กล้องเวบบ์เน้นย้ำ "ความไม่ลงรอยฮับเบิล"

 

การสำรวจร่วมจากกล้อง NIRCam บนกล้องเวบบ์ และ WFC3 ของฮับเบิล แสดงกาแลคซีกังหัน NGC 5584 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 72 ล้านปีแสง

     อัตราที่เอกภพกำลังขยายตัว ซึ่งเรียกในชื่อว่า ค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) เป็นหนึ่งในตัวแปรพื้นฐานเพื่อความเข้าใจวิวัฒนาการและชะตากรรมสุดท้ายของเอกภพ อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างของค่าคงที่ที่ได้จากการศึกษาตัวระบุระยะทาง กับค่าที่ทำนายจากแสงเรืองไล่หลังของบิ๊กแบง(ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ-ผู้แปล) ความแตกต่างนี้เรียกในชื่อว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension)

      กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ทำการสำรวจครั้งใหม่เพื่อสืบสวนและปรับปรุงหลักฐานของความไม่ลงรอยนี้ Adam Riess นักดาราศาสตร์รางวัลโนเบล(ร่วมสาขาฟิสิกส์ปี 2011 จากการค้นพบว่าเอกภพกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง) จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ และสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ(STScI) นำเสนองานวิจัยล่าสุดที่ใช้การสำรวจของเวบบ์เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลจากละแวกท้องถิ่น ซึ่งนอกจากจะไม่ได้คลี่คลายแล้ว ยังยิ่งตอกย้ำความไม่ลงรอยนี้

      เวลาคุณมองป้ายไกลๆ คุณเคยมองไม่ออกมั้ย มันบอกอะไร แปลว่าอะไร แม้แต่ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุด “ป้าย” ที่นักดาราศาสตร์ต้องการจะอ่านก็ยังดูเล็กมากๆ จนเราเพ่งดูก็ยังมองไม่ออก ป้ายที่นักเอกภพวิทยาต้องการจะอ่านก็คือ ป้ายจำกัดความเร็วเอกภพ ซึ่งบอกเราว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน เป็นตัวเลขที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล

     ป้ายของเรานั้นเขียนไว้บนดาวฤกษ์ในกาแลคซีที่ห่างไกล ความสว่างของดาวชนิดจำเพาะในกาแลคซีเหล่านั้นบอกเราว่าพวกมันอยู่ห่างไกลแค่ไหน และจึงบอกว่าแสงของมันใช้เวลานานแค่ไหนเพื่อเดินทางมาถึงเรา และเรดชิพท์ของกาแลคซีก็บอกเราว่าเอกภพขยายตัวอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งจะบอกเราถึงอัตราการขยายตัว

ภาพจากศิลปินแสดงเทียนมาตรฐานในอวกาศ

     ดาวฤกษ์ชนิดที่จำเพาะมากที่เรียกว่า ดาวแปรแสงเซเฟอิด(Cepheid variables) ให้การตรวจสอบระยะทางที่แม่นยำที่สุดกับเรามาเกินร้อยปี ก็เพราะดาวเหล่านี้สว่างเจิดจ้ามาก พวกมันเป็นดาวซุปเปอร์ยักษ์ มีกำลังสว่าง(luminosity) หลายแสนเท่าของดวงอาทิตย์ ยิ่งกว่านั้น พวกมันหดพอง(pulsate; ขยายและหดในแง่ของขนาด) ในคาบเวลาหลายสัปดาห์ ซึ่งบ่งชี้ถึงกำลังสว่างเปรียบเทียบของพวกมัน ยิ่งคาบยาวเท่าใด พวกมันก็ยิ่งมีความสว่างที่แท้จริงสูงตามไปด้วย

     เซเฟอิดส์จึงเป็นเหมือนไม้บรรทัดทองที่ใช้ตรวจสอบระยะทางของกาแลคซีในระดับหลายร้อยล้านปีแสงหรือไกลกว่านั้น เป็นขั้นที่สำคัญอย่างยิ่งยวดในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิล โชคร้ายที่ดาวในกาแลคซีเกาะกลุ่มอยู่ด้วยกันในพื้นที่อวกาศขนาดเล็ก เมื่อมองจากโลกที่อยู่ไกล เราจึงมักจะไม่มีความละเอียดเพียงพอที่จะแยกแยะพวกมันออกจากเพื่อนบ้านได้

     เป้าหมายที่สำคัญประการหนึ่งในการสร้างกล้องฮับเบิลก็คือเพื่อแก้ปัญหานี้ ก่อนการส่งฮับเบิลในปี 1990 และการตรวจสอบเซเฟอิดส์ของฮับเบิล อัตราการขยายตัวของเอกภพมีความคลาดเคลื่อนสูง จนนักดาราศาสตร์ไม่แน่ใจว่าเอกภพขยายตัวมา 1 หมื่นล้านหรือ 2 หมื่นล้านปีแล้ว นั้นเป็นเพราะอัตราการขยายตัวที่สูงจะทำให้การคำนวณได้เอกภพที่มีอายุน้อยกว่า และอัตราการขยายตัวที่ช้ากว่าจะให้อายุเอกภพที่เก่าแก่กว่า

ไดอะแกรมอธิบายพลังรวมจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์และฮับเบิล ในการระบุระยะทางที่แม่นยำสู่ดาวแปรแสงกลุ่มที่จำเพาะกลุ่มหนึ่ง ซึ่งใช้เพื่อเทียบมาตรฐาน(calibrate) อัตราการขยายตัวของเอกภพ

