ระบบดาวคู่ทั่วทุกหัวระแหงในทางช้างเผือก

 

ภารกิจของปฏิบัติการไกอา(Gaia)

    เป็นครั้งแรกที่ข้อมูลดาวล่าสุดจากหอสังเกตการณ์อวกาศไกอาได้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้สร้างแผนที่สามมิติขนาดใหญ่ของระบบดาวคู่(binary stars) ที่อยู่ค่อนข้างห่างกัน ภายในระยะทางประมาณ 3000 ปีแสงจากโลก มี 1.3 ล้านคู่

     แผนที่ระบบดาวคู่งานแรกนี้ สร้างโดย Kareem El-Badry นักศึกษาปริญญาเอกสาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ น่าจะเป็นที่ตื่นตาตื่นใจสำหรับนักวิจัยที่ศึกษาระบบดาวคู่ ซึ่งมีอย่างน้อยครึ่งหนึ่งในบรรดาดาวฤกษ์ทั้งหมดที่คล้ายดวงอาทิตย์ และดาวแคระขาว, ดาวเคราะห์นอกระบบ และวิวัฒนาการดาวฤกษ์ โดยรวม ก่อนการมีไกอา มีแค่เพียงแผนผังระบบดาวคู่ที่อยู่ใกล้ๆ ซึ่งรวบรวมขึ้นโดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียมฮิพพาร์คัสซึ่งใช้การไม่ได้แล้ว ซึ่งมีดาวที่น่าจะเป็นคู่ราว 200 คู่

     El-Badry กล่าวว่า นี่เป็นเพียงแค่การเพิ่มขนาดตัวอย่างขึ้นอย่างมากมายเท่านั้น และมันก็เพิ่มสิ่งที่เป็นสภาวะวิวัฒนาการที่เราพบในระบบคู่ ในตัวอย่างของเรา เราพบดาวแคระขาวถึง 17000 ดวง ซึ่งเป็นกลุ่มประชากรที่ใหญ่มาก ดาวแคระขาวเป็นสถานะสุดท้ายของดาวฤกษ์เกือบทั้งหมด ดวงอาทิตย์เองก็น่าจะจบชีวิตกลายเป็นดาวแคระขาวขนาดกะทัดรัดในอีก 5 พันล้านปีข้างหน้า

     แผนที่ของ El-Badry ยังรวมระบบ 1400 แห่งที่ประกอบด้วยดาวแคระขาว 2 ดวง และระบบคู่อีก 1600 แห่งที่ประกอบด้วยดาวแคระขาว-ดาวฤกษ์ชนิดอื่น

     ในบรรดาดาว 2.6 ล้านดวงนี้ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในช่วงรุ่งเรืองของชีวิต นักดาราศาสตร์เรียกช่วงเวลาดังกล่าวว่า ดาววิถีหลัก(main sequence stars) เนื่องจากพวกมันกระจุกอยู่ตามแนวเส้นๆ หนึ่งเมื่อพล๊อตกราฟอุณหภูมิ-ความสว่าง ด้วยขนาดกลุ่มตัวอย่างที่ใหญ่เช่นนี้ El-Badry บอกว่าเป็นไปได้ที่จะทำสำมะโนครัวประชากรระบบดาวคู่เหล่านี้ เพื่อตอบคำถามว่า อัตราส่วนมวลของดาวสองดวงในระบบคู่ทั้งหมด เป็นอย่างไร มีระยะห่างหรือความรี(eccentricity) การโคจรกระจายอย่างไร

เมื่อพล๊อตคุณสมบัติของดาวตามสีและความสว่าง พวกมันจะอยู่ตามแนวเส้นๆ หนึ่งที่เรียกว่า วิถีหลัก(main sequence) ซึ่งจะใช้ชีวิตเกือบทั้งหมดของพวกมันในการหลอมไฮโดรเจน แล้วจะพัฒนาเป็นดาวยักษ์แดง(red giants) และจากนั้นก็ดาวแคระขาว(white dwarf) เฉพาะเมื่อจบชีวิตเท่านั้น การสำรวจระบบดาวคู่ที่อยู่ใกล้ๆ ก่อนหน้านี้พบหลายร้อยแห่ง ในขณะที่แผนที่ใหม่เอี่ยมมีระบบดาวคู่ 1.3 ล้านแห่งซี่งช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจวิวัฒนาการของระบบดาวคู่และดาวโดยรวมได้ดีขึ้น  

     ในอนาคต El-Badry วางแผนที่จะมุ่งเป้าไปที่ระบบดาวแคระขาวคู่ เนื่องจากสามารถระบุอายุดาวแคระขาวได้แม่นยำกว่ากับดาวฤกษ์ปกติ ดาววิถีหลักอย่างดวงอาทิตย์นั้นจะดูเหมือนเดิมได้เป็นหลายพันล้านปี หรือกระทั่งหลายหมื่นล้านปี ในขณะที่ดาวแคระขาวเปลี่ยนแปลงโดยมันจะเย็นตัวลงด้วยอัตราที่ทราบเป็นอย่างดี และเนื่องจากระบบคู่ถือกำเนิดในเวลาเดียวกัน อายุของดาวแคระขาวจึงบอกนักดาราศาสตร์ถึงอายุของคู่ในวิถีหลัก หรือกระทั่งดาวเคราะห์ใดๆ ที่โคจรรอบดาวฤกษ์นั้น

     สำหรับดาวแคระขาว โดยรวมแล้วมันง่ายที่จะบอกว่ามีอายุเก่าแก่แค่ไหน ไม่ใช่แค่ว่าเป็นดาวแคระขาวมานานแค่ไหน แต่เป็นอายุโดยรวมเลย El-Badry กล่าว คุณยังสามารถตรวจสอบมวลของพวกมัน เนื่องจากดาวแคระขาวมีความสัมพันธ์มวล-รัศมี ที่ทราบเป็นการอย่างดี ยกตัวอย่างเช่น El-Badry และเพื่อนร่วมงานเพิ่งใช้ข้อมูลไกอาเพื่อประเมินอายุของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ขนาดพอๆ กับดาวพฤหัสฯ ดวงหนึ่งที่พบโดยดาวเทียม TESS รอบๆ ระบบคู่ ดาวแคระขาว-ดาวฤกษ์แคระสีเหลืองส้ม(K dwarf) ดาวเคราะห์นอกระบบดวงนี้ TOI-1259Ab มีอายุประมาณ 4 พันล้านปี เมื่อประเมินจากพื้นฐานอายุของดาวแคระขาว

     ในบัญชีรายชื่อนี้ มีระบบลักษณะนี้ประมาณ 15 แห่ง คือ เป็นดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์กับดาวแคระขาว เขากล่าว และก็ยังมีอีกสองสามร้อยแห่งที่เป็นดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์อีกดวง นี่น่าจะควรสนใจเป็นพิเศษเนื่องจาก ในบางกรณี ดาวฤกษ์อื่นจะมีพลวัตต่อดาวเคราะห์ได้ บัญชีรายชื่อระบบดาวคู่ใกล้บ้านจะเผยแพร่ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

