ซุปเปอร์โนวาซวิคกี้

 

SN Zwicky

     นักดาราศาสตร์ได้พบซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นไกลออกไปมากๆ เหตุการณ์หนึ่ง ซึ่งสว่างกว่าที่ควรจะเป็น จากระยะทางที่ไกลมากๆ ของมัน และมันไม่ได้ปรากฏให้เห็นเพียงครั้งเดียว นักวิจัยได้เห็นมันถึง 4 ครั้ง

     แต่เหตุการณ์เหล่านี้ก็ยังไม่ขัดต่อกฎทางฟิสิกส์ นั้นเป็นเพราะ แสงจากเหตุการณ์นี้ผ่านเข้าใกล้ใจกลางกาแลคซีมวลสูงแห่งหนึ่ง กาแลคซีได้บิดแสงจากซุปเปอร์โนวา และขยายแสงและทำภาพซ้ำ(multiple images) ออกมา เป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ซึ่งถูกทำนายไว้โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์นี้เรียกว่า SN Zwicky ตามชื่อ Zwicky Transient Facility(ZTF) บนหอสังเกตการณ์พาโลมาร์

     ด้วย ZTF เราจึงมีความสามารถอันเป็นอัตลักษณ์ที่จะค้นหาและจำแนกซุปเปอร์โนวาในช่วงเวลาเกือบตามเวลาจริง เราสังเกตเห็นว่า SN Zwicky สว่างขึ้นกว่าที่ควรจะเป็น จากระยะทางของมัน และก็ตระหนักในไม่ช้าว่าเรากำลังได้เห็นผ่านเลนส์ความโน้มถ่วงแบบแรง Ariel Goobar ผู้เขียนหลัก ผู้อำนวยการศูนย์ออร์การ์ไคลน์ ที่มหาวิทยาลัยสต๊อกโฮล์ม ในสวีเดน กล่าวในแถลงการณ์

ภาพจากศิลปินแสดงระบบดาวคู่ที่ประกอบด้วยดาวแคระขาวที่กำลังดึงมวลสารออกจากดาวข้างเคียง จนทำให้มีมวลสะสมที่ดาวแคระขาวเกินค่าจำกัดค่าหนึ่ง ดาวแคระขาวเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบกู่ไม่กลับลุกลามไปทั่วพื้นผิว ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ 

     ZTF ได้สำรวจพบซุปเปอร์โนวาที่ยืนยันแล้ว 7811 เหตุการณ์ ทั้งหมดมีความสำคัญอย่างมากต่อความเข้าใจว่าดาวฤกษ์ตายอย่างไร และยังบอกถึงคุณสมบัติของเอกภพ แต่ SN Zwicky ก็มีความพิเศษยิ่งกว่า มันเป็นหนึ่งในซุปเปอร์โนวาเพียงไม่กี่เหตุการณ์ที่ถูกพบผ่านเลนส์ความโน้มถ่วง นี่หมายความว่า มันอยู่ห่างไกลมากกว่าซุปเปอร์โนวาเกือบทั้งหมดที่เราได้สำรวจ เมื่อแสงของมันเดินทางเกือบ 4 พันล้านปี และยังเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดพิเศษที่เรียกว่า ชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) ด้วย

      ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ มักจะมีกำลังสว่าง(luminosity) ในช่วงพีคที่เท่าๆ กัน นี่ทำให้พวกมันเป็นเทียนมาตรฐานในอุดมคติ เมื่อทราบกำลังสว่างที่ควรจะเป็นและ ตรวจสอบว่ามันมีความสว่างที่ปรากฏให้เห็นมากแค่ไหน ก็ช่วยให้คุณสามารถคำนวณระยะทางได้ การตรวจสอบระยะทางเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งในการเข้าใจธรรมชาติของพลังงานมืด(dark energy) ซึ่งเป็นพลังงานไม่ทราบรูปแบบและเป็นเพียงทฤษฎี ซึ่งเชื่อว่าเป็นตัวการทำให้เอกภพขยายตัวด้วยความเร่ง

