กาแลคซีมวลสูงหกแห่งที่ไม่ควรพบในเอกภพยุคต้น

 

สามจากหกว่าที่กาแลคซีมวลสูงที่พบในช่วงอรุณรุ่งของเอกภพ

     มีการค้นพบกาแลคซีขนาดใหญ่ในเอกภพยุคต้นสร้างปัญหาให้กับความเข้าใจก่อนหน้านี้ของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกำเนิดของกาแลคซีในเอกภพ

      วัตถุเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าที่ใครๆ เคยคาดไว้ Joel Leja ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่เพนน์สเตท ซึ่งจำลองแสงจากกาแลคซีเหล่านี้ กล่าว เราคาดว่าจะพบเพียงกาแลคซีทารกอายุน้อยขนาดจิ๋วในช่วงเวลาดังกล่าวในเอกภพ แต่เรากลับได้พบกาแลคซีที่โตเต็มวัยพอๆ กับทางช้างเผือกของเราในช่วงที่เราเคยคิดว่ามันเป็นอรุณรุ่งแห่งเอกภพ

     ด้วยการใช้ชุดข้อมูลชุดแรกที่เผยแพร่จากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ จากโครงการสำรวจ CEERS(Cosmic Evolution Early Release Science program) ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้พบวัตถุที่โตเต็มวัยพอๆ กับทางช้างเผือก เมื่อเอกภพมีอายุเพียง 3% ของอายุปัจจุบัน คือที่ราว 500 ถึง 700 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง กล้องนี้ติดตั้งด้วยเครื่องมือที่ตรวจสอบในช่วงอินฟราเรดที่สามารถตรวจจับแสงที่เปล่งจากดาวฤกษ์และกาแลคซีที่เก่าแก่ที่สุดได้ ซึ่งเวบบ์ก็ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้มองย้อนเวลากลับไปราว 13.5 พันล้านปี ใกล้เคียงช่วงเริ่มต้นเอกภพที่เรารู้จักนี้ Leja อธิบาย

      นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้มองย้อนเวลาไปไกลขนาดนั้น ดังนั้นจึงมีความสำคัญที่ต้องเปิดใจให้กว้างเกี่ยวกับสิ่งที่เรากำลังได้เห็น Leja กล่าว ในขณะที่ข้อมูลบ่งชี้ว่าพวกมันน่าจะเป็นกาแลคซี แต่ผมคิดว่าความเป็นไปได้จริงๆ ก็คือมีสองสามแห่งในกลุ่มนี้ที่อาจจะกลายเป็นหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ที่ถูกปิดบังไว้ แต่ไม่ว่าอย่างไร มวลที่เราพบก็หมายความว่ามวลในรูปดาวในช่วงเวลาเอกภพดังกล่าวนั้น สูงกว่าที่เคยคิดไว้ 100 เท่า แม้ว่าเราอาจจะตัดกาแลคซีจนเหลือไม่กี่แห่งก็ยังสร้างความสั่นสะเทือนได้

ว่าที่กาแลคซีมวลสูงทั้งหกแห่งที่จำแนกในข้อมูลจากกล้องเวบบ์พบเห็นในช่วงเวลา 500 ถึง 800 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง หนึ่งในว่าที่(ล่างซ้าย) อาจจะมีมวลในรูปดาวมากพอๆ กับทางช้างเผือกในปัจจุบัน แต่มีขนาดเล็กกว่า 30 เท่า
 

    ในรายงานที่เผยแพร่ใน Nature วันที่ 22 กุมภาพันธ์ นักวิจัยได้แสดงหลักฐานว่ากาแลคซี 6 แห่งนี้มีมวลสูงกว่าที่ใครๆ เคยคาดไว้ และสร้างคำถามให้กับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เคยคิดว่าเข้าใจวิวัฒนาการกาแลคซีในช่วงเริ่มแรกของเอกภพ ความจริงที่ว่า การก่อตัวกาแลคซีมวลสูงเริ่มต้นตั้งแต่ช่วงแรกๆ สุดของความเป็นมาของเอกภพ ได้ปลุกสิ่งที่เราหลายๆ คนเคยคิดว่าเป็นวิทยาศาสตร์ที่ได้ข้อสรุปแล้วให้คุกรุ่นอีก Leja กล่าว เราจึงเรียกวัตถุเหล่านี้อย่างไม่เป็นทางการว่า universe breakers

