แคระนักผลิตแสง

      ด้วยการใช้ความสามารถอันเป็นเอกอุของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้ทำการสำรวจสเปคตรัมของกาแลคซีที่สลัวที่สุดในช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกของเอกภพได้เป็นครั้งแรก การค้นพบเหล่านี้ช่วยตอบคำถามที่คงอยู่มานานว่า แหล่งแสงที่ทำให้เอกภพแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้ง(reionized) มาจากไหน ผลสรุปใหม่เหล่านี้ได้แสดงให้เห็นว่า กาแลคซีแคระขนาดเล็กน่าจะเป็นผู้ผลิตแสงแรงกล้ารุนแรงเหล่านั้น

     งานวิจัยวิวัฒนาการของเอกภพยุคต้นเป็นหัวข้อที่สำคัญของดาราศาสตร์สมัยใหม่ ที่ยังคงไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ก็คือช่วงเวลาต้นๆ ในความเป็นมาของเอกภพ ส่วนที่เรียกว่า ยุคแห่งการรีไอออนไนซ์(era of reionization) เป็นช่วงเวลาแห่งความมืดมิดที่ปราศจากดาวหรือกาแลคซีใดๆ

     หลังจากการเริ่มต้นของเอกภพ ภายในไม่กี่นาทีหลังจากบิ๊กแบง อวกาศก็เต็มไปด้วยหมอกประจุไฟฟ้าหรือพลาสมา(plasma) หนาทึบที่ร้อนจัด แสงที่มีเพียงเล็กน้อยไม่สามารถเดินทางผ่านหมอกทึบได้ โฟตอนจะกระเจิงหลังจากชนกับอิเลคตรอนอิสระที่ล่องลอยอยู่ แต่เมื่อเอกภพเย็นตัวลงในอีกราว 3 แสนปีต่อมา โปรตอนและอิเลคตรอนเริ่มรวมตัวกลายเป็นไฮโดรเจนเป็นกลาง แสงก็สามารถผ่านตัวกลางที่เป็นกลางเหล่านี้ได้ แต่ก็ยังมีแหล่งแสงเพียงไม่กี่แห่งเท่านั้น ซึ่งเรียกช่วงเวลานี้ว่า ยุคมืดของเอกภพ(cosmic dark age)  

ความเป็นมาตลอด 13.8 พันล้านปีของเอกภพ

     เอกภพเต็มไปด้วยกลุ่มหมอกก๊าซไฮโดรเจนที่หนาทึบ กระทั่งดาวดวงแรกๆ สุดทำให้ก๊าซเป็นกลางรอบๆ พวกมันแตกตัวเป็นไอออน และแสงก็เริ่มเดินทางผ่านไปได้ นักดาราศาสตร์ใช้เวลาหลายทศวรรษในความพยายามเพื่อจำแนกแหล่งที่เปล่งรังสีที่ทรงพลังมากพอที่จะค่อยๆ แผ้วถางหมอกไฮโดรเจนที่ปกคลุมเอกภพยุคต้นทิ้งไป โดยแหล่งที่เป็นไปได้อาจเป็นหลุมดำขนาดยักษ์ที่การสะสมมวลสาร(accretion) ได้สร้างแสงที่แรงกล้าออกมา หรือกาแลคซีขนาดใหญ่ที่กำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคักซึ่งดาวใหม่ๆ จะเปล่งรังสีอุลตราไวโอเลตรุนแรงออกมา เป็นต้น  

     โครงการ UNCOVER(Ultradeep NIRSpec and NIRCam Observations before the Epoch of Reionization) เป็นทั้งการสำรวจถ่ายภาพและเก็บสเปคตรัมกระจุกกาแลคซี Abell 2744 ที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ความโน้มถ่วงอยู่ห่างออกไป 4 พันล้านปีแสง เกิดจากกระจุกกาแลคซีสองแห่งกำลังชนกัน ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติใช้เลนส์ความโน้มถ่วงจากวัตถุนี้ ซึ่งก็เรียกอีกชื่อว่า กระจุกของแพนโดรา(Pandora’s cluster) เพื่อสำรวจแหล่งแสงในยุคแห่งการรีไอออนไนซ์เอกภพ