     ทีมวิจัยยังประกอบด้วย Jackie Faherty นักวิทยาศาสตร์ที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติอเมริกัน ในนิวยอร์คซิตี้ เพื่อสร้างวีดีโอระบบคู่นับล้านแห่งรอบๆ โลก ซึ่งเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของทางช้างเผือกเท่านั้น

 

การใช้ตรีโกณมิติเพื่อตรวจสอบระยะทางสู่วัตถุไม่ไกล จากการวัดมุมพารัลแลกซ์(parallax)

          ก่อนที่องค์กรอวกาศยุโรปจะส่งไกอาออกไปในปี 2013 เพื่อตรวจสอบระยะทางและการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ใกล้เคียงนับล้านดวงอย่างแม่นยำนั้น หนทางเดียวที่จะหาระบบดาวคู่ก็คือ การมองหาดาวที่อยู่ใกล้กันบนท้องฟ้า นี่อาจเป็นเรื่องที่ยุ่งยากเนื่องจากดาวที่อยู่ใกล้กันมากๆ เมื่อมองจากโลก ก็อาจจะห่างไกลจากกันหลายร้อยจนถึงหลายพันปีแสง เพียงแค่อยู่ในแนวเส้นสายตาใกล้เคียงกันเท่านั้น

     การระบุโอกาสการเรียงตัวที่เกิดโดยบังเอิญต้องใช้เวลาการสำรวจจำนวนมากเพื่อยืนยันว่า ว่าที่ดาวคู่ทั้งสองแท้จริงแล้วอยู่ในระยะทางใกล้เคียงกันและเคลื่อนที่ไปด้วยกัน เนื่องจากการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ใกล้เคียงจึงเปลี่ยนแปลงตำแหน่งปรากฏบนท้องฟ้า และสามารถใช้พารัลแลกซ์(parallax) เพื่อคำนวณว่าพวกมันอยู่ห่างกันแค่ไหน การเคลื่อนที่ของดาวข้ามท้องฟ้าที่เรียกว่า การเคลื่อนที่เฉพาะ(proper motion) ช่วยตรวจสอบความเร็วของมันได้

      ไกอาได้ทำการตรวจสอบตำแหน่งของดาว(astrometry) นี้กับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ๆ ทั้งหมดบนท้องฟ้าอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง จากวงโคจรของดาวเทียมที่ตำแหน่งลากรันจ์(Lagrangian) ของโลก-ดวงอาทิทตย์ การสำรวจของดาวเทียมจึงมีประโยชน์สำหรับสำหรับดาวที่อยู่ภายในระยะทาง 3000 ปีแสงจากโลก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเมื่อเลยจากระยะทางนี้ออกไป มุมพารัลแลกซ์ที่เกิดขึ้นมักจะเล็กเกินกว่าจะตรวจสอบได้

     El-Bardry ได้เริ่มมองหาระบบดาวคู่ในข้อมูลจากไกอาหลังจากที่ปฏิบัติการได้เผยแพร่การตรวจสอบดาวชุดที่ 2(Gaia Data Release 2; DR2) ในปี 2018 ด้วยความช่วยเหลือจากเพื่อนร่วมงาน Hans-Walter Rix ผู้อำนวยการสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ ในไฮเดลแบร์ก เจอรมนี และ Tyler Heintz นักศึกษาที่มหาวิทยาลัยบอสตัน พวกเขาได้พัฒนาเทคนิคการคำนวณเพื่อจำแนกดาวที่เคลื่อนที่ไปด้วยกันผ่านห้วงอวกาศ และด้วยระยะทางจากโลกที่เท่ากันด้วย เทคนิคนี้ฉายการเคลื่อนที่ของดาวแต่ละดวงตลอดช่วงหลายพันปี โดยมีพื้นฐานจากการเคลื่อนที่เฉพาะในปัจจุบัน และดึงดาวที่กำลังเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกันออกมา ถ้าพวกมันเกิดมีระยะทางจากการวัดพารัลแลกซ์เท่ากันด้วย พวกมันก็อาจจะยึดเกาะกันและกันไว้ เขากล่าว

     ทีมได้มุ่งเป้าไปที่ระบบดาวคู่ที่อยู่ไกลกันเป็นหลัก เป็นระบบดาวคู่ที่อยู่ห่างกัน 10 เท่าหน่วยดาราศาสตร์(Astronomical Unit; ระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์) เป็นอย่างน้อย ดาวที่อยู่ใกล้กว่าค่านี้มักจะปรากฏเป็นจุดแสงจุดเดียว และต้องการเทคนิคการตรวจสอบสเปคตรัมอื่นๆ เพื่อแยกแยะว่าพวกมันเป็นระบบดาวคู่จริงหรือไม่

ภาพสีรวมระบบดาวคู่(binary stars) ที่อยู่ใกล้โลก จากการสำรวจของไกอา

     เพื่อเข้าถึงข้อมูลล่าสุดจากไกอาให้ได้ก่อน El-Badry ตื่นตอนตี 3 ของวันที่เผยแพร่ข้อมูล 3 ธันวาคม ปีที่แล้ว และอยู่ในกลุ่มนักดาราศาสตร์อื่นๆ อีกราวร้อยคนจากทั่วโลกบนโปรแกรม Zoom เขาเปิดโปรแกรมที่ทำไว้ก่อนแล้วกับข้อมูลเพื่อสกัดข้อมูลบัญชีรายชื่อที่ต้องการเพื่อสร้างแผนที่สามมิติ คำตอบส่งกลับมาเป็นว่าที่ระบบดาวคู่ราว 1.8 ล้านคู่จากบัญชีดาวของไกอาประมาณ 1.8 พันล้านดวง ดังนั้น เขาจึงต้องประเมินความน่าจะเป็นที่บางคู่อยู่ในระยะทางเดียวกันและเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันโดยบังเอิญ แต่ไม่ได้เป็นคู่จริงๆ เขาประเมินว่ามีเกือบ 1.3 ล้านคู่ที่มีความน่าจะเป็นอย่างน้อย 90% ที่จะยึดเกาะกันอยู่ และ 1.1 ล้านคู่มีความน่าจะเป็นที่ 99%   

     ดาวฤกษ์ที่คล้ายดวงอาทิตย์ทั้งหมดประมาณครึ่งหนึ่งเป็นระบบดาวคู่ หลายๆ ดวงก็อยู่ใกล้เกินกว่าจะแยกแยะได้ แต่เราพบว่ามีประมาณ 25% ของดาวที่คล้ายดวงอาทิตย์ มีดาวข้างเคียงในระบบคู่ที่ระยะห่างมากกว่า 30 AU ประมาณระยะทางวงโคจรของพลูโต เขากล่าว การกระจายไปกระจุกกันมากที่ระยะห่าง 30 หรือ 50 AU บางคู่ก็ห่างกันมากกว่านั้นถึงระดับพาร์เซค(parsec ราว 260,000 AU หรือ 3.26 ปีแสง) แม้ว่าเกือบทั้งหมดจะอยู่ห่างจากกันภายในระยะ 1000 AU

