red spiral galaxies

 

การค้นพบประชากรกาแลคซีกังหันสีแดงในเอกภพยุคต้น

     กาแลคซีกังหันเป็นรายละเอียดที่น่าประทับใจที่สุดอย่างหนึ่งในเอกภพ และเมื่อพบกาแลคซีกังหันในเอกภพอันไกลโพ้นก็จะมีข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับกำเนิดและวิวัฒนาการของพวกมัน อย่างไรก็ตาม เราก็มีความเข้าใจที่จำกัดเกี่ยวกับกาแลคซีเหล่านี้เนื่องจากพวกมันอยู่ไกลเกินกว่าจะศึกษาในรายละเอียดได้

      ในขณะที่เคยพบกาแลคซีเหล่านี้ในการสำรวจก่อนหน้านี้ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและสปิตเซอร์ แต่จากความละเอียดและ/หรือความไวที่มีจำกัด ไม่ช่วยให้เราศึกษารูปร่างและคุณสมบัติของพวกมันในรายละเอียดได้ Yoshinobu Fudamoto นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวาเซดะ ในญี่ปุ่น ซึ่งวิจัยวิวัฒนาการของกาแลคซี อธิบาย ขณะนี้ ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ได้ช่วยให้งานวิจัยก้าวไปอีกขั้น ในภาพแรกๆ สุดจากเวบบ์ซึ่งเป็นกระจุกกาแลคซี SMACS J0723-7327 เวบบ์สามารถจับภาพในช่วงอินฟราเรดแสดงประชากรกาแลคซีกังหันสีแดง ในความละเอียดที่ไม่น่าเชื่อและเผยให้เห็นสัณฐานของพวกมันในรายละเอียด

      ในบทความล่าสุดที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters ทีมนักวิจัยซึ่งประกอบด้วย Fudamoto, ศาสตราจารย์ Akio K. Inoue และ ดร Yuma Sugahara จากมหาวิทยาลัยวาเซดะ ญี่ปุ่น ได้เผยให้เห็นแง่มุมอย่างน่าประหลาดใจเกี่ยวกับกังหันสีแดงเหล่านั้น

     ในบรรดากังหันสีแดงหลายแห่งที่ได้พบ นักวิจัยมุ่งเป้าไปที่กังหันสีแดงจัดที่สุด 2 แห่งคือ RS13 และ RS14 ด้วยการวิเคราะห์แบบใช้ spectral energy distribution(SED) นักวิจัยตรวจสอบการกระจายพลังงานตลอดช่วงความยาวคลื่นที่กว้างที่มาจากกาแลคซีทั้งสอง SED เผยว่ากังหันสีแดงอยู่ในเอกภพยุคต้นจากยุคที่เรียกว่า cosmic noon(ราว 8 ถึง 10 พันล้านปีก่อน) หลังจากบิ๊กแบง และ “อรุณรุ่งแห่งเอกภพ” ที่น่าสนใจคือ ทั้งสองแห่งยังเป็นกาแลคซีกังหันที่พบไกลที่สุดเท่าที่เคยเจอด้วย

      เชื่อว่ากาแลคซีกังหันอย่างทางช้างเผือกเป็นกาแลคซีชนิดที่พบได้ทั่วไปแบบหนึ่งในเอกภพ กาแลคซีกังหันมักจะเต็มไปด้วยการก่อตัวดาวใหมม่ๆ อย่างกระตือรือร้น ทำให้พวกมันมีสีออกฟ้า เนื่องจากดาวฤกษ์ร้อนอายุน้อยจะสาดแสงสว่างในแสงอุลตราไวโอเลต แต่กาแลคซีกังหันสีแดงกลับหาได้ยาก มีอยู่เพียง 2% ของกาแลคซีทั้งหมดในเอกภพท้องถิ่น การค้นพบกังหันสีแดงในเอกภพยุคต้นด้วยกล้องเวบบ์ ซึ่งครอบคลุมพื้นที่เพียงส่วนน้อยนิดในอวกาศ ได้บอกว่ากังหันลักษณะนี้น่าจะพบได้ในจำนวนที่สูงในเอกภพยุคต้น

     นักวิจัยยังพบว่า RS14 นั้นเป็นกาแลคซีกังหันที่ไร้กิจกรรม(passive; ไม่ก่อตัวดาวแล้ว) ผิดจากความคาดหวังว่ากาแลคซีในเอกภพยุคต้นน่าจะก่อตัวดาวอย่างคึกคัก การตรวจพบกังหันไร้กิจกรรมในภาพจากเวบบ์ซึ่งมีพื้นที่จำกัดจึงสร้างความประหลาดใจอย่างยิ่ง เมื่อมันได้บอกว่ากาแลคซีที่ไม่ก่อตัวดาวก็น่าจะมีอยู่มากเช่นกันในเอกภพยุคต้น แสงจาก RS14 มาจากเมื่อ 11 พันล้านปีก่อน และเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ ขณะนี้ กาแลคซีอยู่ห่างจากเราราว 19 พันล้านปีแสงแล้วในปัจจุบัน

จากภาพ IRAC(บน) ก่อนหน้านั้น มาเป็นภาพจากกล้องเวบบ์ซึ่งมีความละเอียดและความไวในช่วงอินฟราเรดที่สูงมาก เผยให้เห็นรายละเอียดสัญฐานของกาแลคซีกังหันสีแดง(แถวล่าง) RS13 และ RS14

