สะพานขนนกในทางช้างเผือก

เส้นใยหยักที่พบดูเหมือนจะเป็น ขนแผง ที่เชื่อมแขนกังหันสองแขนของทางช้างเผือกไว้ แต่ก็อาจเป็นเพียงกิ่งย่อยของแขนไม้ฉาก(Norma arm) 
 

     ทีมนักวิจัยจากเจอรมนี, ฝรั่งเศส และสหราชอาณาจักร ได้ค้นพบเส้นใยก๊าซหนาทึบที่เรียวบาง เชื่อมโยงแขนกังหันสองแห่งของทางช้างเผือกไว้ ในรายงานที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters ทีมได้อธิบายงานซึ่งศึกษาก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในทางช้างเผือก

     เรามองเห็นกาแลคซีกังหันแห่งอื่นๆ อีกมากมายได้ดีกว่ากาแลคซีบ้านของเรา และจากสิ่งนี้ นักดาราศาสตร์ได้สร้างอนุกรมวิธานโครงสร้างที่ผุดออกจากแขนกังหัน ตั้งแต่ กิ่ง(branches), เสี้ยนสะเก็ด(splinters), ขนแผงแบบขนนก(feathers) ขึ้นอยู่กับมุมหรือรูปร่างของมัน ในงานวิจัยใหม่ นักวิจัยได้พบรายละเอียดที่เรียกว่า ขนแผง ซึ่งเป็นเส้นใยก๊าซยาวที่มีเงี่ยง(barbs) ซึ่งเมื่อมองจากโลกแล้วก็เหมือนขนนก แต่เนื่องจากมันยากมากๆ ที่จะศึกษาทางช้างเผือกจากมุมมองของโลก จึงไม่เคยพบเห็นรายละเอียดลักษณะนี้มาก่อนจนกระทั่งบัดนี้

ภาพแสดงแขนกังหันของทางช้างเผือกภาพนี้ค่อนข้างไม่ทันสมัยหลังจากการค้นพบเส้นใยสายหนึ่งซึ่งอาจมาจากแขนไม้ฉาก(Norma arm) หรือเป็นสะพานที่เชื่อมช่องว่างระหว่างแขนไม้ฉากกับแขนสามกิโลพาร์เซค(3kpc arm)

     ในงานของพวกเขา นักวิจัยศึกษาความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ในข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ APEX ในซานเปโดร เดอ อะตาคามา ในชิลี พวกเขาสังเกตเห็นความเข้มข้นสูงซึ่งไม่เคยเห็นมาก่อน และหลังจากตรวจสอบอย่างใกล้ชิดมากขึ้นก็พบว่า มันเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มก๊าซขนาดใหญ่ที่แผ่จากส่วนใกล้ใจกลางกาแลคซีออกมาข้างนอก เชื่อมโยงแขนกังหัน 2 แห่งคือแขนไม้ฉาก(Norma Arm) และ แขนสามกิโลพาร์เซค(3 kpc arm) ซึ่งเป็นแขนกังหันที่อยู่วงในสุดเท่าที่เคยพบมา

     นักวิจัยเรียกการก่อตัวนี้ว่า คลื่นกังโกตรี(Gangotri wave) เพื่ออุทิศให้กับธารน้ำแข็งขนาดใหญ่ในชื่อเดียวกัน ซึ่งน้ำที่ละลายเป็นต้นน้ำให้กับแม่น้ำคงคา(Ganges river; ภาษาอินเดียเรียก Ganga) ในอินเดียทางช้างเผือกรู้จักกันว่าชื่อว่า อากาศคงคา(Akash Ganga) ขนนกที่เพิ่งค้นพบใหม่มีความยาว 6000 ถึง 13000 ปีแสง เชื่อมโยงสองแขนกังหัน และอยู่ที่ระยะทาง 17000 ปีแสงจากใจกลางกาแลคซี ยังประเมินมวลก๊าซเทียบเท่ากับ 9 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ก่อนการค้นพบใหม่นี้ เส้นใยก๊าซทั้งหมดที่พบในทางช้างเผือกเรียงตัวอยู่แค่ภายในแขนกังหันเท่านั้น

บน- แผนที่ความเข้มของ ¹³CO จากการสำรวจ SEDIGISM ในช่วงความเร็ว -95 ถึง -75 km/s แสดงรายละเอียดที่คล้ายคลื่น ล่าง- แผนที่ความเข้มของ ¹²CO จากการสำรวจ ThrUMMS ในช่วงความเร็วเดียวกันกับชุดบน

     เส้นทางของกังโกตรีตรวจสอบโดยตามรอยคาร์บอนมอนอกไซด์ทั่วท้องฟ้า ซึ่งได้ทำในโครงการสำรวจท้องฟ้าหลายงานแล้ว แต่มีมวลของกังโกตรีเพียงน้อยนิดที่เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ และเมื่อใช้ คาร์บอน-13 ที่ใช้เพื่อตามรอยความเร็วก็ยิ่งมีปริมาณน้อยลงไปอีก แต่ก๊าซทำหน้าที่เป็นตัวตามรอยให้กับก๊าซที่มีมากแต่ตรวจสอบได้ยากอย่างไฮโดรเจนและฮีเลียม