      ฮับเบิลมีความละเอียดในช่วงตาเห็นที่ดีกว่ากล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินใดๆ ก็เพราะมันลอยอยู่เหนือชั้นบรรยากาศโลกซึ่งทำให้ภาพเบลอ ด้วยเหตุนี้ มันจึงสามารถจำแนกเซเฟอิดส์แต่ะดวงในกาแลคซีที่อยู่ไกลกว่า 1 ร้อยล้านปีแสงได้ และตรวจสอบระยะเวลาที่เซเฟอิดส์ใช้เปลี่ยนแปลงความสว่างได้ อย่างไรก็ตาม เรายังต้องสำรวจเซเฟอิดส์ในช่วงอินฟราเรดใกล้เพื่อดูแสงที่วิ่งผ่านฝุ่นที่คั่นอยู่ ฝุ่นจะดูดกลืนและทำให้แสงสีฟ้ากระเจิง ทำให้วัตถุไกลโพ้นดูสลัวและลวงเราให้เชื่อว่าพวกมันอยู่ไกลกว่าที่เป็นจริง

     โชคร้ายที่สายตาในช่วงแสงสีแดงของฮับเบิลไม่ได้คมชัดเหมือนช่วงแสงสีฟ้าของมัน ดังนั้นแสงจากเซเฟอิดส์ที่เราเห็นจึงผสมรวมกับดาวอื่นๆ ที่อยู่ในพื้นที่การสำรวจ เรารับมือได้เพียงแสงผสมโดยเฉลี่ย(ในทางสถิติ) ในแบบเดียวกับที่คุณหมอระบุน้ำหนักตัวของคุณโดยลบน้ำหนักเสื้อผ้าเฉลี่ยออกจากน้ำหนักที่อ่านได้จากตาชั่ง แต่ก็เพิ่มสัญญาณรบกวนให้การตรวจสอบ เสื้อผ้าของคนบางคนอาจจะหนักกว่าคนอื่นๆ

      อย่างไรก็ตาม สายตาในช่วงอินฟราเรดที่คมชัดเป็นหนึ่งในพลังวิเศษของกล้องเจมส์เวบบ์ ด้วยกระจกที่ใหญ่และระบบทัศนศาสตร์ที่ไว มันจึงแยกแยะแสงจากเซเฟอิดส์ออกจากดาวเพื่อนบ้านโดยมีแสงผสมเพียงเล็กน้อย ในช่วงปีแรกในการทำงานของเวบบ์กับโครงการนักสำรวจทั่วไป 1685(General Observers program 1685) เราได้รวบรวมการสำรวจเซเฟอิดส์จากฮับเบิลเป็น 2 ขั้นพร้อมกับสิ่งที่เรียกว่า บันไดวัดระยะทางในอวกาศ(cosmic distance ladder)

     ขั้นแรกเกี่ยวข้องกับการสำรวจเซเฟอิดส์ในกาแลคซีแห่งหนึ่งที่ทราบระยะทางโดยวิธีทางเรขาคณิต ซึ่งช่วยให้เราเทียบมาตรฐาน(calibrate) กำลังสว่างที่แท้จริงของเซเฟอิดส์ ขั้นที่สองก็คือ สำรวจเซเฟอิดส์ในกาแลคซีที่มีซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) ที่เพิ่งเกิดเร็วๆ นี้ NGC 4258 และ NGC 5584

บันไดสามขั้นในการตรวจสอบค่าคงที่ฮับเบิลของกล้องฮับเบิล นักดาราศาสตร์ใช้วิธีตรีโกณมิติหรือพารัลแลกซ์
(parallax) หาระยะทางสู่เซเฟอิดส์ในทางช้างเผือก เมื่อเทียบมาตรฐาน(calibrate) เซเฟอิดส์ในระยะใกล้ได้ ก็ขยับไปสู่เซเฟอิดส์ในกาแลคซีใกล้ๆ ที่มีซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอเกิดขึ้นไม่นานด้วย เมื่อใช้เซเฟอิดส์เพื่อเทียบมาตรฐานให้กับซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ก็สำรวจซุปเปอร์โนวาในกาแลคซีที่ห่างไกล เพื่อหาระยะทาง จากค่าระยะทางต่างๆ ก็สามารถคำนวณค่าคงที่ฮับเบิลได้

     การรวมขั้นตอนสองขั้นแรก สู่ระยะทางสู่ซุปเปอร์โนวาก็เพื่อเทียบมาตรฐานกำลังสว่างที่แท้จริงของซุปเปอร์โนวา ขั้นที่สามก็คือ สำรวจซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่อยู่ไกลออกไปในที่ที่มีการขยายตัวของเอกภพ และตรวจสอบได้โดยการเปรียบเทียบระยะทางที่ได้จากความสว่างและเรดชิพท์ของกาแลคซีต้นสังกัดซุปเปอร์โนวา ก้าวต่างๆ เหล่านี้เรียกว่า บันไดระยะทาง ซึ่งเราเพิ่งทำการตรวจสอบด้วยเวบบ์จากขั้นที่หนึ่งและสอง ซึ่งช่วยให้เราทำบันไดระยะทางสำเร็จ และเปรียบเทียบกับการตรวจสอบก่อนหน้าโดยฮับเบิล การสำรวจของเวบบ์ได้กำจัดสัญญาณรบกวนในการตรวจสอบเซเฟอิดส์อันเนื่องจากความละเอียดในช่วงอินฟราเรดใกล้ของฮับเบิล