      โดยรวมแล้ว การค้นพบในการศึกษานี้ได้ขยับขยายความรู้เกี่ยวกับกาแลคซีกังหันสีแดง และเอกภพโดยรวม การศึกษาของเราแสดงเป็นครั้งแรกว่ากาแลคซีกังหันที่ไร้กิจกรรมน่าจะพบได้มากมายในเอกภพยุคต้น ในขณะที่รายงานนี้เป็นการศึกษานำร่องเกี่ยวกับกาแลคซีกังหันในเอกภพยุคต้น แต่การยืนยันและขยายความจากการศึกษานี้น่าจะส่งอิทธิพลต่อความเข้าใจการก่อตัวและวิวัฒนาการของสัณฐานวิทยากาแลคซีได้ Fudamoto กล่าวสรุป

แหล่งข่าว phys.org : discovering a rare red spiral galaxy population from the early universe with the James Webb Space Telescope
                space.com : James Webb Space Telescope spots rare red spiral galaxies in the early universe
                iflscience.com : JWST finds the most distant red spiral galaxies to date  

ฟอสฟีน(ที่อาจไม่มี) บนดาวศุกร์

 

ภาพถ่ายแสดงโครงสร้างเมฆในชั้นบรรยากาศดาวศุกร์จากการสำรวจในช่วงอุลตราไวโอเลตสองช่วงโดยยานอาคัตสึกิ(Akatsuki) ในปี 2016

     เมื่อไม่มีการสำรวจพบสิ่งมีชีวิตนอกโลกโดยตรง นักวิทยาศาสตร์จึงมักจะเบนเข็มไปที่การสำรวจหาชีวสัญญาณ(biosignature) ซึ่งเป็นผลพลอยได้ทางเคมีจากสิ่งมีชีวิต ซึ่งสามารถตรวจจับได้ด้วยการตรวจสอบจากระยะไกล แม้ว่าดาวอังคารจะได้รับความสนใจมากที่สุด แต่ก็ยังมีการสำรวจหาบนพิภพอื่นในระบบสุริยะที่มีชั้นบรรยากาศด้วยเช่นกัน

      ในปี 2021 นักดาราศาสตร์ดาวเคราะห์ได้รายงานการตรวจพบก๊าซฟอสฟีน(phosphine; PH3) ในชั้นบรรยากาศดาวศุกร์โดยใช้การสำรวจคลื่นวิทยุจากภาคพื้นดินโดยกล้องโทรทรรศน์เจมส์เคิล์กแมกซ์เวลล์ ในฮาวายและเครือข่าย ALMA ในชิลี ความเข้มข้นของก๊าซที่เดิมได้รายงานไว้อยู่ที่ 20 ส่วนในหนึ่งพันล้านส่วน(ppb) แต่ต่อมาก็เปลี่ยนเป็นไม่เกิน 7 ส่วนในหนึ่งพันล้านส่วนหรือน้อยกว่านั้น แทน จากการปรับปรุงการเทียบมาตรฐาน(calibration) และการวิเคราะห์ข้อมูล บนโลก ฟอสฟีนมีความเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีววิทยา และนักวิจัยก็กำลังศึกษาว่าจะสามารถใช้ฟอสฟีนเป็นตัวระบุสัญญาณของชีวิตบนดาวเคราะห์อื่นได้หรือไม่

     มีข้อกังขากับการตรวจจับฟอสฟีนที่นำเสนอขึ้นมานี้เนื่องจากความลำบากในการเทียบมาตรฐานและการวิเคราะห์ข้อมูลการสำรวจจากภาคพื้นดิน ความพยายามในการติดตามผลเพื่อตรวจจับฟอสฟีนในชั้นบรรยากาศดาวศุกร์โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและในอวกาศอื่นๆ ก็ไม่พบข้อสรุปที่แน่ชัด

     ทีมที่นำโดย Martin Cordiner นักวิจัยสาขาดาราศาสตร์เคมีและวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่ศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดได้ทำการตรวจสอบจากเครื่องมือสำรวจบนเครื่องบินโบอิง 747SP จากปฏิบัติการ SOFIA(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy)

SOFIA(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) ในระหว่างการบินเที่ยวหนึ่งในปี 2010 

      เครื่องบินโซเฟียบินอยู่ที่ระดับความสูง 13 กิโลเมตร ซึ่งอยู่เหนือชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่ของโลก ซึ่งจะลดการปนเปื้อนสัญญาณฟอสฟีนจากแหล่งบนโลกได้อย่างมหาศาล นักวิจัยใช้เครื่องมือ GREAT(German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) ของโซเฟียซึ่งมีความละเอียดสเปคตรัมที่สูงมากๆ เพื่อรวบรวมข้อมูลสเปคตรัมในช่วงอินฟราเรดไกลจากความสูง 75 ถึง 110 กิโลเมตรเหนือพื้นผิวดาวศุกร์ ซึ่งก็ใกล้เคียงกับช่วงความสูงที่ตรวจหาฟอสฟีนก่อนหน้านี้

      ข้อมูลที่รวบรวมโดย GREAT ในระหว่างการบินสำรวจสามครั้งของโซเฟียในเดือนพฤศจิกายน 2021 นักวิจัยรายงานว่าไม่พบหลักฐานของฟอสฟีน ถ้ามีฟอสฟีนอยู่ในชั้นบรรยากาศดาวศุกร์จริง และสันนิษฐานว่าปริมาณก๊าซนั้นคงที่ตลอดเวลา การสำรวจใหม่ได้บ่งชี้ถึงขีดจำกัดปริมาณขั้นสูงที่ไม่เกิน 0.8 ppb ระดับนี้เป็นขีดจำกัดขั้นสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับซีกโลกดาวศุกร์ที่หันเข้าหาโลก

     ฟอสฟีนเป็นสารประกอบเคมีที่ค่อนข้างพื้นๆ มันมีเพียงฟอสฟอรัส 1 อะตอม จับอยู่กับไฮโดรเจน 3 อะตอม ดังนั้นคุณอาจจะคิดว่าคงผลิตฟอสฟีนได้ง่าย แต่บนดาวศุกร์แล้ว ดูจะไม่มีทางไหนเลยที่จะผลิตฟอสฟีนได้ Cordiner กล่าว