     นักวิจัยพบว่าคลื่นกังโกตรียังมีรายละเอียดที่เป็นอัตลักษณ์และน่าสนใจอีกเมื่อมันไม่ได้ยืดตรงอย่างที่คาดไว้ แต่กลับหยักไปมาตามแนวยาวของมัน ในรูปแบบที่เรียกว่า คลื่นซายน์(sine wave) นักวิจัยไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ประหลาดนี้ได้แต่บอกไว้ว่าจะต้องมีแรงบางชนิดที่กระทำ เป็นแรงที่น่าจะเป็นจุดสนใจในงานวิจัยต่อๆ ไป ทีมวางแผนจะศึกษาก๊าซในทางช้างเผือกต่อไป คราวนี้มุ่งเป้าเพื่อมองหารายละเอียดใหม่ๆ

ตำแหน่งต้องสงสัยของกองโกตรี

     ความสามารถในการตามรอยการเคลื่อนที่ของดาวและตำแหน่งของเมฆก๊าซที่เพิ่มขึ้น ได้เผยให้เห็นบางิส่งเกี่ยวกับกาแลคซีขนาดเล็กกว่าที่ถูกผนวกเข้าสู่ทางช้างเผือก เมื่อไม่นานมานี้ นักดาราศาสตร์ได้เผยให้เห็นแขนกังหันพิเศษของทางช้างเผือก(Cattail; ผู้แปล) และมีเสี้ยนสะเก็ด หรือ ติ่ง(spur) แห่งหนึ่งที่งอกจากแขนคนยิงธนู(Sagittarius arm) ซึ่งมีวัตถุที่สวยงามทางดาราศาสตร์อย่าง เนบิวลาอินทรี(Eagle Nebula), เนบิวลาโอเมกา(Omega Nebula), เนบิวลาสามแฉก(Trifid Nebula) และเนบิวลาลากูน(Lagoon Nebula)

แหล่งข่าว phys.org : “Gangotri wave” connecting two of Milky Way’s spiral arms discovered  
                iflscience.com : first known “feather” connecting two of the Milky Way’s spiral arms discovered   

สึนามิของคลื่นความโน้มถ่วง

 

     ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติซึ่งรวมถึงนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย(ANU) ได้เผยบัญชีคลื่นความโน้มถ่วงในจำนวนที่มากที่สุดเท่าที่เคยพบ การค้นพบจะช่วยไขปริศนาที่ซับซ้อนที่สุดบางส่วนของเอกภพ ซึ่งรวมถึงวัตถุดิบของสสาร และการทำงานของอวกาศและเวลา

     การศึกษาของทีมจากทั่วโลกนี้เผยแพร่ใน arXiv เป็นการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงใหม่ 35 เหตุการณ์ที่เกิดจากการควบรวมของหลุมดำคู่ หรือดาวนิวตรอนชนกับหลุมดำ โดยใช้หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), Virgo และ KAGRA(Kamioka Gravitational Wave Detector) นี่ทำให้จำนวนรวมการตรวจจับเพิ่มเป็น 90 เหตุการณ์ จากการเดินเครื่องการสำรวจสามช่วงตั้งแต่ปี 2015 ถึง 2020

     บัญชีรายชื่อรวมการชนที่เกิดจากช่วงครึ่งหลังของการเดินเครื่องสำรวจครั้งที่สาม(O3b) ระหว่างพฤศจิกายน 2019 ถึงมีนาคม 2020 ซึ่งการเดินเครื่องครั้งนี้รวม Virgo ในอิตาลี และ LIGO อีกสองแห่งในสหรัฐฯ และโครงการ KAGRA ของญี่ปุ่นก็มาร่วมงานในช่วงสองสัปดาห์สุดท้าย เครื่องตรวจจับทั้งสี่ใช้เลเซอร์ที่สะท้อนออกจากกระจกเพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงระยะทางเพียงน้อยนิด เมื่อห้วงกาลอวกาศหดและยืดออกเมื่อมีคลื่นความโน้มถ่วงเดินทางผ่านมา

หลักการของมาตรแทรกสอด(interferometer) ที่ใช้เพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เมื่อระยะทางระหว่างกระจกยืด-หดเล็กน้อย ทำให้เวลาที่เลเซอร์เดินทางจากกระจกแบ่งแสงไปยังกระจกปลายทางและสะท้อนกลับมา ในสองทิศทางไม่เท่ากัน คลื่นจากสองทิศทางลบล้างกันและกันไม่หมด 

     เมื่อเริ่ม O3 กลุ่มความร่วมมือ LVK ได้สร้างการแจ้งเตือนสาธารณะเมื่อเกิดเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงขึ้น เพื่อให้เกิดการตอบสนองจากนักดาราศาสตร์อย่างรวดเร็ว ที่จะมองหาแสงเรืองใดๆ จากดาวนิวตรอนหรือหลุมดำที่ควบรวม หลุมดำคู่โดยปกติจะไม่มีแสงออกมา ยกเว้นแต่ว่าพวกมันล้อมรอบด้วยก๊าซ O3b เตือนออกมา 39 ครั้งซึ่งไม่มีครั้งใดที่มีแสงเลย   