     การปรับปรุงลักษณะนี้เป็นสิ่งที่เราทีมงานนักดาราศาสตร์เฝ้าฝันถึง เราสำรวจเซเฟอิดส์มากกว่า 320 ดวงในสองขั้นตอนแรก เรายืนยันว่าการตรวจสอบก่อนหน้านี้โดยฮับเบิลนั้นเที่ยงตรง แม้จะมีสัญญาณกวนเยอะกว่า เรายังได้สำรวจต้นสังกัดของซุปเปอร์โนวา 4 แห่งด้วยเวบบ์ และได้เห็นผลสรุปที่คล้ายๆ กันจากกลุ่มตัวอย่างทั้งหมด  

     ผลสรุปที่ได้ยังคงไม่สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใด เอกภพจึงดูจะขยายตัวเร็วมาก เราสามารถทำนายอัตราการขยายตัวของเอกภพจากการดูภาพเมื่อยังเยาว์วัย(ไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ; cosmic microwave background) และจากนั้นก็ทำแบบจำลองที่ดีที่สุดว่ามันจะเติบโตอย่างไรเพื่อบอกว่าในปัจจุบันเอกภพน่าจะขยายตัวเร็วแค่ไหน ความเป็นจริงก็คือ อัตราการขยายตัวปัจจุบันเกินเลยจากค่าที่ทำนายไว้พอสมควร เป็นปัญหาที่เกิดขึ้นมานานนับสิบปีในสิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล หมายเหตุ การตรวจสอบเอกภพจาก CMB ให้ค่าคงที่ฮับเบิลราว 67 km/s/Mpc ในขณะที่การใช้ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอหรือเซเฟอิดส์ให้ค่าคงที่ 73 km/s/Mpc

ค่าคงที่ฮับเบิลที่ได้จากโครงการสำรวจที่ใช้วิธีการต่างๆ โดยแบ่งเป็นสองส่วน คือจากการตรวจสอบไมโครเวฟพื้นหลังเอกภพ(CMB) ซึ่งเป็นซากแสงจากเอกภพยุคต้นและทำนายว่าเอกภพจะพัฒนาอย่างไร กับการตรวจสอบเอกภพท้องถิ่นโดยใช้เทียนมาตรฐานเป็นบันไดวัดระยะทาง โดยรวมแล้ว วิธีการทั้งสองส่วนมีความคลาดเคลื่อน้อยลงเรื่อยๆ จนเริ่มเห็นความแตกต่างอย่างชัดเจน ซึ่งเราเรียกความต่างนี้ว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล       

     Riess กล่าวว่า ความเป็นไปได้ที่น่าตื่นเต้นที่สุดก็คือ ความไม่ลงรอยนี้เป็นเงื่อนงำของบางสิ่งที่เราพลาดไปในความเข้าใจเอกภพ มันยังอาจจะบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของพลังงานมืดพิศวง(exotic dark energy), สสารมืดพิศวง(exotic dark matter) เป็นความเข้าใจเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงในแบบปรับปรุงใหม่ หรือการมีอยู่ของอนุภาคหรือสนามที่เป็นอัตลักษณ์ ราวกับว่าพลังงานมืดและสสารมืดแบบปกติ ยังไม่น่าปวดหัวพอ

      คำอธิบายที่สุดโต่งไปอีกก็คือ เป็นความผิดพลาดในการตรวจสอบขั้นตอนต่างๆ มารวมกัน(แต่นักดาราศาสตร์ก็กำจัดความผิดพลาดในแต่ละครั้งโดยใช้วิธีการที่เป็นอิสระแบบอื่น) ดังนั้น จึงเป็นเหตุผลที่มีความสำคัญอย่างยิ่งที่ต้องทำการตรวจสอบซ้ำโดยมีความถูกต้องสูงขึ้น  

     ด้วยเวบบ์ที่ยืนยันการตรวจสอบจากฮับเบิล การตรวจสอบของเวบบ์ได้ให้หลักฐานที่แน่ชัดที่สุดเท่าที่เคยมีว่า ความผิดพลาดอย่างเป็นระบบทอดๆ ในการตรวจสอบปริมาณแสงของเซเฟอิดส์จากฮับเบิล ไม่ได้มีบทบาทสำคัญในความไม่ลงรอยฮับเบิลนี้ ด้วยเหตุนี้ ความเป็นไปได้ที่น่าสนใจมากขึ้นจึงยังคงอยู่ และปริศนาของความไม่ลงรอยก็ลึกลงไปอีก รายงานเผยแพร่ใน Astrophysical Journal และออนไลน์บน arXiv.org

  

แหล่งข่าว phys.org : Webb confirms accuracy of universe’s expansion rate, deepens mystery of Hubble constant tension  
               iflscience.com : JWST confirms universe’s rate of expansion and one of physics’ biggest mysteries
               space.com : James Webb Space Telescope deepens major debate over universe’s expansion rate

วัตถุที่สี่ในระบบ HIP 81208

 

     ภาพใหม่โดยกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) ในชิลีจับภาพระบบดาวอันเป็นอัตลักษณ์ HIP 81208 นักดาราศาสตร์คิดว่า HIP 81208 เป็นระบบที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ที่ใจกลางระบบ(A, จุดสว่างที่กลางภาพ), ดาวแคระน้ำตาลดวงหนึ่ง(brown dwarf, B) ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ และดาวฤกษ์มวลต่ำอีกดวง(C ) ที่โคจรอยู่ไกลออกมา อย่างไรก็ตาม ในการศึกษาใหม่ได้เผยให้เห็นสิ่งที่ซ่อนตัวอยู่ซึ่งไม่เคยพบมาก่อน เป็นวัตถุ (Cb) ซึ่งมีมวลราว 15 เท่าดาวพฤหัสฯ โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงเล็กอีกที

