรัด และสีของมันก็ดูเหมือนจะบ่งชี้ว่าประชากรดาวของมันขาดแคลนธาตุหนักเป็นพิเศษ และอาจจะเป็นประชากรกลุ่มสามอยู่บางส่วนด้วย ซึ่งมีแต่การตรวจสอบสเปคตรัมจากเวบบ์ที่จะบอกได้ Adriano Fontana ผู้เขียนคนที่สองในรายงาน Castellano et al. และสมาชิกทีม GLASS-JWST กล่าว

      การประเมินระยะทางถึงกาแลคซีสองแห่งจากกล้องเวบบ์ในตอนนี้ อ้างอิงจากการตรวจสอบสีในช่วงอินฟราเรดของพวกมัน แต่สุดท้าย การตรวจสอบสเปคตรัมติดตามผลจะแสดงว่าแสงยืดไปเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพมากแค่ไหน จะเป็นตัวระบุการตรวจสอบระยะทางได้อีกทางหนึ่ง

 

แหล่งข่าว webbtelescope.org : Webb draws back curtain on universe’s early galaxies
                phys.org : farthest galaxy candidate yet known discovered by James Webb Space Telescope    

กระจุกกาแลคซีที่ซ่อนอยู่หลังทางช้างเผือก

 

ภาพรวมประกอบแสดงกาแลคซี 58 แห่งที่เกาะกลุ่มกันเป็นว่าที่กระจุกใน “แถบที่ต้องระวัง” เบื้องหลังทางช้างเผือก วงกลมเส้นประสีแดงระบุพื้นที่ใจกลางรัศมี 6 อาร์คนาที เส้นสีเขียวบ่งชี้ตำแหน่งของสลิต(slit) ยาว 2 ที่ และสี่เหลี่ยมสีแดงแสดงกาแลคซี 5 แห่งที่สำรวจ

      นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบโครงสร้างนอกทางช้างเผือกขนาดมหึมา ซ่อนอยู่เลยใจกลางทางช้างเผือกในพื้นที่อวกาศที่ต้องละเว้น พื้นที่แห่งนี้ซึ่งเรียกกันว่า แถบที่ต้องระวัง(zone of avoidance) เป็นส่วนว่างในแผนที่เอกภพของเรา ซึ่งมีอยู่ราว 10 ถึง 20% บนท้องฟ้า เหตุผลที่เราไม่สามารถมองมันได้(อย่างน้อยก็ด้วยกล้องโทรทรรศน์ช่วงที่ตาเห็น) ก็เพราะพื้นที่ใจกลางที่ป่องของทางช้างเผือกปิดกั้นการมองของเราไว้ ใจกลางของทางช้างเผือกนั้นเต็มไปด้วยดาว, ฝุ่นและวัสดุสารอื่นที่ทำให้แสงจากแถบต้องระวังนี้ กระเจิงหรือดูดกลืนก่อนที่จะมาถึงโลก

      อย่างไรก็ตาม นักวิจัยก็มีโชคมากขึ้นเมื่อใช้กล้องโทรทรรศน์ช่วงอินฟราเรดเพื่อไขความลับของพื้นที่ดังกล่าว การสำรวจแถบที่ต้องระวังในช่วงอินฟราเรดได้พบหลักฐานของกาแลคซีหลายพันแห่งที่ส่องสว่างผ่านหมอกทึบในระนาบกาแลคซีทางช้างเผือกนี้ แม้ว่าจะไม่ค่อยทราบถึงโครงสร้างขนาดใหญ่ที่อยู่ตรงนั้นมากนัก แต่ก็พอจะมี เช่น โครงสร้างขนาดใหญ่ที่เรียกว่า Great Attractor กระจุกกาแลคซีใหญ่แห่งหนึ่งที่กำลังดึงทางช้างเผือกเข้าไปหา ก็อยู่ในทิศทางดังกล่าว