     การตรวจจับใหม่มาจากเหตุการณ์ขนาดใหญ่ในอวกาศ ซึ่งเกือบทั้งหมดเกิดขึ้นไกลออกไปหลายพันล้านปีแสง ส่งระลอกผ่านห้วงกาลอวกาศมา รวมถึงการควบรวมของหลุมดำ 32 คู่ และการชนที่น่าจะเป็นดาวนิวตรอนกับหลุมดำอีก 2 คู่ และอีก 1 เหตุการณ์ที่ยังไม่ทราบชนิดของวัตถุที่เกี่ยวข้อง

     บัญชีรายชื่อใหม่เพิ่มขึ้นจากเฉลี่ย 1.5 เหตุการณ์ต่อสัปดาห์ที่พบในการเดินเครื่องครั้งที่แล้ว เป็นเฉลี่ย 1.7 เหตุการณ์ต่อสัปดาห์   

     นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลียเป็นหนึ่งในแกนหลักในทีมที่ทำการสำรวจและพัฒนาเทคโนโลจีที่ละเอียดอ่อนเพื่อตามล่าคลื่นความโน้มถ่วงที่ล่องลอยข้ามเอกภพอันไกลโพ้นมา Susan Scott ศาสตราภิชานจากศูนย์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ความโน้มถ่วง มหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย กล่าวถึงการค้นพบล่าสุดเหมือนกับเป็น สึนามิ และเป็น ย่างก้าวที่สำคัญสู่ภารกิจเพื่อไขความลับวิวัฒนาการเอกภพ การค้นพบเหล่านี้มีจำนวนเพิ่มเป็นสิบเท่าของคลื่นความโน้มถ่วงเมื่อ LIGO และ Virgo เริ่มต้นสำรวจ เธอกล่าว เราได้พบ 35 เหตุการณ์ นี่มากมาย เมื่อเทียบกับที่พบ 3 เหตุการณ์ในช่วงการเดินเครื่องสำรวจครั้งแรกที่ยาวสี่เดือนในปี 2015-16

     นี่สิถึงเป็นยุคสมัยใหม่สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง และจำนวนการค้นพบที่เพิ่มมากขึ้นก็กำลังเผยให้เห็นถึงข้อมูลมากมายเกี่ยวกับชีวิตและความตายของดาวทั่วเอกภพ เมื่อพิจารณามวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำในระบบคู่เหล่านี้ ก็บ่งชี้ว่าระบบเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร

หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO ที่ฮันฟอร์ด และ ลิฟวิงสตัน ในสหรัฐอเมริกา(บนซ้าย ล่างซ้าย ตามลำดับ) KAGRA อยู่ใต้ดิน(บนขวา) และ Virgo ล่างขวา

     บัญชีรายชื่อใหม่ที่เรียกว่า GWTC-3 มีหลายเหตุการณ์ที่น่าจดจำ เหตุการณ์หนึ่งเป็นการชนที่เกี่ยวข้องกับดาวนิวตรอนที่เบาที่สุดเท่าที่เคยพบผ่านวิธีใดๆ อยู่ที่ 1.2 มวลดวงอาทิตย์(กับหลุมดำที่ 33 เท่าดวงอาทิตย์) และอีกหนึ่งเหตุการณ์
(GW200210_092254) ที่ยังไม่ทราบชนิดวัตถุแน่ชัดนั้นเชื่อว่าเกิดจากหลุมดำมวล 24 เท่าดวงอาทิตย์ กับหลุมดำที่เบามากที่ราว 2.8 เท่าดวงอาทิตย์ แต่ในขณะที่นักวิจัยเชื่อว่าเป็นหลุมดำเบา จะสอดคล้องกับคุณสมบัติสัญญาณมากกว่า แต่ก็ยังตัดตัวเลือกดาวนิวตรอนหนักมากไม่ได้

      ในบัญชีนี้ยังมีเหตุการณ์การชนจากหลุมดำที่อวบอ้วนมาก(GW200220_061928) ด้วยมวล 87 และ 61 เท่าดวงอาทิตย์(มวลหลุมดำที่ได้ 141 เท่าดวงอาทิตย์) อยู่ในช่องว่างมวลหลุมดำที่ยากจะหาคำอธิบาย(ทางทฤษฎี) การชนอีกเหตุการณ์ได้สร้างหลุมดำที่ 104 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ซึ่งหลุมดำระดับร้อยเท่าขึ้นไป จะถูกจัดเป็นหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black holes) เป็นช่วงมวลระหว่าง 100 ถึงราว 1 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งพบหลุมดำเพียงไม่มาก

