กล้องเวบบ์สำรวจตัวการที่รีไอออนไนซ์เอกภพ

 

ยุคต่างๆ ของเอกภพ

     ในเอกภพยุคต้น ก๊าซที่มีระหว่างดาวฤกษ์และกาแลคซียังคงทึบแสง แสงดาวที่ทรงพลังไม่อาจผ่านกลุ่มหมอกก๊าซเหล่านี้ได้ แต่อีกราว 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ก๊าซก็โปร่งแสงโดยสิ้นเชิง ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น ข้อมูลใหม่จากกล้องเวบบ์ของนาซาได้ระบุสาเหตุ นั้นเป็นเพราะ ดาวในกาแลคซีต่างๆ เปล่งแสงอุลตราไวโอเลตมากเพียงพอที่จะทำให้ก๊าซรอบๆ พวกมันร้อนขึ้นจนแตกตัวเป็นไอออน(ionized) ทำให้เอกภพสว่างไสวมานับแต่นั้น

     ผลสรุปนี้มาจากทีมวิจัยทีมหนึ่งที่นำโดย Simon Lilly จาก ETH Zürich ในสวิตเซอร์แลนด์ เป็นแง่มุมใหม่สุดเกี่ยวกับช่วงเวลาที่เรียกกันว่า ยุคแห่งการรีไอออนไนซ์(Era of Reionization) เมื่อเอกภพเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง หลังจากบิ๊กแบง ก๊าซในเอกภพนั้นร้อนและหนาทึบอย่างไม่น่าเชื่อ เมื่อเวลาผ่านไปหลายร้อยล้านปี ก๊าซก็เย็นตัวลง จากนั้นเอกภพก็ร้อนขึ้นอีกครั้ง ก๊าซจึงร้อนและแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้ง(reionized) ซึ่งน่าจะเกิดจากการก่อตัวของดาวรุ่นแรกๆ ในกาแลคซี และเมื่อเวลาผ่านไปหลายล้านปี ก๊าซก็จะโปร่งแสง

      นักวิจัยสืบเสาะหลักฐานที่แน่ชัดเพื่อธิบายการเปลี่ยนผ่านครั้งสำคัญนี้มานานแล้ว ผลสรุปใหม่กระชากม่านที่ปิดช่วงสิ้นสุดยุครีไอออนไนซ์ไป ไม่เพียงแต่เวบบ์ได้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าพื้นที่ที่โปร่งแสงเหล่านี้พบได้รอบๆ กาแลคซีทั้งหลาย แต่เรายังได้เห็นว่าพวกมันมีขนาดใหญ่แค่ไหน Daichi Kashino จากมหาวิทยาลัยนาโงยา ญี่ปุ่น ผู้เขียนนำรายงานฉบับแรกของทีม อธิบาย ด้วยข้อมูลของเวบบ์ เรากำลังได้เห็นกาแลคซีกำลังทำให้ก๊าซรอบๆ พวกมันแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้ง

ในยุคแห่งการรีไอออนไนซ์(Era of reionization) เมื่อกว่า 13 พันล้านปีก่อน เอกภพเป็นสถานที่ที่แตกต่างออกไปอย่างมาก ก๊าซระหว่างกาแลคซีนั้นทึบแสงเป็นส่วนใหญ่ทำให้ยากจะสำรวจ เมื่อดาวฤกษ์และกาแลคซีอายุน้อยก่อตัวและพัฒนาขึ้นเรื่อยๆ ก็จะเริ่มเปลี่ยนสถานะก๊าซรอบๆ มัน เมื่อเวลาผ่านไปหลายร้อยล้านปี ก๊าซจะถูกเปลี่ยนจากก๊าซที่เป็นกลางและทึบแสง เป็นสถานะแตกตัวเป็นไอออนและโปร่งแสง

      พื้นที่ก๊าซที่โปร่งแสงนี้มีขนาดใหญ่โตเมื่อเทียบกับกาแลคซี ลองจินตนาการว่ามีบอลลูนอากาศร้อนลูกหนึ่งที่มีเม็ดถั่วลอยอยู่ข้างใน ข้อมูลเวบบ์ได้แสดงว่ากาแลคซีขนาดจิ๋วเหล่านั้นผลักดันการรีไออนไนซ์ ปัดเป่าห้วงอวกาศขนาดใหญ่โตรอบๆ มัน และในอีกหลายร้อยล้านปีต่อมา ฟองที่โปร่งแสงเหล่านี้ก็จะขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนสุดท้ายจะชนและควบรวมกัน และทำให้เอกภพทั้งปวงอยู่ในสภาพโปร่งแสง

      ทีมของ Lilly มุ่งเป้าไปที่ช่วงเวลาก่อนจบยุครีไออนไนซ์เล็กน้อย เมื่อเอกภพไม่โปร่งแสงและไม่ทึบแสงไปซะทีเดียว มันมีปื้นก๊าซในสถานะที่แตกต่างกัน นักวิทยาศาสตร์เล็งเวบบ์ไปในทิศทางของเควซาร์(quasar) แห่งหนึ่ง ซึ่งเป็นหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ที่เปียมด้วยกิจกรรมจนสว่างเจิดจ้ามาก ซึ่งทำหน้าที่ราวกับเป็นไฟฉายขนาดใหญ่ ส่องก๊าซต่างๆ ที่อยู่ระหว่างเควซาร์กับกล้องเวบบ์

