ยืนยันเรดชิพท์ "กาแลคซีของเมซี"

 

Maisie's galaxy z 11.4 

    ต้องขอบคุณกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ นักดาราศาสตร์จึงได้แข่งขันกันเพื่อค้นหากาแลคซีรุ่นแรกสุดเท่าที่เคยพบมา ซึ่งขณะนี้ยืนยันว่ากาแลคซีแห่งหนึ่งที่ถูกพบครั้งแรกเมื่อฤดูร้อนปีที่แล้วนั้น ในความเป็นจริงอยู่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา การค้นพบเผยแพร่ในวารสาร Nature

      การสำรวจติดตามผลนับตั้งแต่ที่มีการพบกาแลคซีของเมซี(Maisie’s galaxy) ได้เผยให้เห็นว่ามันมาจากเมื่อ 390 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง แม้ว่าจะไม่ได้ห่างไกลมากอย่างที่ทีมที่นำโดย Steven Finkelstein นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเทกซัส ออสติน เคยประเมินไว้เมื่อฤดูร้อนที่แล้ว แต่มันก็เป็นหนึ่งในสี่กาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่ยืนยันได้

      สิ่งที่น่าตื่นเต้นเกี่ยวกับกาแลคซีของเมซี ก็คือมันเป็นหนึ่งในกาแลคซีที่ห่างไกลแห่งแรกๆ ที่กล้องเวบบ์ได้จำแนกมา และกาแลคซีชุดนั้น ก็เป็นชุดแรกที่ได้รับการยืนยันโดยการตรวจสอบสเปคตรัมด้วย Finkelstein ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่เทกซัส ออสติน ผู้เขียนรายงานใน Nature และผู้นำโครงการ CEERS(Cosmic Evolution Early Release Science Survey) กล่าว เขาเรียกชื่อกาแลคซีแห่งนี้ตามชื่อบุตรสาว เนื่องจากมันถูกพบในวันเกิดครบเก้าปีของเธอ

     กาแลคซีนี้พบในเวลาต้นๆ ในเอกภพเพียงพอที่เราไม่น่าจะเห็นมันได้ถ้าปราศจากกล้องเวบบ์ Finkelstein กล่าว นี่เป็นพรมแดนที่ยังไม่ถูกสำรวจซึ่งเราไม่ทราบจริงๆ ว่ากาแลคซีก่อตัวได้อย่างไร หรือมันจะมีสภาพอย่างไรจนกระทั่งเรามองหาพวกมันด้วยกล้องเวบบ์ เราจึงได้พบกาแลคซีนี้ในข้อมูลจากเวบบ์ในวันเกิดครบรอบเก้าปีของเมซีลูกสาวผม และเธอก็มักจะขอให้ผมตั้งชื่อกาแลคซีตามชื่อเธอ ซึ่งผมก็บอกว่าเราไม่มีสิทธิ์ทำอย่างนั้นได้ แต่เพราะเราพบมันในวันเกิดของเธอ ผมก็เลยแค่เริ่มเรียกมันว่ากาแลคซีของเมซี แต่เมื่อถึงเวลาต้องเขียนรายงาน เราก็ถกเถียงกันว่าจะเรียกกาแลคซีนี้ว่าอะไร คนอื่นๆ ก็บอกว่าก็ใส่ว่ากาแลคซีของเมซีไป แล้วก็ดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น ซึ่งเราก็ทำแล้วก็เผยแพร่รายงานด้วยชื่อนั้น

     การวิเคราะห์ล่าสุดที่นำโดย Pablo Arrabal Haro ผู้เขียนคนแรก นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ห้องทดลองวิจัยดาราศาสตร์ช่วงตาเห็นอินฟราเรดแห่งชาติ ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ผลสรุปไม่เพียงแต่ช่วยยืนยันว่าเอกภพยุคต้นนั้นมีประชากรมากกว่าที่เราคาดไว้ แต่ยังต้องระมัดระวังในการวิเคราะห์การสำรวจของกล้องเวบบ์ด้วย นอกเหนือจาก Finkelstein เป็นผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยเทกซัส ออสตินแล้ว ยังมี Catlin Casey, Micaela Bagley, Katherine Chworowsky และ Seiji Fujimoto

นักวิทยาศาสตร์ในกลุ่มความร่วมมือ CEERS ได้จำแนกวัตถุที่เรียกว่า กาแลคซีของเมซี(Maisie’s galaxy)