     บัญชียังมีหลุมดำที่หมุนรอบตัวเหมือนลูกข่างในทิศทางเดียวกันเมื่อพวกมันหมุนไปรอบๆ กันและกัน เป็นการเรียงตัวที่น่าจะเกิดขึ้นถ้าดาวที่ตายเป็นหลุมดำจับคู่กันมาตั้งแต่เกิด แต่ก็ยังมีอีกอย่างน้อย 1 คู่ที่หลุมดำหมุนกลับหัวกลับหางกัน เมื่อเทียบกับวงโคจร

     มันยังสร้างคำถามที่น่าสนใจมากบางอย่างเช่น ระบบพวกนี้เดิมก่อตัวจากดาวฤกษ์สองดวงที่ผ่านวัฎจักรชีวิตไปด้วยกันและต่อมาก็กลายเป็นหลุมดำด้วยกันหรือไม่ หรือเป็นหลุมดำสองแห่งที่พุ่งเข้าหากันในสภาพแวดล้อมที่มีพลวัตหนาแน่นมากเช่นในใจกลางกาแลคซี

     นอกจากจะเผยแพร่บัญชีรายชื่อแล้ว กลุ่มความร่วมมือ LVK ยังเผยแพร่รายงานอีก 3 ฉบับ ซึ่งฉบับหนึ่งเป็นการวิเคราะห์ประชากรความยาว 60 หน้า การศึกษาลักษณะนี้เป็นเชิงสถิติ ไม่ใช่เหตุการณ์เดี่ยวๆ นักวิจัยใช้เหตุการณ์ที่น่าเชื่อถือที่สุด 76 เหตุการณ์ในบัญชีรายชื่อ เพื่อมองดูว่าโดยรวมแล้ว พวกมันกำลังบอกอะไรเลย การศึกษาเชิงประชากรได้เผยเรื่องน่าสนใจหลายอย่าง

ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง 90 เหตุการณ์ ซึ่งเกิดขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำหรือไม่ก็ ดาวนิวตรอน หรือเป็นทั้งคู่ จุดต่างๆ ระบุมวลของวัตถุที่ควบรวม และมวลของวัตถุที่สร้างขึ้นมา จุดสีชมพูและเหลืองเป็นการตรวจจับจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า 

     อย่างแรก จำนวนของวัตถุที่มีมวลสูงกว่า 2 เท่าดวงอาทิตย์ มีจำนวนที่ลดลงอย่างชัดเจน นักดาราศาสตร์ได้คำนวณไว้ว่าไม่น่าจะได้เห็นวัตถุที่มีมวลระหว่าง 3 ถึง 5 เท่าดวงอาทิตย์อันเนื่องมาจากข้อจำกัดทางกายภาพว่า ดาวนิวตรอนจะมีขนาดใหญ่ได้แค่ไหนเช่นเดียวกับการสำรวจจากระบบคู่ในกาแลคซีของเรา แต่ข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงไม่ได้แสดงขีดจำกัดขั้นสูงในช่องว่างนี้ ข้อมูลบ่งชี้ว่าดาวนิวตรอนไม่สามารถมีมวลเกิน 2.3 เท่าดวงอาทิตย์ ดังนั้นบางทีหลุมดำอาจจะมีขนาดเล็กกว่าที่เราเคยคิดไว้ว่ามันเป็น ซึ่งผลสรุปก่อนหน้านี้ก็สนับสนุนแนวคิดนี้

     ประการที่สอง หลุมดำทุกๆ แห่งไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาให้เท่าเทียมกัน ถ้าคุณมองไปที่หลุมดำใหญ่ในแต่ละคู่ที่ควบรวม หลุมดำหลักจะกระจุกอยู่ในช่วงมวลที่แตกต่างกัน 3 ช่วงคือ 10, 17(โดยประมาณ) และที่ 35 เท่าดวงอาทิตย์ พวกมวล 10 เท่าดวงอาทิตย์มีคำอธิบายว่าไม่น่าจะเกิดจากการจับคู่ในภายหลัง ดังนั้นระบบคู่จะต้องเป็นซากของดาวที่ก่อตัวและตายลงในแบบที่เป็นฝาแฝดแท้ แต่ก็ไม่แน่ชัดว่าเพราะเหตุใดหลุมดำบางส่วนจึงมักจะมีมวลที่ 17 หรือ 35 เท่า

     ประการที่สาม ก็ยังไม่มีหลักฐานสำหรับช่องว่างมวลระดับสูง(upper mass gap) ผลนี้ต่างหากที่ผู้คนให้ความสนใจ นักดาราศาสตร์ทำนายมานานแล้วว่าน่าจะมีสภาพขาดแคลนหลุมดำที่มีมวลระหว่าง 50 ถึง 120 เท่าดวงอาทิตย์ เนื่องจากดาวที่มีขนาดใหญ่พอที่จะสร้างหลุมดำที่ใหญ่ขนาดนี้ ก็จะใหญ่มากพอที่จะฉีกตัวมันเองเมื่อตายลง(ในซุปเปอร์โนวาที่เรียกว่า คู่ไร้เสถียรภาพ; pair-instability supernova) โดยไม่เหลือซาก(หลุมดำ) ทิ้งไว้

