ไขปริศนา การเกิดดาวฤกษ์ กลุ่มแรกของจักรวาล

การเกิดดาวฤกษ์ แสดงให้เห็นจุดเริ่มต้นของลำดับที่ก่อให้เกิดดาวต่าง ๆ สิ่งมีชีวิต และทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลนี้ การสร้างภาพจำลองการเกิดสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลสามารถนำไปใช้ในการศึกษาจุดกำเนิดสำคัญของจักรวาลที่กล้องโทรทรรศน์ไม่สามารถตรวจจับได้

การเกิดดาวฤกษ์ – ดาวฤกษ์กลุ่มแรกไม่มีอะไรคล้ายคลึงกับดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันที่มีอายุมากและอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ นั่นเป็นเพราะหลังเกิดบิกแบง (Big Bang) หรือการระเบิดครั้งใหญ่ขึ้นเมื่อกว่า 13,500 ปีก่อน สสารที่มองเห็นได้เกือบทั้งหมดในจักรวาลมีเพียงธาตุไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบ

เมื่อขาดธาตุที่หนักกว่าองค์ประกอบหลักทั้งสองอย่างโลหะไป ดาวฤกษ์กลุ่มแรกที่ปล่อยแสงจากพลังงานซึ่งถูกผลิตโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear fusion) จึงเผาไหม้ไฮโดรเจนหรือเชื้อเพลิงภายในดาวจนหมดลงอย่างรวดเร็ว และระเบิดออกเป็นซูเปอร์โนวา (Supernova) ดาวฤกษ์ขนาดมหึมาเหล่านั้นมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายร้อยเท่า ทว่ากลับมีอายุขัยเพียงไม่กี่ล้านปีเท่านั้น และเมื่อเปรียบเทียบกับโลกของเราซึ่งมีอายุประมาณ 4,600 ล้านปีจะพบว่า โลกเองก็มีอายุขัยอย่างน้อยเท่ากับอายุขัยดาวฤกษ์เหล่านั้น

กระนั้น บรรดานักดาราศาสตร์กลับยังตรวจไม่พบดาวฤกษ์กลุ่มแรกในจักรวาล ดาวเหล่านั้นเริ่มก่อตัวขึ้นหลังยุคมืด (Cosmic Dark Ages) หรือช่วงที่จักรวาลถูกปกคลุมไปด้วยกลุ่มเมฆหมอกไฮโดรเจนหลังการระเบิดบิกแบงสิ้นสุดลง แสงที่ดาวฤกษ์กลุ่มแรกเปล่งออกมานั้นไม่สว่างพอที่จะตรวจจับร่องรอยของดาวแต่ละดวงได้ แม้จะใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุดในการค้นหาก็ตาม ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงเลือกจำลองภาพการเกิดของดาวเหล่านั้นขึ้นโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาจุดกำเนิดของพวกมัน ตัวอย่างเช่น ภาพจำลองเมฆโมเลกุลไฮโดรเจนซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ในจักรวาลยุคแรกเริ่ม

การเกิดดาวฤกษ์ — ภาพจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นเมฆดึกดำบรรพ์ที่กำลังก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ในช่วงแรกเพียง 100 ล้านปีหลังจากบิกแบง ซึ่งอยู่นอกเหนือจากที่กล้องโทรทรรศน์จะมองเห็นได้ โครงสร้างของเมฆที่ลึกขึ้น โมเลกุลไฮโดรเจนจะทำให้ก๊าซเย็นลงและยุบตัวลง ภายในเมฆเย็นนี้ ดาวฤกษ์มวลมหาศาลจะก่อตัวขึ้น **IMAGE BY RALF KAEHLER AND TOM ABEL, STANFORD UNIVERSITY/KIPAC/SLAC**

