การวิเคราะห์สเปกตรัมของดาราจักรเรืองแสง JADES-GS-z14-0 จากการสังเกตการณ์ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2024 พบว่ามีการเคลื่อนตัวไปทางสีแดงที่ 14.32 ซึ่งทำให้เป็นดาราจักรที่อยู่ไกลที่สุดที่เรารู้จัก (ก่อนหน้านี้ดาราจักรที่อยู่ไกลที่สุดที่เคยรู้จักคือ JADES-GS-z13-0 ที่การเคลื่อนตัวทางสีแดง ของ z = 13.2) กำเนิดขึ้นในเอกภพยุคแรกหลังบิกแบงประมาณ 290 ล้านปี แสงดาวจำนวนมากบ่งบอกว่ามันมีขนาดใหญ่และมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1,600 ปีแสง ดาราจักรที่ส่องสว่าง ขนาดใหญ่และใหญ่เช่นนี้ในเอกภพยุคแรกตอนรุ่งสางของจักรวาล ท้าทายความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับการกำเนิดดาราจักร ดาวดวงแรกในจักรวาลคือดาว Pop III ที่มีโลหะเป็นศูนย์หรือมีโลหะต่ำมาก อย่างไรก็ตาม การศึกษาคุณสมบัติอินฟราเรดของกาแลคซี JADES-GS-z14-0 เผยให้เห็นว่ามีออกซิเจนอยู่ ซึ่งหมายถึงการเสริมสมรรถนะของโลหะที่บ่งบอกว่าดาวมวลสูงหลายรุ่นได้ดำเนินชีวิตครบตั้งแต่กำเนิดจนถึงการระเบิดซูเปอร์โนวาประมาณ 290 ล้านปีในเอกภพยุคแรกเริ่ม ดังนั้นคุณสมบัติของดาราจักรนี้จึงขัดแย้งกับความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับการกำเนิดดาราจักรในเอกภพยุคแรกเริ่ม
เอกภพในยุคแรกๆ ประมาณ 380,000 ปีหลังบิ๊กแบง เต็มไปด้วยก๊าซไอออไนซ์และทึบแสงโดยสิ้นเชิงเนื่องจากการกระเจิงของโฟตอนโดยอิเล็กตรอนอิสระ ตามมาด้วยยุคที่เป็นกลางของจักรวาลยุคแรกเริ่มซึ่งกินเวลาประมาณ 400 ล้านปี ในยุคนี้ จักรวาลมีความเป็นกลางและโปร่งใส แสงแรกปรากฏเมื่อเอกภพโปร่งใส กลายเป็นสีแดงเปลี่ยนเป็นช่วงไมโครเวฟเนื่องจากการขยายตัว และปัจจุบันสังเกตได้ว่าเป็นพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB) เนื่องจากจักรวาลเต็มไปด้วยก๊าซเป็นกลาง จึงไม่มีการปล่อยสัญญาณแสง (จึงเรียกว่ายุคมืด) วัสดุที่ไม่แตกตัวเป็นไอออนจะไม่ปล่อยแสงออกมา ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากในการศึกษาจักรวาลยุคแรกเริ่มของยุคที่เป็นกลาง อย่างไรก็ตาม การแผ่รังสีไมโครเวฟที่ความยาวคลื่น 21 ซม. (ตรงกับ 1420 MHz) ที่ปล่อยออกมาจากไฮโดรเจนคอสมิกที่เย็นและเป็นกลางในช่วงเวลานี้ เนื่องจากการเปลี่ยนผ่านแบบไฮเปอร์ไฟน์จากการหมุนแบบขนานไปเป็นการหมุนแบบต้านขนานที่เสถียรมากขึ้น ทำให้นักดาราศาสตร์มีโอกาส การแผ่รังสีไมโครเวฟขนาด 21 ซม. นี้จะมีการเคลื่อนไปทางสีแดงเมื่อมาถึงโลก และจะถูกสังเกตที่ความถี่ 200MHz ถึง 10 MHz ในรูปแบบคลื่นวิทยุ ที่ ช่วยเหลือ (การทดลองทางวิทยุเพื่อการวิเคราะห์ไฮโดรเจนคอสมิก) การทดลองมีวัตถุประสงค์เพื่อตรวจจับเส้นความยาว 21 ซม. ที่เข้าใจยากจากไฮโดรเจนคอสมิก
ยุคของการแตกตัวเป็นไอออนเป็นยุคถัดไปในประวัติศาสตร์ของจักรวาลยุคแรกเริ่มที่กินเวลาตั้งแต่ประมาณ 400 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงไปจนถึง 1 พันล้านปี ก๊าซถูกไอออนไนซ์อีกครั้งเนื่องจากการแผ่รังสี UV พลังงานสูงที่ปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์ยุคแรกที่ทรงพลัง การก่อตัวของกาแลคซีและควาซาร์เริ่มขึ้นในยุคนี้ แสงในยุคนี้จะเปลี่ยนเป็นสีแดงเป็นช่วงสีแดงและอินฟราเรด การศึกษาภาคสนามเชิงลึกของฮับเบิลเป็นการเริ่มต้นใหม่ในการศึกษาเอกภพในยุคแรกเริ่ม แต่ขอบเขตในการจับภาพแสงดึกดำบรรพ์นั้นมีจำกัด จำเป็นต้องมีหอสังเกตการณ์อินฟราเรดในอวกาศ JWST เชี่ยวชาญเฉพาะด้านดาราศาสตร์อินฟราเรดเพื่อ ศึกษาจักรวาลยุคแรก.