     หลุมดำขนาดเกินปกติจากการเดินเครื่องสำรวจก่อนหน้านี้ กลับทำให้นักดาราศาสตร์ต้องงงงัน แต่แม้ว่าข้อมูลล่าสุดจะแสดงจำนวนหลุมดำเหนือ 45 เท่าดวงอาทิตย์ ที่ลดลง แต่ก็ยังไม่ใช่บทสรุป และเราก็ยังไม่เห็นหลุมดำใดๆ ที่มีมวลเหนือระดับ 120 เท่าดวงอาทิตย์ จึงยังไม่พบขอบเขตขั้นสูงของช่องว่างสูงนี้จริงๆ การคำนวณบอกว่าถ้าจะมีช่องว่างอยู่ มันจะเริ่มที่เหนือ 74 เท่าดวงอาทิตย์ สูงกว่าที่เคยคิดไว้

หลุมดำขนาดใหญ่ผิดปกติที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยกำเนิดจากดาวฤกษ์ อาจเป็นหลุมดำที่เกิดจากการควบรวมมาแล้วก่อนหน้านั้น 

     บางที หลุมดำที่ใหญ่อย่างไม่คาดคิดอาจจะไม่ได้มาจากดาวฤกษ์ปกติ แต่พวกมันเป็นหลุมดำรุ่นที่สองที่เกิดจากการควบรวมก่อนหน้านั้น หรืออาจจะอ้วนขึ้นต้องขอบคุณก๊าซที่พวกมันกลืนเข้าไป ลำดับเหตุการณ์ที่แตกต่างเหล่านี้น่าจะเป็นสาเหตุให้หลุมดำหมุนรอบตัวในแบบที่แน่นอน แต่โดยรวมแล้ว การตรวจสอบการหมุนรอบตัวก็ไม่ได้สนับสนุนทฤษฎีอย่างหนึ่งอย่างใดเลย

     LVK จะกลับมาเดินเครื่องการสำรวจครั้งที่ 4 ในช่วงปลายปี 2022 ซึ่งการอัพเกรดอาจจะเพิ่มจำนวนการตรวจจับขึ้นไปอีก 3 เท่า เราอาจจะได้เห็นการเตือนถึง 5 ครั้งต่อสัปดาห์

     Scott ซึ่งยังเป็นหัวหน้าที่ OzGrav(ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery) กล่าวว่าการพัฒนาความไวเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างต่อเนื่อง ได้ช่วยผลักดันการค้นพบที่เพิ่มขึ้นนี้ เทคโนโลจีใหม่กำลังช่วยให้เราได้สำรวจคลื่นความโน้มถ่วงได้มากกว่าที่เคยเป็นมา เธอกล่าว เราก็ยังได้ตรวจพื้นที่ช่องว่างมวลหลุมดำสองช่วง และทำการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้มากขึ้น

     สิ่งที่น่าตื่นเต้นจริงๆ อีกอย่างเกี่ยวกับการพัฒนาความไวของเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างคงที่นี้ ก็คือ นี่ก็จะช่วยนำไปสู่แหล่งคลื่นความโน้มถ่วงใหม่ๆ โดยสิ้นเชิง ซึ่งบางส่วนอาจจะไม่เคยคาดฝันมาก่อน

     เพิ่งจนตอนนี้ที่เราเพิ่งซาบซึ้งกับความหลากหลายอย่างน่าอัศจรรย์ของหลุมดำและดาวนิวตรอน Christopher Berry อาจารย์ที่มหาวิทยาลัยกลาสโกว์ สกอตแลนด์ ซึ่งมีส่วนร่วมในงานวิจัยนี้ กล่าวในแถลงการณ์ ผลสรุปล่าสุดของเราได้พิสูจน์แล้วว่าพวกมันมีหลายขนาดและการจับคู่ เราได้ไขปริศนาที่มีมานานบางส่วนพร้อมๆ กับที่พบปริศนาใหม่ๆ ด้วย ด้วยการใช้การสำรวจเหล่านี้ เรากำลังเข้าใจการไขปริศนาว่าดาวซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของเอกภพนั้นพัฒนาอย่างไร

แหล่งข่าว phys.org : scientists detect a “tsunami” of gravitational waves
               skyandtelescope.com : third gravitational-wave catalog released
                sciencealert.com : astronomers detect a “tsunami” of gravitational waves. Here’s where they’re coming from
               space.com : gravitational wave treasure trove shows black holes, neutron stars colliding
               iflscience.com : whopping 35 new black hole collisions spotted, including one merger mystery  

"อู่" สร้างกระจุกกาแลคซี

ภาพรวมพื้นที่ท้องฟ้าแสดงกระจุกทารก PHz G237 และกาแลคซีสมาชิกที่จำแนกได้ของมัน ทางซ้ายแสดงภาพมัลติแบนด์(11 อาร์คนาที*11 อาร์คนาที) รวมภาพช่วงเสี้ยวมิลลิเมตรที่ 350 ไมครอนจากเฮอร์เชลเป็นสีแดง(ตามรอยการก่อตัวดาว), ภาพสปิตเซอร์ที่ 3.6 ไมครอนเป็นสีเขียว(ตามรอยมวลดาว) และภาพรังสีเอกซ์จาก XMM-Newton เป็นสีฟ้า(ตามรอยหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังสะสมมวลสาร) พื้นที่สำรวจด้วยกล้องซูบารุตีกรอบเป็นสี่เหลี่ยมเส้นประสีเหลือง 