     Leja อธิบายว่ากาแลคซีที่ทีมได้พบนั้นมีมวลสูงมากจนขัดแย้งกับแบบจำลองเอกภพวิทยาเกือบทั้งหมดที่มีอยู่ ยิ่งกว่านั้น ว่าที่กาแลคซีแห่งหนึ่งมีมวลถึง 1 แสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์พอๆ กับมวลทางช้างเผือก ในขณะที่ทางช้างเผือกใช้เวลาเกือบตลอดความเป็นมาของเอกภพจนสั่งสมมวลได้ขนาดนี้ แต่กาแลคซีอายุน้อยเหล่านั้นกลับมีการเจริญในเวลาเพียง 700 ล้านปี จึงน่าจะเจริญเร็วกว่าทางช้างเผือกราว 20 เท่า Ivo Labbe ผู้เขียนคนแรกในรายงานนี้ จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลจีแห่งสวินเบิร์น ออสเตรเลีย กล่าว

      จากแบบจำลองเอกภพวิทยาของเรา เอกภพในช่วงแรกๆ สุดนั้นไม่เหมือนกับที่เป็นในปัจจุบันเลย เริ่มต้นด้วย ซุปอนุภาคร้อนจัดที่เกิดขึ้นจากบิ๊กแบง ได้เย็นตัวลงมากพอที่จะสร้างอะตอม ซึ่งทั่วห้วงอวกาศเป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด และจากก๊าซเหล่านี้เองที่ดาวฤกษ์และกาแลคซีแห่งแรกๆ ได้เริ่มก่อตัวขึ้น เมื่อราว 150 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง แต่ก็ยากที่จะพบหลักฐานการสำรวจจากช่วงเวลาดังกล่าวนั้น แต่กรอบเวลานี้ก็สมเหตุสมผลโดยมีหลักฐานอื่นมาสนับสนุน และจากนั้นในช่วงราว 500 ถึง 700 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง กาแลคซีก็น่าจะก่อตัวขึ้นมา

กล้องเวบบ์เจาะลึกกาลอวกาศคืบคลานเข้าใกล้บิ๊กแบงไปทีละนิด

       จากมวลกาแลคซีที่สูงมากและก่อตัวในเวลาอันสั้นมาก น่าจะส่งผลต่อแบบจำลองเอกภพวิทยา หรือต้องกลับไปปรับปรุงความเข้าใจเกี่ยวกับการก่อตัวกาแลคซีในเอกภพยุคต้นเสียใหม่ซึ่งบอกว่า กาแลคซีเริ่มต้นขึ้นจากเป็นเมฆของดาวและฝุ่นก้อนเล็ก ซึ่งค่อยๆ เจริญใหญ่โตขึ้นตามเวลา ไม่ว่าจะเป็นแบบใด ก็สร้างแรงสั่นสะเทือนต่อความเข้าใจว่าเอกภพเป็นมาอย่างไร เขากล่าวเสริม

      เรามองเข้าไปในเอกภพยุคต้นมากๆ เป็นครั้งแรกและไม่เคยคิดเลยว่าจะได้พบอะไร Leja กล่าว กลับเป็นว่าเราได้พบสิ่งที่คาดไม่ถึง จริงๆ แล้วคือมันได้สร้างปัญหาให้กับวงการวิทยาศาสตร์ ทำให้ภาพรวมการก่อตัวกาแลคซีในช่วงต้นมีปัญหาขึ้นมา