      เมื่อแสงจากเควซาร์เดินทางมาถึงเราจะผ่านปื้นก๊าซต่างๆ นานา แสงอาจจะถูกดูดกลืนโดยก๊าซที่ทึบแสง หรือเดินทางอย่างเป็นอิสระผ่านก๊าซที่โปร่งแสง ผลสรุปสำคัญของทีมเกิดขึ้นได้ด้วยการจับคู่ข้อมูลจากเวบบ์เข้ากับการสำรวจเควซาร์จากกล้องเคกในฮาวาย และกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) และกล้องโทรทรรศน์มาเจลลันที่หอสังเกตการณ์ ลาส กัมปานาส ซึ่งทั้งสองแห่งอยู่ในชิลี

     ด้วยการทำให้แสงตามแนวสายตาของเราสว่างขึ้น เควซาร์ช่วยให้เรามีข้อมูลเหลือเฟือเกี่ยวกับองค์ประกอบและสถานะของก๊าซ Anna-Christina Eilers จากเอ็มไอที ในเคมบริดจ์ แมสซาชูเสตต์ ผู้เขียนนำรายงานอีกฉบับของทีม จากนั้น นักวิจัยใช้เวบบ์เพื่อจำแนกกาแลคซีใกล้แนวเส้นสายตา และแสดงว่ากาแลคซีเหล่านี้ถูกล้อมด้วยก๊าซที่โปร่งแสงมีรัศมีราว 2 ล้านปีแสง

มีกาแลคซีมากกว่าสองหมื่นแห่งในพื้นที่สำรวจภาพนี้โดยกล้องเวบบ์ระหว่างกลุ่มดาวปลา(Pisces) และอันโดรเมดา(Andromeda) นักวิจัยใช้เวบบ์สำรวจเควซาร์ J0100+2802 หลุมดำมวลมหาศาลกิจกรรมสูงที่ทำหน้าที่เป็นเหมือนประภาคารในใจกลางภาพด้านบน และปรากฏจุดเป็นประกายหกแฉกสีชมพู

     หรือพูดอีกอย่างก็คือ เวบบ์ได้พบกาแลคซีในกระบวนการที่กำจัดเก็บกวาดห้วงอวกาศรอบๆ มันในช่วงสิ้นสุดยุครีไอออนไนซ์ เมื่อเทียบแล้ว พื้นที่รอบๆ กาแลคซีเหล่านี้ถูกกวาดในระยะทางพอๆ กับห้วงอวกาศระหว่างทางช้างเผือกกับกาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda) ซึ่งเป็นเพื่อนบ้านขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้ที่สุด จนถึงบัดนี้ นักวิจัยไม่เคยมีหลักฐานที่แน่ชัดว่าอะไรที่ทำให้เกิดรีไอออนไนซ์ ก่อนการมีเวบบ์ นักวิจัยไม่แน่ใจว่าอะไรคือตัวการ

          เป็นที่ทราบแล้วว่าสภาพแวดล้อมในห้วงอวกาศช่วงปลายยุครีไออนไนซ์นั้นมีปื้นหมอกก๊าซที่ทึบแสง คั่นด้วยพื้นที่ที่โปร่งแสงที่กำลังขยายตัวขึ้น แต่อะไรที่สร้างฟองที่โปร่งแสงเหล่านี้ เป็นเควซาร์ที่สว่างมาก หรือเป็นกาแลคซีธรรมดา นานมาแล้วที่นักดาราศาสตร์สงสัยว่าเควซาร์เป็นตัวการ แต่ George Becker จากยูซี ริเวอร์ไซด์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาเหล่านี้บอกว่า แนวคิดนี้มีปัญหาในตัวมันเอง เควซาร์แห่งนี้มีความพิเศษเนื่องจากมันสว่างอย่างสุดขั้ว และในยุคดังกล่าว มันก็สร้างฟองขนาดใหญ่มากรอบๆ มัน แต่มีเควซาร์แบบนี้ไม่มากพอที่จะรีไออนไนซ์ทั้งเอกภพ กาแลคซีที่กำลังก่อตัวดาวจึงน่าจะเป็นตัวการหลัก 

     Jorryt Matthee จาก ETH Zürich เช่นกัน และเป็นผู้เขียนนำรายงานฉบับที่สอง อธิบายว่า กาแลคซีเหล่านี้มีสภาพอย่างไร พวกมันมีสภาพที่โกลาหลมากกว่ากาแลคซีในเอกภพใกล้ๆ เรา เวบบ์ได้แสดงว่าพวกมันกำลังก่อตัวดาวฤกษ์อย่างคึกคักและจะต้องสร้างซุปเปอร์โนวาจำนวนมาก

