ไล่ล่า ต้นกำเนิดเอกภพ ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ดีที่สุดที่โลกเคยมีมา

กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ดีที่สุดที่เคยมีมา กำลังไล่ล่า ต้นกำเนิดเอกภพ

ต้นกำเนิดเอกภพ – ตอนที่เอกภพยังเยาว์ กว่า 13,000 ล้านปีมาแล้ว ไม่มีดาวดวงไหนส่องสว่างในห้วงดำ นักดาราศาสตร์เรียกยุคนี้ว่ายุคมืด จักรวาลยังเต็มไปด้วยแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียม อันเป็นวัตถุดิบสำหรับทุกพิภพที่จะเกิดขึ้น

ทั้งยังมีสิ่งลึกลับที่รู้จักกันในชื่อ สสารมืด (dark matter) ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงดึงแก๊สให้รวมตัวเป็นโครงข่ายซับซ้อน เมื่อเอกภพขยายตัวและเย็นลง สสารมืดบางส่วนก็รวมตัวกันเป็นก้อนกลมขนาดมหึมา แต่ละก้อนดึงแก๊สเข้าไปในแก่นของมัน นักดาราศาสตร์เรียกทรงกลมเหล่านี้ว่า กลด เมื่อแรงโน้มถ่วงในกลดเพิ่มขึ้น อะตอมไฮโดรเจน จะหลอมรวมเป็นฮีเลียม เกิดเป็นดาวดวงแรกๆในเอกภพปฐมกาล

ผมดูอรุณกาลแห่งจักรวาลผ่านแว่นตาสามมิติ บนที่นั่งหน้าเครื่องฉายภาพที่สถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์อนุภาคและเอกภพวิทยาแคฟลี (Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology) ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ผมทึ่งกับภาพบนจอเป็นเส้นใยสีเทาจางๆ ของสสารมืดแตกแขนงโยงกลดทั้งหลายขณะเอกภพขยายตัว ดาวเกิดใหม่เคลื่อนตัวเป็นก้นหอยหมุนวนไปยังศูนย์กลางของกลดและก่อเกิดดาราจักรแรกๆ

ต้นกำเนิดเอกภพ, เอกภพ — ในภาพถ่ายเอกภพลึกที่สุดเท่าที่เคยถ่ายได้ภาพหนึ่ง กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์เผยดาวและดาราจักรนับพัน รวมถึงกระจุกวัตถุที่บิดแสงได้ตรงกลางภาพ **ภาพคอมโพสิตโดย NASA, ESA, CSA, STSCI**

เนบิวลานายพราน, เนบิวลา, ต้นกำเนิดเอกภพ — ในบริเวณนี้ของเนบิวลานายพราน รังสีอัลตราไวโอเลตจากกระจุกดาวใกล้เคียงกำลังเร่งปฏิกิริยาเคมีรุนแรง กล้องเว็บบ์เพิ่งค้นพบเมทิลแคตไอออนที่นี่ สารประกอบคาร์บอนชนิดนี้ที่ไม่เคยตรวจพบในอวกาศมาก่อน ช่วยในการก่อตัวของโมเลกุลคาร์บอนที่ซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งจำเป็นสำหรับชีวิต **ภาพคอมโพสิตโดย ESA/WEBB, NASA, CSA, เอ็ม. เซมานี (ESA/WEBB), PDRS4ALL ERS TEAM**

นักวิทยาศาสตร์พยายามเติมเต็มเรื่องราวว่าด้วยกำเนิดเอกภพมานานหลายทศวรรษ แต่ปีที่แล้ว กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ใหญ่ที่สุดและล้ำสมัยที่สุดที่เราเคยสร้างมาได้เขียนบทแรกๆ ขึ้นใหม่ ดาราจักรโบราณต่างๆ ที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope: JWST) เห็นนั้นสว่างกว่า มีจำนวนมากกว่า และเต็มไปด้วยความเคลื่อนไหว อย่างเกินคาด เผยให้เห็นการเปิดฉากอันอลหม่านของปริภูมิและเวลา