     การค้นพบ Cb หมายความว่า HIP 81208 เป็นระบบที่น่าสนใจอย่างเป็นอัตลักษณ์ โดยมีดาวฤกษ์สองดวงและวัตถุขนาดเล็กกว่าอีกสองดวงซึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ หรือพูดอีกอย่างก็คือ เป็นระบบจตุวัตถุแบบลำดับขั้น(hierarchical quadruple system) มวลของวัตถุ Cb ที่เพิ่งพบใหม่ทำให้มันอยู่ที่รอยต่อระหว่างความเป็นดาวเคราะห์กับดาวแคระน้ำตาล ซึ่งเป็นดาวฤกษ์แท้ง(failed star) ที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์แต่ก็ไม่ได้มีมวลมากพอและร้อนมากพอที่จะหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมเหมือนที่แกนกลางดาวฤกษ์แท้จริง

      ยักษ์ Cb ที่ซ่อนตัวอยู่ ถูกพบเมื่อทีมนักดาราศาสตร์ซึ่งนำโดย A. Chomez จากหอสังเกตการณ์ปารีส ได้กลับไปวิเคราะห์ข้อมูลจากเครื่องมือ SPHERE ที่ติดตั้งบน VLT ซ้ำอีกครั้ง ในขณะที่เครื่องมืออื่นๆ ใช้วิธีการล่าพิภพที่ห่างไกลโดยอ้อม แต่ SPHERE ใช้เทคนิคที่เรียกว่า การถ่ายภาพโดยตรง(direct imaging) สิ่งที่ได้เห็นนี้จึงเป็นภาพระบบของจริง แต่ก็ยังเป็นระบบจตุวัตถุแบบลำดับขั้นที่ถูกถ่ายภาพได้โดยตรงเป็นแห่งแรกด้วย ซึ่งมีคุณประโยชน์ต่อการเข้าใจว่าระบบที่ซับซ้อนเช่นนี้ก่อตัวและพัฒนาตัวได้อย่างไร

 

แหล่งข่าว eso.org : new planetary-mass object found in quadruple system  

หลุมดำที่อยู่ซ่อนในกระจุกดาวไฮยาดีส

 

ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำที่ซ่อนอยู่ในกระจุกดาวแห่งหนึ่ง

     นักดาราศาสตร์อาจจะได้พบว่าหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดอยู่ในกระจุกดาวสามเหลี่ยมหน้าวัว ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 150 ปีแสงจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

     ในความเป็นจริงแล้ว หลุมดำเหล่านี้อาจจะถูกผลักออกจากกระจุกดาวที่หนาแน่นสูงเมื่อหลายล้านปีก่อน มาเพ่นพล่านอยู่เพียงลำพังในทางช้างเผือก หลุมดำกลุ่มใหม่น่าจะอยู่ใกล้โลกกว่า 10 เท่าของหลุมดำที่ใกล้ที่สุดเท่าที่เคยจำแนกได้ กระจุกดาวสามเหลี่ยมหน้าวัว(Hyades cluster) อยู่ในกลุ่มดาววัว(Taurus) เป็นกระจุกดาวเปิด(open cluster) ซึ่งมีดาวหลายร้อยดวง แต่ดาวที่สว่างที่สุดสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเป็นรูปตัว V โดยมีดาวตาวัว(Aldebaran) ซึ่งสว่างกว่าและอยู่ใกล้กว่า อยู่ในทิศทางเดียวกันด้วย  

     กระจุกดาวเปิดแบบนี้เป็นกลุ่มของดาวที่เชื่อว่าก่อตัวขึ้นในเวลาเดียวกัน จากเมฆก๊าซและฝุ่นก้อนเดียวกัน ด้วยเหตุนี้ ดาวภายในกระจุกลักษณะนี้จึงมีคุณลักษณะพื้นฐานร่วมกัน เช่น องค์ประกอบเคมี และอายุ

     เพื่อที่จะทำการตรวจจับสิ่งที่อาจจะเป็นหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด ทีมที่นำโดย Stefano Torniamenti นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยปาโดวา อิตาลี ได้สร้างแบบจำลองเสมือนจริงค้นหาการเคลื่อนที่และวิวัฒนาการของดาวในกระจุกหน้าวัว แบบจำลองยังรวมการมีหลุมดำในสมการด้วย จากนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็เปรียบเทียบผลสรุปจากแบบจำลองเสมือนจริง กับการสำรวจจริงที่เคยตรวจสอบความเร็วและตำแหน่งของประชากรดาวในกระจุกเปิด

ตำแหน่งของกระจุกดาวสามเหลี่ยมหน้าวัวบนท้องฟ้าฤดูหนาว image credit: astronomytrek.com 

     แบบจำลองจะสอดคล้องทั้งมวลและขนาดของกระจุกหน้าวัวในคราวเดียว ก็เฉพาะเมื่อมีหลุมดำอยู่ในใจกลางกระจุกในปัจจุบันนี้(หรือเมื่อเร็วๆ นี้) เท่านั้น Torniamenti และเพื่อนร่วมงานยังพบว่า แบบจำลองที่สอดคล้องกับการสำรวจกระจุกหน้าวัวมากที่สุดเป็นแบบจำลองที่มีหลุมดำสองหรือสามแห่งภายในกระจุกแห่งนี้ นอกเหนือจากนั้น แบบจำลองที่รวมหลุมดำในใจกลางด้วยและต่อมาถูกผลักออกมาไม่เกิน 150 ล้านปีก่อน ก็สอดคล้องกับข้อมูลจริงด้วย