ทอม เอเบิล (Tom Abel) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงคํานวณ ประจำศูนย์ Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ผู้สร้างแบบจำลองการเกิดดาวฤกษ์กลุ่มแรกร่วมกับราล์ฟ เคห์เลอร์ (Ralf Kaehler) นักพัฒนาซอฟต์แวร์ประจำศูนย์ KIPAC กล่าวว่า “การที่เรามีความรู้ความเข้าใจด้านฟิสิกส์รวมไปถึงสมการต่าง ๆ เกี่ยวกับการเปลี่ยนสภาพของสสารและการทำงานของแรงโน้มถ่วงทำให้งานของเราออกมาดีมากครับ เพราะความรู้พวกนี้ทำให้เรามีกรอบแนวคิดเวลาที่คิดว่าสิ่ง ๆ หนึ่งจะเปลี่ยนเป็นสิ่งอื่นได้อย่างไร”

การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันภายในดาวฤกษ์ซึ่งหลอมให้ธาตุมวลเบา เช่น ไฮโดรเจน และฮีเลียมกลายเป็นธาตุต่าง ๆ ที่มีมวลมากกว่าถือเป็นสิ่งขับเคลื่อนวิวัฒนาการของจักรวาล โดยในทางดาราศาสตร์ ธาตุชนิดใดก็ตามที่มีมวลมากกว่าฮีเลียมจะถือว่าเป็นโลหะหรือธาตุเหล็ก และนอกจากการระเบิดของดาวฤกษ์จะทำให้เกิดธาตุหนักขึ้นแล้ว ความดันจากการระเบิดยังกระจายธาตุชนิดใหม่เหล่านั้นไปทั่วทั้งจักรวาล

ดาวฤกษ์เกิดใหม่ในยุคต่อมาเกิดจากธาตุเหล็กต่าง ๆ ที่สะสมอยู่ในห้วงอวกาศ ดาวฤกษ์จำนวนไม่น้อยเกิดการเปลี่ยนแปลงและพัฒนาลักษณะให้มีขนาดที่เล็กลง อุณหภูมิที่ต่ำลง และมีอายุขัยที่ยืนยาวขึ้น เมื่อเวลาผ่านไปถึงจุดหนึ่ง ดาวฤกษ์เกิดใหม่จะเกาะกลุ่มและหมุนวนเข้าด้วยกันจนเกิดเป็นกาแล็กซีแห่งแรก ๆ ขึ้น โครงสร้างแรกเริ่มของกาแล็กซีทางช้างเผือก (Milky Way) ซึ่งเป็นที่ตั้งของโลกก็เป็นหนึ่งในกาแล็กซีเหล่านั้น ในเวลาต่อมา กลุ่มฝุ่นที่หลงเหลือจากการระเบิดซึ่งอยู่รอบบริเวณดาวฤกษ์ก็ได้รวมเข้ากับธาตุต่าง ๆ และก่อตัวขึ้นเป็นดาวเคราะห์กลุ่มแรก

การกำเนิดของดาวฤกษ์แสดงให้เห็นจุดเริ่มต้นของลำดับที่ก่อให้เกิดดาวต่าง ๆ สิ่งมีชีวิต และทุกสิ่งทุกอย่างในจักรวาลนี้ นอกจากนั้นการสร้างภาพจำลองการเกิดของสิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลยังสามารถนำไปใช้ในการศึกษาดาวฤกษ์กลุ่มแรกหรือจุดกำเนิดสำคัญของจักรวาลซึ่งกล้องโทรทรรศน์ไม่สามารถตรวจจับได้

ชั้นหมู่เมฆในจักรวาล

หลังได้รับแรงบันดาลใจจากการที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (James Webb Space Telescope) ซึ่งค้นพบกาแล็กซียุคแรก ๆ ที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อนได้อย่างรวดเร็วถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศ ทอม เอเบิลก็เริ่มลงมือสร้างแบบจำลองจักรวาลยุคแรกเริ่ม เขาใช้เวลาหลายเดือนในการสร้างงานแต่ละชิ้น เนื่องจากแบบจำลองที่สร้างขึ้นใหม่มีความละเอียดสูงกว่าแบบจำลองในจักรวาลวิทยาที่เขาพยายามพัฒนาตลอด 20 กว่าปีที่ผ่านมาหลายพันเท่า