      ขณะนี้ นักวิจัยได้รวมข้อมูลจากการสำรวจอินฟราเรดในพื้นที่นี้หลายงานเพื่อเผยให้เห็นโครงสร้างขนาดใหญ่โตที่สุดอีกแห่ง(แต่ยังเล็กกว่า Great Attractor) ในแถบที่ต้องระวัง การศึกษาเผยแพร่ในฐานข้อมูล arXiv.org วันที่ 28 ตุลาคม แต่ยังไม่ผ่านการทบทวนโดยผู้รู้เสมอกัน(peer-review) แต่ก็นำเสนอเผยแพร่ใน Astronomy & Astrophysics

      โครงสร้างปริศนาซึ่งเรียกว่า VVVGCl-B J181435-381432 ปรากฏเหมือนเป็นกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ที่ยึดเกาะอยู่ด้วยกันโดยจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วงร่วม ด้วยการใช้การสำรวจจาก VVV ซึ่งเป็นโครงการสำรวจเพื่อศึกษาส่วนป่องที่ใจกลางทางช้างเผือกในช่วงอินฟราเรดโดยใช้ Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy ในชิลี ผู้เขียนการศึกษาได้พบหลักฐานว่ามีกาแลคซีอย่างน้อย 58 แห่งที่เกาะกลุ่มอยู่ด้วยกันในจุดเล็กๆ แห่งหนึ่งในแถบที่ต้องระวังนี้

      กระจุกกาแลคซีเป็นโครงสร้างที่ยึดเกาะกันด้วยแรงโน้มถ่วงที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในเอกภพ กระจุกที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยพบมาประกอบด้วยกาแลคซีหลายแสนแห่งแออัดอยู่ด้วยกัน แต่โชคร้ายที่เป็นไปไม่ได้เลยที่จะบอกว่ากระจุกที่เพิ่งค้นพบใหม่นี้มีมวลหรือความกว้างแค่ไหน เนื่องจากระยะทางที่ห่างไกลและการปิดกั้นอย่างรุนแรงระหว่างโลกกับดาวในกระจุกแห่งใหม่นี้

      ทีมยังสำรวจติดตามผลโดยใช้กล้องโทรทรรศน์เจมิไนใต้เพื่อศึกษากาแลคซี 5 แห่งที่เชื่อว่าเป็นส่วนหนึ่งในกระจุกใหม่นี้เพื่อหาตรวจสอบเรดชิพท์(redshifted) ได้ที่ระยะห่างออกไป 3 พันล้านปีแสงจากโลก ซึ่งประเมินมวลคร่าวๆ ได้ที่ 45 ถึง 50 เท่ามวลทางช้างเผือก ใกล้เคียงกับมวลกระจุกกาแลคซีอื่นจากช่วงเวลาเดียวกันนี้

      อย่างไรก็ตาม การตรวจพบวัตถุขนาดมหึมานี้ได้แสดงว่าแถบที่ต้องระวังอาจจะไม่ได้ต้องห้ามอย่างที่เคยคิดกันไว้ การศึกษาในช่วงอินฟราเรดในอนาคต ซึ่งรวมถึง การสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ซึ่งได้ใช้กล้องอินฟราเรดของมันเพื่อถ่ายภาพเอกภพห้วงลึกที่สุดเท่าที่เคยทำมา ก็น่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ไขความลับที่ซ่อนอยู่หลังส่วนป่องใจกลางทางช้างเผือกได้ ทีมนักวิจัยประกอบด้วยสมาชิกจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติ ที่ซานฮวน อาร์เจนตินา, มหาวิทยาลัยกลางแห่งริโอกรันเด โดซูลในบราซิล และมหาวิทยาลัยอันเดรส เบลโล ในชิลี 

แหล่งข่าว space.com : scientists discover massive “extragalactic structure” behind the Milky Way
                iflscience.com : hidden structure discovered behind the Milky Way “zone of avoidance”

ฮับเบิลพบวิวัฒนาการซุปเปอร์โนวาในเอกภพยุคต้น

 

Abell 370 

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้จับแสงจากดาวฤกษ์ดวงหนึ่งซึ่งเกิดระเบิดเมื่อกว่า 1.15 หมื่นล้านปีก่อน เมื่อเอกภพมีอายุไม่ถึงหนึ่งในห้าของอายุปัจจุบันที่ 1.38 หมื่นล้านปี