      ในวันที่ 12 กรกฎาคม 2022 นาซาได้เผยแพร่ภาพสีและข้อมูลสเปคตรัมชุดแรกจากกล้องเวบบ์ เวบบ์ถูกออกแบบมาให้มองเห็นการกำเนิดของเอกภพ ความละเอียดที่สูงช่วยให้เวบบ์ได้มองเห็นวัตถุที่เก่าแก่มากและอยู่ห่างไกลมาก หรือสลัวเกินไปสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล Leja กล่าวว่า เมื่อเราได้ข้อมูลมา ทุกๆ คนเพิ่งจะเริ่มสุมหัวและเจ้าตัวใหญ่พวกนี้ก็โผล่ขึ้นมาอย่างรวดเร็ว เราเริ่มทำแบบจำลองและพยายามที่จะบอกให้ได้ว่าพวกมันเป็นอะไร เพราะพวกมันมีขนาดใหญ่มากและสว่างมาก ความคิดแวบแรกของผมก็คือน่าจะผิดพลาดอะไรสักอย่าง และเราดันพบมันแต่เดี๋ยวมันก็ผ่านไป แต่เราก็ไม่พ้นความผิดพลาดนั้นแม้ว่าจะพยายามหาข้อผิดพลาดมากแค่ไหน

      สิ่งที่ตลกก็คือเรามีทุกๆ อย่างที่เราหวังว่าจะได้เรียนรู้จากกล้องเวบบ์ แต่นี่ไม่ได้ใกล้เคียงกับเป้าหมายสูงสุดเลย เราพบบางสิ่งที่เราไม่เคยคิดจะร้องขอจากเอกภพ และมันก็เกิดขึ้นเร็วกว่าที่เคยคิดไว้ Leja บอกว่าก่อนที่นักดาราศาสตร์จะเริ่มเขียนทฤษฎีเอกภพวิทยาขึ้นใหม่ พวกเขาก็ต้องแน่ใจก่อนว่าจุดสีแดงฝ้าๆ ที่มองเห็นไม่ได้เป็นอย่างอื่น หรืออาจมีคำอธิบายทางเลือกใหม่

ตำแหน่งของกาแลคซีทั้งหกในภาพจากกล้องเวบบ์

     ยกตัวอย่างเช่น ดาวในเอกภพยุคต้นอาจจะเปล่งแสงรุนแรงมาก อันเนื่องจากสภาพที่ขาดแคลนธาตุหนัก และบางทีเราอาจจะไม่ได้รวมผลจากการขาดธาตุหนักเข้าไปในแบบจำลอง หรืออีกทาง บางที ความเข้าใจของเราว่าดาวก่อตัวอย่างไร ใช้ได้แค่ในระดับท้องิ่น เช่น จะมีดาวมากแค่ไหนที่ก่อตัวจากก๊าซตามการกระจายมวลชองดาวนั้นอาจจะใช้ไม่ได้กับเอกภพยุคต้น

     Leja อธิบายว่าทางเดียวที่จะยืนยันการค้นพบของทีมก็น่าจะเป็นการเก็บสเปคตรัมของว่าที่กาแลคซีมวลสูงเหล่านี้ ซึ่งน่าจะให้ข้อมูลระยะทางที่แท้จริง และยังบอกถึงก๊าซและธาตุอื่นๆ ที่มีในกาแลคซีเหล่านั้น จากนั้นทีมจะใช้ข้อมูลเพื่อทำแบบจำลองว่ากาแลคซีน่าจะสภาพอย่างไร และจริงๆ แล้วพวกมันมีขนาดใหญ่แค่ไหน ได้ดีขึ้น สเปคตรัมจะบอกเราในทันทีว่าสิ่งเหล่านี้มีอยู่จริงหรือไม่ มันจะบอกเราว่าพวกนี้ใหญ่แค่ไหน, อยู่ไกลแค่ไหน การค้นพบนี้จึงอาจจะเป็นเพียงแค่จุดเริ่มต้นองการเปลี่ยนผ่านที่เราจะเข้าใจสรรพสิ่งรอบๆ ตัว Labbe กล่าว

แหล่งข่าว phys.org : discovery of massive early galaxies defies prior understanding of the universe
                phys.org : Webb spots surprisingly massive galaxies in early universe
                sciencealert.com : astronomers detect 6 massive galaxies so old they can’t be explained by science  
                space.com : the James Webb Space Telescope discovers enormous distant galaxies that should not exist