ขั้นตอนการรีไอออนไนซ์เอกภพ จากการศึกษาใหม่บอกว่า กาแลคซีแคระผลิตรังสีได้ในปริมาณสูง ทำให้หมอกก๊าซไฮโดรเจนทึบรอบๆ แตกตัวเป็นไอออน โฟตอนแสงเดินทางผ่านออกมาได้ สร้างฟอง ซึ่งขยายจนซ้อนทับกัน และในที่สุด ก็ทำให้เอกภพโปร่งแสงโดยสมบูรณ์ 

      เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ขยายและบิดเบือนลักษณะปรากฏของกาแลคซีที่อยู่ห่างไกล ดังนั้น พวกมันจึงดูแตกต่างจากกาแลคซีที่พื้นหน้าอย่างมาก เลนส์กระจุกกาแลคซีนั้นมีมวลสูงมากจนมันบิดห้วงกาลอวกาศรุนแรงมากพอที่แสงจากกาแลคซีที่ห่างไกลที่ผ่านทะลุอวกาศที่บิดเบี้ยว ก็ยังลักษณะปรากฏบิดเบี้ยวไปด้วย

     พลังจากการขยายแสงยังช่วยให้ทีมได้ศึกษาแหล่งแสงที่ห่างไกลมากเลย Abell 2744 เผยให้เห็นกาแลคซีสลัวอย่างสุดขั้ว 8 แห่งที่ไม่ควรจะมองเห็นได้ แม้กระทั่งด้วยเวบบ์ ทีมพบว่ากาแลคซีสลัวมากเหล่านี้เป็นผู้ผลิตรังสีที่ทำให้อะตอมแตกตัวเป็นไอออนที่สำคัญมาก สร้างแสงในระดับที่มากกว่าที่เราเคยสันนิษฐานไว้ถึง 4 เท่า ก่อนหน้านี้เราเคยคิดว่าจะมีโฟตอนราว 20% จากโฟตอนไอออนไนซ์ทั้งหมดที่สามารถหนีออกจากแคระเหล่านี้ได้ถ้าพวกมันเป็นแหล่งรังสีหลักสำหรับการรีไอออนไนซ์ แต่ข้อมูลใหม่บอกว่าแม้จะหลุดมาแค่ 5% ก็เพียงพอ นี่หมายความว่าเรามั่นใจได้ว่าโฟตอนเกือบทั้งหมดที่ทำให้เอกภพรีไอออนไนซ์ ก็น่าจะมาจากกาแลคซีแคระเหล่านี้

     การค้นพบนี้เผยให้เห็นบทบาทที่สำคัญอย่างยิ่งของกาแลคซีที่สลัวมาก ในวิวัฒนาการของเอกภพยุคต้น Iryna Chemerynska สมาชิกทีมจากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งปารีส ฝรั่งเศส กล่าว พวกมันผลิตโฟตอนไอออนไนซ์ที่เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นกลาง ให้กลายเป็นพลาสมาในระหว่างยุครีไอออนไนซ์ มันเน้นให้เห็นถึงความสำคัญในการเข้าใจกาแลคซีมวลต่ำในการส่งผลต่อความเป็นมาของเอกภพ

ภาพห้วงลึกมากโดยกล้องเวบบ์ พร้อมทั้งแหล่งแสงบางส่วนที่นักวิจัยจำแนกว่าเป็นผู้ขับดันกระบวนการรีไอออนไนซ์เอกภพ

     ประภาคารจิ๋วในเอกภพเหล่านี้โดยรวมแล้วเปล่งพลังงานมากเกินพอกว่างานที่ได้รับ Hakim Atek ผู้นำทีม จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งปารีส มหาวิทยาลัยซอร์บอนน์ ฝรั่งเศส และผู้เขียนนำรายงาน กล่าวเสริม แม้ว่าพวกมันจะมีขนาดเล็กจิ๋ว แต่กาแลคซีมวลต่ำเหล่านี้ก็เป็นผู้ผลิตรังสีทรงพลังอย่างล้นเหลือ และปริมาณแสงในช่วงเวลาดังกล่าวก็สำคัญมากจนอิทธิพลรวมๆ ของพวกมัน สามารถพลิกผันสถานะของเอกภพได้โดยสิ้นเชิง