 

     ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้รายงานการค้นพบโครงสร้างแห่งหนึ่งที่คิดกันว่าเป็นกระจุกกาแลคซีทารก(protocluster) ที่กำลังพัฒนาตัวเป็นซุปเปอร์กระจุก(supercluster) อยู่ห่างออกไป 11 พันล้านปีแสงจากโลก การสำรวจได้แสดงกระจุกทารกแห่งนี้ในสภาพที่มันเป็นเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 3 พันล้านปี ในช่วงเวลาหนึ่งเมื่อมีการสร้างดาวด้วยอัตราที่สูงสุดในพื้นที่ที่จำเพาะในอวกาศ

     แม้แต่กาแลคซีก็ไม่อยากอยู่อย่างโดดเดี่ยว ในขณะที่นักดาราศาสตร์ทราบมานานแล้วว่ากาแลคซีดูจะเกาะกันเป็นกลุ่มและเป็นกระจุก แต่กระบวนการที่เกิดขึ้นจากการก่อตัวจนถึงสร้างสังคมมิตรสหายก็ยังคงเป็นปริศนาในทางเอกภพวิทยา ในรายงานฉบับหนึ่งที่เผยแพร่ใน Astronomy & Astrophysics ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้รายงานการค้นพบวัตถุที่ดูเหมือนจะเพิ่งเป็นการเริ่มรวบรวมตัวของกาแลคซี ที่เรียกว่ากระจุกทารก

     การค้นพบนี้เป็นก้าวย่างที่สำคัญสู่เป้าหมายสุดท้ายของเราคือ การเข้าใจการรวบรวมตัวของกระจุกกาแลคซี ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่ปรากฏในเอกภพ Brenda Frye รองศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ ที่หอสังเกตการณ์สจ๊วต มหาวิทยาลัยอริโซนา และผู้เขียนร่วมการศึกษานี้ กล่าว เพื่อเปรียบเทียบให้เห็น ทางช้างเผือกกาแลคซีที่เป็นบ้านของระบบสุริยะของเรานั้น ก็อยู่ในกระจุกที่เรียกกันว่า กลุ่มท้องถิ่น(Local Group) ซึ่งกลุ่มนี้เองก็เป็นส่วนหนึ่งของซุปเปอร์กระจุกหญิงสาว(Virgo supercluster) ด้วย แต่ซุปเปอร์กระจุกอย่างกระจุกหญิงสาวนี้ มีสภาพอย่างไรเมื่อ 11 พันล้านปีก่อนกัน

     เรายังคงทราบเกี่ยวกับกระจุกทารกเพียงเล็กน้อยมากๆ ส่วนหนึ่งก็เพราะว่าพวกมันสลัวมาก สลัวเกินกว่าจะตรวจจับได้ในช่วงตาเห็น Frye กล่าว ในเวลาเดียวกัน ก็เป็นที่ทราบว่าพวกมันเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นอื่น เช่น เสี้ยวมิลลิเมตร(sub-millimeter) สว่างมาก

ระบบสุริยะอยู่ห่างจากใจกลางทางช้างเผือกราว 26000 ปีแสง ในขณะที่ใกล้ๆ ทางช้างเผือกก็ยังมีกาแลคซีบริวาร และกาแลคซีเพื่อนบ้านขนาดใหญ่อย่างอันโดรเมดา เกาะกลุ่มกันเรียกว่า กลุ่มท้องถิ่น(Local Group) กลุ่มนี้เองก็เป็นส่วนปลายของกระจุกหญิงสาว ซึ่งเป็นกระจุก กาแลคซีขนาดใหญ่

     กระจุกทารกแห่งนี้เดิมทีถูกพบโดยกล้องโทรทรรศน์พลังค์(Planck) ขององค์กรอวกาศยูโรป(ESA) ในฐานะส่วนหนึ่งจากการสำรวจทั่วท้องฟ้า กระจุกนี้ปรากฏตัวอย่างโดดเด่นในช่วงอินฟราเรดไกลของสเปคตรัมคลื่นแม่เหล็กฟ้า เมื่อกลั่นกรองตัวอย่างจากว่าที่วัตถุที่อาจเป็นโครงสร้างที่กำลังอยู่ในกระบวนการสร้างตัวเป็นกระจุกมากกว่า 2000 แห่ง นักวิจัยก็พบกระจุกทารกนี้ซึ่งมีชื่อว่า PHz G237.01+42.50 หรือเรียกสั้นๆ ว่า G237 การสำรวจไม่ได้ยืนยัน ตัวจนของมัน ยังต้องการการสำรวจติดตามผลด้วยกล้องอื่นๆ อีก