     การใช้โซเฟียเพื่อสำรวจดาวศุกร์ก็มีความท้าทายสูง ดาวเคราะห์ซึ่งในขณะนั้นปรากฏให้เห็นประมาณครึ่งชั่วโมงหลังอาทิตย์ตกเท่านั้น และเครื่องบินก็ต้องไปอยู่ถูกที่ถูกเวลาด้วย เนื่องจากดาวศุกร์นั้นอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าโลก ดาวเคราะห์ยังเป็นเสี้ยว(phase) เหมือนกับดวงจันทร์ จากมุมมองบนโลก และอยู่ใกล้กับดวงอาทิตย์บนฟ้า คุณคงไม่อยากให้แสงอาทิตย์บังเอิญโผล่มาบนกล้องโทรทรรศน์ที่ไวสูง Cordiner กล่าว ดวงอาทิตย์เป็นสิ่งสุดท้ายที่คุณอยากให้อยู่บนท้องฟ้าเมื่อทำการสำรวจที่ต้องการความไวแบบนี้   

ข้อมูลสเปคตรัมจากโซเฟียซ้อนทับบนภาพดาวศุกร์บนยานมาริเนอร์ 10 ของนาซา แสดงความเข้มแสงจากดาวศุกร์ในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ถ้ามีฟอสฟีนในระดับที่มีนัยสำคัญปรากฏในชั้นบรรยากาศดาวศุกร์ กราฟน่าจะมีจุดที่เป็นเหวลึกใน 4 ตำแหน่งที่ระบุว่า PH3 โดยมีความลึกชัดเจนเหมือนที่เห็นหัวท้ายกราฟจากโมเลกุลอื่น

     ยังมีความลับมากมายเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศหนาทึบของดาวศุกร์ที่สร้างความปวดหัวให้กับนักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ ซึ่งการค้นพบครั้งใหม่ๆ น่าจะเกิดขึ้นเมื่อยานดาวินชี(DAVINCI; Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble Gases, Chemistry and Imaging) ของนาซา ซึ่งจะพุ่งลงสู่พื้นผิวดาวศุกร์ และทำการสำรวจจากพื้นที่ โดยมีกำหนดส่งในช่วงต้นทศวรรษ 2030 งานวิจัยนี้เผยแพร่ในวารสาร Geophysical Research Letters

แหล่งข่าว phys.org : if there is phosphine on Venus, there isn’t much
                space.com : search for possible sign of life in Venus’ clouds comes up empty
                universetoday.com : SOFIA fails to find phosphine in the atmosphere of Venus, but the debate continues   

ไอพ่นจากหลุมดำที่สร้าง AT2022cmc

 

2

Tidal disruption graphic

     แสงที่เดินทางมานานกว่า 8.5 พันล้านปีได้มาถึงเรา เป็นลมหายใจเฮือกสุดท้ายจากดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่กำลังจะตายเมื่อหลุมดำค่อยๆ กลืนมันไป

      ทีมนักวิทยาศาสตร์สองทีมต่างก็ตรวจสอบพบแสงสว่างปริศนาที่ปรากฏบนท้องฟ้าในเดือนกุมภาพันธ์ 2022 ในเหตุการณ์ที่เรียกว่า AT2022cmc เป็นไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ปะทุออกจากหลุมดำขนาดใหญ่แห่งหนึ่ง เมื่อดาวที่ถูกฉีกหายไปหลังขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำ นี่เป็นโอกาสที่พบได้ยากมากๆ สำหรับเราที่จะได้เห็นอาหารกำลังถูกหลุมดำกลืน และขณะนี้ AT2022cmc ก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา รายงานสองฉบับเผยแพร่ใน Nature และ Nature Astronomy

      ครั้งล่าสุดที่นักวิทยาศาสตร์ได้พบไอพ่นเหล่านี้ก็คือเมื่อสิบกว่าปีก่อน Michael Coughlin นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยมินเนโซตา ทวินซิตี้ กล่าว จากข้อมูลที่เรามีอยู่ เราสามารถตรวจสอบว่าไอพ่นสัมพัทธภาพ(relativistic jets) ถูกยิงออกมาเพียงหนึ่งในร้อยจากเหตุการณ์ทำลายล้างเหล่านี้ ทำให้ AT2022cmc เป็นเหตุการณ์ที่พบได้ยากมากๆ ในความเป็นจริง แสงที่สว่างจ้าจากเหตุการณ์นี้ยังเป็นแสงที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยพบด้วย

       มีเรื่องราวมากมายในเอกภพแสนดุดัน และมีการผ่านเข้าใกล้และเหตุการณ์เกิดขึ้นไม่น้อย ทั้งซุปเปอร์โนวา, การปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio bursts), การชนของดาว, ปฏิสัมพันธ์ในระบบคู่ขนาดกะทัดรัด และหลุมดำที่กลืนกินวัสดุสารอย่างตะกละตะกลาม เป็นสิ่งที่สร้างการลุกจ้าชั่วคราวและทำนายไม่ได้ พุ่งข้ามห้วงอวกาศอันเวิ้งว้างและจากนั้นก็สลัวหายไป

      มีแต่เพียงการจับจ้องพื้นที่ขนาดใหญ่บนท้องฟ้าอย่างใกล้ชิด ที่เราจะสามารถจับแสงจากเหตุการณ์รุนแรงที่เกิดขึ้นชั่วคราวนี้ได้เท่านั้น ในเดือนกุมภาพันธ์ Zwicky Transient Facility(ZTF) ได้พบการลุกจ้าเหตุการณ์หนึ่งในช่วงตาเห็น แทบจะในทันทีที่กล้องโทรทรรศน์ 20 กว่าตัวรอบโลกและในอวกาศในหลากหลายความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีแกมมาจนถึงคลื่นวิทยุ ก็เริ่มทำงาน เก็บข้อมูลจำนวนมากจากการระเบิดแสงนี้ต่อมาอีกหลายวันจนถึงหลายสัปดาห์