     แสงจาก SN Zwicky ใช้เวลาเดินทาง 4 พันล้านปี ผ่านเข้าใกล้กาแลคซีแห่งหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไป 2.5 พันล้านปีแสงและเกิดปรากฏการณ์เลนส์ฯ จนมาถึงโลกในวันที่ 21 สิงหาคม 2022 และถูกพบโย Christoffer Freming จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย มันมีชื่ออย่างเป็นทางการว่า SN 2022qmx จากนั้นทีมของ Goobar ก็สำรวจติดตามผลด้วยกล้องโทรทรรศน์จำนวนมากซึ่งรวมถึง กล้องเคก, กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล, กล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) เป็นต้น

ภาพ SN Zwicky โดย Zwicky Transient Facility(ที่พื้นหลัง), กล้อง VLT(ซ้ายบน), กล้องเคก(ขวาบน) พลังในการเปิดเผยรายละเอียดของ NIRC2 ของเคก และระบบปรับกระจก-adaptive optics เผยให้เห็นซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงจนสร้างภาพขึ้นมา 4 ภาพ

     ที่น่าสนใจคือ ภาพทั้งสี่จากเหตุการณ์นี้ ซึ่งถูกบิดเลี้ยวด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงทั้งหมดไม่ได้มีความสว่างเท่ากัน ภาพสองภาพซึ่งระบุเป็น A และ C มีความสว่างมากกว่าที่คาดไว้ที่ 4 และ 2 เท่าตามลำดับ ทีมบอกว่านี่อาจเกิดจากเหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาค(microlensing) ภายในกาแลคซีที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์เอง ซึ่งจะขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาให้สว่างขึ้นไปอีก วัตถุที่ถูกขยายด้วยเลนส์ซ้ำซ้อนลักษณะนี้จะช่วยเราให้ตรวจสอบปริมาณและการกระจายของสสารในแกนกลางส่วนในของกาแลคซี นักดาราศาสตร์สงสัยว่าสภาวะในใจกลางกาแลคซีน่าจะช่วยให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์มวลสูงในสัดส่วนที่สูงกว่าปกติ และดาวมวลสูงเหล่านี้ก็น่าจะเป็นตัวการเลนส์แบบจุลภาค

     และเลนส์ความโน้มถ่วงก็เป็นหนทางหนึ่งที่ใช้ตรวจสอบว่ากาแลคซีมีองค์ประกอบอย่างไร รวมถึงสสารมืด(dark matter) ซึ่งเป็นสสารปริศนาที่เชื่อว่ามีมวลมากกว่าสสารปกติที่เป็นองค์ประกอบของมนุษย์, ดาวเคราะห์ และดาวฤกษ์ ถึง 5 เท่า ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่เกิดเลนส์ความโน้มถ่วงอย่าง SN Zwicky จึงเป็นเครื่องมือที่ใช้ศึกษาเอกภพแห่งความดำมืดทั้งปวง

     ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่เกิดเลนส์ความโน้มถ่วงแบบแรง ช่วยให้เราได้ย้อนเวลาไปไกลขึ้นเนื่องจากพวกมันถูกขยายแสง การสำรวจซุปเปอร์โนวาเหล่านี้ให้ได้มากขึ้นจะช่วยให้เรามีโอกาสอันหาได้ยากในการสำรวจธรรมชาติของพลังงานมืด Joel Johansson นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยสต๊อคโฮล์ม และผู้เขียนร่วมการศึกษานี้ กล่าว

แสงจากแหล่งแสงที่พื้นหลัง เดินทางผ่านสนามแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีที่พื้นหน้า ต้องใช้เส้นทางที่คดเคี้ยวต่างกัน จึงทำให้ภาพแต่ละภาพมาถึงโลก ในเวลาที่ต่างกัน  

      ในซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์บางกรณี ก็เป็นไปได้ที่จะใช้ความล่าช้าในการปรากฏภาพแต่ละภาพ เพื่อคำนวณค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) ซึ่งเป็นค่าที่บอกถึงอัตราการขยายตัวของเอกภพ เมื่อเร็วๆ นี้ ซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์อีกเหตุการณ์หนึ่งที่พบในปี 2014 ซึ่งเรียกว่า ซุปเปอร์โนวาเรฟสดัล(SN Refsdal) ก็แสดงพหุภาพ 4 ภาพแต่ภาพที่ 5 ก็ปรากฏในอีกหนึ่งปีถัดมา เมื่อใช้เส้นทางที่ยาวกว่าในการเดินทางผ่านห้วงอวกาศที่บิดเบี้ยว

     ด้วยการตรวจสอบว่าเอกภพที่กำลังขยายตัวทำให้แสงจากซุปเปอร์โนวาแต่ละภาพล่าช้าไปมากน้อยแค่ไหน นักดาราศาสตร์ก็คำนวณค่าคงที่ฮับเบิลได้ที่ 64.8 ถึง 66.6 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซค ค่าดังกล่าวจึงสร้างความขัดแย้งให้กับสิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension) เมื่อวิธีการต่างๆ ที่ใช้ตรวจหาค่าคงที่ฮับเบิลได้ให้ค่าที่แตกต่างกันจนสังเกตเห็นได้

     แต่สำหรับ SN Zwicky ซึ่งภาพทั้งสี่เกิดความล่าช้าเพียงไม่กี่วันเท่านั้น จึงสั้นเกินกว่าจะใช้เพื่อตรวจหาค่าคงที่ฮับเบิลได้ แต่สิ่งที่น่าสนใจอีกอย่างในเหตุการณ์นี้ก็คือ กาแลคซีที่เป็นเลนส์ซึ่งค่อนข้างสลัวและไม่ได้มีมวลสูงนัก ซึ่งน่าจะถูกมองข้ามไปโดยสิ้นเชิงถ้าไม่เกิดซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์จนสว่างมากอย่างนี้ การมีอยู่ของมันบอกว่ามันอาจจะเป็นตัวแทนประชากรกาแลคซียุคใหม่ที่สลัว ซึ่งอยู่ห่างออกไปไม่กี่พันล้านปีแสง ที่โครงการสำรวจท้องฟ้าไม่เคยได้พบ

ภาพอธิบายแสดงขั้นตอนพื้นฐาน 3 ขั้น ที่นกัดาราศาสตร์ใช้เพื่อคำนวณว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน เป็นค่าที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล ขั้นตอนทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งที่เรียกว่า บันไดระยะทางในอวกาศ โดยการเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีใกล้เคียงอย่างเที่ยงตรง จากนั้นก็ขยับไปสู่กาแลคซีที่ไกลออกไปเรื่อยๆ บันไดนี้เป็นการตรวจสอบวัตถุทางดาราศาสตร์ชนิดต่างๆ ที่ทราบความสว่างที่แท้จริงชุดหนึ่ง ซึ่งใช้เพื่อคำนวณระยะทางได้

      องค์ประกอบที่หายไปที่ต้องใช้เพื่อจำลองประวัติการขยายตัวของเอกภพคืออะไร สสารมืดที่เป็นมวลส่วนใหญ่ในกาแลคซีคืออะไร เมื่อเราได้พบ SN Zwicky ได้มากขึ้นด้วย ZTF และหอสังเกตการณ์รูบิน(Vera C. Rubin observatory) ในชิลีซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์เพื่อการสำรวจขนาด 8.4 เมตร เราก็จะมีเครื่องมืออีกชิ้นในการกระเทาะปริศนาเอกภพและค้นหาคำตอบได้ Goobar กล่าวเสริม การศึกษานี้เผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy วันที่ 12 มิถุนายน

แหล่งข่าว iflscience.com : extremely warped supernova, just spotted, will help us understand the dark universe
               space.com : “cosmic magnifying glass” reveals super-rare warped supernova with gravitational lens
                keckobservatory.org : rare gravitational lensing warps light of distant supernova into four images