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ (เจดับบลิวเอสที) เปิดตัวเมื่อวันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2021 ต่อมา tt ถูกวางไว้ในวงโคจรใกล้กับจุดลากรองจ์ดวงอาทิตย์–โลก L2 ลากรองจ์ ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร เริ่มดำเนินการอย่างเต็มรูปแบบในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2022 โดยใช้เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญบนเรือ เช่น NIRCam (กล้องอินฟราเรดใกล้), NIRSpec (กล้องสเปกโตรกราฟอินฟราเรดใกล้), MIRI (เครื่องมืออินฟราเรดกลาง) JWST ค้นหาสัญญาณแสง/อินฟราเรดจากดาวฤกษ์และกาแลคซีในยุคแรกเริ่ม ก่อตัวขึ้นในจักรวาลเพื่อให้เข้าใจถึงการกำเนิดและวิวัฒนาการของกาแลคซีและการก่อตัวของดาวฤกษ์และระบบดาวเคราะห์ได้ดีขึ้น ในช่วงสองปีที่ผ่านมา ได้ให้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งในการสำรวจรุ่งอรุณของจักรวาล (เช่น ช่วงไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังการระเบิดครั้งใหญ่ซึ่งเป็นที่ที่กาแลคซีแห่งแรกถือกำเนิด)
โปรแกรมการสำรวจอวกาศนอกกาแลคซีขั้นสูงของ JWST (JADES)
โปรแกรมนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาวิวัฒนาการของกาแลคซีตั้งแต่การเคลื่อนไปทางสีแดงสูงไปจนถึงเที่ยงจักรวาลโดยการถ่ายภาพอินฟราเรดและสเปกโทรสโกปีในทุ่งลึก GOODS-S และ GOODS-N
ในปีแรก นักวิจัยของ JADES ได้พบกาแลคซีที่เป็นไปได้หลายร้อยแห่งในช่วง 650 ล้านปีแรกหลังบิ๊กแบง ในช่วงต้นปี พ.ศ. 2023 พวกเขาพบกาแลคซีชุดหนึ่งในชุดข้อมูลซึ่งดูเหมือนว่าจะมีการเปลี่ยนสีแดงที่ 14 ซึ่งบ่งบอกว่าต้องเป็นกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปมาก แต่มันสว่างมาก นอกจากนี้ ดูเหมือนว่ามันจะเป็นส่วนหนึ่งของกาแล็กซีอื่นเนื่องจากอยู่ใกล้กัน ดังนั้น พวกเขาสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2023 ข้อมูลใหม่สนับสนุนว่ามีการเคลื่อนสีแดงที่ 14 สเปกตรัมของกาแลคซีนี้จำเป็นสำหรับการระบุตำแหน่งของการแตกของไลแมน-อัลฟาในสเปกตรัมเพื่อวัดการเคลื่อนสีแดงและกำหนดอายุ
Lyman-alpha เป็นเส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจนในอนุกรม Lyman เมื่ออิเล็กตรอนเปลี่ยนจาก n=2 เป็น n=1 จุดแตกของไลแมน-อัลฟาในสเปกตรัมสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่สังเกตได้ (แลตั้งข้อสังเกต- การเลื่อนสีแดง (z) สามารถคำนวณได้ตามสูตร z = (แลตั้งข้อสังเกต – เลส่วนที่เหลือ) / แลส่วนที่เหลือ
กาแล็กซี JADES-GS-z14-0
ด้วยเหตุนี้ กาแลคซีจึงถูกสำรวจอีกครั้งในเดือนมกราคม พ.ศ. 2024 โดยใช้ NIRCam (Nearอินฟราเรดกล้อง) และ NIRSpec (Nearอินฟราเรดสเปกโตรกราฟ) การวิเคราะห์สเปกตรัมให้หลักฐานที่ชัดเจนว่าดาราจักรมีการเปลี่ยนสีแดงที่ 14.32 ทำให้เป็นดาราจักรที่อยู่ไกลที่สุดที่เรารู้จัก (บันทึกดาราจักรที่ห่างไกลที่สุดก่อนหน้านี้ (JADES-GS-z13-0 ที่การเปลี่ยนสีแดงที่ z = 13.2) มีชื่อว่า JADES -GS-z14-0 เป็นกาแลคซีเรืองแสงที่ระยะห่าง 13.5 พันล้านปีแสง นอกจากนี้ มันมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 1,600 ปีแสงที่บ่งบอกว่าดาวอายุน้อยเป็นแหล่งกำเนิดของความสว่าง นอกจากนี้ ปริมาณของดาวฤกษ์ก็หมายความว่ามันจะต้องเป็นเช่นนั้น มีมวลมาก ไม่คาดว่ากาแลคซีที่มีอยู่หลังจากบิกแบงไม่ถึง 300 ล้านปีจะมีคุณสมบัติดังกล่าวไม่เหมาะกับรูปแบบการก่อตัวกาแลคซีที่มีอยู่
