เจมส์ เวบบ์ และกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดที่ท้าทายแบบจำลองของจักรวาล

เป็นวัตถุที่ถูกจัดอยู่ในหมวดหมู่ดังนี้ โมเอ็ม-ซี14ซึ่งแสงนั้นเริ่มต้นการเดินทางมาเมื่อนานมาแล้ว 280 ล้านปีหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ (บิ๊กแบง) และใช้เวลากว่า 13.000 พันล้านปีจึงมาถึงเรา ผลการวิจัยนี้ผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญและจะได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร วารสารดาราศาสตร์เปิด หลังจากออกอากาศครั้งแรกใน arXivซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายอย่างร้ายแรงต่อแบบจำลองทางทฤษฎีที่อธิบายการก่อตัวของกาแล็กซีแรกเริ่ม

กาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดที่ได้รับการยืนยัน: นี่คือวิธีการวัดระยะทางของมัน

บทความที่เกี่ยวข้อง:

ซูเปอร์โนวาที่เก่าแก่ที่สุดที่ตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ เปิดหน้าต่างสู่จักรวาลยุคเริ่มต้น

ทีมที่นำโดยนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ โรฮัน ไนดูจากภาควิชาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของ เอ็มไอที และสถาบันคาวลีเพื่อฟิสิกส์ดาราศาสตร์และการวิจัยอวกาศ ได้ยืนยันแล้วว่าสัญญาณที่บันทึกได้นั้นมาจาก แหล่งกำเนิดที่อยู่ไกลได้รับการยืนยันโดยสเปกโทรสโกปีเทคนิคนี้ช่วยให้สามารถแยกแสงออกเป็นส่วนๆ และวัดความเข้มของแสงได้อย่างแม่นยำ กะแดงซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการประมาณระยะทางในอวกาศ

ในกรณีของ MoM-z14 ค่าเรดชิฟต์ที่วัดได้มีค่าถึง... z ≈ 14,44นี่หมายความว่าเรากำลังสังเกตการณ์กาแล็กซีในช่วงเริ่มต้นของจักรวาล ซึ่งเป็นสถิติที่เหนือกว่าสถิติเดิมที่ทำได้โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ และทำให้ MoM-z14 กลายเป็นมาตรฐานใหม่สำหรับการศึกษาจักรวาลในช่วงหลายร้อยล้านปีแรก

นายไนดูและทีมงานของเขาได้หันไปใช้วิธีการดังกล่าว NIRSpecเครื่องมือวัดสเปกตรัมอินฟราเรดใกล้ของกล้องโทรทรรศน์เวบบ์ถูกใช้เพื่อบันทึกสเปกตรัมโดยละเอียดของกาแล็กซี เครื่องมือนี้เหนือกว่าการถ่ายภาพแบบธรรมดา เพราะมันไม่เพียงแต่ "มองเห็น" วัตถุเท่านั้น แต่ยังเผยให้เห็นองค์ประกอบของแสงและด้วยเหตุนี้ พบสิ่งนี้ ณ จุดใดในประวัติศาสตร์จักรวาล.

ดังที่นายนาอิดูได้อธิบายไว้ในแถลงการณ์ที่เผยแพร่โดยนาซาว่า ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์ “เราสามารถมองได้ไกลกว่าที่เคยเป็นมา และสิ่งที่ปรากฏให้เห็น” มันไม่ตรงกับสิ่งที่แบบจำลองคาดการณ์ไว้ความคลาดเคลื่อนระหว่างสิ่งที่สังเกตได้กับสิ่งที่คาดการณ์ไว้ได้กลายเป็นประเด็นร้อนแรงที่สุดประเด็นหนึ่งในสาขาจักรวาลวิทยาในปัจจุบัน

มีตำหนิเล็กน้อยในภาพ แต่เป็นบุคคลสำคัญทางวิทยาศาสตร์

เมื่อมองแวบแรก MoM-z14 ดูเหมือนจะเป็นเพียง... จุดสีเหลืองเล็กๆ ในภาพถ่ายระยะไกลของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ อย่างไรก็ตาม เบื้องหลังรูปลักษณ์ที่ดูไม่โดดเด่นนั้น กลับซ่อนกาแล็กซีที่กำลังแหวกแนวเอาไว้ แม้จะมีขนาดค่อนข้างกะทัดรัด แต่... ความสว่างสูงมากเป็นพิเศษ สำหรับช่วงเวลาในยุคแรกเริ่มเช่นนั้น

