กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#27 ยุคมืดของจักรวาลและดาวฤกษ์ดวงแรก

จักรวาลของเราเริ่มต้นด้วยการระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียกว่าบิกแบงเมื่อประมาณ 13.7 พันล้านปีก่อน จักรวาลยุคต้นประกอบด้วยพลาสม่าที่ร้อนและมีความหนาแน่นสูงมากด้วยอนุภาคของแสง (โฟตอน) และอนุภาคของสสารที่มีประจุหรือไอออน (ion) เช่น โปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน จักรวาลช่วงเวลานี้มีลักษณะทึบแสง ต่อมาประมาณ 380,000 ปีหลังจากบิกแบง จักรวาลเย็นตัวลง อะตอมของไฮโดรเจนและฮีเลียมได้เริ่มก่อตัว เป็นเหตุการณ์ที่เรียกว่า Recombination อะตอมเกือบทั้งหมดซึ่งส่วนใหญ่เป็นอะตอมไฮโดรเจนมีสภาวะเป็นกลาง (อะตอมของไฮโดรเจนที่มีโปรตอนหนึ่งตัวและอิเล็กตรอนหนึ่งตัวซึ่งไม่มีประจุโดยรวม) ซึ่งทำให้แสงเดินทางได้อย่างอิสระเป็นครั้งแรก เนื่องจากแสงนี้ไม่ได้กระจัดกระจายเนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระอีกต่อไป จักรวาลไม่ทึบแสงอีกต่อไป! ในช่วงเวลานี้เกิด “รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background; CMB)” ที่ทำให้จักรวาลมีลักษณะโปร่งใส

อย่างไรก็ตาม หลังจากที่ CMB ถูกตราตรึงบนจักรวาล จักรวาลกลับมากลายเป็นทึบแสงอีกครั้งดังคำอธิบายข้างล่าง

ยุคมืดของจักรวาล (Cosmic Dark Ages)

การแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background Radiation; CMB) เป็นการส่งผ่าน “พลังงานความร้อน” ในลักษณะเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) มันเป็นรังสีที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาลที่เกิดเมื่อ 380,000 ปีหลังการเกิด Big Bang จักรวาลในขณะนั้นมีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมาก ทำให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอยู่ในช่วงรังสีแกมม่าและรังสีเอกซ์ที่มีความยาวคลื่นสั้นหรือความถี่ของคลื่นสูง และมีพลังงานสูงมาก แต่เนื่องจากจักรวาลมีการขยายตัวกว้างใหญ่ขึ้นตลอดเวลา ทำให้จักรวาลมีอุณหภูมิลดต่ำลง เป็นสาเหตุทำให้ความยาวคลื่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามีความยาวเพิ่มขึ้นหรือความถี่ของคลื่นลดลง และมีการถ่ายเทพลังงานออกมา จนกระทั่งความยาวคลื่นของ CMB ยาวกว่าแสงที่มองเห็นได้ นั่นคือคลื่นอินฟราเรด (IR) และการแผ่รังสีของ CMB ถูกดูดซับอย่างรวดเร็วโดยก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลางและมีความหนาแน่นสูงที่เติบเต็มจักรวาลในช่วงเวลานี้ ทำให้จักรวาลทึบแสง

สิ่งที่ตามมาคือช่วงเวลาที่จักรวาลมืดสนิท ยังไม่มีแหล่งกำเนิดแสง เช่น ดาวหรือกาแล็กซีใดๆ ที่จะทำให้จักรวาลสว่าง นักดาราศาสตร์เรียกช่วงเวลานี้ว่า “ยุคมืดของจักรวาล (Cosmic Dark Ages)” ซึ่งยาวนานหลายร้อยล้านปี ยุคมืดของจักรวาลเป็นช่วงเวลาที่ไม่เพียงขาดแสงสว่าง แต่ยังไร้ข้อมูลอีกด้วย เรามีความรู้น้อยมากเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานี้ อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์เชื่อกันว่ายุคมืดของจักรวาลเต็มไปด้วยก๊าซไฮโดรเจนที่เป็นกลาง (neutral hydrogen) อันเป็นลักษณะเด่นของยุคนี้

Skillet – “Feel Invincible” (YouTube)