     แต่สิ่งหนึ่งที่ชัดเจนก็คือ การวิเคราะห์ใหม่ได้ยืนยันบางสิ่งที่บอกใบ้ไว้ในข้อมูลปี 2018 ว่า ระบบดาวคู่หลายแห่งมีมวลที่ใกล้เคียงกันอย่างมาก สิ่งหนึ่งที่เราได้พบนั้นมันเจ๋งมาก เราพบมันใน DR2 แต่ขณะนี้เราสามารถศึกษามันได้ดีขึ้นด้วยกลุ่มตัวอย่างนี้ ก็คือ ระบบคู่น่าจะเป็นฝาแฝดแท้(identical twins) El-Bardry กล่าว นี่เป็นเรื่องที่แปลกประหลาดจริงๆ เนื่องจากพวกมันเหล่านี้เกือบทั้งหมดอยู่ห่างจากกันหลายร้อยหรือหลายพันเอยู ดังนั้นพวกมันก็อยู่ไกลจากกันมาก จนทฤษฎีการก่อตัวดาวดั่งเดิมบอกไว้ว่า มวลของพวกมันควรจะเป็นไปอย่างสุ่ม แต่ข้อมูลบอกถึงเรื่องราวที่แตกต่างออกไป พวกมันรับรู้ถึงมวลของดาวข้างเคียงได้

      นี่เป็นนัยยะว่า พวกมันก่อตัวอยู่ใกล้กันมากกว่านี้อย่างมากในกระบวนการที่ดูจะปรับสมดุลมวลของพวกมัน และจากนั้นก็จับขยับห่างจากกัน บางทีอาจจะเพราะปฏิสัมพันธ์กับดาวอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง

     การรวบรวมบัญชีระบบดาวคู่ครั้งใหม่นี้ยังช่วยให้ El-Badry ได้ตรวจสอบความคลาดเคลื่อนที่รายงานไว้ในการตรวจสอบตำแหน่งของดาวจากไกอาด้วย ซึ่งจะสามารถช่วยเหลือนักวิจัยคนอื่นๆ ที่ใช้ข้อมูลเหล่านี้

แหล่งข่าว phys.org : binary stars are all around us, new map of solar neighborhood shows  

ร่องรอยของซากดาวในซุปเปอร์โนวา 1987A

 

ภาพมุมกว้างแสดงซุปเปอร์โนวา 1987A ภาพเล็ก-ภาพขยายซุปเปอร์โนวาแห่งนี้ซึ่งสร้างวงแหวนก๊าซเป็นรูปนาฬิกาทราย

     นับตั้งแต่ที่นักดาราศาสตร์ได้พบการระเบิดของดาวดวงหนึ่งอย่างเจิดจ้าในวันที่ 24 กุมภาพันธ์ 1987 นับแต่นั้นมา นักวิจัยก็ได้สำรวจหาแกนกลางที่บีบตัวอย่างหนาแน่นซึ่งน่าจะเหลือทิ้งไว้ และสุดท้ายแล้ว ทีมนักดาราศาสตร์ที่ใช้ข้อมูลจากปฏิบัติการอวกาศของนาซาและกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ก็อาจจะพบมันแล้วในที่สุด

     ในฐานะซุปเปอร์โนวาแรกที่เห็นได้ด้วยตาเปล่าในช่วงเวลา 400 ปี ซุปเปอร์โนวา 1987A(SN 1987A) ก็สร้างความตื่นเต้นอย่างมากในหมู่นักวิทยาศาสตร์ และไม่นานก็กลายเป็นวัตถุที่ถูกศึกษาอย่างทะลุปรุโปร่งที่สุดแห่งหนึ่งบนท้องฟ้า ซุปเปอร์โนวานี้อยู่ในเมฆมาเจลลันใหญ่(Large Magellanic Cloud) ซึ่งเป็นกาแลคซีบริวารขนาดเล็กแห่งหนึ่งของทางช้างเผือก ซึ่งอยู่ไกลออกไปเพียง 170,000 ปีแสง

     ในขณะที่นักดาราศาสตร์เฝ้าดูเศษซากจากการระเบิดกระจายตัวออกจากพื้นที่ที่มีการทำลาย พวกเขาก็ยังมองหาสิ่งที่น่าจะเป็นซากแกนกลางของดาว ซึ่งเรียกว่าดาวนิวตรอน

     ข้อมูลจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา และข้อมูลที่ไม่ได้เผยแพร่จาก NuSTAR(Nuclear Spectroscopic Telescope Array) ของนาซา พร้อมทั้งข้อมูลจาก ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ภาคพื้นดินซึ่งรายงานเมื่อปีที่แล้ว ขณะนี้กลายเป็นกลุ่มหลักฐานที่น่าสนใจแสดงการมีอยู่ของดาวนิวตรอนดวงหนึ่งในใจกลางของ SN 1987A

     Emanuele Greco ผู้นำการศึกษา จากมหาวิทยาลัยปาเลอร์โม ในอิตาลี กล่าวว่า เป็นเวลาถึง 34 ปี ที่นักดาราศาสตร์ได้ขุดคุ้ยเศษซากดาวจาก SN 1987A เพื่อหาดาวนิวตรอนที่เราคาดว่าจะอยู่ที่นั้น เงื่อนงำจำนวนมากกลับกลายเป็นทางตัน แต่เราคิดว่าผลสรุปล่าสุดของเราน่าจะแตกต่าง เมื่อดาวดวงหนึ่งระเบิด มันจะยุบตัวลงก่อนที่ชั้นก๊าซส่วนนอกๆ จะระเบิดกระจายออกสู่อวกาศ การบีบอัดแกนกลางเปลี่ยนมันให้กลายเป็นวัตถุที่หนาแน่นเป็นพิเศษ โดยมีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์บีบอัดในวัตถุที่มีความกว้างเพียง 16 กิโลเมตรเท่านั้น วัตถุเหล่านี้ถูกเรียกว่า ดาวนิวตรอน(neutron star) เนื่องจากพวกมันประกอบด้วยนิวตรอนที่อยู่กันอย่างหนาแน่นมาก พวกมันจึงเป็นห้องทดลองฟิสิกส์สุดขั้วที่ไม่สามารถทำเลียนแบบบนโลกได้

ซุปเปอร์โนวา 1987A ระเบิดเมื่อสามสิบกว่าปีก่อนและยังคงปกคลุมไปด้วยเศษซากจากการระเบิด สภาพแวดล้อมพลังงานสูงนี้ถูกถ่ายภาพได้โดยดาวเทียม NuSTAR ของนาซา(แสดงเป็นสีฟ้า) และหอสังเกตการณ์จันทรา(แสดงเป็นสีแดง) ซึ่งมีความละเอียดสูงกว่า