มีเซอร์ไพรส์อีกมากมายในร้าน
นักวิจัยสามารถตรวจจับ JADES-GS-z14-0 ที่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นได้โดยใช้ MIRI (Mid-Infrared Instrument) นี่หมายถึงการจับการปล่อยช่วงแสงที่มองเห็นได้จากกาแลคซีนี้ซึ่งเลื่อนไปทางสีแดงจนอยู่นอกระยะสำหรับอุปกรณ์ที่มีอินฟราเรดใกล้ การวิเคราะห์พบว่ามีออกซิเจนไอออไนซ์ซึ่งแสดงถึงความเป็นโลหะของดาวฤกษ์สูง สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อดวงดาวหลายชั่วอายุคนดำเนินชีวิตตามวิถีแห่งชีวิตไปแล้วเท่านั้น
ดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาลมีโลหะเป็นศูนย์หรือมีโลหะต่ำมาก พวกมันถูกเรียกว่าดาว Pop III หรือดาว Population III ดาวโลหะต่ำคือดาวป๊อป II ดาวฤกษ์อายุน้อยมีปริมาณโลหะสูงและเรียกว่า "ดาวป๊อปไอ" หรือดาวโลหะสุริยะ ด้วยความเป็นโลหะที่ค่อนข้างสูง 1.4% ดวงอาทิตย์จึงเป็นดาวฤกษ์ที่เพิ่งเกิดขึ้นไม่นาน ในทางดาราศาสตร์ ธาตุใดๆ ที่หนักกว่าฮีเลียมจะถือเป็นโลหะ สารเคมีที่ไม่ใช่โลหะ เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน ฯลฯ เป็นโลหะในบริบททางจักรวาลวิทยา ดาวฤกษ์จะได้รับโลหะที่อุดมสมบูรณ์ในแต่ละรุ่นหลังเหตุการณ์ซูเปอร์โนวา ปริมาณโลหะที่เพิ่มขึ้นในดวงดาวบ่งบอกถึงอายุที่น้อยลง
เมื่อพิจารณาอายุของกาแลคซี JADES-GS-z14-0 คือน้อยกว่า 300 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ดาวฤกษ์ในกาแลคซีนี้ควรเป็นดาวป๊อป III ที่มีปริมาณโลหะเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม MIRI ของ JWST พบว่ามีออกซิเจนอยู่
เมื่อพิจารณาจากการสังเกตการณ์และการค้นพบข้างต้น คุณสมบัติของกาแลคซีเอกภพยุคแรกเริ่ม JADES-GS-z14-0 ไม่สอดคล้องกับความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับการกำเนิดกาแลคซี กาแลคซีที่มีคุณสมบัติดังกล่าวมีอายุถึง 290 ล้านปีหลังจาก Bing Bang ได้อย่างไร เป็นไปได้ว่ากาแล็กซีดังกล่าวจำนวนมากอาจถูกค้นพบในอนาคต บางทีกาแลคซีที่หลากหลายอาจมีอยู่ที่ Cosmic Dawn
***
อ้างอิง:
- คาร์เนียนี ส. อัล et- 2024. การยืนยันทางสเปกโทรสโกปีของกาแลคซีส่องสว่างสองแห่งที่การเคลื่อนไปทางสีแดงที่ 14 ธรรมชาติ (2024) เผยแพร่เมื่อ 24 กรกฎาคม 2024 DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 - พิมพ์ล่วงหน้าที่ axRiv. ยื่นเมื่อ 28 พฤษภาคม 2024 DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- เฮลตัน เจเอ็ม, อัล et 2024. การตรวจจับโฟโตเมตริก JWST/MIRI ที่ 7.7 ไมโครเมตรของความต่อเนื่องของดวงดาวและการแผ่รังสีเนบิวลาในกาแลคซีที่ z>14 พิมพ์ล่วงหน้าที่ axRiv. ยื่นเมื่อ 28 พฤษภาคม 2024 DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ของนาซ่า ไฮไลท์ในช่วงแรก – กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ของ NASA ค้นหากาแล็กซีที่ห่างไกลที่สุด โพสต์เมื่อ 30 พฤษภาคม 2024 มีจำหน่ายที่ https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