 

ภาพจากศิลปิน AT2022cmc เป็น tidal disruption event ที่หลุมดำยิงไอพ่นมาทางโลกพอดี

      จากข้อมูลที่มีมากมาย ทีมนักวิจัยซึ่งมี Coughlin และ Igor Andreoni จากมหาวิทยาลัยมารีแลนด์เป็นผู้นำร่วม ได้ตรวจสอบพบว่าเหตุการณ์นี้เป็นผลจากการรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำ หรือ tidal disruption event ตัวการก็คือ หลุมดำมวลสูงราว 5 ร้อยล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์แห่งหนึ่งที่หมุนรอบตัวเร็วมาก กลืนวัสดุสารจากดาวด้วยอัตราสูงถึง0.5 เท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปี 

      Tidal disruption event พบได้ยากมากๆ เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ดวงหนึ่งผ่านเข้าไปใกล้หลุมดำแห่งหนึ่งมากเกินไป แรงโน้มถ่วงรุนแรงในสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำได้ยืดดาวออกจนฉีกเป็นชิ้น จากนั้น เศษซากก็ค่อยๆ ตกลงสู่หลุมดำ กระบวนการนี้จะสร้างการลุกจ้าของดาวที่สลัวลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่เรายังคงตรวจจับมันได้จากโลกถ้ามันสว่างมากพอ

      แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่นักดาราศาสตร์ได้เห็นจาก AT2022cmc Dheeraj Pasham จากเอ็มไอที ผู้นำทีมวิจัยทีมที่สองกล่าวว่า ทุกอย่างก็ดูค่อนข้างปกติในช่วงสามวันแรก จากนั้นเมื่อเราตรวจสอบมันด้วยกล้องรังสีเอกซ์ สิ่งที่ได้พบก็คือแหล่งแสงนี้สว่างเกินไป เหตุการณ์พิเศษนี้ทรงพลังกว่าแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากการปะทุรังสีแกมมาที่ทรงพลังที่สุดถึง 100 เท่า มันจึงเป็นอะไรที่พิเศษมากๆ

      การวิเคราะห์ได้เผยที่มาของแสงที่สว่างมากนั้นก็คือไอพ่นสัมพัทธภาพ เมื่อหลุมดำได้รับอาหาร บางครั้งอาหารทั้งหมดที่หมุนวนไปรอบๆ ก็จะพ้นขอบฟ้าสังเกตการณ์เข้าไป เส้นแรงสนามแม่เหล็กเลยจากขอบฟ้าสังเกตการณ์ออกมาเล็กน้อยจะทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งความเร็วให้กับอนุภาค วัสดุสารบางส่วนที่อยู่ใกล้หลุมดำถูกเหวี่ยงไปตามเส้นแรงเหล่านี้ จนมันถูกยิงออกจากขั้วหลุมดำด้วยความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง

      ในกรณีของ AT2022cmc หนึ่งในไอพ่นเหล่านั้นชี้มาที่โลกและเดินทางด้วยความเร็วถึง 99.99% ความเร็วแสง เมื่อวัสดุสารเคลื่อนมาหาเราด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง มันจะดูสว่างกว่าที่เป็น เนื่องจากการเคลื่อนที่สร้างการเปลี่ยนแปลงความถี่ของแสงช่วงความยาวคลื่น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า relativistic beaming หรือ Doppler boosting เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่เพิ่มเสียงจากไซเรนที่วิ่งเข้ามาให้ดังขึ้น

TDE emission

      AT2022cmc เป็น TDE ที่ถูกเร่งจากดอปเปลอร์เพียงเหตุการณ์ที่สี่ที่พบมาและยังเป็นเหตุการณ์ลักษณะนี้เหตุการณ์แรกที่พบตั้งแต่ปี 2011 นักวิทยาศาสตร์คาดว่าเราจะสามารถเรียนรู้ได้มากจากแสงนี้ที่เดินทางมาครึ่งเอกภพ ยกตัวอย่างเช่น ยังคงไม่ทราบเหตุผลว่าทำไม TDE บางเหตุการณ์จึงมีไอพ่นและบางเหตุการณ์กลับไม่มี การหมุนรอบตัวที่เร็วมากของหลุมดำอาจเป็นกุญแจในการสร้างไอพ่น ซึ่งเป็นแนวคิดที่น่าจะนำนักวิจัยเข้าใจการเข้าใจฟิสิกส์ของหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสงได้

      ยังคงไม่ชัดเจนว่าหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวและเจริญอย่างไร อัตราการกลืนมวลสารที่สูงอย่างที่ปรากฏกับหลุมดำในเหตุการณ์ AT2022cmc อาจจะช่วยไขปริศนานี้ เหตุการณ์นี้ยังเป็น TDE ที่มีไอพ่นเหตุการณ์แรกที่สำรวจพบในช่วงตาเห็นจาก ZTF ด้วย ข้อมูลจำนวนมากที่รวบรวมได้น่าจะช่วยนักดาราศาสตร์ให้จำแนกเหตุการณ์คล้ายๆ กันได้มากขึ้นในอนาคต