     นี่เป็นเพราะ ถ้าหลุมดำเหล่านี้ถูกเหวี่ยงออกจากกระจุกหน้าวัวอย่างรุนแรงเมื่อกระจุกมีอายุราวหนึ่งในสี่ของอายุปัจจุบัน(625 ล้านปี) กระจุกดาวก็ไม่น่าจะพัฒนาไปได้มากพอที่จะกำจัดหลักฐานการมีตัวตนของหลุมดำ แม้แต่ถ้าหลุมดำถูกผลักออกจากกระจุกหน้าวัวในตอนนี้ นักวิจัยบอกว่าพวกมันก็น่าจะยังคงเป็นหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด แม้จะอยู่ในสถานะเพ่นพล่านก็ตาม จากแบบจำลอง บ่งชี้ว่าถ้าตอนนี้ไม่มีหลุมดำในกระจุกหน้าวัว พวกมันก็ยังอยู่ใกล้กระจุกอย่างมาก เรายังคงไม่แน่ใจเกี่ยวกับอันตรายจากพวกมัน แต่นักวิจัยก็พบว่าหลุมดำใดๆ เหล่านี้ที่จะเคลื่อนที่เร็วที่สุดก็น่าจะอยู่ที่ 3 กิโลเมตรต่อวินาทีเท่านั้น แม้ว่ามันจะมุ่งหน้ามาทางโลก ก็น่าจะต้องใช้เวลานานมากๆ ที่จะมาถึง  

      ผู้ยึดครองสถิตหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดก็คือ Gaia BH1 และ BH2 ซึ่งตามที่บอกในชื่อ ถูกพบโดยดาวเทียมไกอา ในปีนี้เอง โดย BH1 อยู่ห่างออกไป 1560 ปีแสง และ BH2 ที่ 3800 ปีแสง จากโลก แม้ว่าระยะทางจะบอกว่าหลุมดำทั้งสองอยู่ในละแวกใกล้ๆ โลก แต่ก็ยังไกลกว่ากระจุกหน้าวัวและหลุมดำที่อาจมี 10 และ 20 เท่า

Hyades cluster image credit: Jose Mtanous

      งานวิจัยใหม่และการค้นพบ Gaia BH1 และ BH2 ก่อนหน้านี้ ตอกย้ำว่าดาวเทียมไกอาซึ่งถูกส่งออกสู่อวกาศในปี 2013 ได้ปรับโฉมหน้าดาราศาสตร์ไปอย่างไร กล้องโทรทรรศน์อวกาศปฏิบัติการนี้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาตำแหน่งและความเร็วของดาวแต่ละดวงในกระจุกดาวอย่างหน้าวัว ได้เป็นครั้งแรก ไกอามีความสามารถทำการค้นพบครั้งสำคัญได้เนื่องจากมันสามารถตรวจสอบตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของดาวนับพันล้านดวงได้ การตามรอยการเคลื่อนที่ของดาวด้วยความแม่นยำสูงมากเช่นนั้นยังช่วยเผยให้เห็นอิทธิพลแรงโน้มถ่วงใดๆ ที่เหนี่ยวรั้งดาวเหล่านั้นไว้ แม้ว่าอิทธิพลจะมาจากวัตถุที่ซ่อนตัวอยู่อย่างหลุมดำมวลดวงดาว(stellar mass black holes) ขนาดเล็ก

     การสำรวจนี้ช่วยเราให้เข้าใจว่าการมีอยู่ของหลุมดำส่งผลต่อวิวัฒนาการกระจุกดาวอย่างไร Mark Gieles นักวิจัยและผู้เขียน จากมหาวิทยาลัยบาร์เซโลนา กล่าว ผลสรุปเหล่านี้ยังให้แง่มุมแก่เราว่าวัตถุปริศนาเหล่านี้กระจัดกระจายในทางช้างเผือกอย่างไรบ้าง งานวิจัยของทีมเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ฉบับเดือนมิถุนายน

แหล่งข่าว space.com - astronomers may have discovered the closest black holes to Earth
                sciencealert.com - black holes may lurk much closer to Earth than we realized
                iflscience.com - the closest black holes to Earth could be inside famous Hyades star cluster
                scitechdaily.com – Hyades star cluster revelations: Earth’s nearest black holes uncovered

ปฏิบัติการจันทรยาน 3

 

image credit: New York Times 

      จากการส่งปฏิบัติการจันทรยาน 3 ขององค์กรวิจัยอวกาศอินเดีย(ISRO) )ประสบความสำเร็จในการร่อนลงจอดบนดวงจันทร์เมื่อวันที่ จันทรยานก็ได้ทำการสำรวจพื้นที่ลงจอดในส่วนขั้วใต้ดวงจันทร์แล้ว ทำให้อินเดียกลายเป็นชาติที่สี่ที่ประสบความสำเร็จในการร่อนลงจอดบนดวงจันทร์

     ด้วยการยิงเลเซอร์(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy; LIBS) บนโรเวอร์ของจันทรยาน 3 ไปที่พื้นผิว ได้ยืนยันการมีอยู่ของกำมะถันตามแถลงการณ์จาก ISRO บอกว่า เป็นสิ่งที่ไม่เคยเอื้อมถึงด้วยเครื่องมือบนยานโคจร(orbiter) LIBS ทำงานโดยยิงเลเซอร์ความเข้มข้นสูงไปที่วัตถุ เปลี่ยนมันเป็นพลาสมา สเปคตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าของพลาสมาจะบอกถึงองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้เผยเพียงแต่ธาตุ ไม่ใช่โมเลกุลที่ธาตุรวมอยู่