ทว่ากล้องเว็บบ์ส่องไม่พบดาวฤกษ์ดวงแรกๆ เพราะพวกมันไม่สว่างพอให้เห็นเป็นดวงๆ ดาวยักษ์ยุคต้น เหล่านี้ร้อนโชติช่วงและเติบโตอย่างมโหฬารก่อนระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาเพียงไม่กี่ล้านปีหลังการก่อเกิด เท่ากับพริบตาเดียวในเวลาของดาราศาสตร์

“เรายืดเวลาออกไปหน่อยหนึ่งครับ“ ทอม เอเบิล บอก เขาเป็นนักเอกภพวิทยาเชิงคำนวณผู้นำผมชมแบบจำลอง “มันเร็วอย่างบ้าคลั่ง แบบจำลองที่สมจริงเต็มรูปแบบจะเร็ววูบวาบมากครับ”

ดาราจักร, ต้นกำเนิดเอกภพ — มีเพียงสี่ในห้าดาราจักรที่รู้จักกันในชื่อ ดาราจักรทั้งห้าของสเตฟาน (Stephan’s Quintet) อยู่ใกล้กันจริงๆ ความละเอียดชนิดที่ไม่เคยมีมาก่อนจากกล้องเว็บบ์เปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาว่า ปฏิสัมพันธ์ระหว่างดาราจักรอาจขับเคลื่อนวิวัฒนาการในระยะแรกของพวกมันอย่างไร **ภาพคอมโพสิตโดย NASA, ESA, CSA และ STSCI**

ดาวแรกเกิด, ต้นกำเนิดเอกภพ — ดาวแรกเกิดผุดจากห้วงแก๊สและฝุ่นในภาพจากกล้องเว็บบ์ที่เฝ้าสังเกตหมู่เมฆโรคนแบกงู (Rho Ophiuchi) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดดาวใกล้โลกที่สุด บริเวณนี้มีดาวใหม่ประมาณ 50 ดวง ดาวใหญ่ในครึ่งล่างของภาพแผ่รังสีแหวกเป็นช่องในเมฆหนา ภาพโมเสกประกอบขึ้นจากภาพถ่ายหกภาพ (180 ภาพจากแผ่นกรองแสงหกแผ่น) โดย NASA, ESA, CSA, STSCI, เคลาส์ พอนทอปพิแดน (STSCI)

ความวูบวาบเหล่านั้นหรือซูเปอร์โนวาของดาวมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายร้อยเท่าเปลี่ยนสภาพ เอกภพไป ธาตุใหม่ๆ ก่อกำเนิดขึ้น เช่น ออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ ซิลิคอนเพื่อสร้างดาวเคราะห์ ฟอสฟอรัสเพื่อให้พลังงานแก่เซลล์ และกระจายไปทั่วอวกาศ ดาวดวงแรกๆยังทำให้อะตอมของแก๊สไฮโดเจนรอบดาวแตกตัว เป็นการแผดเผาเมฆหมอกในจักรวาลจนเกิดความโปร่งใสไปทั่ว ในช่วงเวลาสำคัญที่เรียกกันว่า ยุคแตกตัวเป็น ไอออนซ้ำ (reionization) หมอกจางลงเมื่อดาวแต่ละดวงขยายเขตโปร่งใสไปทับกัน รวมเป็นชุมนุมที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ดาราจักรทางช้างเผือกของเรามีจุดเริ่มต้นอย่างนี้

เอเบิลเริ่มสร้างแบบจำลองการเกิดดาวดวงแรกๆ ในทศวรรษ 1990 ตอนนั้นไม่มีใครรู้ว่า วัตถุทางดาราศาสตร์เก่าแก่ที่สุดคืออะไร เป็นหลุมดำ หรือวัตถุขนาดดาวพฤหัสบดี หรือสิ่งอื่น ด้วยแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ทีมงานของเขาช่วยยืนยันว่าสิ่งแรกต้องเป็นดาว ซึ่งเกิดในบริเวณที่แรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะแรงดันออกของแก๊ส แต่ในที่สุด เอเบิลก็เลิกสนใจแบบจำลองการเกิดดาว เขาคิดว่าไม่มีอะไรให้เรียนรู้แล้ว