      ดาราศาสตร์เปลี่ยนไปเร็วมาก Andreoni กล่าว มีการสำรวจทั่วท้องฟ้า(all-sky survey) ในช่วงตาเห็นและอินฟราเรดมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ AT2022cmc เป็นแบบจำลองสิ่งที่จะมองหาและค้นหาการรบกวนจากหลุมดำไกลโพ้นให้ได้มากขึ้น นี่หมายความว่าจะต้องมีเครื่องมือขุดค้นข้อมูลขนาดใหญ่เพื่อพัฒนาความรู้ของเราเกี่ยวกับเอกภพ

แหล่งข่าว sciencealert.com : astronomers see a star’s final scream into a black hole halfway across the universe
               iflscience.com : super rare black hole event sees incredibly bright jet shooting right at Earth  
               sciencedaily.com : rare sighting of luminous jet spewed by supermassive black hole      

ฮาโลทางช้างเผือกรูปลูกรักบี้

 

     ถ้าก้าวออกไปนอกทางช้างเผือกได้ คุณอาจจะสังเกตเห็นดิสก์ดาวสว่างที่เราเรียกว่าบ้านนั้น มีรูปร่างบิดงอประหลาด ขณะนี้ ดูเหมือนกาแลคซีของเราส่วนที่เหลือก็ยังเบี้ยวไปเล็กน้อยด้วย

      แผนที่ดาวฉบับใหม่จากเหนือและใต้ระนาบกาแลคซีได้แสดงว่า ฮาโลกาแลคซี(galactic halo) ซึ่งเป็นทรงกลมก๊าซ, สสารมืด และดาวที่ล้อมรอบกาแลคซีกังหัน ก็มีความประหลาดนี้ แทนที่จะเป็นทรงกลมที่กลมสมบูรณ์ แต่ฮาโลทางช้างเผือกกลับมีลักษณะรีและเบี้ยว โดยแกนทั้งสามมีความยาวที่แตกต่างกันทั้งหมด

      เป็นเวลาหลายทศวรรษที่ข้อสันนิษฐานทั่วไปมีอยู่ว่า ฮาโลดาวนั้นมีลักษณะกลมและเหมือนกันในทุกทิศทาง(isotropic) Charlie Conroy นักดาราศาสตร์จากศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ กล่าว ขณะนี้เราทราบว่าภาพกาแลคซีของเราที่ฝังตัวในทรงกลมดาวขนาดใหญ่ที่เห็นบ่อยๆ ในหนังสือมันผิด

     การตรวจสอบรูปร่างของทางช้างเผือกเป็นเรื่องที่ยากที่จะทำ ลองจินตนาการว่าพยายามจะบอกรูปร่างของทะเลสาบขนาดใหญ่ในขณะที่คุณลอยตุ๊ปป่องอยู่ในกลางทะเลสาบ เพิ่งจะไม่กี่ปีนี้เองจากการส่งดาวเทียมไกอา(Gaia) ขององค์กรอวกาศยุโรปในปี 2013 ที่เรามีความเข้าใจรูปร่างทางช้างเผือกในแบบสามมิติ

     ไกอาอยู่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ร่วมไปกับโลก การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของดาวเทียมในระบบสุริยะช่วยให้มันได้ตรวจสอบค่าพารัลแลกซ์(parallax) ของวัตถุในทางช้างเผือก ซึ่งการตรวจสอบค่าดังกล่าวที่เที่ยงตรงที่สุดเท่าที่เคยทำมาก็เพื่อคำนวณตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของดาวที่ห่างไกลออกไปนับพันดวง ต้องขอบคุณข้อมูลนี้ ขณะนี้เราทราบว่าดิสก์ทางช้างเผือกนั้นบิดตัว

anatomy of the Milky Way

      เรายังทราบว่าทางช้างเผือกนั้นเกิดกิจกรรมการกลืนกินกาแลคซีขนาดเล็กกว่าอยู่บ่อยครั้ง หนึ่งในนั้นดูจะเป็นการชนกับกาแลคซีแห่งหนึ่งที่เราเรียกว่า ไกอาเอนเซลาดัสซอสเซจ(Gaia Enceladus Sausage; GSE) เมื่อราว 7 ถึง 10 พันล้านปีก่อน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าการชนนี้สร้างฮาโลดาวของทางช้างเผือกขึ้นมา เมื่อ GSE ถูกกลืนออกเป็นชิ้นเมื่อเข้าใกล้ทางช้างเผือก ประชากรดาวของมันก็กระจัดกระจายไปทั่วฮาโลทางช้างเผือก

      ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Jiwon “Jesse” Han จาก CfA ได้เริ่มต้นศึกษาเพื่อให้เข้าใจฮาโลทางช้างเผือกให้ดีขึ้น และทราบถึงบทบาทของ GSE ที่มีต่อฮาโล ฮาโลดาวเป็นตัวใช้ตามรอยฮาโลกาแลคซีได้ดี Han กล่าว เพื่อที่จะเรียนรู้ให้ได้มากขึ้นเกี่ยวกับฮาโลกาแลคซีโดยรวม และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฮาโลทางช้างเผือกและความเป็นมาของมัน ฮาโลดาวจึงเป็นจุดเริ่มต้นที่ดีเยี่ยม

     โชคร้ายที่ ข้อมูลปริมาณสารเคมีบนดาวในฮาโลจากปฏิบัติการไกอา เมื่อเลยระยะทางค่าหนึ่งออกไปจะเชื่อถือไม่ได้ ประชากรดาวสามารถเชื่อมโยงกันได้ด้วยปริมาณสารเคมี ทำให้เป็นข้อมูลที่สำคัญที่ใช้ในการทำแผนที่ความสัมพันธ์ระหว่างดาวในฮาโลเอง ดังนั้น นักวิจัยจึงเพิ่มข้อมูลจากการสำรวจงานหนึ่งที่เรียกว่า H3(Hectochelle in the Halo at High Resolution) ซึ่งเป็นการสำรวจที่รวบรวมคุณลักษณะต่างๆ รวมถึงปริมาณสารเคมีของดาวนับพันในฮาโลดาวทางช้างเผือกไว้ด้วย

