กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ และกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราร่วมยืนยันการมีอยู่ของกระจุกกาแล็กซี (Galaxy Cluster) ที่มีอายุเก่าแก่ที่สุด ซึ่งปรากฏขึ้นในช่วงเวลาเพียง 1,000 ล้านปีหลังบิ๊กแบงเท่านั้น นับเป็นการท้าทายรากฐานของทฤษฎีการก่อตัวของโครงสร้างในเอกภพที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อถือมานานหลายทศวรรษ

ภาพถ่ายของ JADES-ID1 ที่นำข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์และกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรามารวมกันปรากฎเป็นโครงสร้างของกระจุกกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดที่เคยพบมาในเอกภพ ภาพจาก NASA

JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) เป็นหนึ่งในโครงการสำรวจอวกาศที่ยิ่งใหญ่และใช้เวลาสังเกตการณ์ยาวนานที่สุดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ เป็นการรวมตัวกันของทีมนักวิทยาศาสตร์เพื่อศึกษาการก่อตัวของกาแล็กซีชุดแรกในจักรวาล ล่าสุด กล้องเจมส์ เว็บบ์ได้สำรวจพบกระจุกกาแล็กซีปริศนา ซึ่งต่อมาได้รับการตั้งชื่อว่า JADES-ID1 ถือเป็นกระจุกกาแล็กซีที่อายุน้อยและอยู่ลึกเข้าไปในจุดที่มืดที่สุดบนท้องฟ้าที่เคยบันทึกมาได้

การสังเกตการณ์จนค้นพบ JADES-ID1 นั้นไม่ง่าย ทีมนักวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยเทคนิคการสำรวจที่เรียกว่า Deep Observation หรือการจ้องมองไปยังพื้นที่เล็ก ๆ บนท้องฟ้าอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานหลายร้อยชั่วโมง เพื่อเก็บสะสมแสงอินฟราเรดที่ริบหรี่ที่สุดจากวัตถุที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง พื้นที่ที่ JADES เลือกศึกษานั้นมีความสำคัญทางประวัติศาสตร์ดาราศาสตร์อย่างยิ่ง เป็นบริเวณที่เรียกว่า Chandra Deep Field South (CDF-S) ซึ่งคือจุดบนท้องฟ้าที่มีการสำรวจด้วยรังสีเอกซ์ที่ลึกที่สุดเท่าที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราจะส่องลึกเข้าไปได้ เมื่อนำความละเอียดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์มาซ้อนทับกับข้อมูลรังสีเอกซ์ที่มีอยู่เดิม นักดาราศาสตร์จึงสามารถระบุได้ว่าวัตถุที่เห็นนั้นไม่ใช่เพียงกาแล็กซีที่อยู่โดดเดี่ยว แต่เป็นโครงสร้างขนาดใหญ่ที่ฝังตัวอยู่ในกลุ่มก๊าซร้อนจัด ซึ่งเป็นหลักฐานว่าตำแหน่ง JADES-ID1 คือกระจุกกาแล็กซี

ปริศนาสำคัญของ JADES-ID1 ก็คือ ภาพที่เราเห็นคือภาพเมื่อ 12,800 ล้านปีก่อน หรือภาพที่เกิดขึ้นภายหลังบิ๊กแบงเพียง 1,000 ล้านปีเท่านั้น จากทฤษฎีที่เคยเชื่อว่ากระจุกกาแล็กซีแห่งแรกน่าจะถือกำเนิดขึ้นเมื่อ 3,000 ล้านปีก่อน JADES-ID1 จึงถือว่าเป็นเกิดขึ้นก่อนทฤษฎีที่ตั้งไว้ถึง 2,000 ล้านปี

ภาพถ่ายของ IDCS J1426.5+3508 กระจุกกาแล็กซีที่ก่อนหน้านี้เชื่อว่าเป็นกระจุกกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดที่เคยถูกค้นพบโดยอายุของมันอยู่ที่ 1 หมื่นล้านปีก่อน ซึ่งสถิตินี้ถูกทำลายโดย JADES-ID1

ภายใต้แบบจำลองจักรวาลแลมบ์ดา-ซีดีเอ็ม (Lambda-CDM) ซึ่งได้รับการยอมรับมากที่สุดในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ประเมินร่วมกันว่า กระจุกกาแล็กซี ในฐานะโครงสร้างที่ใหญ่ที่สุดในเอกภพซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยแรงโน้มถ่วง ควรจะปรากฏให้เห็นอย่างเด่นชัดในช่วงเวลาประมาณ 3,000 ล้านปีหลังเหตุการณ์บิ๊กแบงเป็นต้นไป โดยมีเหตุผลรองรับทางฟิสิกส์ที่สำคัญอยู่หลายประการ