ข้อมูลบ่งชี้ว่ากาแล็กซีนี้มีมวลใกล้เคียงกับของ เมฆแมเจลแลนขนาดเล็กMoM-z14 เป็นกาแล็กซีแคระที่โคจรรอบทางช้างเผือก ซึ่งมีความโดดเด่นตรงที่ถูกสังเกตการณ์ในช่วงที่ดวงอาทิตย์มีกิจกรรมรุนแรง การก่อตัวของดาวฤกษ์ที่รุนแรงมากซึ่งอาจเป็นส่วนหนึ่งที่อธิบายถึงความสว่างสูงในย่านอินฟราเรดของมัน

สำหรับวงการวิทยาศาสตร์ หนึ่งในประเด็นสำคัญที่สุดของการศึกษาครั้งนี้คือ MoM-z14 ไม่ใช่กรณีโดดเดี่ยว แต่เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มกาแล็กซีสว่างมากที่ตรวจพบในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ซึ่งมีจำนวนเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ จักรวาลมีอายุ 500 ล้านปีจากการคำนวณของทีมงาน กาแล็กซีบางแห่งเหล่านี้อาจมีขนาดใหญ่ถึง... สว่างกว่า 100 เท่า เป็นไปตามที่แบบจำลองทางทฤษฎีคาดการณ์ไว้

ความแตกต่างที่น่าทึ่งระหว่างทฤษฎีและการสังเกตนี้ได้รับการเน้นย้ำโดย จาคอบ เชนนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ MIT ซึ่งเน้นย้ำว่าผลลัพธ์เหล่านี้ “ก่อให้เกิดข้อสงสัย” นี่เป็นคำถามที่กระตุ้นความคิดอย่างมากและจำเป็นต้องมีการสำรวจอย่างละเอียด ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า” กล่าวอีกนัยหนึ่ง ดูเหมือนว่าเอกภพในยุคเริ่มต้นจะมีประสิทธิภาพในการสร้างกาแล็กซีสว่างได้มากกว่าที่เคยคิดไว้มาก

ปรากฏการณ์ทางเคมีที่แปลกประหลาด: ไนโตรเจนส่วนเกินที่ยากจะอธิบายได้

นอกเหนือจากระยะทางและความสว่างที่ทำลายสถิติแล้ว MoM-z14 ยังดึงดูดความสนใจด้วยเหตุผลอื่นๆ อีกด้วย องค์ประกอบทางเคมีที่ผิดปกติการวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปีบ่งชี้ว่ามีสัดส่วนของ ปริมาณไนโตรเจนสูงมากเมื่อเทียบกับคาร์บอนซึ่งเป็นรูปแบบที่ไม่สอดคล้องกับสิ่งที่แบบจำลองปัจจุบันคาดการณ์ไว้สำหรับกาแล็กซีอายุน้อยเช่นนี้

ลักษณะทางเคมีแบบนี้ชวนให้นึกถึงลักษณะที่พบในบางกรณี กระจุกดาวทรงกลมโบราณ ในกาแล็กซีทางช้างเผือก มีกระจุกดาวเก่าแก่มากที่ถือเป็น "ซากดึกดำบรรพ์" ที่แท้จริงของเอกภพยุคแรก ความบังเอิญนี้ชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงที่เป็นไปได้ระหว่างกระบวนการก่อตัวของดาวฤกษ์ในกาแล็กซีแรกเริ่มกับกระบวนการที่ทิ้งร่องรอยไว้ในกาแล็กซีของเราเอง

นายไนดูเองเสนอแนวคิด "โบราณคดีจักรวาล" ชนิดหนึ่ง โดยการศึกษาดาวฤกษ์ที่มีอายุเก่าแก่มากในอวกาศ ทางช้างเผือก เมื่อเปรียบเทียบกับกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไป เช่น MoM-z14 นักดาราศาสตร์จะสามารถสร้างภาพจำลองของกาแล็กซีเหล่านั้นได้ดียิ่งขึ้น เคมีของจักรวาลยุคแรกสิ่งที่น่าสนใจคือ แม้จะมีระยะทางอันไกลโพ้นและเวลาผ่านไปนานมาก แต่รูปแบบการสะสมของไนโตรเจนก็ยังคงปรากฏให้เห็นในลักษณะที่คล้ายคลึงกัน