     ด้วยข้อมูลนี้ นักวิจัยจึงทราบความหนาแน่นของประชากรดาวในฮาโลทางช้างเผือก พวกเขาพบว่าแบบจำลองที่สอดคล้องกับข้อมูลประชากรดาวในฮาโลทางช้างเผือกมากที่สุดก็คือ ฮาโลรูปลูกรักบี้หรืออเมริกันฟุตบอล(ซึ่งในทางเทคนิคเรียกว่า triaxial ellipsoid) โดยเอียง 25 องศาเมื่อเทียบกับระนาบกาแลคซี

รูปร่างฮาโลดาวของทางช้างเผือก เป็นเหมือนรูปลูกรักบี้ที่ถูกเตะออกมา(Triaxial Ellipsoid)  

     ข้อสรุปนี้สอดคล้องกับการศึกษาก่อนหน้านี้ซึ่งพบว่าดาวในฮาโลทางช้างเผือกปรากฏในแกนทั้งสามระนาบของทรงรี และยังสอดคล้องกับทฤษฎีที่ว่า GSE มีบทบาทในการสร้างฮาโลทางช้างเผือกด้วย รูปร่างฮาโลที่เบี้ยวเอียงไปบอกว่ากาแลคซีทั้งสองแห่งชนกันด้วยมุมค่าหนึ่ง

      นักวิจัยยังพบการกระจุกดาวในสองระยะทางสำคัญจากใจกลางกาแลคซีด้วย การกระจุกเหล่านั้นก่อตัวขึ้นเมื่อ GSE โคจรสองรอบรอบทางช้างเผือก ในระหว่างวงโคจรเหล่านั้น กาแลคซีน่าจะมีความเร็วลดลงในตำแหน่งที่เรียกว่า apocenters(ตำแหน่งระยะทางที่ห่างไกลที่สุดในวงโคจรกาแลคซีแคระรอบทางช้างเผือก) จนถึงจุดที่หยุดนิ่งและทิ้งดาวไว้จำนวนมาก และทำให้จุดดังกล่าวกลายเป็นบ้านใหม่ของพวกมัน

      อย่างไรก็ตาม นั้นก็เมื่อนานมากมาแล้ว นานมากพอที่รูปร่างประหลาดน่าจะกลับคืนตัวสู่ทรงกลมได้ การเอียงที่รุนแรงจึงบอกว่าฮาโลสสารมืดที่ห่อหุ้มทางช้างเผือกอยู่ ก็น่าจะเอียงมากด้วยเช่นกัน Conroy กล่าวว่า ฮาโลสสารมืดที่เอียงเบี้ยวก็น่าจะช่วยงอกเงยความสามารถในการตรวจจับอนุภาคสสารมืดในห้องทดลองบนโลกได้มาก นี่เป็นเรื่องที่น่าสนใจสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่สำรวจหาสสารมืด ถ้าฮาโลสสารมืดเอียงเบี้ยวไปจริง ก็อาจจะมีพื้นที่ที่มีสสารปริศนานี้กระจุกอยู่มากกว่า การค้นหาพื้นที่เหล่านั้นน่าจะช่วยให้นักดาราศาสตร์มีโอกาสในการตรวจจับปฏิสัมพันธ์กับสสารมืด นี่น่าจะน่าสนใจเป็นอย่างยิ่งเมื่อโลกเคลื่อนผ่านพื้นที่เหล่านี้ในอนาคต งานวิจัยนี้เผยแพร่ใน Astronomical Journal

 

แหล่งข่าว sciencealert.com - the Milky Way’s halo of stars isn’t the neat sphere astronomers expected to be
                 phys.org – the tilt in our stars: the shape of the Milky Way’s halo of stars is realized

กล้องเวบบ์สำรวจดวงจันทร์ไททัน

 

ภาพดาวเสาร์และดวงจันทร์ไททันจากยานคาสสินี

      ภาพดวงจันทร์ขนาดใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์-ไททัน ในระยะประชิดล่าสุดที่ได้ก็มาจากปฏิบัติการคาสสินีย้อนกลับไปในเดือนเมษายน 2017 แต่ก่อนและหลังจากการบินผ่านระยะใกล้ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งแม้จะมีเทคโนโลจีระบบปรับกระจกที่ก้าวหน้า นักดาราศาสตร์ก็ยังคงได้แง่มุมเกี่ยวกับดวงจันทร์ที่ปกคลุมด้วยหมอกหนาทึบดวงนี้เพียงเล็กน้อย ขณะนี้ด้วยความร่วมมือจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์และหอสังเกตการณ์เคกในฮาวาย ได้มองทะลุผ่านชั้นหมอกทึบและตามรอยการเคลื่อนที่ของเมฆบนไททันได้

     เช้าของวันที่ 5 พฤศจิกายน ทีมนักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นานาชาติตื่นขึ้นมาด้วยความดีใจสุดขีด เมื่อได้เห็นภาพ
ไททัน(Titan) ภาพแรกจากกล้องเวบบ์ Conor Nixon ผู้นำทีมสำรวจใช้เวบบ์เพื่อศึกษาชั้นบรรยากาศและภูมิอากาศของไททัน ได้เผยถึงความรู้สึกแรกเมื่อได้เห็นข้อมูล