     ดาวนิวตรอนที่มีความเป็นแม่เหล็กสูงและหมุนรอบตัวเร็วมาก ซึ่งเรียกว่า พัลซาร์(pulsars) จะสร้างลำคลื่นที่คล้ายกับประภาคารให้นักดาราศาสตร์ตรวจจับได้เป็นจังหวะ(pulses) เมื่อการหมุนรอบตัวของวัตถุกวาดลำแสงข้ามท้องฟ้า และยังมีพัลซาร์กลุ่มย่อยที่สร้างลมจากพื้นผิวของพวกมัน ซึ่งบางครั้งก็พัดพาด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ซึ่งจะสร้างโครงสร้างอนุภาคมีประจุและสนามแม่เหล็กที่ซับซ้อน ซึ่งเรียกกันว่า เนบิวลาลมพัลซาร์(pulsar wind nebula)

     ด้วยจันทราและ NuSTAR ทีมได้พบการเปล่งรังสีเอกซ์ระดับพลังงานค่อนข้างต่ำจากเศษซาก SN 1987A ที่ชนกับวัสดุสารรอบข้าง ทีมยังพบหลักฐานของอนุภาคพลังงานสูงโดยใช้ความสามารถของ NuSTAR ที่ตรวจจับรังสีเอกซ์พลังงานสูงขึ้นได้

     มีคำอธิบายที่เป็นไปได้ 2 อย่างสำหรับการเปล่งรังสีเอกซ์พลังงานรุนแรงนี้ ก็คือ อาจเป็นเนบิวลาลมพัลซาร์ หรือไม่ก็ อนุภาคที่ถูกเร่งความเร็วจนมีพลังงานสูงโดยคลื่นการระเบิด ลำดับเหตุการณ์อันหลังไม่ต้องการการมีอยู่ของพัลซาร์ และเกิดขึ้นในระยะทางที่ไกลจากใจกลางการระเบิดได้มากยิ่งกว่า

     การศึกษาในช่วงรังสีเอกซ์ล่าสุดได้สนับสนุนกรณีเนบิวลาลมพัลซาร์ ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีดาวนิวตรอนอยู่ที่นั้น ด้วยการค้านลำดับเหตุการณ์การเร่งความเร็วจากคลื่นการระเบิด ประการแรก ความสว่างของรังสีเอกซ์พลังงานสูงยังคงใกล้เคียงเดิมระหว่างปี 2012 ถึง 2014 ในขณะที่การเปล่งคลื่นวิทยุที่พบโดย Australia Telescope Compact Array นั้นสว่างมากขึ้น นี่ค้านกับสิ่งที่คาดไว้จากลำดับเหตุการณ์การเร่งความเร็วจากคลื่นการระเบิด ประการต่อมา ผู้เขียนประเมินว่ามันน่าจะต้องใช้เวลาเกือบ 400 ปีที่จะเร่งความเร็วให้กับอนุภาคอิเลคตรอนจนสามารถมีพลังงานสูงอย่างที่พบในข้อมูล NuSTAR ได้ ซึ่งก็เก่าแก่กว่าอายุของซากซุปเปอร์โนวานี้มากกว่าสิบเท่า

     นักดาราศาสตร์เคยสงสัยว่าน่าจะมีเวลาไม่เพียงพอให้พัลซาร์ก่อตัวขึ้น หรือกระทั่งว่าถ้า SN 1987A จะสร้างหลุมดำหรือไม่ Marco Miceli ผู้เขียนร่วม จากปาเลอร์โม เช่นกัน กล่าว จึงเป็นปริศนาสืบมาหลายทศวรรษ และเราก็กำลังตื่นเต้นอย่างมากที่ได้นำข้อมูลใหม่ๆ มาช่วยเติมปริศนาด้วยผลสรุปใหม่นี้ ข้อมูลของจันทราและ NuSTAR ยังสนับสนุนผลสรุปในปี 2020 จาก ALMA ที่ให้หลักฐานที่เป็นไปได้ว่าจะเป็นโครงสร้างของเนบิวลาลมพัลซาร์ ในช่วงความยาวคลื่นมิลลิเมตร ในขณะที่ “ก้อน” โครงสร้างนั้นก็มีคำอธิบายอื่นที่เป็นไปได้ แต่การจำแนกมันว่าเป็นเนบิวลาลมพัลซาร์น่าจะสอดคล้องกับข้อมูลรังสีเอกซ์ใหม่นี้ นี่เป็นหลักฐานเพิ่มเติมให้กับแนวคิดที่ว่ามีดาวนิวตรอนดวงหนึ่งเหลืออยู่ที่นั้น

ทางซ้าย ข้อมูลจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราของนาซาได้แสดงส่วนหนึ่งของซากจากดาวระเบิดที่เรียกว่าซุปเปอร์โนวา 1987A ทางขวา ภาพแสดงสิ่งที่อาจซ่อนอยู่ในใจกลางซากซุปเปอร์โนวา เป็นโครงสร้างที่เรียกว่า เนบิวลาลมพัลซาร์

      และถ้ามันเป็นพัลซาร์ที่ใจกลาง SN 1987A จริงๆ มันก็น่าจะเป็นพัลซาร์ที่อายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยพบมา การได้เฝ้าดูพัลซาร์นับตั้งแต่ที่มันกำเนิดน่าจะเป็นเรื่องที่อัศจรรย์ Salvatore Orlando ผู้เขียนร่วมจากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ปาเลอร์โม สถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ(INAF) ในอิตาลี กล่าว มันอาจจะเป็นโอกาสครั้งหนึ่งในชีวิตที่ได้ศึกษาการพัฒนาของพัลซาร์ทารก

     ใจกลางของ SN 1987A ถูกล้อมไปด้วยก๊าซและฝุ่น ผู้เขียนใช้แบบจำลองอันปราณีตบรรจงเพื่อให้เข้าใจว่าวัสดุสารนี้น่าจะดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่ระดับพลังงานต่างๆ อย่างไรบ้าง ช่วยให้แปลผลสเปคตรัมรังสีเอกซ์ได้เที่ยงตรงมากขึ้น ซึ่งก็คือปริมาณของรังสีเอกซ์ที่ระดับพลังงานต่างๆ นี่ช่วยให้นักวิจัยได้ประเมินว่าสเปคตรัมของพื้นที่ใจกลาง SN 1987A จะเป็นอย่างไรเมื่อไม่มีวัสดุสารมาบดบัง

     และก็เช่นเดียวกับกรณีอื่นๆ ยังคงต้องการข้อมูลอีกมากเพื่อย้ำกรณีลำดับเหตุการณ์เนบิวลาลมพัลซาร์ การสำรวจพบคลื่นวิทยุที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับการเพิ่มของระดับรังสีเอกซ์พลังงานค่อนข้างสูงในอนาคต น่าจะค้านกับแนวคิดนี้ ในอีกด้านหนึ่ง ถ้านักดาราศาสตร์สำรวจพบรังสีเอกซ์พลังงานสูงในปริมาณที่ต่ำลง ก็น่าจะช่วยสนับสนุนแนวคิดเนบิวลาลมพัลซาร์