     โรเวอร์ปรัชญ์ยาน(Pragyan rover) ชื่อปรัชญ์ยาน ปรับมาจากคำภาษาฮินดูว่า ปรัชญา โรเวอร์มีน้ำหนักเพียง 25.8 กิโลกรัม และมีขนาดพอๆ กับสุนัขเจอรมันเชพเพิร์ด นอกจาก LIBS แล้ว ยังมีลำแสงอนุภาคอัลฟา ด้วย นอกเหนือจากกำมะถันแล้ว ผลสรุปในช่วงต้นยังพบ อลูมินัม, คัลเซียม, เหล็ก, โครเมียม, ไทเทเนียม, มังกานีส, ซิลิกอน และออกซิเจน แต่กลับไม่พบไฮโดรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบในน้ำ(H2O) ในตัวอย่างที่ทดสอบเลย แต่แถลงการณ์ก็บอกว่า ยังคงอยู่ในกระบวนการสำรวจหาไฮโดรเจนอยู่

Chandrayaan-3 mission 

     ในขณะที่จีน, รัสเซียและสหรัฐอเมริกา ต่างก็ส่งยานไปลงจอดบนดวงจันทร์ได้แล้ว แต่ความพยายามก่อนหน้านี้โดยรัสเซียและอินเดียเองเพื่อไปให้ถึงขั้นใต้ของดวงจันทร์ กลับล้มเหลว คิดกันว่าขั้วใต้ดวงจันทร์เป็นพื้นที่ที่มีน้ำมากที่สุดบนดวงจันทร์ และปรัชญ์ยานจะใช้เวลาอีกสองสัปดาห์ในการยิงเลเซอร์เพื่อตามหาน้ำแข็งต่อไป เช่นเดียวกับการศึกษาชั้นบรรยากาศและระบุองค์ประกอบของขั้วใต้ดวงจันทร์

     ความสำเร็จนี้ตามหลังการตรวจสอบอุณหภูมิที่ละติจูดขั้วใต้บนดวงจันทร์ได้เป็นครั้งแรก โดยแลนเดอร์วิกรม(Vikram lander) ข้อมูลเบื้องต้นได้แสดงว่า ในระหว่างวัน อุณหภูมิในดินที่ลึกลงไป 8 เซนติเมตรนั้นต่ำกว่าที่พื้นผิวราว 60 องศาเซลเซียส ซึ่งนั้นเป็นเพราะในระหว่างกลางวันบนดวงจันทร์ ความร้อนจากพื้นผิวที่อาบแสงอาทิตย์ ไม่ได้แผ่แทรกซึมลงไป คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อไปเที่ยวชายทะเลในวันที่ร้อน เมื่อขุดลึกลงไปเมื่อไม่กี่เซนติเมตร ทรายกลับเย็นกว่าอย่างมาก

     การตรวจสอบอุณหภูมิครั้งใหม่ยังพบว่าอุณหภุมิพื้นผิวนั้นอบอุ่นกว่าที่เคยบันทึกไว้โดย Lunar Reconnaissance Orbiter ของนาซา ในปี 2009 อย่างมาก ค่าอุณหภูมิใหม่อบอุ่นเกินกว่าที่น้ำแข็งจะอยู่ในสภาพเสถียร น้ำแข็งจะระเหิดที่อุณหภูมิต่ำมากๆ ในสภาพสูญญากาศของอวกาศที่ -160 องศาเซลเซียส ข้อมูลจากจันทรยาน-3 บอกว่าอุณหภูมิสูงกว่า -10 องศาเซลเซียสในทุกๆ ตำแหน่งความลึกที่ตรวจสอบ โดยรวม อุณหภูมิเฉลี่ยอยู่ที่ราว -80 องศาเซลเซียส

พื้นที่ลงจอดของจันทรยาน 3 และปฏิบัติการสู่ดวงจันทร์อื่นๆ 

     การขนส่งวัตถุจำนวนมากไปที่ดวงจันทร์เป็นเรื่องที่สิ้นเปลืองและใช้งบประมาณสูงมาก แม้แต่เมื่อค่าใช้จ่ายในการส่งยานออกสู่อวกาศจะถูกลงแล้วก็ตาม ดังนั้น สิ่งเดียวที่จะทำให้เกิดความคุ้มค่าในทางเศรษฐศาสตร์ในการอยู่อาศัยระยะยาวบนดวงจันทร์ ก็คือเมื่อเราสามารถเสาะหาทรัพยากรเกือบทั้งหมดได้ในพื้นที่

     หลักฐานการมีอยู่น้ำในรูปน้ำแข็งที่ก้นหลุมอุกกาบาตใกล้ขั้วใต้ดวงจันทร์ เป็นสิ่งหนึ่งทีจุดประกายการแข่งขันบินไปดวงจันทร์ในช่วงหลังๆ ซึ่งก็ผลักดันให้อินเดียร่อนลงจอดบนดวงจันทร์ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก ที่ละติจู 69 องศาใต้ และผลักดันให้รัสเซียมีความพยายามคล้ายๆ กันแต่ล้มเหลว

     การยืนยันการมีอยู่ของน้ำแข็งจะเป็นเป้าหมายหลักของจันทรยาน 3 แต่ธาตุอื่นๆ ที่พบทุกธาตุก็หมายความว่า เราจะเอาของไปด้วยน้อยลงไปอีก อย่างน้อย ถ้ามันอยู่ในรูปที่สกัดได้ง่าย กำมะถันมีความน่าสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากงานวิจัยได้บ่งชี้ว่ามันอาจจะใช้เพื่อทำคอนกรีต แทนที่จะพึ่งพาปูนซีเมนต์พอร์ตแลนด์(Portland Cement) ซึ่งองค์ประกอบครบถ้วนได้ยากกว่า