การสิ้นสุดของยุคมืดและการกำเนิดของดาวฤกษ์ดวงแรก

ตามทฤษฎีบิกแบงที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด ดาวฤกษ์รุ่นแรกถือกำเนิดในจักรวาลประมาณ 200 ถึง 400 ล้านปีหลังจากบิกแบง ซึ่งทำให้จักรวาลสว่างขึ้นอีกครั้งและยุติยุคมืดของจักรวาล ในช่วงเวลาของจักรวาลยุคต้น องค์ประกอบของจักรวาลคือไฮโดรเจนและฮีเลียมโดยมีลิเธียมในปริมาณเล็กน้อย ทั้งหมดนี้อยู่ในรูปของก๊าซที่คละคลุ้งไปทั่วอวกาศ เมื่อเวลาผ่านไปแรงโน้มถ่วงได้ดึงเมฆก๊าซเข้าด้วยกัน จนกลายเป็นเมฆขนาดมหึมาของก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมดึกดำบรรพ์ที่เกาะกลุ่มกัน บริเวณที่มีความหนาแน่นมากเกินไปได้เริ่มยุบตัวลงอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วงจนก่อตัวเป็นดวงฤกษ์ดวงแรกของจักรวาล

ภาพแสดงองค์ประกอบของดาวฤกษ์รุ่นแรกหรือที่เรียกว่า ดาวประชากร III ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด ดาวรุ่นหลังๆ รวมทั้งดวงอาทิตย์มีองค์ประกอบที่หนักกว่า เช่น ออกซิเจน คาร์บอน และเหล็ก ซึ่งก่อตัวขึ้นในแกนกลางของดาวฤกษ์รุ่นก่อนๆ (webbtelescope.org)

ดวงฤกษ์รุ่นแรกมีชื่อที่เรียกว่า “ดาวประชากร III (Population III stars)” ดาวรุ่นแรกเหล่านี้ค่อนข้างแตกต่างจากดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์รุ่นหลังอื่นๆ เนื่องจากพวกมันถูกสร้างขึ้นจากองค์ประกอบดั้งเดิมของจักรวาลยุคแรกเพียงไม่กี่ชนิด (ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเธียม) โดยมีไฮโดรเจน (75%) และฮีเลียม (25%) เป็นองค์ประกอบหลัก ดวงดาวมีความร้อนมากจนเป็นสีน้ำเงิน มีขนาดใหญ่มาก มีมวลระหว่าง 60 ถึง 300 เท่าของดวงอาทิตย์ และมีอายุสั้นโดยทั่วไปคือ 2 ล้านปี พวกมันมีการเผาไหม้อย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น (nuclear fusion) ที่ใจกลางดาว ซึ่งนิวเคลียสของไฮโดรเจนที่อยู่รวมกันจะถูกหลอมรวมกันกลายเป็นฮีเลียม แล้วฮีเลียมกลายเป็นคาร์บอนและอื่นๆ สร้างเป็นธาตุที่หนักกว่าในแกนกลางของดาวฤกษ์รุ่นแรกเหล่านี้ ในที่สุดดวงดาวก็ระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา (Supernova) “ดวงดาวเหล่านี้สร้างเมล็ดดาวรุ่นต่อไป” ดาวฤกษ์ที่ถูกเพาะเมล็ดรุ่นต่อไปจะผลิตองค์ประกอบอื่นๆ ที่หนักกว่า เช่น ออกซิเจน คาร์บอน แมกนีเซียม เหล็ก และเกือบทุกองค์ประกอบในตารางธาตุ และในที่สุดการเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิต

เมื่อเวลาผ่านไปสสารและดวงดาวต่างๆก็ถูกดึงเข้าสู่พื้นที่ที่มีความหนาแน่นมาก เหล่านี้ส่งผลให้เกิดกาแล็กซีแรก จากนั้นกาแล็กซีเหล่านี้ก็รวมเข้ากับกาแล็กซีอื่นเพื่อสร้างกาแล็กซีขนาดใหญ่ขึ้น – และกระบวนการสร้างกาแล็กซีทั้งหมดก็ได้เริ่มขึ้น

Kygo & Ellie Goulding – First Time (YouTube)