     เศษซากดาวที่ล้อมรอบพัลซาร์นอกจากจะทำให้มองไม่เห็นพัลซาร์แล้ว ยังมีบทบาทใหญ่ในการดูดกลืนการเปล่งรังสีเอกซ์พลังงานต่ำอย่างรุนแรง ทำให้ตรวจจับในตอนนี้ไม่ได้ แบบจำลองทำนายว่า วัสดุสารนี้น่าจะกระจายตัวไปในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซึ่งจะลดระดับการดูดกลืนคลื่น ด้วยเหตุเช่นนี้ คาดว่าจะพบการเปล่งคลื่นจากพัลซาร์ในอีกราว 10 ปี เผยให้เห็นการมีอยู่ของดาวนิวตรอน

     รายงานที่อธิบายผลสรุปเหล่านี้จะเผยแพร่ใน Astrophysical Journal และเผยแพร่ออนไลน์แล้ว ผู้เขียนคนอื่นๆ ของรายงานได้แก่ Barbara Olmi และ Fabrizio Bocchino จาก INAF-ปาเลอร์โม เช่นกัน, Shigehiro Nagataki และ Masaomi Ono จากห้องทดลองบิ๊กแบงดาราศาสตร์ฟิสิกส์ RIKEN ในญี่ปุ่น, Akira Dohi จากมหาวิทยาลัยคิวชู ในญี่ปุ่น และ Giovanni Peres จากมหาวิทยาลัยปาเลอร์โม

แหล่งข่าว spaceref.com : reclusive neutron star may have been found in famous supernova
                iflscience.com : scientists may have finally found the missing product of a famous supernova     

NGC2360 : Caroline's Cluster

 

ในยุคที่ชาลล์ แมสซายเออร์จัดทำแมสซายเออร์แคตตาลอคอยู่ในฝรั่งเศส ทางฝั่งอังกฤษก็มีวิลเลี่ยมและแคโรไลน์ เฮอร์เชล สองพี่น้องชาวอังกฤษเชื้อชาติเยอรมัน ทั้งสองสำรวจท้องฟ้าและจัดทำรายการที่เรียกว่า “Catalogue of Naebula and Cluster of Stars” ตีพิมพ์ครั้งแรกในปี 1786 มีทั้งหมด 1,000 ตัว

ในปี 1810 วัตถุใน Catalogue of Nebula and Cluster of Stars ก็เพิ่มเป็น 2,500 ตัว และยังไม่จบแค่นี้ งานชิ้นนี้ได้รับการส่งผ่านไปยังจอห์น เฮอร์เชลลูกชายชองวิลเลี่ยม ในปี 1864 จอห์น เฮอร์เชล ตีพิมพ์รายการ “General Catalogue of Naebula and Cluster of Stars” ที่มีรายการวัตถุทั้งหมด 5,079 ตัว

ต่อมาอีกยี่สิบปี จอห์นดรายเยอร์ รวบรวมรายการวัตถุจากครอบครัวเฮอร์เชลและจากแหล่งอื่นเข้าด้วยกัน แล้วตีพิมพ์อีกครั้งในปี 1888 เรียกว่า “New General Catalogue” มีทั้งหมด 7,840 ตัว ซึ่งก็คือรายการวัตถุบนท้องฟ้า “NGC” ที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้นี่เอง

เกริ่นมายาวเพื่อจะบอกว่า แคโรไลน์ เฮอร์เชล เป็นใครและสำคัญอย่างไรต่อโลกดาราศาสตร์ ออบเจคแรกที่เธอพบด้วยตัวเองก็คือ NGC2360 ในปี 1783 ด้วยกล้องดูดาวแบบสะท้อนแสง 4.2” ที่วิลเลี่ยมทำให้ เธอเขียนไว้ในบันทึกว่า

“Following γ Canis Majoris, very faint Nebula”

ผมได้ดู NGC2360 เมื่อกลางเดือนกุมภาพันธ์ที่ผ่านมาจากบ้านที่บางพลี ด้วย Borg 101ED f6.4 หน้ากล้อง 101 มม หรือ 4 นิ้วพอจะมองเห็นจางๆ ที่กำลังขยาย 85 เท่า

แต่ง่ายกว่ามากเมื่อดูจากกล้องแบบผสมหน้ากล้อง 8.25นิ้ว ที่กำลังขยาย 140 เท่าในกระจุกมีดาวราว 10-20ดวง จากที่เห็นมีแขนสามแขนยืดยาวออกมาทางทิศเหนือ ทำให้คิดถึงหนวดปลาหมึก

มีข้อมูลว่ากล้องดูดาวขนาด 8” แบบที่ผมดูจะเห็นดาวในกระจุกราว 50 ดวง หากฟ้ามืดพอ

กระจุกดาว NGC2360 ประกอบด้วยดาวสว่างแมกนิจูด 10-13 ราว 100 ดวง ดาวหนาแน่นทางฝั่งตะวันตกมากกว่าฝั่งตะวันออก ทำให้มองหาขอบเขตของกระจุกดาวได้ยาก

เรื่องของกล้องดูดาวที่แคโรไลน์ใช้ก็น่าสนใจ โทนี่ เฟลนเดอร์เขียนไว้ในบทความ In Caroline Herschel’s Footsteps ตีพิมพ์ใน Sky&Telescope เมื่อปี 2007 ว่า กล้องดูดาวที่เธอใช้ในปัจจุบันคุณภาพเทียบได้กับกล้องดูดาวหักเหแสง 80มม f6 ที่ใช้เลนส์ตา Possl ขนาด 20 กับ 16 มม พอดี

ใครมีกล้องดูดาวขนาดนี้อยู่น่าลองตามรอยแคโรไลน์ เปรียบเทียบสิ่งที่เห็นกับคำบรรยายของเธอ ผมเชื่อว่าสำหรับ NGC2360 ถ้าดูด้วยกล้องขนาด 80มม ที่กำลังขยายต่ำ หากไกลแสงจากเมืองสักหน่อยคุณจะเห็นภาพที่แคโรไลน์บรรยายไว้เมื่อ 238 ปีก่อนแน่นอน

ข้อมูลพื้นฐาน 

Name: Caroline’s Cluster 
Catalog Number: NGC2360 
Type: Open Cluster 
Visual Magnitude: 7.19 
Dimension: 13 arcmin 
Constellation: Canis Major 
Distance: 3700ly 

Coordinates: 
R.A. 7h 18m 39.75s 
Dec. -15° 40’ 17.1” 

อ้างอิง, อ่านเพิ่มเติม 
https://skyandtelescope.org/observing/in-caroline-herschels-footsteps/ 
https://mgronline.com/science/detail/9560000065450 
https://astronomy.com/magazine/2018/08/an-ngc-primer