     แม้ถ้า ปรัชญ์ยานจะไม่พบไฮโดรเจนในวัตถุที่มันศึกษา ก็ไม่ใช่จุดจบในความหวังเพื่อค้นหาน้ำแข็ง ยิ่งโรเวอร์เข้าไปในเงาของกำแพงหลุมได้ลึกแค่ไหน ก็มีโอกาสมากขึ้นที่จะพบน้ำแข็งซึ่งอยู่รอดจากช่วงกลางวันบนดวงจันทร์ที่ร้อนและยาวนาน แต่กระนั้น โรเวอร์ก็ยังไปไม่ถึงจุดที่ดีที่สุดที่จะทำงานวิจัยนี้ อย่างไรก็ตาม เส้นทางสู่ตำแหน่งที่ดีที่สุดไม่ได้ราบเรียบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโรเวอร์ลำเล็กอย่างนั้น อย่างไรก็ตาม ยานหกล้อก็ยังทำงานได้ดีด้วยความช่วยเหลือจากภาคพื้นดิน

Vikram lander from Pragyan rover

      ในวันที่ 27 สิงหาคม 2023 โรเวอร์วิ่งข้ามหลุมเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 เมตร โดยยังเหลืออีก 3 เมตรก่อนถึงจุดหมาย ISRO เขียนไว้บน X(ทวิตเตอร์) โรเวอร์ได้รับคำสั่งให้วิ่งย้อนกลับมา ขณะนี้มันกำลังมุ่งหน้าบนเส้นทางใหม่อย่างปลอดภัย เครื่องมือของวิกรมได้ตรวจสอบความหนาแน่นและอุณหภูมิชั้นไอโอโนสเฟียร์(ionosphere) ของดวงจันทร์ได้เป็นครั้งแรกเป็นชั้นพลาสมาที่มีประจุไฟฟ้าหนาราว 100 กิโลเมตรที่ล้อมรอบพื้นผิวดวงจันทร์ในบริเวณที่ใกล้ชั้วใต้ดวงจันทร์ มีการผสมของไออนและอิเลคตรอนที่ค่อนข้างบางเบา  

     การตรวจสอบให้ความหนาแน่นพลาสมาที่ราว 5 ถึง 30 ล้านอิเลคตรอนต่อลูกบาศก์เมตร และความหนาแน่นก็ดูเหมือนจะแปรผันไปตามช่วงเวลา “กลางวัน” ของดวงจันทร์ เทียบแล้ว ความหนาแน่นของชั้นคล้ายๆ กันบนโลก อยู่ที่ 1 ล้านอิเลคตรอนต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ความหนาแน่นของไอโอโนสเฟียร์ส่งผลต่อการสื่อสารและระบบนำร่องบนดวงจันทร์ ยิ่งมีความหนาแนอิเลคตรอนสูง สัญญาณวิทยุก็จะใช้เวลาเดินทางผ่านไอโอโนสเฟียร์นานขึ้น พลาสมาที่เบาบางจึงทำให้เกิดผลการล่าช้าในการส่งสัญญาณที่น่าจะต่ำสุด และไม่น่าสร้างปัญหาในการส่งสัญญาณ 

     ขณะนี้ พื้นที่ลงจอดของจันทรยาน 3 กำลังอยู่ในช่วงกลางคืนบนดวงจันทร์ที่ยาวนาน 15 วันโลก ทีมอินเดียหวังว่าจะปลุกวิกรมและปรัชญ์ยานให้ตื่นได้อีกครั้งในวันที่ 22 กันยายน  

 

แหล่งข่าว iflscience.com : Indian Moon rover hits jackpot, detects wealth of elements at lunar south pole  
               sciencealert.com : India’s lunar rover detects first element ever found at Moon’s south pole
               nature.com : India’s moon mission: four things Chandrayaan-3 has taught scientists

ถ้าโลกเป็นดาวเคราะห์นอกระบบ เอเลี่ยนจะพบสัญญาณอารยธรรมได้

 

ชั้นบรรยากาศโลก และอวกาศ

     ถ้าเราอยากจะมองหาสิ่งมีชีวิตบนพิภพอื่น ทำไมถึงไม่เริ่มจากดาวเคราะห์ดวงเดียวที่เรารู้ว่ามีชีวิตก่อนล่ะ

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์สามารถตรวจจับก๊าซที่น่าสนใจจำนวนมากในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ เมื่อพิภพที่ห่างไกลเหล่านี้ผ่านหน้า(transit) ดาวฤกษ์แม่ของพวกมัน ชั้นบรรยากาศจะกรองแสงไว้ ทิ้งร่องรอยองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศให้กล้องได้ตรวจจับ

     ชั้นบรรยากาศของโลกนั้นอุดมไปด้วยไนโตรเจนและมีออกซิเจนอยู่ไม่น้อย และยังมีโมเลกุลเช่น มีเธน ซึ่งบอกถึงการมีสิ่งมีชีวิตอย่างโจ่งแจ้ง และยังมีโมเลกุลจำนวนน้อย เช่น ไนโตรเจนไดออกไซด์(NO₂) และ คลอโรฟลูโอโรคาร์บอน(CFCs ; สารทำความเย็นฟรีออน) ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ที่ชัดเจนถึงอารยธรรมที่ประกอบการอุตสาหกรรม