     กว่าจะมาถึงข้อสรุปนี้ ทีมเริ่มด้วยการรวมข้อมูลภาพถ่ายเวบบ์ห้วงลึกมาก กับภาพของ Abell 2744 จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เพื่อที่จะรวบรวมว่าที่กาแลคซีที่สลัวสุดขั้ว ในยุคของการรีไอออนไนซ์ออกมา จากนั้นก็สำรวจติดตามผลด้วยการเก็บสเปคตรัมด้วย NIRSpec(Near-Infrared Spectrograph) ซึ่งมีมัลติชัตเตอร์เพื่อตรวจสอบพหุวัตถุได้ นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบความหนาแน่นจำนวนของกาแลคซีสลัวเหล่านี้ด้วย และประสบความสำเร็จในการยืนยันว่าพวกมันเป็นประชากรที่มีอยู่ดาษดื่นที่สุดในยุคแห่งการรีไอออนไนซ์ โดยมีแคระอยู่มากกว่ากาแลคซีขนาดใหญ่ราว 100 เท่า  

     นี่ยังเป็นครั้งแรกที่มีการตรวจสอบพลังการรีไอออนไนซ์ของกาแลคซีเหล่านี้ด้วย ซึ่งช่วยให้นักดาราศาสตร์ตรวจสอบว่าพวกมันกำลังผลิตรังสีทรงพลังเพียงพอที่จะทำให้เอกภพยุคต้นแตกตัวเป็นไอออนได้ ความไวที่เหลือเชื่อของ NIRSpec รวมกับผลการขยายแสงจากแรงโน้มถ่วงของ Abell 2744 ช่วยให้เราจำแนกและศึกษากาแลคซีจากช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกของเอกภพในรายละเอียดได้ แม้ว่าพวกมันจะสลัวกว่าทางช้างเผือกของเราร้อยกว่าเท่า Atek กล่าวต่อ

กระจุกกาแลคซี “กระจุกของแพนโดรา” หรือ Abell 2744 ในภาพที่ถ่ายโดยกล้องเวบบ์นี้ มีกาแลคซีที่พื้นหลัง 8 แห่งที่มาจากเอกภพช่วงต้นๆ

     ในโครงการสำรวจของเวบบ์ที่กำลังจะเกิดขึ้น ที่เรียกว่า GLIMPSE นักวิทยาศาสตร์จะทำการสำรวจท้องฟ้าห้วงลึกที่สุดเท่าที่จะทำได้ โดยการเล็งไปที่กระจุกกาแลคซีอีกแห่งที่เรียกว่า Abell S1063 ซึ่งอาจจำแนกกาแลคซีที่สลัวกว่านี้ในยุครีไอออนไนซ์ได้อีก เพื่อที่จะระบุให้แน่ชัดว่าประชากรแบบนี้เป็นประชากรหลักในยุคดังกล่าวจริง

     เมื่อผลสรุปใหม่เหล่านี้มีพื้นฐานจากการสำรวจที่ทำกับพื้นที่สำรวจแห่งเดียว ทีมบอกว่าคุณสมบัติไอออนไนซ์ของกาแลคซีสลัวก็อาจแตกต่างออกไปถ้าพวกมันอยู่ในพื้นที่ที่มีความแออัดสูงกว่าปกติ การสำรวจเพิ่มเติมในพื้นที่แห่งอื่นจึงน่าจะให้แง่มุมเพื่อปรับปรุงข้อสรุปเหล่านี้ได้ โครงการ GLIMPSE จะช่วยนักดาราศาสตร์ตรวจสอบช่วงเวลาที่เรียกว่า อรุณรุ่งแห่งเอกภพ(cosmic dawn) เมื่อเอกภพมีอายุเพียงไม่กี่ล้านปีเท่านั้น เพื่อพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการอุบัติขึ้นของกาแลคซีแห่งแรกๆ สุด การค้นพบเผยแพร่ใน Nature

แหล่งข่าว esa_webb.org : Webb finds dwarf galaxies reionised the universe
                sciencealert.com : we finally know what turned the lights on at the dawn of time
                skyandtelescope.com : Webb telescope finds dwarf galaxies lit up the early universe
                phys.org : what ended the “dark ages” in the early universe? New Webb data just brought us closer to solving the mystery