Cygnus X-1: หลุมดำแห่งแรกที่เรา(ยังไม่) รู้จัก

Tulip Nebula และ Cygnus X-1 credit: constellation-guide.com 

      การสำรวจหลุมดำแห่งแรกที่ตรวจจับได้ครั้งใหม่ได้นำให้นักดาราศาสตร์ตั้งคำถามว่าพวกเขารู้อะไรเกี่ยวกับวัตถุที่เป็นปริศนาที่สุดในเอกภพบ้าง รายงานที่เผยแพร่ในวารสาร Science ได้แสดงว่าระบบที่เรียกว่า Cygnus X-1 นั้นมีหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) ที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมา โดยไม่ใช้คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves)

     Cygnus X-1 เป็นหนึ่งในหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดแห่งหนึ่ง มันถูกพบเป็นแหล่งรังสีเอกซ์แห่งหนึ่งในปี 1964 โดยไกเกอร์เคาน์เตอร์คู่หนึ่งที่นำไปบนจรวดที่บินขึ้นสู่อวกาศแต่ไม่ถึงวงโคจร(sub-orbital rocket) ที่ส่งจากนิวเมกซิโก วัตถุนี้เป็นเป้าสนใจของการพนันในวงวิทยาศาสตร์ที่โด่งดังระหว่างนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Stephen Hawking และ Kip Thorne โดยในปี 1974 Hawking พนันไว้ว่ามันไม่ใช่หลุมดำ และ Hawking ก็แพ้พนันในปี 1990

      มันจึงกลายเป็นหนึ่งในหลุมดำที่ถูกศึกษามากที่สุดบนท้องฟ้า และนักดาราศาสตร์คิดว่าค่อนข้างรู้จักมันอย่างดี โดยเป็นวัตถุที่อยู่ห่างออกไปราว 6070 ปีแสง โดยมีหลุมดำมวล 14.8 เท่ามวลดวงอาทิตย์ และมีดาวข้างเคียงเป็นซุปเปอร์ยักษ์สีฟ้า HDE 226888 ซึ่งมีมวลราว 24 เท่าดวงอาทิตย์

     ในงานศึกษาล่าสุด ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้ใช้เครือข่ายเส้นฐานยาวมาก(Very Long Baseline Array) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุประกอบด้วยจานรับสัญญาณ 10 แห่งที่กระจายอยู่ทั่วสหรัฐฯ เมื่อทำงานร่วมกันก็เป็นเสมือนจานรับสัญญาณที่มีขนาดพอๆ กับทวีปอเมริกา พร้อมกับเทคนิคอันชาญฉลาดเพื่อตรวจสอบระยะทางในอวกาศ James Miller-Jones จากมหาวิทยาลัยเคอร์ติน และศูนย์เพื่อการวิจัยดาราศาสตร์วิทยุนานาชาติ(ICRAR) นักวิจัยนำทีม กล่าวว่า ถ้าเราสามารถมองวัตถุเดียวกันจากตำแหน่งที่แตกต่างกัน เราก็สามารถคำนวณระยะทางของมันได้โดยตรวจสอบว่า วัตถุนี้เคลื่อนที่ขยับไปไกลแค่ไหนเมื่อเทียบกับพื้นหลัง เหมือนกับถ้าคุณชูนิ้วออกไปและมองมันด้วยตาทีละข้าง คุณก็จะสังเกตเห็นว่านิ้วของมันจะขยับจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง นั้นเป็นกฏเดียวกันเลย หมายเหตุ เรียกว่าการสำรวจพารัลแลกซ์(parallax)

การตรวจสอบพารัลแลกซ์ที่ใช้เวลาห่างกัน 6 เดือน บอกเราว่า Cygnus X-1 อยู่ห่างออกไปกว่า 7000 ปีแสง  

     ตลอดหกวันที่เราสำรวจวงโคจรเต็มๆ ของหลุมดำนี้และใช้การสำรวจที่ได้จากระบบแห่งเดียวกันด้วยเครือข่ายกล้องเดียวกันในปี 2011 วิธีการนี้และการตรวจสอบครั้งใหม่ได้แสดงว่าระบบนั้นอยู่ห่างจากเรามากกว่าที่เคยคิด เกิน 7000 ปีแสงจากโลก Miller-Jones กล่าว ข้อมูลนี้สอดคล้องกับการตรวจสอบจากดาวเทียมไกอา(Gaia) โดยหลุมดำก็มีมวลสูงขึ้นอีกพอสมควร

     LIGO ได้ตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากการควบรวมซึ่งมีหลุมดำในระดับถึง 50 เท่ามวลดวงอาทิตย์ด้วย แต่พวกมันก็อาจเป็นผลผลิตจากดาวฤกษ์ที่มีองค์ประกอบเหล็ก(และโลหะอื่น) ที่ต่ำมากๆ ซึ่งหมายความว่ามีลมดวงดาวที่พัดอ่อนกว่า และจึงมีมวลเหลืออยู่มากกว่า ดาวที่เพิ่งก่อตัวภายในทางช้างเผือกมีองค์ประกอบโลหะในสัดส่วนที่สูงกว่า ซึ่งคิดกันว่าหมายความว่า ลมดวงดาวของพวกมันก็จะรุนแรงมากและผลักมวลออกไปได้มาก

     Ilya Mandel ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยโมนาช และ OzGrav(ARC Centre of Excellence in Gravitational Wave Discovery) บอกว่าหลุมดำมีมวลสูงมาก จนจริงๆ แล้วมันได้ท้าทายวิธีคิดของนักดาราศาสตร์ว่ามันก่อตัวอย่างไร

     ก่อนหน้านี้ หลุมดำมวลดวงดาวที่ยึดครองสถิติมวลสูงสุดที่ตรวจพบในช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือ M33 X-7 ซึ่งมีมวลที่ 15.65 เท่าดวงอาทิตย์ ในช่วงเวลาที่พบนี้ แม้ว่า M33 X-7 ก็ยังท้าทายแบบจำลองการก่อตัวหลุมดำ

     Cygnus X-1 ยังก่อตัวในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยโลหะ ซึ่งก็ท้าทายแนวคิดว่าหลุมดำมวลดวงดาวขนาดใหญ่จะก่อตัวเฉพาะในเอกภพยุคต้นจากดาวฤกษ์ที่ขาดแคลนโลหะ แต่จากงานวิจัยนี้บอกว่าหลุมดำมวลดวงดาวยักษ์ก็น่าจะสามารถก่อตัวเร็วๆ นี้ได้เช่นกัน LIGO ได้ตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากการควบรวมซึ่งมีหลุมดำในระดับถึง 50 เท่ามวลดวงอาทิตย์ด้วย แต่พวกมันก็อาจเป็นผลผลิตจากดาวฤกษ์ที่มีองค์ประกอบเหล็ก(และโลหะอื่น) ที่ต่ำมากๆ ซึ่งหมายความว่ามีลมดวงดาว(stellar wind) ที่พัดอ่อนกว่า และจึงมีมวลเหลืออยู่มากกว่า ดาวที่เพิ่งก่อตัวภายในทางช้างเผือกมีองค์ประกอบโลหะในสัดส่วนที่สูงกว่า ซึ่งคิดกันว่าหมายความว่า ลมดวงดาวของพวกมันก็จะรุนแรงมากและผลักมวลออกไปได้มาก

