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