ยุคของ Reionization และการสิ้นสุดของยุคมืดของจักรวาล

rug.nl

ในช่วงเวลาของยุคมืดของจักรวาล (Cosmic dark ages) จักรวาลมืดและเย็นเต็มไปด้วยหมอกหนาทึบของก๊าซดึกดำบรรพ์สองชนิดเท่านั้นคือ ไฮโดรเจน (75%) และฮีเลียม (25%)

“Epoch of Reionization” เป็นช่วงเวลาหนึ่งในประวัติศาสตร์ของจักรวาลที่เกิดขึ้นจากการมาถึงของดาวฤกษ์ดวงแรกและกาแล็กซี่ เมื่อดาวฤกษ์รุ่นแรกหรือรุ่นดึกดำบรรพ์ก่อตัวขึ้น พวกมันก็ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตพลังงานสูงเข้าไปในพื้นที่มืดของจักรวาล  การแผ่รังสีอัลตราไวโอเลตอันทรงพลังของดาวฤกษ์ทำให้ก๊าซไฮโดรเจนที่อยู่รอบๆ ร้อนขึ้น ส่งผลให้อิเล็กตรอนในอะตอมของไฮโดรเจนหลุดออกไป ทำให้ไฮโดรเจนที่เป็นกลางแตกตัวเป็นไอออนที่มีประจุเป็นโปรตอน (H⁺) และอิเล็กตรอนอิสระ (e^–) อีกครั้ง ไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนนี้ไม่ดูดซับแสงอีกต่อไป ทำให้แสงอัลตราไวโอเลตสามารถเดินทางผ่านอวกาศได้อย่างอิสระ จากนั้นจักรวาลแห่งความมืดก็สว่างขึ้นอีกครั้ง และในที่สุดก็เต็มไปด้วยแสงอัลตราไวโอเลตที่ปล่อยออกมาจากดวงดาวและกาแล็กซี เป็นการเริ่มต้นยุคของ Reionization และการสิ้นสุดของยุคมืดของจักรวาล

ยุค Reionization ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่จักรวาลเริ่มจะมีแสงสว่างเรืองรองขึ้นมา เป็นช่วงเวลาที่นักดาราศาสตร์มีความเข้าใจน้อยมากและนับเป็นการเปลี่ยนจากจักรวาลที่เรียบง่ายเป็นเนื้อเดียวกันไปสู่จักรวาลที่เต็มไปด้วยโครงสร้าง

Billie Eilish – You should see me in a crown (YouTube)

สัญญาณที่เชื่อกันว่ามาจากดวงฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุด

ตามทฤษฎีบิกแบง ดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาลก่อตัวขึ้นหลังจากบิกแบงไม่กี่ร้อยล้านปี น่าเสียดายที่นักดาราศาสตร์ไม่สามารถ “มองเห็น” พวกมันได้ เนื่องจากพวกมันเกิดขึ้นพร้อมกันในช่วงจักรวาลวิทยาที่เรียกว่า “ยุคมืดของจักรวาล (Cosmic Dark Ages)” ในช่วงเวลานี้เมฆของก๊าซซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซไฮโดรเจนได้เติมเต็มจักรวาลซึ่งบดบังรังสีอินฟราเรดของ CMB  อย่างไรก็ตามนักดาราศาสตร์ได้เรียนรู้ว่าแสงจากยุคนี้สามารถตรวจจับได้ว่าเป็นสัญญาณวิทยุจางๆ ด้วยเหตุนี้จึงมีการสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เช่น Murchison Widefield Array (MWA) ขึ้น

republicworld.com

ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Murchison Widefield Array (WMA) กำลังพยายามค้นหาสัญญาณจากดาวดวงแรกของจักรวาล ดาวดวงแรกเหล่านี้ก่อตัวขึ้นหลังยุคมืดของจักรวาล เพื่อค้นหาแสงแรกของพวกมัน นักวิจัยกำลังมองหา “สัญญาณจากไฮโดรเจนที่เป็นกลาง” ซึ่งเป็นก๊าซที่ครอบงำจักรวาลในยุคมืด