แล้วกล้องเว็บบ์ก็มา

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ ส่งขึ้นในเช้าวันคริสต์มาสปี 2021 ปัจจุบันมันอยู่ไกลกว่าหนึ่งล้านกิโลเมตรจากโลก มีกระจกปฐมภูมิเคลือบทองขนาด 6.5 เมตรใช้สำหรับสังเกตดาราจักรโบราณซึ่งส่องแสงผ่านอวกาศมานานกว่า 13,000 ล้านปี เผยให้เห็นดาราจักรในสภาพที่มันเป็นในอดีตอันไกลโพ้น

**ดาราจักรจากรุ่งอรุณของกาลเวลา –** ดาราจักรห่างไกลไม่ใช่ทางเดียวที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับเอกภพบรรพกาล ดาราจักรแคระใกล้เคียง เช่น วอล์ฟ-ลุนด์-มาร์ค-เมลอตต์ มีดาวขนาดเล็กที่ก่อตัวขึ้นในยุคต้นของเอกภพและยังอยู่มาถึงปัจจุบัน กล้องเว็บบ์ส่องดูดาราจักรแห่งนี้ เพื่อศึกษาดาวโบราณเหล่านี้บางดวง ภาพถ่ายโดย NASA; ESA; CSA;คริสเทน แมกควินน์, RUTGERS UNIVERSITY; ซอลต์ จี. ลีเวย์; อลิสซา เพกัน (STSCI)

ดาราจักรชนิดก้นหอย, ต้นกำเนิดเอกภพ — **ดาราจักรชนิดก้นหอย มีคานที่เก่าแก่ที่สุด –** แถบสีแดงเรื่อที่แล่นทะลุดาราจักร NGC 1300 นำแก๊สเข้าไปยังใจกลาง และจุดชนวนการก่อตัวอย่างรวดเร็วของดวงดาว กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ให้ภาพละเอียดของดาราจักรชนิดก้นหอยมีคานที่อยู่ใกล้และแสดงสภาพของดาราจักรชนิดนี้ในปัจจุบัน กล้องเว็บบ์พบหลายแห่งที่เก่ากว่ามาก

นักดาราศาสตร์คาดว่าจะพบดาราจักรบรรพกาลเหล่านี้บางส่วนด้วยกล้องเว็บบ์ แต่พวกเขาไม่คาดคิดว่า จะพบมากขนาดนี้ ไม่คิดด้วยว่าการค้นพบจะสั่นคลอนความเข้าใจของพวกเขาเกี่ยวกับความเป็นมาของดาราจักร

กล้องเว็บบ์ต่างจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล หน้าต่างสู่อดีตอันไกลโพ้นของเอกภพบานก่อนหน้า ของเรา กล้องเว็บบ์ถูกออกแบบให้สังเกตการณ์ในย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับแสงดาวบรรพกาล ลำแสงเหล่านั้นกระจายออกจากแหล่งในรูปรังสีอัลตราไวโอเลต แต่คลื่นถูกยืดออกไปใกล้ความยาวคลื่น สีแดงมากขึ้นโดยการขยายตัวของเอกภพ เราเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การเลื่อนไปทางแดง (redshift) ยิ่งการเลื่อนไปทางแดงมีมากขึ้นเท่าไร วัตถุที่เห็นจะยิ่งไกลขึ้นและเก่าแก่มากขึ้น

แต่ใช่ว่าทุกอย่างในกล้องโทรทรรศน์จะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ สเปกโทรกราฟอินฟราเรดใกล้ หรือ NIRSpec ของ JADES เคยประสบปัญหาไฟฟ้าลัดวงจรทำให้สร้างจุดสว่างกลบแสงเป้าหมายในการสังเกตบางส่วน อุปกรณ์นี้แยกแสงออกเป็นสเปกตรัม เอื้อให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจองค์ประกอบทางเคมีของดาราจักร และวัดค่าการเลื่อนไปทางแดงได้อย่างแม่นยำ ขณะที่ภาพจากกล้องอินฟราเรดใกล้ของกล้องเว็บบ์ หรือ NIRCam สามารถนำมาใช้ในการประมาณระยะทางของดาราจักรต่างๆ ได้