     นี่เป็นภาพซุปเปอร์โนวาในรายละเอียดที่เกิดตั้งแต่ช่วงแรกๆ ในความเป็นมาของเอกภพ งานวิจัยน่าจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้เพิ่มเติมขึ้นเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวและกาแลคซีในเอกภพยุคต้น ภาพซุปเปอร์โนวายังมีความพิเศษมากเมื่อพวกมันแสดงการระเบิดตั้งแต่ช่วงเริ่มต้น

     Wenlei Chen ผู้เขียนคนแรกในรายงาน และนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่วิทยาลัยฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยมินเนโซตา อธิบายว่า พบซุปเปอร์โนวาตั้งแต่ช่วงเริ่มระเบิดใหม่ๆ ค่อนข้างยาก เนื่องจากช่วงเวลาดังกล่าวนั้นสั้นมากๆ เพียงไม่กี่ชั่วโมงจนถึงไม่กี่วัน และก็อาจจะหาไม่เจอแม้ว่าจะเกิดขึ้นใหม่ๆ ก็ตาม แต่ในภาพเดียวนี้ เราได้เห็นเหตุการณ์ที่ไล่เรียงตามเวลา

     นี่เป็นไปได้เพราะปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ซึ่งถูกทำนายเป็นครั้งแรกโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ในกรณีนี้ แรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของกระจุกกาแลคซี Abell 370 ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 4 พันล้านปีแสง ทำหน้าที่เป็นเลนส์ในอวกาศ บิดเบนและขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาที่ห่างไกลออกไปซึ่งอยู่เบื้องหลังกระจุกกาแลคซีแห่งนี้

ภาพแรกและภาพใหญ่ที่สุดแสดงส่วนหนึ่งของกระจุกกาแลคซี Abell 370 ช่องสี่เหลี่ยมด้านบนระบุตำแหน่งที่เกิดพหุภาพซุปเปอร์โนวา ขยายเป็น 4 ช่องด้านขวา(A ถึง D) A แสดงตำแหน่งของกาแลคซีต้นสังกัดซุปเปอร์โนวาหลังจากซุปเปอร์โนวาจางแสงลง; B ถ่ายในปี 2010 แสดงพหุภาพกาแลคซีต้นสังกัดและซุปเปอร์โนวาในแต่ละช่วงวิวัฒนาการ; C ภาพใน B ลบด้วยภาพใน A แสดงหน้าตาซุปเปอร์โนวาที่แตกต่างกันจากวิวัฒนาการ; D ภาพสีที่แตกต่างกันของซุปเปอร์โนวาในสามช่วงของวิวัฒนาการ

     การบิดห้วงอวกาศยังสร้างการระเบิดแบบพหุภาพ(multiple images) ตลอดช่วงเวลาที่แตกต่างกัน แต่ทั้งหมดมาถึงโลกในเวลาเดียวกันและจับภาพไว้ได้ภาพฮับเบิลเพียงภาพเดียวนี้(ในวันเดียวกันของเดือนธันวาคม 2010) ซึ่งเป็นไปได้พหุภาพเกิดขึ้นเนื่องจากแสงจากซุปเปอร์โนวาใช้เส้นทางผ่านกระจุกที่แตกต่างกัน แสงใช้เส้นทาง 3 เส้นที่มีความยาวแตกต่างกันเพื่อข้าม “หุบ” ห้วงอวกาศที่บิดเบี้ยว เมื่อแสงจากถึงฮับเบิล ซุปเปอร์โนวาจึงปรากฏเป็นวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน 3 ช่วง

      ภาพซุปเปอร์โนวาจับการเปลี่ยนแปลงสีของซุปเปอร์โนวาที่ค่อยๆ เย็นตัวลงในแต่ละภาพฉาย ปรากฏเป็นสีที่แตกต่างกันเล็กน้อย สีอมฟ้าหมายถึงว่าซุปเปอร์โนวาร้อน ในสถานะแรกสุดจึงเป็นสีฟ้า เมื่อซุปเปอร์โนวาเย็นตัวลงแสงจะมีสีอมแดงมากขึ้น Patrick Kelly ผู้นำการศึกษา และผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่วิทยาลัยฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยมินเนโซตา กล่าวว่า คุณจะเห็นสีที่แตกต่างกันในภาพฉายทั้งสามภาพ คุณมีดาวฤกษ์มวลสูง, แกนกลางของมันยุบตัวลง, สร้างคลื่นกระแทก, ร้อนขึ้น และจากนั้นก็เห็นมันเย็นตัวลงในเวลาเพียงหนึ่งสัปดาห์เศษ ผมคิดว่ามันอาจจะเป็นสิ่งมหัศจรรย์ที่สุดเท่าที่ผมเคยเห็นมา