      ไททันเป็นดวงจันทร์เพียงหนึ่งเดียวในระบบสุริยะที่มีชั้นบรรยากาศหนาทึบ และยังเป็นวัตถุฟากฟ้าอีกเพียงดวงเดียวนอกเหนือจากโลก ที่ยังมีแม่น้ำ, ทะเลสาบ และทะเลอยู่ และด้วยอุณหภูมิเย็นเยือกที่ -179 องศาเซลเซียส น้ำใดๆ ที่มีก็จะเป็นน้ำแข็งที่แข็งเหมือนหิน อย่างไรก็ตาม ไททันไม่เหมือนกับโลกเมื่อของเหลวบนพื้นผิวไททันไม่ใช่น้ำแต่ประกอบด้วยไฮโดรคาร์บอนซึ่งรวมถึงมีเธนและอีเธน ชั้นบรรยากาศของมันยังเต็มไปด้วยหมอกหนาที่ปิดบังแสงช่วงตาเห็นที่สะท้อนออกจากพื้นผิว

      เราต้องรอมาหลายปีเพี่อที่จะใช้สายตาในช่วงอินฟราเรดของเวบบ์เพื่อศึกษาชั้นบรรยากาศไททัน ซึ่งรวมถึงรูปแบบอากาศอันน่าทึ่งและองค์ประกอบก๊าซของมันด้วย และยังได้เห็นผ่านชั้นหมอกเพื่อศึกษารายละเอียดการสะท้อนแสง(albedo จากปื้นที่สว่างและมืด) บนพื้นผิว ชั้นบรรยากาศไททันนั้นน่าสนใจอย่างไม่น่าเชื่อ ไม่เพียงแต่เพราะเมฆและพายุมีเธน แต่ยังเพราะมันสามารถบอกถึงอดีตและอนาคตของไททันได้ รวมทั้งว่ามันมีชั้นบรรยากาศมาตลอดหรือไม่ เราจึงดีใจอย่างยิ่งที่ได้เห็นผลสรุปเบื้องต้นนี้

ภาพดวงจันทร์ไททัน โดยอุปกรณ์ NIRCam ของกล้องเวบบ์เมื่อวันที่ 4 พฤศจิกายน ซ้าย: ภาพจากฟิลเตอร์
 2.12 ไมครอนที่ไวต่อชั้นบรรยากาศส่วนล่างของไททัน จุดสว่างเป็นเมฆในซีกโลกเหนือ ขวา: ภาพรวมประกอบโดยใช้ฟิลเตอร์ NIRCam คือ สีฟ้า-F140M สีเขียว-F150W แดง-F200W ความสว่าง F210M ระบุรายละเอียดโดดเด่นบนพื้นผิวคือ คิดกันว่า Kraken Mare เป็นทะเลสาบมีเธน Belet เป็นสันทรายสีมืด Adiri เป็นพื้นที่ที่สะท้อนแสงมาก(albedo สูง)

     สมาชิกทีม Sebastien Rodriguez จากมหาวิทยาลัยปารีส ซิเต้ เป็นคนแรกที่ได้เห็นภาพใหม่เหล่านี้ และเตือนคนที่เหลือผ่านอิเมล์ สิ่งที่ปลุกขึ้นมาตอนเช้า(ตามเวลาปารีส) ก็คือสัญญาณเตือนมากมายในบอกซ์ข้อความ ผมเลยดิ่งไปที่คอมพิวเตอร์และเริ่มดาวน์โหลดข้อมูล ตอนที่เห็น มันก็วิเศษจนผมคิดว่า เรากำลังได้เห็นเมฆก้อนหนึ่ง

      Heidi Hammel จาก AURA(Association of Universities for Research in Astronomy) ก็มีปฏิกิริยาคล้ายๆ กัน มันน่าทึ่งมาก ที่ได้เห็นเมฆและร่องรอยพื้นที่สว่างและมืดที่ปรากฏบนพื้นผิวไททัน ฉันเฝ้ารอจะเห็นได้สเปคตรัม ดีใจจริงๆ

     หลังจากเริ่มต้นวันด้วยกิจกรรมที่ตาแทบถลนนี้ การเปรียบเทียบภาพต่างๆ ที่ได้จากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์ ก็ได้ยืนยันในไม่ช้าว่า จุดสว่างแห่งหนึ่งที่พบบนซีกโลกเหนือของไททัน แท้ที่จริงแล้วเป็นเมฆก้อนใหญ่จริงๆ หลังจากนั้นไม่นาน ก็สังเกตเห็นเมฆก้อนที่สอง การตรวจพบเมฆนั้นน่าตื่นเต้นเพราะมันย้ำถึงการทำนายที่มีมานานก่อนหน้านี้จากแบบจำลองคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับภูมิอากาศบนไททันว่า น่าจะมีเมฆก่อตัวขึ้นอย่างสม่ำเสมอในซีกเหนือกลาง ในช่วงปลายฤดูร้อน เมื่อพื้นผิวได้รับความอบอุ่นจากดวงอาทิตย์

     จากนั้น ทีมก็ตระหนักว่าเป็นสิ่งจำเป็นที่ต้องทราบว่าเมฆเหล่านั้นกำลังเคลื่อนที่หรือเปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือไม่ ซึ่งอาจเผยให้เห็นข้อมูลเกี่ยวกับการไหลเวียนของอากาศในชั้นบรรยากาศไททัน ทีมจึงขอเวลาการสำรวจติดตามผลโดยใช้หอสังเกตการณ์เคกในฮาวายในคืนนั้นเลย Conor Nixon ผู้นำทีมสำรวจไททันด้วยกล้องเวบบ์ จากศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ด เขียนอิเมล์ถึง Imke de Pater จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และ Katherine de Kleer ที่คาลเทค ซึ่งมีประสบการณ์การใช้เคก บอกว่า เราเพิ่งได้ภาพไททันจากเวบบ์ เพิ่งถ่ายเมื่อคืน น่าตื่นเต้นมากๆ ดูเหมือนจะมีเมฆก้อนใหญ่ ซึ่งเชื่อว่าลอยอยู่เหนือพื้นที่ใกล้ขั้วเหนือดวงจันทร์ใกล้กับทะเลสาบคราเคน(Kraken Mare) เราเลยสงสัยว่าจะสำรวจติดตามผลด้วยเคก เผื่อได้เห็นวิวัฒนาการเมฆหรือได้รึเปล่า