นักดาราศาสตร์, เจมส์ เว็บบ์ — นักดาราศาสตร์ มาร์เชอ และจอร์จ รีคี มีบทบาท สำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์บนกล้องเจมส์เว็บบ์ ได้แก่ กล้องอินฟราเรดใกล้ หรือ NIRCam และอุปกรณ์อินฟราเรดกลาง หรือ MIRI อุปกรณ์ทั้งสองใช้สร้างภาพของเมฆฝุ่นที่พุ่งออกมาจากดาวที่กำลังเผาไหม้ ภาพถ่ายโดย คริส กันน์ (รีคี); ภาพคอมโพสิต ประกอบขึ้นจากภาพถ่าย 104 ภาพโดย NASA, ESA, CSA, STSCI, WEBB ERO PRODUCTION TEAM

ไฟฟ้าลัดวงจรทำให้การสังเกตบางส่วนของทีมล่าช้าออกไป แต่ข้อเสียนี้กลับกลายเป็นเรื่องดี นักดาราศาสตร์กะไว้ว่าจะใช้ NIRSpec ตรวจสอบวัตถุที่กล้องฮับเบิลเคยสังเกต แต่ตอนนี้พวกเขาเปลี่ยนเป้าหมายไปเป็นเฉพาะ ดาราจักรที่ NIRCam เพิ่งค้นพบ

“เราดูข้อมูลที่ไม่มีใครเคยเห็นเหล่านี้อย่างบ้าคลั่ง เพื่อค้นหาดาราจักรเก่าแก่ที่สุดครับ” เควิน เฮนไลน์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาบอกผมภายหลังในห้องทำงานของเขา

เรื่องหนึ่งที่ทีมทำไม่ได้คือการเปลี่ยนเป้าหมายของกล้องโทรทรรศน์ สิ่งที่พวกเขาทำได้คือสังเกตวัตถุ เท่าที่เห็นในภาพที่ส่งมา และโชคดีว่าดาราจักรไกลมากสี่ดาราจักรที่ NIRCam ตรวจพบบังเอิญอยู่ในจุดที่เหมาะสม และต่อมา NIRSpec ก็ยืนยันว่า สองในสี่ดาราจักรอยู่ห่างไกลที่สุดและเก่าแก่ที่สุดเท่าที่เราเคยรู้จัก
ดาราจักรที่ไกลที่สุดคือ JADES-GS-z 13-0 ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเพืยง 325 ล้านปีเท่านั้นหลังเหตุการณ์บิกแบง “ผมยังมีข้อความในแอปพลิเคชัน Slack ตอนที่ผมเห็นวัตถุนี้ครั้งแรกในข้อมูลและส่งไปให้กลุ่มดูเลยครับ” เฮนไลน์เล่า “ตอนนั้นเราตื่นเต้นกันมากครับ ผมไม่ทันนึกว่านี่เป็นวาระประวัติศาสตร์ขนาดไหน ผมแค่นั่งและพูดไปเรื่อย อ้อ นั่นดาราจักรไกลที่สุดที่มนุษย์เคยเห็นมานะ”

ถึงตอนนี้มีสองอย่างที่ชัดเจนเกี่ยวกับดาราจักรบรรพกาลเหล่านี้ นั่นคือ พวกมันมีมากเกินคาด และสว่างจนน่าแปลกใจเมื่อเทียบกับอายุของมัน ความประหลาดเหล่านี้อาจเป็นเพราะกระบวนการเกิดดาวรุ่นแรกมีประสิทธิภาพมากกว่าที่เราคาดคิด หรือมีสัดส่วนของดาวใหญ่มากกว่าสมมุติฐานปัจจุบัน

เรื่อง เจย์ เบนเน็ตต์

ติดตามสารคดี ย้อนเวลาสู่ดาราจักรดึกดำบรรพ์ ฉบับสมบูรณ์ได้ที่ นิตยสาร เนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก ฉบับภาษาไทย เดือนตุลาคม 2566

สั่งซื้อนิตยสารได้ที่ https://www.naiin.com/product/detail/589875