     Mari Polletta จากสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ(INAF) ในมิลาน อิตาลี นำทีมนานาชาติทำการสำรวจโดยใช้พลังร่วมของ Large Binocular Telescope ในอริโซนา ซึ่งดำเนินงานโดยมหาวิทยาลัยอริโซนา และกล้องโทรทรรศน์ซูบารุ ผลสรุปที่ได้ ทีมได้จำแนกกาแลคซี 63 แห่งที่จัดอยู่ในกระจุกทารก G237 นี้ การค้นพบเริ่มแรกและการสำรวจติดตามผลก็ใช้ข้อมูลในคลังของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเฮอร์เชล และกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์

      คุณจะคิดว่ากระจุกทารกอย่าง G237 เป็นอู่ต่อ(เรือ) กาแลคซีซึ่งกำลังประกอบกาแลคซีมวลสูงเข้าด้วยกัน เพียงแค่โครงสร้างนี้มีอยู่ในช่วงเวลาเมื่อเอกภพมีอายุ 3 พันล้านปีเท่านั้น Frye กล่าว ในเวลาเดียวกัน ตรรกะคล้ายๆ กันนี้ก็เกิดขึ้นใกล้ตัวเรามากกว่าที่คิดไว้ ทางช้างเผือกเองก็อาจจะเทียบท่ากระจุกทารกที่คล้ายกับ G237 เมื่อมันยังอายุน้อยมากๆ

โครงสร้างเอกภพในละแวกทางช้างเผือก เมื่อกลุ่มท้องถิ่นของเราและกระจุกหญิงสาวเอง ก็ยังเป็นส่วนหนึ่งของซุปเปอร์กระจุกกาแลคซี ลาเนียคี(Laniakea) ด้วย

     ในตอนแรก การสำรวจ G237 ได้บอกถึงอัตราการก่อตัวดาวโดยรวมซึ่งสูงมากอย่างไม่น่าเชื่อ และทีมก็อับจนปัญญาที่จะอธิบายข้อมูล กระจุกทารก G237 ดูเหมือนจะกำลังก่อตัวดาวด้วยอัตราถึง 1 หมื่นเท่าของทางช้างเผือก ในอัตรานี้ คาดว่ากระจุกทารกจะใช้เชื้อเพลิงหมดไปอย่างรวดเร็ว และสุดท้ายก็จะผันตัวไปเป็นระบบที่ซับซ้อนคล้ายกับซุปเปอร์กระจุกหญิงสาว

     กาแลคซีแต่ละแห่งใน 63 แห่งที่พบใน G237 ก็เหมือนเป็นโรงงานสร้างดาวที่ทำงานเกินกำลัง Frye กล่าว มันราวกับว่ากาแลคซีกำลังทำงานล่วงเวลาเพื่อสร้างดาว อัตราการสร้างนี้ไม่ยั่งยืน ด้วยเส้นทางเช่นนี้ คาดว่าห่วงโซ่อุปทานจะพังลงในอนาคตอันใกล้ และก็จะปิดการก่อตัวดาวในอู่ต่อ(เรือ) กาแลคซีแห่งนี้ไปเป็นการถาวร

     จะสามารถรักษาอัตราการผลิตที่สูงได้ก็ต่อเมื่อมีการฉีดเชื้อเพลิงเข้ามาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสำหรับดาวแล้ว เชื้อเพลิงก็คือก๊าซไฮโดรเจน Frye บอกว่าต้องใช้ห่วงโซ่อุปทานที่มีประสิทธิภาพและต่อเนื่องเพื่อดึงก๊าซใหม่ๆ จำนวนมากอย่างไม่น่าเชื่อ เพื่อเป็นเชื้อให้กับโรงงานก่อตัวดาว เราไม่ทราบว่าก๊าซมาจากไหน เธอกล่าว

    ต่อมา ทีมได้พบว่าสัญญาณบางส่วนนั้นมาจากกาแลคซีที่ไม่เกี่ยวข้องกับกระจุกทารกนี้ แต่แม้จะกำจัดสัญญาณออกไป อัตราการก่อตัวดาวโดยรวมที่เหลือก็ยังสูงอยู่ อย่างน้อยในระดับ 1 พันเท่าดวงอาทิตย์ต่อปี Poletta กล่าว เมื่อเทียบแล้ว ทางช้างเผือกก่อตัวดาวเพียง 1 เท่าดวงอาทิตย์ต่อปีเท่านั้น Frye กล่าวว่า ภาพที่เราปะติดปะต่อได้ตอนนี้ก็คือ อู่ต่อ(เรือ) กาแลคซีที่ประสบความสำเร็จแห่งนี้ซึ่งทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงเพื่อรวบรวมกาแลคซี และดาวภายในนั้น และมีแหล่งพลังงานที่ยั่งยืน

แบบจำลองเสมือนจริงใยเอกภพ(cosmic web) ซึ่งเป็นเส้นใยก๊าซที่เหมือนใยแมงมุมไขว้กันไปมาแบบสามมิติในเอกภพ แทนที่จะอยู่กระจัดกระจายออกมา แต่กาแลคซีดูจะกระจุกตัวอยู่ตามจุดตัดของใยเอกภพซึ่งก็คือพื้นที่สีแดงในภาพ ก่อตัวเป็นกระจุกทารกอย่างเช่น G237  