     การวิเคราะห์แสงจากภาพฉายแต่ละภาพ เผยให้เห็นกลุ่มแสงที่ขยายตัวจากซุปเปอร์โนวาตลอดช่วง 8 ปี โฟตอนที่ใช้เส้นทางตรงที่สุดมาที่กล้องฮับเบิลแสดงซุปเปอร์โนวาหลังจากแกนกลางยุบตัวลงผ่านไป 6 ชั่วโมงเท่านั้น ส่วนโฟตอนในภาพอีกสองภาพใช้เส้นทางที่ยาวนานและแสดงซุปเปอร์โนวาเดียวกัน แต่เป็นช่วงเวลา 2 วันและ 8 วันให้หลัง ตามลำดับ ภาพฉายทั้งสามภาพแสดงการเย็นตัวของซุปเปอร์โนวาอย่างช้าๆ ในเวลา 8 วันจากอุณหภูมิร้อนแรงกว่า 1 แสนเคลวิน จนเย็นเพียง 1 หมื่นเคลวินเท่านั้น

      และนี่ยังเป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์สามารถตรวจสอบขนาดของดาวที่กำลังจบชีวิตในเอกภพยุคต้นได้ อ้างอิงจากความสว่างของซุปเปอร์โนวาและอัตราการเย็นตัวลง ซึ่งทั้งสองอย่างขึ้นอยู่กับขนาดของดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวา การสำรวจของฮับเบิลแสดงว่า เป็นซุปเปอร์โนวาที่เกิดจากดาวซุปเปอร์ยักษ์แดงทั่วไปที่มีขนาด 500 เท่ารัศมีดวงอาทิตย์

แรงโน้มถ่วงรุนแรงจากกระจุกกาแลคซี Abell 370 ทำหน้าที่เป็นเลนส์ในอวกาศ บิดเบนและขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาที่อยู่ห่างไกลกว่าด้านหลังกระจุกแห่งนี้ ภาพเล็กด้านบนระบุพื้นที่ที่พบเห็นพหุภาพซุปเปอร์โนวานี้ ไดอะแกรมด้านล่างแสดงพื้นที่ดังกล่าวในแบบที่ขยายขึ้น ต้องขอบคุณผลจากการบิดห้วงอวกาศ โฟตอนจากซุปเปอร์โนวาในกาแลคซีที่ห่างไกล(ด้านล่างขวา) เดินทางตามเส้นทางที่แตกต่างกัน 3 เส้น(เส้นสีขาว) มาถึงกล้องฮับเบิลพร้อมกัน แต่แสดงซุปเปอร์โนวาในช่วงเวลาที่แตกต่างกันเล็กน้อย  

      Chen, Kelly และทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้พบซุปเปอร์โนวานี้เพื่อกลั่นกรองข้อมูลในคลังฮับเบิล เพื่อมองหาเหตุการณ์ที่เกิดชั่วคราว(transient events) Chen ได้เขียนอัลกอริทึมให้คอมพิวเตอร์เรียนรู้ด้วยตัวเอง เพื่อหาเหตุการณ์เหล่านี้ แต่กลับจำแนกซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์เดียวที่ฉายพหุภาพได้เพียงแห่งเดียว รายงานของทีม “Shock cooling of a red-supergiant supernova at redshift 3 in lensed images” เผยแพร่ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 10 พฤศจิกายน