     ตามที่การศึกษาล่าสุดได้แสดงไว้ ถ้าโลกเป็นดาวเคราะห์นอกระบบ กล้องเวบบ์ก็น่าจะจำแนกโมเลกุลเหล่านั้นในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ของเราได้ การศึกษานี้เผยแพร่ออนไลน์ arXiv และจะเผยแพร่ใน The Planetary Science Journal  

สเปคตรัมแบบส่องผ่าน(transmission spectrum) ของชั้นบรรยากาศโลก

     การศึกษาเริ่มต้นจากการสำรวจชั้นบรรยากาศโลกของจริง ดาวเทียม SCISAT ของคานาดาได้เก็บสเปคตรัมแสงอาทิตย์ที่ผ่านทะลุพื้นที่ที่ปลอดเมฆในชั้นบรรยากาศโลกด้วยความละเอียดสูง และจากสิ่งนี้ก็จำแนกโมเลกุลธรรมชาติและสังเคราะห์ได้จำนวนหนึ่ง

     ด้วยการเฉลี่ยข้อมูลตลอดความลึกที่แตกต่างกันในชั้นบรรยากาศ การศึกษาก่อนหน้านี้ได้จำลองสเปคตรัมที่เป็นไปได้ที่น่าจะปรากฏเมื่อโลกผ่านหน้าดวงอาทิตย์ เมื่อมองจากระบบสุริยะส่วนนอก ซึ่งได้ให้รากฐานว่าข้อมูลดาวเคราะห์นอกระบบน่าจะมีสภาพอย่างไร จากนั้น ผู้เขียนก็ขยับไปอีกขั้นด้วยการทำให้ข้อมูลหยาบขึ้น โดยเพิ่มสัญญาณรบกวน(noise) ให้กับสัญญาณดาวเคราะห์ และจากนั้น ก็ใช้ความละเอียดที่ต่ำลง นี่คล้ายกับการสำรวจที่กล้องเวบบ์น่าจะได้จากดาวเคราะห์ที่ห่างออกไปหลายปีแสง

     เป้าหมายก็เพื่อตรวจสอบว่ายังคงมีข้อมูลเพียงพอที่จะจำแนกแบบจำลองชั้นบรรยากาศหรือไม่ แม้กระทั่งเมื่อการสำรวจเหล่านั้นสลัวและเต็มไปด้วยคลื่นรบกวน แน่นอนว่าถ้าอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน(signal-to-noise ratio) ยังสูงพอก็จะจำแนกโมเลกุลจำนวนมาก ซึ่งรวมถึง คาร์บอนไดออกไซด์(CO₂), มีเธน(CH₄), โอโซน(O₃), ไอน้ำ และ CFCs(ซึ่งถูกระงับการใช้มากว่า 33 ปีแต่ยังปรากฏอยู่ในชั้นบรรยากาศโลก) บนดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่งที่คล้ายโลก ที่อยู่ห่างออกไป 50 ปีแสง

     จากนั้น ทีมก็ขยับเพิ่มอีกก้าว และตรวจสอบระบบดาวเคราะห์ที่เรียกว่า TRAPPIST-1 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 40 ปีแสงและประกอบด้วยดาวเคราะห์ 7 ดวง โดยอาจมี 2 หรือ 3 ดวงที่มีศักยภาพเอื้ออาศัยได้ ด้วยการลองเพิ่มสเปคตรัมโมเลกุลให้กับสเปคตรัมจำลองจากพิภพใน TRAPPIST ทีมก็แสดงว่ากล้องเวบบ์ยังสามารถจำแนกสัญญาณชีวภาพและสัญญาณเทคโนโลจี ถ้ามีอยู่บนดาวเคราะห์ในระบบ TRAPPIST

การตรวจสอบสเปคตรัมแบบส่องผ่าน ใช้การสำรวจการผ่านหน้า(transit)  ของดาวเคราะห์เพื่อหาร่องรอยสารเคมีในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ซึ่งดูดกลืนคลื่นแสงในความยาวคลื่นที่จำเพาะ

      เรายังคงไม่สามารถจำแนกโครงสร้างต่างดาวบนพิภพเหล่านี้ได้ แต่เราก็ไม่จำเป็นต้องบินไปไกลขนาดนั้นเพื่อพิสูจน์การมีอยู่ของเอเลี่ยน ถ้ากล้องเวบบ์จำแนกออกซิเจน, โมเลกุลอินทรีย์ และโมเลกุลสังเคราะห์อย่าง CFCs ในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบที่อยู่ใกล้ๆ ได้ เราก็จะทราบว่ามีอารยธรรมทรงปัญญาอยู่/เคยอยู่ที่นั่น ก็น่าจะเป็นก้าวที่สำคัญในการเข้าใจสิ่งมีชีวิตในเอกภพ

     ประเมินว่ามีดาวเคราะห์นอกระบบราว 4 พันดวงภายในระยะทาง 50 ปีแสงจากโลก อาจจะมีสักอารยธรรมหนึ่งแล้วก็ได้ที่พบว่ามีพวกเราอยู่ตรงนี้ แม้ว่าเราอาจจะสงสัยว่าเพราะเหตุใดพวกนั้นจึงไม่ติดต่อสื่อสารกับเราสักที

สเปคตรัมแบบส่องผ่าน(transmission spectrum) ของชั้นบรรยากาศโลก

แหล่งข่าว phys.org : if Earth were an exoplanet, JWST would know there’s an intelligent civilization here
                iflscience.com : if aliens have a JWST, this is how they’d see Earth has intelligent life