ประการแรกคือความซับซ้อนของกระบวนการรวมตัวของมวลสาร (Mass Accretion) เนื่องจากในยุคเริ่มต้น แรงโน้มถ่วงต้องใช้ระยะเวลานานกว่าจะดึงดูดสสารมืดให้เริ่มจับตัวกันเป็นเส้นใย (Filaments) กระจัดกระจายไปทั่วอวกาศ จนกระทั่งถึงจุดที่เส้นใยเหล่านี้มาบรรจบกันซึ่งเรียกว่าจุดตัด (Nodes) บริเวณนั้นจึงจะกลายเป็นแหล่งสะสมมวลสารที่หนาแน่นพอจะก่อกำเนิดเป็นกระจุกกาแล็กซีได้ การสะสมมวลมหาศาลเพื่อดึงดูดกาแล็กซีนับร้อยนับพันแห่งให้มารวมอยู่ในที่เดียวกันจึงเป็นกระบวนการที่ต้องอาศัยการสะสมพลังงานและมวลสารอย่างค่อยเป็นค่อยไป ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในทันทีทันใด

นอกจากมวลของกาแล็กซีแล้ว อีกหนึ่งองค์ประกอบที่เป็นดั่งลายเซ็นของกระจุกกาแล็กซีที่โตเต็มวัยคือ การมีก๊าซระหว่างกาแล็กซีที่ร้อนจัด (Intracluster Medium) ซึ่งในทางฟิสิกส์นั้น ก๊าซเหล่านี้ต้องใช้เวลาในการตกลงสู่บ่อแรงโน้มถ่วง (Gravity Well) ของกระจุกกาแล็กซีที่สร้างขึ้นจากมวลสารจำนวนมาก และในขณะที่ก๊าซตกลงไป มันจะถูกบีบอัดด้วยคลื่นกระแทก (Shock Waves) จนอุณหภูมิพุ่งสูงขึ้นถึงหลายล้านองศาเซลเซียสและแผ่รังสีเอกซ์ออกมาให้เราตรวจพบได้ ซึ่งตามทฤษฎีเดิมนั้น นักดาราศาสตร์มองว่าแรงดันจากการขยายตัวของเอกภพในช่วงแรกมีกำลังมากพอที่จะขัดขวางไม่ให้ก๊าซเหล่านี้สะสมและเพิ่มอุณหภูมิได้รวดเร็วนัก ดังนั้น การค้นพบกระจุกกาแล็กซีที่มีคุณสมบัติครบถ้วนตั้งแต่อายุเพียง 1,000 ล้านปี จึงเป็นการท้าทายความเข้าใจเดิมที่ว่ากระบวนการเหล่านี้ต้องใช้เวลานานถึง 3,000 ล้านปีอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

การตรวจพบ JADES-ID1 ที่มีมวลถึง 20 ล้านล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ณ ช่วงเวลาที่เอกภพมีอายุเพียง 1,000 ล้านปีหลังบิ๊กแบง จึงเป็นเรื่องที่น่าตกใจ จากการที่มันสามารถสะสมตัวและก่อร่างโครงสร้างได้เร็วกว่าที่ทฤษฎีเคยระบุไว้ถึง 2,000 ล้านปี และการพบโครงสร้างขนาดใหญ่ในเวลาที่รวดเร็วเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์ต้องกลับมาตั้งคำถามกับสมมติฐานเดิมว่า สสารมืดอาจจะมีคุณสมบัติที่รวมตัวกันได้เร็วกว่าที่เคยคิด หรืออีกความเป็นไปได้หนึ่งคือ หลุมดำมวลยิ่งยวดจะเข้ามามีบทบาทในการเป็นตัวเร่งกระบวนการดึงดูดและสร้างก๊าซร้อนให้เกิดขึ้นเร็วกว่าปกติ

ดร. คริสโตเฟอร์ คอนเซลิซ (Christopher Conselice) ผู้ร่วมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ให้ความเห็นว่า "ความท้าทายในปัจจุบันคือการอธิบายให้ได้ว่าระบบที่ยิ่งใหญ่ขนาดนี้ สามารถก่อร่างสร้างตัวขึ้นท่ามกลางความโกลาหลของเอกภพยุคแรกเริ่มได้อย่างไรในระยะเวลาอันสั้นได้อย่างไร"

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

NASA พบโครงสร้างกระจุกกาแล็กซีเก่าแก่ที่สุดในจักรวาล