     Chen และ Kelly มีเวลาการสำรวจที่ขอไว้กับกล้องเวบบ์แล้วเพื่อสำรวจซุปเปอร์โนวาที่ห่างไกลมากขึ้นไปอีก พวกเขาหวังว่าจะสามารถทำบัญชีรายชื่อซุปเปอร์โนวาที่ห่างไกลมากๆ เพื่อช่วยนักดาราศาสตร์ให้เข้าใจว่าดาวที่มีอยู่เมื่อหลายพันล้านปีก่อนนั้น แตกต่างจากดาวในเอกภพใกล้เคียงอย่างไรบ้าง    

      ในขณะที่ดาวเกิดระเบิดไม่ได้เป็นเรื่องที่ไม่ปกติอะไร แต่นี่เป็นภาพซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์ที่สองที่ถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงที่พบในภาพชุดจากการสำรวจ Frontier Field ของกล้องฮับเบิล ภาพซุปเปอร์โนวาอีกเหตุการณ์ที่พบก่อนหน้านี้คือ ซุปเปอร์โนวาเรฟดาล(Supernova Refdahl) ด้วยการใช้ซุปเปอร์โนวาทั้งสอง ทีมของ Chen ก็สามารถประเมินว่าในเอกภพยุคดังกล่าวมีดาวกำลังตายลงมากน้อยแค่ไหน

      ผลก็คือ เมื่อเอกภพมีอายุเพียงไม่กี่พันล้านปี(เรดชิพท์ 3) มีดาวประมาณ 8 ดวงที่น่าจะกลายเป็นซุปเปอร์โนวาทุกๆ หนึ่งหมื่นปีภายในห้วงอวกาศขนาด 3 ล้านปีแสงที่แต่ละด้าน จำนวนดังกล่าวสอดคล้องกับทฤษฎี(จากการสำรวจดาวที่อยู่ใกล้กว่า) ว่าดาวฤกษ์ก่อตัว และสุดท้ายตายอย่างไร Robert Kirshner จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ผู้เชี่ยวชาญซุปเปอร์โนวาและเอกภพวิทยา กล่าวว่า ด้วยอัตรานี้แม้สถิติจะมาจากวัตถุเพียง 2 แหล่ง แต่ก็แสดงได้ว่าวัตถุก่อนหน้านี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ และมันก็เปิดเส้นทางสู่การสำรวจการกำเนิดและการตายของดาวมวลสูงที่เรดชิพท์ 3 อย่างจริงจัง

แหล่งข่าว hubblesite.org : Hubble captures 3 faces of evolving supernova in early universe
                esa_hubble.org : Hubble captures three faces of evolving supernova in early universe
                sciencealert.com : astronomers captured the incredibly rare sight of a star mere hours after it exploded
                skyandtelescope.com : Hubble spies supernova in early universe   

ใจกลางกาแลคซีที่สร้างนิวตริโนพลังงานสูง

 

ภาพมุมกว้างแสดง M77 หรือ NGC 1068 หรือ Squid Galaxy image credit: KuriousGeorge/ S&T Online Photo Gallery

     นักดาราศาสตร์ได้เชื่อมโยงนิวตริโนหลายสิบอนุภาคที่หอสังเกตการณ์ไอซ์คิวป์ได้พบ เข้ากับกาแลคซีใกล้เคียงแห่งหนึ่งในกลุ่มดาววาฬ(Cetus)

     กาแลคซีใกล้เคียงแห่งนี้ซึ่งมีชื่อว่า M77(หรือ Squid Galaxy) เป็นกาแลคซีกังหันแบบมีคาน(barred spiral) โดยมีแขนกังหันที่ห่ออย่างหลวมๆ และส่วนป่องในใจกลาง(central bulge) ที่ค่อนข้างเล็ก แต่ M77 เป็นกาแลคซีกัมมันต์(active galaxy Seyfert II) เมื่อมองจากโลกจะเอียงด้วยองศาระดับหนึ่ง ซึ่งจะปิดบังพื้นที่ใจกลางของมันที่มีหลุมดำฝังตัวอยู่ ในซีเฟิร์ต 2 วงแหวนฝุ่นจะปิดบังการแผ่รังสีพลังงานสูงที่ถูกสร้างโดยก๊าซและอนุภาคที่ไหลลงสู่หลุมดำไว้เกือบทั้งหมด 