ภาพดวงจันทร์ไททันในช่วงอินฟราเรดใกล้ทั้งสามภาพ ซ้ายจากกล้องเวบบ์ถ่ายในวันที่ 4 พฤศจิกายน ตามมาด้วย NIRC2 จับคู่กับระบบปรับกระจกของกล้องเคก วันที่ 6 พฤศจิกายน(กลาง) และ 7 พฤศจิกายน(ขวา)

      หลังจากเจรจากับเจ้าหน้าที่เคกและนักวิทยาศาสตร์ที่เตรียมตัวจะใช้กล้องเพื่อสำรวจตามตารางในคืนดังกล่าว ก็เริ่มการสำรวจ เป้าหมายเพื่อตรวจสอบไททันตั้งแต่ชั้นสตราโตสเฟียร์ลงไปจนถึงพื้นผิว เพื่อพยายามหาเมฆที่เห็นในเวบบ์ การสำรวจก็ประสบความสำเร็จ de Pater ให้ความเห็นว่า เราคิดว่าเมฆน่าจะไปแล้วหลังจากที่เราใช้เคกตรวจสอบไททันในอีกสองวันต่อมา แต่เราก็ต้องดีใจมากที่ได้เห็นเมฆจำนวนมากในตำแหน่งเดิม เหมือนพวกมันแค่เปลี่ยนรูปร่างไปเท่านั้น

     หลังจากทีมได้ข้อมูลจากกล้องเคก ก็หันไปหาผู้เชี่ยวชาญแบบจำลองชั้นบรรยากาศเพื่อช่วยแปรผล หนึ่งในผู้เชี่ยวชาญเหล่านั้น Juan Lora ที่มหาวิทยาลัยเยล บอกว่า ตื่นเต้นจริงๆ ผมดีใจที่เรากำลังได้เห็นสิ่งนี้เพราะเราได้ทำนายว่าจะมีกิจกรรมเมฆมากในฤดูนี้ เรายังไม่แน่ใจว่าเมฆในวันที่ 4 และ วันที่ 6 พฤศจิกายน เป็นเมฆกลุ่มเดียวกัน แต่ก็ยืนยันรูปแบบสภาพอากาศตามฤดูกาลได้แล้ว

     ทีมยังรวบรวมสเปคตรัมจากสเปคโตรกราฟอินฟราเรดใกล้(NIRSpec) ของเวบบ์ ซึ่งช่วยให้เข้าถึงความยาวคลื่นมากมายที่ถูกชั้นบรรยากาศโลกปิดกั้นไว้เมื่อสำรวจจากกล้องภาคพื้นดิน ข้อมูลนี้ซึ่งกำลังวิเคราะห์จะช่วยให้ทีมได้ตรวจสอบองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศส่วนล่างและพื้นผิวไททันในแบบที่แม้แต่ยานคาสสินีก็ทำไม่ได้ และเพื่อเรียนรู้ให้มากขึ้นว่าอะไรเป็นสาเหตุให้เกิดรายละเอียดที่ปรากฏเป็นเวลาสั้นๆ ที่เห็นที่ขั้วใต้

วิวัฒนาการเมฆบนไททันในช่วง 30 ชั่วโมงระหว่างวันที่ 4 และ 6 พฤศจิกายน ตามที่เห็นโดย NIRCam ของเวบบ์(ซ้าย) และ NIRC-2 ของเคก(ขวา) ซีกโลกนำของไททันกำลังหมุนรอบตัวตามซ้าย(อรุณรุ่ง) และขวา(กลางคืน) เมื่อมองจากโลก Cloud A ดูจะหมุนเข้ามาให้เห็นในขณะที่ Cloud B ดูจะกระจายตัวหรือเคลื่อนเลยขอบดวงจันทร์ไป  

      ทีมคาดหวังว่าข้อมูลจากไททันที่จะได้มากขึ้นจาก NIRCam และ NIRSpec เช่นเดียวกับข้อมูลแรกจากเครื่องมืออินฟราเรดกลาง(MIRI) ของเวบบ์ในเดือนพฤษภาคมหรือมิถุนายน 2023 จะเผยให้เห็นรายละเอียดสเปคตรัมของไททันได้มากขึ้น ซึ่งรวมถึงช่วงความยาวคลื่นบางส่วนที่ไม่เคยสำรวจมาก่อน นี่จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับโมเลกุลเชิงซ้อนในชั้นบรรยากาศไททัน เช่นเดียวกับเงื่อนงำสำคัญเพื่อระบุว่าเพราะเหตุใด ไททันจึงเป็นดวงจันทร์เพียงดวงเดียวในระบบสุริยะที่มีชั้นบรรยากาศหนาทึบ

      ในปี 2027 นาซาจะส่งปฏิบัติการใหม่ไปยังไททัน ซึ่งมีชื่อว่า ดรากอนฟายล์ จะเป็นแลนเดอร์หลายใบพัดที่สามารถประเมินว่าดวงจันทร์ที่มีสารเคมีที่พิสดารนี้ จะเอื้ออาศัยต่อชีวิตในบางรูปแบบได้หรือไม่ คาดว่าดรากอนฟายล์จะไปถึงไททันในปี 2032

แหล่งข่าว webbtelescope.org : Webb, Keck telescopes team up to track clouds on Saturn’s moon Titan
                 iflscience.com : JWST spots clouds and even a sea on Saturn’s moon Titan  
                space.com : James Webb Space Telescope view of Saturn’s weidest moon Titan thrills scientists