ตัวอย่างกาแลคซีห่างไกลทั้งหกใกล้เควซาร์ J0100+2802 ซึ่งเวบบ์ได้ถ่ายภาพและตรวจสอบสเปคตรัมกาแลคซีเหล่านี้ซึ่งปรากฏเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 9 ร้อยล้านปีเท่านั้น
ปรากฏเป็นสามช่องสองแถว บนซ้ายไล่ไปถึงล่างขวาได้แก่ EIGER 4741 ประกอบด้วยจุดสีชมพูแดง 6 แห่งและแผ่กินพื้นที่ราวหนึ่งในสี่ของภาพ; EIGER 4396 เป็นจุดสีชมพูฝ้าที่ใจกลาง โดยมีจุดสีม่วงสลัวมากและเล็กกว่าด้านล่างขวา; EIGER 18026 ดูเหมือนเป็นรอยปาดจากแปรงป้ายสีที่ขมุกขมัวจากด้านบนซ้ายไปถึงล่างขวา; EIGER 4784 ก็แผ่กินพื้นที่กว้าง มีวงรีสีฟ้าและแดงมากมายที่ใจกลางแทบจะอยู่ในแนวนอน และจุดสีแดงแห่งหนึ่งและสีฟ้าแห่งหนึ่งซึ่งดูเหมือนจะพาดโค้งเป็นรูปร่างกังหันตามเข็มนาฬิกาที่ไม่เชื่อมต่อกัน; EIGER 7426 มีขนาดเล็กที่สุด และมีวงกลมสีขาวที่ใจกลางซึ่งเชื่อมต่อกับเส้นสีชมพูจางๆ ไปถึงจุดขนาดเล็กเหนือมันและอีกจุดที่ตำแหน่ง 4 นฬก; EIGER 9209 ดูเกลี่ยเละไปทั่ว โดยมีจุดสีแดงสว่างขนาดใหญ่ที่ใจกลางและจุดสีแดงสว่างน้อยกว่าอีกแห่งด้านบนขวา 

     ด้วยการวิจัยเดียวกัน Eilers ใช้ข้อมุลจากเวบบ์ได้ยืนยันว่าหลุมดำในเควซาร์ที่ใจกลางพื้นที่สำรวจนี้ เป็นหลุมดำที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบในเอกภพยุคต้น ด้วยมวล 1 หมื่นล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ เรายังคงอธิบายไม่ได้ว่าเควซาร์สามารถเจริญจนใหญ่โตมากอย่างนี้ได้ตั้งแต่ช่วงต้นๆ อย่างนี้ในเอกภพได้อย่างไร เธอกล่าว นั้นก็เป็นอีกปริศนาหนึ่งที่ต้องไขในเวลาต่อไป ภาพจากเวบบ์ยังเผยให้เห็นว่าแสงจากเควซาร์ไม่ได้เกิดการขยายแสงจากปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง เพื่อให้แน่ใจว่าการตรวจสอบมวลมีความถูกต้อง

      ในเร็วๆ นี้ทีมจะทำงานวิจัยกับกาแลคซีที่พบในพื้นที่สำรวจอีก 5 แห่ง ซึ่งแต่ละแหล่งก็อยู่รอบเควซาร์อื่นๆ ผลสรุปจากเวบบ์จากพื้นที่สำรวจแรกนั้นน่าตื่นเต้นมากจนพวกเขาไม่อาจรอคอยที่จะแบ่งปันออกมา เราคาดว่าจะได้จำแนกกาแลคซีอีกหลายสิบแห่งที่ปรากฏในยุครีไอออนไนซ์ แต่กลับพบได้ถึง 117 แห่งแบบง่ายดาย Kashino อธิบาย เวบบ์ทำงานเกินความคาดหมายของเรา

      EIGER(Emission-line galaxies and intergalactic gas in the epoch of reionization) ทีมวิจัยของ Lilly ได้แสดงให้เห็นถึงพลังอันเป็นอัตลักษณ์จากการรวมภาพจากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์ กับข้อมูลจากรูปแบบการทำงานตรวจสอบสเปคตรัมไร้สลิทพื้นที่กว้างของ NIRCam ซึ่งเก็บสเปคตรัมของทุกๆ วัตถุในภาพ เปลี่ยนกล้องเวบบ์ให้กลายเป็นสิ่งที่ทีมเรียกว่า เครื่องจักรตรวจสเปคตรัมเรดชิพท์

   

   รายงานชุดแรกของทีมประกอบด้วย EIGER I, a large sample of [O iii]-emitting galaxies at 5.3<z<6.9 and direct evidence for local reionization by galaxie ซึ่งนำโดย Kashino, EIGER II. First spectroscopic characterization of the young stars and ionized gas associated with strong Hß and [O III] line-emission in galaxies at z=5-7 with JWST นำโดย Matthee และ EIGER III. JWST/NIRCam observations of the ultra-luminous high-redshift quasar J0100+2802 นำโดย Eilers และเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 12 มิถุนายน

 

แหล่งข่าว webbtelescope.org : NASA’s Webb proves galaxies transformed the early universe
                skyandtelescope.com : Webb telescope tracks universe’s first light