      แต่ M 77 กำลังยิงนิวตริโน(neutrinos) พลังงานสูงออกมาในอวกาศ Aart Heijboer จาก Nikhef อัมสเตอร์ดัม เนเธอร์แลนด์ส กล่าวว่า เท่าที่ทราบ นี่เป็นวัตถุลำดับที่สองที่ผลิตนิวตริโนออกมา นิวตริโนไม่มีประจุ และเป็นอนุภาคมูลฐานที่แทบไม่มีมวล ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่นได้ยากมาก ด้วยความเร็วใกล้เคียงแสง พวกมันจะวิ่งผ่านทุกๆ สิ่งที่อยู่ตามเส้นทางได้อย่างง่ายดาย ด้วยเหตุนี้ จึงตรวจสอบได้ยากมากๆ

       แต่ไม่ใช่สำหรับหอสังเกตการณ์นิวตริโนไอซ์คิวป์(IceCube) ที่ขั้วโลกใต้ ซึ่งเป็นกลุ่มของเครื่องตรวจจับความไวแสงสูงมากกว่า 5000 ตัวซึ่งฝังอยู่ลึกระหว่าง 1.5 ถึง 2.5 กิโลเมตรใต้น้ำแข็งในแอนตาร์กติกาในพื้นที่ 1 ตารางกิโลเมตร ไอซ์คิวป์บันทึกแสงวาบ
น้อยๆ ซึ่งเกิดขึ้นจากมิวออน(muon; อิเลคตรอนหนัก) ที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์นานๆ ครั้งระหว่างนิวตริโนกับนิวเคลียสอะตอมในน้ำแข็งนี้

      ตามที่รายงานในวารสาร Science วันที่ 4 พฤศจิกายน 2022 กลุ่มไอซ์คิวป์ได้พบนิวตริโนพลังงานสูง(ระดับเทร่าอิเลคตรอนโวลท์) ถึง 79 ครั้งในข้อมูลที่รวบรวมระหว่าง 2011 ถึง 2020 มาจากทิศทางของกาแลคซีกังหัน NGC 1068(M77) อยู่ห่างออกไปเพียง 46 ล้านปีแสงเท่านั้น กาแลคซีอันดับความสว่าง(magnitude) 9 เป็นเป้าหมายที่ง่ายสำหรับกล้องดูดาวสมัครเล่น

ภาพจากศิลปินแสดงสายที่ติดตั้งเครื่องตรวจจับมิวออนของไอซ์คิวป์ใต้ผืนน้ำแข็ง ด้วยการตามรอยมิวออนย้อนเส้นทางกลับไป นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถหาเส้นทางนิวตริโนที่วิ่งเข้ามา ไปจนถึงแหล่งกำเนิดของพวกมัน

     ในกาแลคซีซึ่งอุดมไปด้วยกลุ่มฝุ่นหนา มีหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่มีมวลหลายสิบล้านเท่าดวงอาทิตย์ แกนกลางของกาแลคซียังสร้างรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา ซึ่งบอกถึงกระบวนการทรงพลังอย่างสุดขั้วที่เกิดขึ้นที่นั่น นิวตริโนพลังงานสูงที่ไอซ์คิวป์ได้พบ ก็น่าจะถูกสร้างขึ้นเมื่ออนุภาคมีประจุทรงพลังถูกเร่งความเร็วขึ้นโดยสนามแม่เหล็กท้องถิ่น และชนเข้ากับวัสดุสารที่อยู่รอบข้าง

      Heijboer ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับผลสรุปใหม่จากไอซ์คิวป์บอกว่า นิวตริโนจะให้โอกาสอันเป็นอัตลักษณ์ในการศึกษาเครื่องเร่งอนุภาคขนาดยักษ์ในอวกาศที่น่าจะทำงานในแกนกลางของ M77 รังสีเอกซ์และแกมมาจากในแกนกลางกาแลคซีนี้บางส่วนก็ถูกดูดซับโดยวัสดุสารรอบข้าง ในขณะที่อนุภาคมีประจุจะวิ่งไปตามสนามแม่เหล็กในกาแลคซี และไม่สามารถตามรอยกลับไปถึงจุดกำเนิดของพวกมันได้