     นักวิทยาศาสตร์เสนอว่า ดาวสูญเสียมวลออกสู่สภาพแวดล้อมรอบข้างผ่านลมดวงดาวซึ่งพัดพามวลออกจากพื้นผิว แต่เพื่อที่จะสร้างหลุมดำที่หนักขนาดนี้ เราต้องลดปริมาณมวลที่ดาวสูญเสียออกไปลงตลอดช่วงชีวิตของพวกมัน เขากล่าว หลุมดำในระบบ Cygnus X-1 เริ่มต้นชีวิตเป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่งซึ่งมีมวลราว 60 เท่าดวงอาทิตย์ และยุบตัวลงโดยตรงโดยข้ามขั้นตอนการระเบิดซุปเปอร์โนวาไปเมื่อหลายหมื่นปีก่อน

ภาพจากศิลปินแสดงระบบ Cygnus X-1 ซึ่งหลุมดำกำลังดึงมวลสารของดาวยักษ์ข้างเคียง หลุมดำมวลดวงดาวแห่งนี้มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมาโดยการสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

     น่าอัศจรรย์ที่มันกำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ข้างเคียงดวงหนึ่ง ซึ่งเป็นซุปเปอร์ยักษ์ ทุกๆ 5.6 วัน ด้วยระยะทางเพียงหนึ่งในห้าของระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ การสำรวจใหม่เหล่านี้บอกเราว่าหลุมดำมีมวล 21 เท่าดวงอาทิตย์ เพิ่มขึ้นจากการประเมินไว้ก่อนหน้านี้ 50%  ซึ่งดาวข้างเคียงเองเมื่อมีการประเมินมวลใหม่ก็เพิ่มมาอยู่ที่ 40 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งมันเองก็ใหญ่พอที่วันหนึ่งจะกลายเป็นหลุมดำได้ ก่อตัวระบบหลุมดำคู่ที่สร้างกับที่เห็นในการควบรวมที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง

     อย่างไรก็ตาม ระบบคู่นี้ไม่น่าจะควบรวมได้ในเร็วๆ นี้ ในรายงานอีกฉบับ Xueshan Zhao เป็นผู้เขียนร่วมรายงาน และว่าที่ดอกเตอร์ที่ศึกษาที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งชาติ อันเป็นส่วนหนึ่งของสำนักวิทยาศาสตร์จีน(NAOC) ในเป่ยจิง ด้วยการใช้การตรวจสอบที่อัพเดทเพื่อหามวลและระยะทางของหลุมดำจากโลก ฉันก็สามารถยืนยันได้ว่า Cygnus X-1 กำลังหมุนรอบตัวอย่างเร็วมาก ใกล้เคียงกับความเร็วแสง และเร็วกว่าหลุมดำใดๆ ที่เคยพบมา เธอกล่าว

     สิ่งนี้ค้านกับระบบคู่ที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งมีการหมุนรอบตัวที่ช้ามากๆ หรือเอียง นี่บอกว่า Cygnus X-1 จะมีเส้นทางวิวัฒนาการที่แตกต่างจากระบบหลุมดำคู่ที่เราเห็นการควบรวม จากระยะห่างระหว่าง Cygnus X-1 และ HDE 226888 นักวิจัยได้คำนวณว่าคู่ไม่น่าจะควบรวมกันในช่วงเวลาพอๆ กับอายุของเอกภพ คือ 13.8 พันล้านปี การศึกษาระบบแห่งนี้ในตอนนี้ ก่อนที่หลุมดำแห่งที่สองจะยุบตัวลง จึงน่าจะเป็นโอกาสอันหาได้ยากในการเข้าใจระบบหลุมดำคู่

     ฉันอยู่ในช่วงเริ่มต้นอาชีพวิจัย ดังนั้นการเป็นส่วนหนึ่งของทีมนานาชาติและช่วยขัดเกลาคุณสมบัติของหลุมดำแห่งแรกที่ถูกพบ ก็เป็นโอกาสที่เยี่ยมยอด Zhao กล่าว ในปีหน้า กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ที่สุดบนโลก คือ เครือข่ายตารางกิโลเมตร(Square Kilometre Array; SKA) ก็จะเริ่มก่อสร้างในออสเตรเลียและอาฟริกาใต้ การศึกษาหลุมดำจะเป็นเหมือนส่องไฟให้กับความลับที่เก็บไว้อย่างดีที่สุดในเอกภพ เป็นงานวิจัยที่น่าตื่นเต้นแต่ก็ท้าทาย Millier-Jones กล่าว

     เมื่อกล้องโทรทรรศน์รุ่นถัดไปเริ่มทำงาน ความไวที่สูงขึ้นจะเผยให้เห็นเอกภพในรายละเอียดที่เพิ่มขึ้น ตอบแทนความพยายามนับหลายสิบปีของนักวิทยาศาสตร์และทีมวิจัยทั่วโลก เพื่อให้เข้าใจห้วงอวกาศ และวัตถุสุดขั้วและน่าพิศวงที่มีอยู่ให้ดีขึ้น เป็นช่วงเวลาที่ดีที่ได้เป็นนักดาราศาสตร์

แหล่งข่า spaceref.com : first black hole ever detected is more massive than we thought
              sciencealert.com : we thought we understood the “first” black hole. But we were wrong, scientists say  
              skyandtelescope.com : first-detected black hole is more massive than we thought 

กาแลคซีอายุน้อยที่เป็นผู้ใหญ่ก่อนวัย

 

ภาพของ ALESS 073.1 ซึ่งปรากฏเมื่อ 1.2 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น

     นักวิทยาศาสตร์ได้ท้าทายความเข้าใจปัจจุบันว่ากาแลคซีก่อตัวอย่างไร โดยเปิดเผยภาพของกาแลคซีอายุน้อยแห่งหนึ่งในช่วงต้นๆ ของเอกภพซึ่งกลับดูเป็นกาแลคซีผู้ใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ

      กาแลคซีซึ่งมีชื่อว่า ALESS 073.1 ดูเหมือนจะมีรายละเอียดทุกอย่างที่คาดไว้สำหรับกาแลคซีที่เป็นผู้ใหญ่มากและทำให้ทีมนักวิทยาศาสตร์ต้องตั้งคำถามว่าเพราะเหตุใดมันจึงโตเร็วมากๆ งานวิจัยใหม่เผยแพร่ในวารสาร Science ฉบับวันที่ 12 กุมภาพันธ์