     กาแลคซีทั้งหมดในเอกภพเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างยักษ์ที่มีรูปร่างดูคล้ายกับเส้นใยแมงมุมสามมิติ ซึ่งเรียกว่า ใยเอกภพ
(cosmic web) เส้นใยของใยเอกภพไขว้ตัดกันที่จุดตัด(nodes) ซึ่งก็เทียบเท่ากับอู่ต่อ(เรือ) กาแลคซี เราเชื่อว่าเส้นใยเหล่านี้เป็นตัวแทนการถ่ายเทก๊าซไฮโดรเจนจากตัวกลางในห้วงอวกาศระหว่างกาแลคซีที่เบาบาง เข้าสู่โครงสร้างกระจุกทารกที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ซึ่งหิวกระหายที่จุดตัด Frye กล่าว

      เมื่อเอ่ยถึงงานวิจัยในอนาคต Polletta กล่าวว่า เรากำลังอยู่ในกระบวนการเพื่อวิเคราะห์การสำรวจกระจุกทารกแห่งนี้และกระจุกทารกพลังค์อื่นๆ ให้มากขึ้น โดยมีเป้าหมายเพื่อตามรอยก๊าซที่ให้กำเนิดดาวที่กำลังก่อตัวขึ้นใหม่เหล่านี้และป้อนสู่หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) เพื่อตรวจสอบกำเนิดของมัน และอธิบายกิจกรรมที่พิเศษสุดๆที่สำรวจพบนี้

     Frye บอกว่าเธอกำลังเฝ้ารอการรวมข้อมูลจาก Large Binocular Telescope กับการสำรวจที่วางแผนไว้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ที่จะส่งออกในวันที่ ธันวาคม นี้ กระจุกทารกให้โอกาสในการสืบสวนคำถามใหญ่ในทางดาราศษสตร์ซึ่งมีแต่เพียงหอสังเกตการณ์ใหม่นี้เท่านั้นที่จะตอบได้ เธอกล่าว เช่นว่า จะมีกลไกอะไรที่ผลักดันการก่อตัวดาวอย่างบ้าคลั่ง และเชื้อเพลิงไฮโดรเจนจะหมดลงเมื่อใด ซึ่งจะบังคับให้อู่ต่อ(เรือ) กาแลคซีแห่งนี้ต้องปิดประตูและเปลี่ยนเป็นซุปเปอร์กระจุกที่คล้ายกับซุปเปอร์กระจุกที่ทางช้างเผือกของเราสังกัดอยู่

ภาพรวมพื้นที่ท้องฟ้าแสดงกระจุกทารก PHz G237 และกาแลคซีสมาชิกที่จำแนกได้ของมัน ทางซ้ายแสดงภาพมัลติแบนด์(11 อาร์คนาที*11 อาร์คนาที) รวมภาพช่วงเสี้ยวมิลลิเมตรที่ 350 ไมครอนจากเฮอร์เชลเป็นสีแดง(ตามรอยการก่อตัวดาว), ภาพสปิตเซอร์ที่ 3.6 ไมครอนเป็นสีเขียว(ตามรอยมวลดาว) และภาพรังสีเอกซ์จาก XMM-Newton เป็นสีฟ้า(ตามรอยหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังสะสมมวลสาร) พื้นที่สำรวจด้วยกล้องซูบารุตีกรอบเป็นสี่เหลี่ยมเส้นประสีเหลือง

ระบบสุริยะอยู่ห่างจากใจกลางทางช้างเผือกราว 26000 ปีแสง ในขณะที่ใกล้ๆ ทางช้างเผือกก็ยังมีกาแลคซีบริวาร และกาแลคซีเพื่อนบ้านขนาดใหญ่อย่างอันโดรเมดา เกาะกลุ่มกันเรียกว่า กลุ่มท้องถิ่น(Local Group) กลุ่มนี้เองก็เป็นส่วนปลายของกระจุกหญิงสาว ซึ่งเป็นกระจุก กาแลคซีขนาดใหญ่

โครงสร้างเอกภพในละแวกทางช้างเผือก เมื่อกลุ่มท้องถิ่นของเราและกระจุกหญิงสาวเอง ก็ยังเป็นส่วนหนึ่งของซุปเปอร์กระจุกกาแลคซี ลาเนียคี(Laniakea) ด้วย

แบบจำลองเสมือนจริงใยเอกภพ(cosmic web) ซึ่งเป็นเส้นใยก๊าซที่เหมือนใยแมงมุมไขว้กันไปมาแบบสามมิติในเอกภพ แทนที่จะอยู่กระจัดกระจายออกมา แต่กาแลคซีดูจะกระจุกตัวอยู่ตามจุดตัดของใยเอกภพซึ่งก็คือพื้นที่สีแดงในภาพ ก่อตัวเป็นกระจุกทารกอย่างเช่น G237  

แหล่งข่าว phys.org : astronomers discover a massive galaxy “shipyard” in the distant universe
                space.com : enormous “shipyard” of ancient galaxies discovered 11 billion light-years away