     ขณะนี้ ทีม CEERS กำลังประเมินกาแลคซีอื่นอีกราว 10 แห่งที่อาจจะมาจากช่วงเวลาก่อนหน้ากาแลคซีของเมซี วัตถุในอวกาศไม่ได้แปะเวลามาพร้อมกันด้วย เพื่อประมาณว่าแสงที่เราสำรวจออกจากวัตถุมาเมื่อใด นักดาราศาสตร์จะตรวจสอบเรดชิพท์(redshift) ซึ่งเป็นปริมาณที่แสงของมันเลื่อนออกไป(ทางแสงสีแดง) อันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ออกห่างจากเรา เนื่องจากเราอยู่ในเอกภพที่กำลังขยายตัว ยิ่งเรามองย้อนเวลากลับไปไกลแค่ไหน วัตถุก็จะมีเรดชิพท์สูงขึ้นด้วย

     เดิมที การประเมินเรดชิพท์(และรวมถึงช่วงเวลาที่ปรากฏหลังจากบิ๊กแบง) ทำโดยการวัดปริมาณแสง(photometry) โดยตรวจสอบความสว่างของแสงในภาพที่ได้จากการใช้ฟิลเตอร์ความถี่ต่างๆ ชุดหนึ่ง การปะเมินเหล่านั้นทำโดยใช้ข้อมูลที่รวบรวมจาก CEERS ในระหว่างช่วงเวลาสำรวจเดิมในฤดูกาลสำรวจปีแรกของกล้องเวบบ์(ทำให้กาแลคซีของเมซีมี z ~12) หรือพบเมื่อราว 366 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง

     แต่เพื่อให้ตรวจสอบเรดชิพท์ได้เที่ยงตรงมากขึ้น ทีม CEERS จึงสำรวจติดตามผลด้วยเครื่องมือตรวจสอบสเปคตรัมของเวบบ์ คือ NIRSpec ซึ่งแยกแสงของวัตถุออกเป็นความถี่ช่วงแคบๆ มากมายเพื่อจำแนกองค์ประกอบเคมี, การแผ่ความร้อน, ความสว่างที่แท้จริง และการเคลื่อนที่เปรียบเทียบ ให้ได้เที่ยงตรงมากขึ้น และจากการวิเคราะห์สเปคตรัมล่าสุด กาแลคซีของเมซีมีเรดชิพท์ที่ z=11.4 หรือราว 390 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง

 แล้วเอกภพมีสภาพอย่างไรในตอนที่กาแลคซีของเมซีอยู่

      Finkelstein อธิบายว่ากาแลคซีของเมซีน่าจะแตกต่างจากกาแลคซีในเอกภพยุคปัจจุบันซึ่งรวมถึงทางช้างเผือกของเราเมื่อมันมีขนาดเล็กกว่าอย่างมาก ขนาดนี้ก็เพราะสถานะที่มีสสารหนาแน่นสูงของเอกภพในช่วงดังกล่าว เอกภพจึงค่อนข้างแอคทิฟในช่วงที่พบกาแลคซีของเมซี เพราะเอกภพยังมีขนาดเล็กกว่าที่เป็นในปัจจุบันอย่างมาก ดังนั้นทุกสิ่งจึงแออัดในปริมาณที่เล็กกว่ามาก กาแลคซีจึงอยู่ใกล้กันและกันมากกว่าด้วยและจะควบรวมกันได้บ่อยกว่า

     เนื่องจากเอกภพมีอายุเพียงไม่ถึง 4 ร้อยล้านปี ดาวทั้งหมดจึงยังมีอายุน้อย ดังนั้นจึงมีดาวสีฟ้ากว่าและสว่างกว่าที่เราพบเห็นในกาแลคซีปัจจุบัน กาแลคซีของเมซียังแตกต่างจากกาแลคซียุคใหม่ เมื่อดูเหมือนมันจะสร้างดาวสีฟ้าอายุน้อยอย่างรวดเร็ว ซึ่งพบในช่วงที่กาแลคซีกำลังมีการก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst) เพราะดาวอายุน้อยจะสว่างและมีสีฟ้า ดังนั้น กาแลคซีที่มีเรดชิพท์สูงแห่งนี้ แท้จริงแล้วกลับมีสีฟ้ากว่าที่นักดาราศาสตร์เคยคาดไว้