ปริมาณไนโตรเจนที่มากเกินไปนี้ก่อให้เกิดปัญหาใหญ่ หากตรวจพบ MoM-z14 เพียงอย่างเดียว 280 ล้านปีหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ (บิ๊กแบง)ช่วงเวลาที่มีอยู่นั้นดูสั้นเกินไปสำหรับดาวฤกษ์หลายรุ่นที่จะมีชีวิตอยู่และดับสูญไป จนทำให้ก๊าซในกาแล็กซีมีความเข้มข้นถึงระดับที่ตรวจพบได้ ลำดับเหตุการณ์นี้ไม่สอดคล้องกับกลไกวิวัฒนาการของดาวฤกษ์แบบมาตรฐาน

เพื่อพยายามไขปริศนานี้ นักวิจัยกำลังพิจารณาสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของ ดาวฤกษ์มวลมหาศาล ในเอกภพยุคแรกเริ่ม ดาวฤกษ์เหล่านี้ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันมาก สามารถผลิตและปล่อยไนโตรเจนออกมาในปริมาณที่มากกว่ามาก ทำให้กระบวนการเพิ่มความเข้มข้นทางเคมีเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในระยะเวลาอันสั้นของเอกภพ

การเกิดใหม่ของไอออนและบทบาทของกาแล็กซีสว่างกลุ่มแรก

การศึกษา MoM-z14 ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแค่เคมีหรือความสว่างของมันเท่านั้น แต่ยังให้เบาะแสที่มีค่าเกี่ยวกับช่วงเวลาสำคัญช่วงหนึ่งในประวัติศาสตร์ของจักรวาลอีกด้วย ยุคแห่งการแตกตัวเป็นไอออนใหม่ช่วงเวลานี้เป็นช่วงเวลาที่แสงจากดาวฤกษ์และกาแล็กซีแรกเริ่มสามารถทำให้ไฮโดรเจนที่เป็นกลางซึ่งกระจายอยู่ทั่วจักรวาลแตกตัวเป็นไอออน ขจัด "หมอก" ดั้งเดิมออกไป และทำให้รังสีสามารถเดินทางได้อย่างอิสระ

ข้อเท็จจริงที่ว่ามีกาแล็กซีที่สว่างและวิวัฒนาการค่อนข้างมากแล้วตั้งแต่ยุคแรกเริ่มนั้น ยิ่งตอกย้ำแนวคิดที่ว่า แหล่งกำเนิดแสงที่มีความเข้มสูงแหล่งแรกปรากฏขึ้นเร็วกว่าและมีจำนวนมากกว่า เป็นไปตามที่คาดไว้ MoM-z14 จึงกลายเป็นชิ้นส่วนสำคัญในการติดตามลำดับเหตุการณ์ของกระบวนการนี้ ซึ่งมีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งกับการทำความเข้าใจว่าจักรวาลเปลี่ยนจากสถานที่มืดมิดและทึบแสงไปเป็นสถานที่โปร่งใสและเต็มไปด้วยโครงสร้างได้อย่างไร

สำหรับยุโรป และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวงการวิทยาศาสตร์ของสเปน ผลลัพธ์ประเภทนี้มีผลกระทบเป็นพิเศษ เนื่องจาก ภารกิจเจมส์ เวบบ์ เป็นภารกิจระดับนานาชาติที่มีองค์การอวกาศยุโรป (ESA) เข้าร่วม (องค์การอวกาศยุโรป) ทีมวิจัยที่ศูนย์ต่างๆ เช่น ศูนย์ชีววิทยาดาราศาสตร์ (CSIC-INTA)มหาวิทยาลัยและหอดูดาวในยุโรปอาศัยข้อมูลเหล่านี้ในการพัฒนารูปแบบจำลองของเอกภพในยุคเริ่มต้นให้มีความแม่นยำยิ่งขึ้น

กรณีของ MoM-z14 ยังเชื่อมโยงกับการค้นพบอื่นๆ ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์ที่เกี่ยวข้องกับกาแล็กซีที่อยู่ไกลมากและหลุมดำมวลมหาศาลที่เคลื่อนที่เร็วอย่างน่าประหลาดใจ ข่าวล่าสุดรวมถึงการตรวจพบ... กาแล็กซีที่มีโครงสร้างคล้ายกับทางช้างเผือก ในสมัยโบราณและการระบุตัวตน หลุมดำมวลมหาศาลที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่รู้จักสิ่งนี้ตอกย้ำแนวคิดที่ว่าการก่อตัวของโครงสร้างที่ซับซ้อนเกิดขึ้นเร็วกว่าที่เคยคิดไว้