     เมื่อปี 2018 ไอซ์คิวป์ได้เคยจำแนกนิวตริโนพลังงานสูงจากอีกแหล่งหนึ่ง เป็นกาแลคซีกิจกรรมสูงมากที่ยิงไอพ่นพลาสมามาทางโลก บลาซาร์(blazar) แห่งนี้ ซึ่งเรียกว่า TXS 0506+056 อยู่ห่างออกไป 3.7 พันล้านปีแสงที่ไหล่ซ้ายของนายพราน(Orion) อย่างไรก็ตาม Heijboer บอกว่าบลาซาร์สร้างนิวตริโนเป็นครั้งๆ ไป ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับรังสีแกมมาที่สว่างขึ้นอย่างมากซึ่งตรวจพบโดยเฟอร์มี แต่แหล่งใหม่นี้สร้างกระแสนิวตริโนอย่างต่อเนื่อง จนเราสามารถนับจำนวนได้ในอนาคต

ภาพจากศิลปินแสดงบลาซาร์(blazer) มีหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่ใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่งกำลังกลืนก๊าซอย่างตะกละและจากนั้นก็พ่นก๊าซบางส่วนกลับออกมาเป็นไอพ่นสัมพัทธภาพที่ชี้มาทางโลก ไอพ่นนี้สามารถสร้างนิวตริโนได้ตลอดที่มันเดินทางมาถึงโลกอย่างเช่นในกรณีของ TXS 0506+056 แต่บลาซาร์ก็ไม่ได้เป็นผู้ผลิตนิวตริโนเพียงรายเดียวในอวกาศ  

     Francis Halzen ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-เมดิสัน และผู้นำปฏิบัติการไอซ์คิวป์ กล่าวว่า นิวตริโนอนุภาคเดียวคงบอกแหล่งที่มาไม่ได้ แต่ถ้ามีการสำรวจนิวตริโนจำนวนมาก จะเผยให้เห็นแกนกลางวัตถุในอวกาศที่ทรงพลังที่สุดที่ถูกปิดบังไว้

      ก่อนหน้านี้ในปีนี้เอง นักวิทยาศาสตร์ได้รายงานความเชื่อมโยงระหว่างทิศทางของนิวตริโนพลังงานสูงที่วิ่งเข้ามา กับการกระจายตัวของบลาซาร์ห่างไกลบนท้องฟ้า แต่การค้นพบใหม่บอกว่า บลาซาร์ไม่ได้เป็นโรงงานนิวตริโนเพียงอย่างเดียวข้างนอกนั้น

      ในรายงานให้ความเห็นใน Science Kohta Murase จากมหาวิทยาลัยเพนน์สเตท เขียนไว้ว่ากาแลคซีกัมมันต์อย่าง M77 พบได้มากกว่าบลาซาร์(เป็นกาแลคซีกัมมันต์อีกประเภทหนึ่ง-ผู้แปล) ซึ่งอาจจะอธิบายปริมาณของนิวตริโนทั้งหมดที่ไอซ์คิวป์ได้พบ

      เมื่อสองปีก่อน การวิเคราะห์ข้อมูลไอซ์คิวป์ในช่วงต้นก็ได้บอกใบ้แล้วว่า M77 น่าจะเป็นแหล่งของนิวตริโน อย่างไรก็ตาม ผลสรุปใหม่นั้นมีนัยสำคัญสูงกว่า ต้องขอบคุณการเทียบมาตรฐาน(calibrate) ข้อมูลและเทคนิคที่ดีขึ้น ซึ่งบอกถึงทิศทางนิวตริโนที่วิ่งเข้ามา การสำรวจในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากหอสังเกตการณ์ KM3NeT ของยุโรปซึ่งกำลังก่อสร้างที่ก้นทะเลเมดิเตอร์เรเนียน อาจจะสรุปกรณีศึกษานี้ได้ เมื่อมันจะมีความไวต่อทิศทางสูงกว่าไอซ์คิวป์

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : Squid Galaxy gets in on the neutrino game
                 sciencedaily.com : IceCube neutrinos give us first glimpse into the inner depths of an active galaxy
                 iflsceince.com : unexplained neutrinos emitted by a nearby galaxy have been detected beneath Antarctica