Murchison Widefield Array เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หอดูดาววิทยุ – ดาราศาสตร์ Murchison (MRO) ซึ่งตั้งอยู่ในชนบทห่างไกลของออสเตรเลียตะวันตก ห่างจากเพิร์ธไปทางเหนือ 800 กิโลเมตร สถานที่นี้มีสภาพแวดล้อมวิทยุที่เงียบสงบและสภาพอากาศที่มั่นคงสำหรับการสังเกตการณ์  อาร์เรย์นี้ประกอบด้วยเสาอากาศไดโพล 4,096 อันที่สามารถรับสัญญาณความถี่ต่ำ เช่น สัญญาณจากไฮโดรเจนที่เเป็นกลาง สัญญาณเหล่านี้มองเห็นได้ยาก เนื่องจากมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารบกวนจากแหล่งกำเนิดอื่นๆ ของจักรวาล

rug.nl

นักวิจัยพยายามจับการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นวิทยุ 21 เซนติเมตร ซึ่งปล่อยออกมาจากไฮโดรเจนที่เป็นกลาง การค้นหาสัญญาณเหล่านี้ในอวกาศเป็นกุญแจสำคัญในการพิจารณาว่าดาวดวงแรกก่อตัวขึ้นเมื่อใด และเมื่อไรที่ยุคมืดสิ้นสุดลง ทำให้นักดาราศาสตร์ได้เบาะแสที่สำคัญเกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาล

“สำหรับยุคมืดนี้แน่นอนว่าไม่มีสัญญาณจากแสงที่เราสามารถศึกษาเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้ได้ – ไม่มีแสงที่มองเห็นได้!” Morales นักวิจัยกล่าว “แต่มีสัญญาณเฉพาะที่เราสามารถมองหาได้ มันมาจากไฮโดรเจนที่เป็นกลางทั้งหมด เราไม่เคยวัดสัญญาณนี้ แต่เรารู้ว่ามีอยู่ และตรวจจับได้ยาก เพราะในช่วง 13 พันล้านปีนับตั้งแต่สัญญาณดังกล่าวถูกเล็ดลอดออกไป จักรวาลของเราก็กลายเป็นสถานที่ที่พลุกพล่านเต็มไปด้วยกิจกรรมอื่นๆ จากดวงดาวและกาแล็กซซี่ และแม้แต่เทคโนโลยีของเราที่กลบสัญญาณจากไฮโดรเจนที่เป็นกลาง “

ตามที่ระบุในวารสาร The Astrophysical Journal เมื่อปี 2019 ทีมงานประสบความสำเร็จในการกรองสัญญาณรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้มากถึง 10 เท่า (เทียบกับค่าปกติ) ด้วยข้อมูลที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมากมาย ขณะนี้ทีมงานกำลังค้นหาข้อมูลทั้งหมดเพื่อหาสัญญาณบ่งชี้สัญญาณวิทยุที่มีต้นกำเนิดมาจาก “ยุคมืด”

ตามรายงาน Morales และเพื่อนร่วมงานของเขาได้พัฒนาวิธีการที่ซับซ้อนอย่างมากเพื่อกรองเสียงรบกวนทางโลกทั้งหมดและทำให้พวกเขาเข้าใกล้สัญญาณนั้นมากขึ้น นักวิจัยประกาศว่าพวกเขาได้กรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าจากข้อมูล Murchison Array มากกว่า 21 ชั่วโมงในปี 2019 ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันมีข้อมูลการปล่อยก๊าซเพิ่มเติมประมาณ 3,000 ชั่วโมงที่รวบรวมโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ อย่างไรก็ตามนักวิจัยพยายามกรองสัญญาณรบกวนและเข้าใกล้สัญญาณที่คลุมเครือจากไฮโดรเจนที่เป็นกลางมากขึ้น

จากอาร์เรย์ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั่วโลกซึ่งมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ หากพวกเขาประสบความสำเร็จ นักดาราศาสตร์ก็จะมีหน้าต่างเข้าสู่ช่วงแรกสุดของจักรวาล นี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์และนักจักรวาลวิทยาสามารถทดสอบทฤษฎีของตนเกี่ยวกับเหตุการณ์สำคัญในวิวัฒนาการของจักรวาลของเราได้

ทีมงานประกอบด้วยนักวิจัยจากความร่วมมือ ASTRO 3D, ศูนย์ระหว่างประเทศเพื่อการวิจัยดาราศาสตร์วิทยุ (ICRAR), สถาบันดาราศาสตร์วิทยุแห่งเนเธอร์แลนด์

republicworld.com

• Facebook
• Twitter
• Line