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
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”
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
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
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