เอเบิลกล่าวว่า การสร้างแบบจำลองเหล่านี้ทำให้เขาได้ลองผิดลองถูก และยังเสริมอีกว่า “ถ้าผมเปลี่ยนอะไรในนี้สักนิดนึง ผมก็จะคิดว่า จะมีอะไรเกิดขึ้นต่อไปนะ นั่นคือวิธีที่ทำให้เราเข้าใจการทำงานของจักรวาล และสามารถนำสิ่งต่าง ๆ ที่ค้นพบมาปะติปะต่อกันได้ครับ”

การจะทำให้ดาวฤกษ์กลุ่มแรกเริ่มเกิดการเผาไหม้ได้นั้นจะต้องมีก๊าซไฮโดรเจนสะสมเป็นเชื้อเพลิงที่แก่นของดาวในปริมาณที่เพียงพอต่อการหลอมรวมเป็นฮีเลียม และเพียงพอต่อการปล่อยความร้อนและพลังงานออกมาเรื่อย ๆ ปฏิกิริยาการเผาไหม้หรือนิวเคลียร์ฟิวชันนั้นเกิดขึ้นจากแรงโน้มถ่วงของสสารมืด (Dark Matter) สสารในจักรวาลที่มองไม่เห็นแต่ทราบว่ามีอยู่จริงในจักรวาล ก่อนที่ดาวฤกษ์กลุ่มแรกจะเกิดปฏิกิริยาฟิวชันที่รุนแรงซึ่งเผาไหม้เชื้อเพลิงภายในดาวอย่างรวดเร็ว สสารมืดซึ่งนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าคิดเป็น 85 เปอร์เซ็นต์ของสสารและพลังงานทั้งหมดในจักรวาลนั้นจะก่อตัวล้อมรอบระยะรังสีที่ดาวฤกษ์แผ่เป็นวงแหวนทรงกลม หรือที่เรียกว่าฮาโลของสสารมืด (Dark Matter Halo)

ฮาโลขนาดมหึมาที่ล้อมรอบดาวฤกษ์ทำหน้าที่ในการกำหนดโครงสร้างของจักรวาล นอกจากนั้นวงแหวนเหล่านี้ยังทำหน้าที่คอยดูดกลุ่มเมฆหมอกไฮโดรเจนและฮีเลียมเข้ามาข้างในอย่างต่อเนื่อง จนทำให้บรรดาดาวฤกษ์ที่ถูกสสารมืดห้อมล้อมอยู่สามารถยุติยุคมืดของจักรวาลลงได้จากพลังงานและความร้อนที่ปล่อยออกมา

เอเบิลกล่าวว่า ข้อดีอย่างหนึ่งของการสร้างแบบจำลองการเกิดดาวฤกษ์กลุ่มแรกคือ ผู้คนจะเข้าใจความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์เกี่ยวกับไฮโดรเจน และจำได้ว่าธาตุที่เล็กและเบาที่สุดคือสิ่งกำหนดการเกิดของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ซึ่งเป็นตัวแปรที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในจักรวาล

ในช่วงยุคมืด อะตอมส่วนใหญ่อยู่ในรูปของไฮโดรเจนที่มีค่าประจุไฟฟ้าเป็นกลาง กล่าวคือ อะตอมแต่ละตัวจะสามารถลอยไปมาในอวกาศได้อย่างอิสระ แต่เมื่อไฮโดรเจนจำนวนมากถูกดึงดูดมารวมกันที่ใจกลางฮาโลของสสารมืดขนาดมหึมา อุณหภูมิภายในจะสูงขึ้น จึงทำให้อะตอมเหล่านี้วิ่งชนกันและรวมตัวกลายเป็นอะตอมที่มีไฮโดรเจน 2 ตัว หรือโมเลกุลไฮโดรเจน (Molecular Hydrogen: H2)