     กาแลคซีมีหลายรูปร่าง, ขนาดและสี และประกอบด้วยองค์ประกอบที่แตกต่างกันเช่น ดิสก์ที่หมุนรอบตัว, แขนกังหัน และส่วนป่อง(bulges) ใจกลางกาแลคซี เป้าหมายหลักของดาราศาสตร์สมัยปัจจุบันก็คือเพื่อเข้าใจว่าเพราะเหตุใดกาแลคซีต่างๆ จึงมีลักษณะอย่างที่พวกมันเป็นในปัจจุบัน และองค์ประกอบที่แตกต่างกันของพวกมันก่อตัวขึ้นเมื่อใด ทีมซึ่งนำโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ในเวลส์ ใช้เครือข่ายมิลลิเมตร/เสี้ยวมิลลิเมตรขนาดใหญ่อะตาคามา(ALMA) เป็นไทม์แมชชีนเพื่อย้อนเวลากลับไปสู่อดีตอันไกลโพ้น เผยให้เห็นว่า ALESS 073.1 มีสภาพอย่างไรเมื่อเพียง 1.2 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น

     เนื่องจากแสงที่เปล่งออกจากกาแลคซีแห่งนี้ใช้เวลาหลายพันล้านปีเพื่อเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์ของเราบนโลก ทีมจึงสามารถสำรวจว่ากาแลคซีมีสภาพอย่างไรในช่วงเยาว์วัยและตรวจสอบได้ว่าเดิมทีมันก่อตัวอย่างไร แต่ผลสรุปที่ได้ก็เป็นภาพของกาแลคซีโบราณแห่งหนึ่งโดยตรงที่คมชัดที่สุดเท่าที่เคยทำมา จากการเปล่งคลื่นของฝุ่นและก๊าซ พวกเขาใช้ข้อมูลเพื่อทำแบบจำลองว่าสสารกระจุกในกาแลคซีอย่างไรและคำนวณการเคลื่อนที่ของมัน ซึ่งช่วยให้ทีมได้ทำการศึกษาโครงสร้างภายในในรายละเอียดได้

ภาพจากศิลปินแสดงทางช้างเผือกซึ่งก็เป็นกาแลคซีดิสก์แห่งหนึ่งที่มีแขนกังหัน

     เราได้พบส่วนป่อง(bulge) ขนาดใหญ่, ดิสก์ที่หมุนรอบตัว และสิ่งที่อาจเป็นแขนกังหัน ทุกอย่างครบในกาแลคซีแห่งนี้เมื่อเอกภพมีอายุเพียง 10% ของอายุปัจจุบันเท่านั้น Federico Lelli ผู้เขียนนำการศึกษา ที่มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ กล่าว หรือพูดอีกอย่างว่า กาแลคซีแห่งนี้ดูเหมือนเป็นผู้ใหญ่เต็มตัว ทั้งที่มันควรจะเป็นเพียงเด็กน้อย

     Timothy Davis ผู้เขียนร่วม จากสำนักฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ เช่นกัน กล่าวว่า การค้นพบที่น่าประทับใจนี้ท้าทายความเข้าใจของเราว่ากาแลคซีก่อตัวอย่างไร เนื่องจากเราเชื่อว่ารายละเอียดเหล่านี้จะเกิดขึ้นเฉพาะในกาแลคซีที่เต็มวัย ไม่ใช่ในกาแลคซีที่อายุน้อย รายละเอียดหลักของกาแลคซีก็คือ การมีอยู่ของส่วนป่อง ซึ่งเป็นกลุ่มของดาวที่อยู่กันอย่างแออัดซึ่งมักจะพบภายในใจกลางกาแลคซี แกนกลางของมันยังสร้างพลังงานมากกว่าที่อธิบายได้ด้วยดาวฤกษ์ การศึกษาก่อนหน้านี้ได้บอกว่า “นิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์”(active galactic nuclei; AGN) เช่นนี้จะบอกเป็นนัยถึงการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ซี่งมีมวลตั้งแต่หลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์

     เชื่อกันว่า ส่วนป่องขนาดใหญ่ก่อตัวขึ้นอย่างช้ามากๆ โดยการควบรวมกับกาแลคซีขนาดเล็กซ้ำแล้วซ้ำอีก หรือโดยกระบวนการที่จำเพาะที่เกิดขึ้นภายในกาแลคซีเองซึ่งก็ไม่ได้เกิดอย่างเร็วมากๆ นัก อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกลศาสตร์ของ ALESS 073.1 ได้เผยให้เห็นถึงการก่อตัวของส่วนป่องขนาดใหญ่ซึ่งเกิดขึ้นอย่างเร็วสุดยอดมาก โดยมีดาวราวครึ่งหนึ่งของกาแลคซีที่อยู่ในส่วนป่องนี้

     กาแลคซีเต็มวัยบางแห่งอย่างทางช้างเผือก ก็มีแขนกังหันที่ยื่นออกจากส่วนกลาง ทำให้มันมีรูปร่างกังหันที่สะดุดตา ใน ALESS 073.1 ก็พบรายละเอียดแขนกังหันคล้ายๆ กันอย่างไม่คาดคิด เนื่องจากคิดกันว่ากาแลคซียุคต้นจะต้องสับสนวุ่นวายและปั่นป่วน แทนที่จะเป็นโครงสร้างที่เรียงเป็นระเบียบเรียบร้อยอย่างแขนกังหัน กาแลคซีอย่าง ALESS 073.1 จึงเพิ่งท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวกาแลคซี Lelli กล่าวสรุป

การเคลื่อนที่ของก๊าซในกาแลคซี ALESS 073.1 ก๊าซที่สีฟ้ากำลังเคลื่อนที่เข้าหาเราในขณะที่ก๊าซเป็นสีแดงกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากเรา สิ่งเหล่านี้บ่งชี้ถึงดิสก์ที่กำลังหมุนรอบตัว

     การค้นพบใหม่เหล่านี้จึงบอกว่ากาแลคซีสามารถก่อตัวรายละเอียดความเป็นผู้ใหญ่เช่น ดิสก์และส่วนป่อง ได้เร็วมากและมีประสิทธิภาพมากกว่าที่เคยคิดไว้ โครงสร้างอย่างส่วนป่อง, ดิสก์ที่หมุนรอบตัว และสิ่งที่อาจเป็นแขนกังหันจะต้องก่อตัวขึ้นในเวลาไม่ถึงหนึ่งพันล้านปี ในอนาคต นักวิทยาศาสตร์ตั้งมั่นที่จะเก็บภาพกาแลคซีจากช่วงเวลาในเอกภพที่ใกล้เคียงกันด้วยคุณภาพสูงให้ได้จำนวนสักสิบกว่าแห่ง

     การสำรวจใหม่เหล่านี้จะบอกได้ว่ากาแลคซีอย่าง ALESS 073.1 นั้นเป็นสิ่งที่พบโดยทั่วไป หรือเป็นข้อยกเว้นในเอกภพยุคดึกดำบรรพ์ Lelli กล่าว การสำรวจนี้ควรจะเกิดขึ้นตั้งแต่ปีที่แล้ว แต่โชคร้ายที่หอสังเกตการณ์ ALMA ต้องปิดไปเนื่องจากโรคระบาด COVID-19

แหล่งข่าว phys.org : portrait of young galaxy throws theory of galaxy formation on its head
                space.com : surprisingly mature galaxy in the infant universe suggests galaxies form faster than we thought  
                 iflscience.com : a curious galaxy that is very young but looks very old is puzzling astronomers