     กาแลคซีของเมซีกำลังก่อตัวดาวด้วยอัตราที่สูงมาก และมันมีขนาดกะทัดรัดกว่าอย่างมาก จริงๆ แล้วน่าจะดูคล้ายเป็นก้อนกระจุกของดาวสีฟ้าที่อยู่กันอย่างแออัด ความเป็นสีฟ้ายังบอกทีมว่ากาแลคซีมีธาตุหนักที่ต่ำ และมีองค์ประกอบธาตุแบบดั้งเดิมคือ เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบล้วนๆ กาแลคซีของเมซีทำให้เราได้แง้มมุมมองเป็นครั้งแรกว่ากาแลคซีในยุคต้นนั้นสว่างกว่าที่เราเคยคาดไว้พอสมควร ซึ่งทำให้ค้นหาพวกมันได้ง่ายขึ้น Finkelstein กล่าว   

     การศึกษายังตรวจสอบว่าที่กาแลคซีจากเอกภพยุคต้นอีกสองแห่งใน CEERS พร้อมกับกาแลคซีของเมซี หนึ่งในสองให้ค่าเรดชิพท์สอดคล้องกับการประเมินจากการตรวจสอบปริมาณแสง คือ z=11.043 แต่ CEERS-93316 ซึ่งถูกพบครั้งแรกในข้อมูล CEERS ที่เผยแพร่ออกสู่สาธารณะโดยทีมที่นำโดยมหาวิทยาลัยเอดินเบอระ และประเมินไว้ว่า z~16.4 หรือพบในช่วงเวลา 250 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ในการวิเคราะห์ต่อมา ทีมได้พบว่า CEERS-93316 มีเรดชิพท์ z=4.9 ซึ่งเทียบเท่ากับที่ราว 1.2 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง

     กลับเป็นว่า ก๊าซร้อนใน CEERS-93316 เปล่งแสงออกมาจำนวนมากในช่วงความถี่ที่แคบเพียง 3 ช่วงที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจนและไฮโดรเจน จนทำให้กาแลคซีดูมีสีฟ้ามากกว่าที่เป็นจริง สีฟ้านี้เลียนแบบสัญญาณที่ Finkelstein และทีมคาดว่าจะพบในกาแลคซีในยุคต้น(ที่ z ~16) ซึ่งจะเกิดขึ้นเฉพาะในวิธีการตรวจสอบปริมาณแสงกับวัตถุที่มีเรดชิพท์ราว 4.9 Finkelstein บอกว่านี่เป็นกรณีที่บังเอิญอย่างโชคร้าย

กาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดอีกสองแห่งเท่าที่เคยพบมา

      นี่เป็นกรณีที่ประหลาด Finkelstein กล่าว กาแลคซีอื่นๆ เองก็อาจจะตกอยู่ใน “triple overlap zone” นี้ได้ด้วย ในบรรดาว่าที่กาแลคซีเรดชิพท์สูงหลายสิบแห่งที่ถูกสำรวจโดยการตรวจสอบสเปคตรัม นี่เป็นเพียงแห่งเดียวที่เรดชิพท์ที่แท้จริงนั้นต่ำกว่าที่เคยคาดเดาไว้อย่างมาก ไม่เพียงแต่กาแลคซีแห่งนี้จะมีสีฟ้าอย่างไม่ปกติ มันยังสว่างกว่าที่แบบจำลองปัจจุบันว่าด้วยกาแลคซีที่ก่อตัวในเอกภพยุคต้นสุดได้ทำนายไว้

     มันจึงน่าจะท้าทายที่จะอธิบายว่าเอกภพสร้างกแลคซีขนาดใหญ่ได้เร็วมากได้อย่างไร Finkelstein กล่าว ดังนั้น ผมคิดว่านี่อาจจะเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากมันมีความสุดขั้วอย่างมาก สว่างอย่างมากที่เรดชิพท์สูงอย่างนั้น ขณะนี้เขายังคงตรวจสอบกาแลคซีของเมซีด้วยเครื่องมืออินฟราเรดกลาง(MIRI) ของเวบบ์ซึ่งจะเจาะลึกเข้าไปในสเปคตรัม ด้วยความพยายามที่จะค้นหาว่ามันอุดมด้วยธาตุหนักแค่ไหน และเข้าใจว่ามันมีฝุ่นใดๆ หรือไม่

แหล่งข่าว phys.org : astronomers confirm Maisie’s galaxy is among earliest ever observed
                sciencealert.com – it’s official: this red blob is one of the earliest galaxies ever seen
                space.com – James Webb Space Telescope confirms “Maisie’s Galaxy” is one of the earliest ever seen
                universetoday.com – you’re looking at one of the farthest confirmed galaxies found by JWST