ณ จุดนี้ สิ่งต่าง ๆ ในจักรวาลเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นแล้ว แบบจำลองของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดแสดงให้เห็นว่ามีเมฆที่มีโมเลกุลของไฮโดรเจนสะสมอยู่ก่อตัวขึ้นในแนวขวางเป็นระยะทางประมาณ 1,000 ปีแสง ต่อมา บริเวณชั้นนอกของเมฆเริ่มเย็นตัวลงจากการที่โมเลกุลไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นใหม่ปล่อยโฟตอน (Photon) หรืออนุภาคของแสงซึ่งทำหน้าที่กำจัดพลังงานและความร้อนจากเมฆออกมาเป็นครั้งคราว เมื่ออุณหภูมิลดลง อะตอมภายในก็วิ่งช้าลง อนุภาคอื่น ๆ ที่วิ่งอยู่ภายในจึงเริ่มรวมตัวกันจนทำให้เกิดคลื่นกระแทกไปทั่วทั้งหมู่เมฆ

อาเบลกล่าวถึงแบบจำลองชั้นต่าง ๆ ของเมฆต้นกำเนิดดาวฤกษ์ว่า “ในเมฆนี้มีโครงสร้างอยู่เยอะแยะไปหมด เป็นงานที่สนุกมากครับ”

เมฆที่อยู่ลึกลงไปนั้นมีทั้งชั้นที่อุณหภูมิสูงและอุณหภูมิต่ำจึงทำให้อะตอมและอนุภาคอื่น ๆ ภายในเมฆวิ่งชนกันอย่างวุ่นวาย นอกจากนี้การเย็นตัวลงของกลุ่มเมฆยังลดแรงดันของก๊าซภายในเมฆซึ่งเป็นแรงหลักที่ต้านแรงดึงดูดไว้ อย่างไรก็ดี นักวิทยาศาสตร์กลับพบว่าหมู่เมฆนี้กำลังค่อย ๆ พังและยุบตัวลง

เอเบิลกล่าวเสริมอีกว่า “โดยพื้นฐานแล้ว สิ่งที่จะเกิดต่อไปคือ จะมีวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวพฤหัสบดีประมาณ 10 เท่าก่อตัวขึ้น และจะเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็ว”

แม้บรรดานักวิทยาศาสตร์ยังคงไม่ทราบขนาดที่แน่ชัดของดาวฤกษ์กลุ่มแรกขณะที่ยังมีก๊าซสะสมอยู่ภายใน แต่ก็มีการคาดการณ์ว่าดาวฤกษ์เหล่านั้นอาจมีขนาดและมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายร้อยเท่า

จักรวาลที่แผ่ขยาย

พลังงานเข้มข้นที่ดาวฤกษ์ดวงแรกปล่อยออกมาพร้อมระเบิดซูเปอร์โนวาไม่ได้กระจายธาตุเหล็กไปทั่วห้วงอวกาศเพียงอย่างเดียว แต่ยังปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตไปทั่วจักรวาลอีกด้วย รังสีชนิดนี้ทำหน้าที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจนที่มีค่าประจุไฟฟ้าเป็นกลาง และทำให้กลุ่มเมฆหมอกก๊าซโปร่งแสงขึ้น เหตุการณ์นี้เป็นหนึ่งในปัจจัยที่ทำให้จักรวาลเข้าสู่ยุคแห่งการรีไอออนไนซ์ (Reionization) หรือยุคที่จักรวาลเริ่มมีแสงสว่างเรืองรองขึ้นมาแล้ว ถือเป็นช่วงเวลาสำคัญในประวัติศาสตร์จักรวาลวิทยา

แม้ว่าเราไม่เคยค้นพบดาวฤกษ์ดวงแรกที่ส่องสว่างในห้วงจักรวาลอันกว้างขวาง แต่ความสามารถในจำลองภาพก็ทำให้เราได้เห็นว่าช่วงเวลาสำคัญในจักรวาลควรจะเกิดขึ้นอย่างไร และยังทำให้เราเข้าใจเรื่องราวที่เกิดในยุคแรกเริ่มของห้วงอวกาศมากยิ่งขึ้น

เอเบิลกล่าวทิ้งท้ายว่า “คุณสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งที่ยังไม่เคยพบเจอได้ และคุณก็สามารถที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งสุดท้ายที่ผู้คนจะพบเจอได้เช่นกัน”

เรื่อง เจย์ เบ็นเน็ต

แปล พรรณทิพา พรหมเกตุ