ก่อนที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์จะมาถึง สถิติระยะทางสูงสุดเป็นของกาแล็กซี GN-z11ค้นพบด้วย กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล จาก NASA/ESA และตั้งอยู่ประมาณ 400 ล้านปีหลังจากการระเบิดครั้งใหญ่ (บิ๊กแบง)กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ไม่เพียงแต่ยืนยันการวัดนั้นเท่านั้น แต่ยังไปไกลกว่านั้นอีก โดยค้นพบประชากรกลุ่มหนึ่ง กาแล็กซีที่สว่างมาก ในช่วงหลายร้อยล้านปีแรก ซึ่งทำให้ต้องมีการแก้ไขทฤษฎีส่วนใหญ่

เป็นการท้าทายโดยตรงต่อแบบจำลองจักรวาลวิทยาในปัจจุบัน

ผลลัพธ์จาก MoM-z14 ได้ถูกเผยแพร่ในเบื้องต้นในคลังข้อมูลแล้ว arXiv และได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ใน วารสารดาราศาสตร์เปิดนี่หมายความว่าพวกเขาได้ผ่านกระบวนการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญแล้ว ซึ่งช่วยเสริมความน่าเชื่อถือของการวัดและตอกย้ำแนวคิดที่ว่า เจมส์ เวบบ์ ทำผลงานได้เกินความคาดหมายไปมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งาน

ในบริบทนี้ เสียงของผู้เชี่ยวชาญชาวยุโรปก็มีความสำคัญเช่นกัน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ปาสคาล โอเอช, Of มหาวิทยาลัยเจนีวา และผู้ร่วมวิจัยในโครงการเน้นย้ำว่า แม้ว่าจะสามารถประมาณระยะทางจากภาพได้ แต่ การยืนยันด้วยสเปกโทรสโกปีเป็นสิ่งจำเป็น เพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งที่กำลังสังเกตอยู่นั้นคืออะไร และเกิดขึ้นในช่วงเวลาใดในประวัติศาสตร์ของจักรวาล

จากมุมมองทางจักรวาลวิทยา กระจุกกาแล็กซีประเภท MoM-z14 บ่งชี้ว่า แบบจำลองการก่อตัวของโครงสร้าง แบบจำลองเหล่านี้อาจไม่สมบูรณ์หรือต้องการการปรับปรุงแก้ไขอย่างมาก ในบรรดาประเด็นอื่นๆ จำเป็นต้องทบทวนว่าดาวฤกษ์มวลมากดวงแรกก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วได้อย่างไร สสารมืดมีบทบาทอย่างไรในกระบวนการเริ่มต้นเหล่านี้ และพลังงานมีการกระจายตัวอย่างไรในก๊าซที่ก่อให้เกิดดาวฤกษ์รุ่นใหม่

นักวิจัย เช่น อี้เจีย ลี่นักศึกษาปริญญาโทจากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียสเตทและสมาชิกของทีม เน้นย้ำว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์กำลังเปิดเผยให้เห็น... จักรวาลยุคเริ่มต้นนั้นมีความเคลื่อนไหวและซับซ้อนมากกว่ามาก เกินกว่าที่คาดการณ์ไว้เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา การสังเกตการณ์การเลื่อนไปทางแดงที่รุนแรงแต่ละครั้งเป็นการเพิ่มชิ้นส่วนให้กับปริศนาที่ในตอนนี้ดูเหมือนจะยุ่งเหยิงมากกว่าที่จะไขได้สำเร็จ

สำหรับสาธารณชนชาวยุโรปที่คุ้นเคยกับการมองอวกาศว่าเป็นสิ่งที่อยู่ไกลแสนไกล ความก้าวหน้าเหล่านี้ยังมีมิติทางเทคโนโลยีและเชิงกลยุทธ์อีกด้วย กล่าวคือ อุปกรณ์ส่วนใหญ่ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเวบบ์ ตลอดจนการใช้ประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์ ล้วนต้องอาศัยความร่วมมือระหว่าง... อีเอสเอและนาซาสิ่งนี้ทำให้ศูนย์วิจัยในยุโรป รวมถึงสเปน เป็นผู้นำในการศึกษาเกี่ยวกับเอกภพยุคเริ่มต้น

โดยรวมแล้ว การยืนยันของ MoM-z14 เป็นกาแล็กซีที่เก่าแก่และอยู่ไกลที่สุดเท่าที่เคยสังเกตการณ์มาความสว่างที่โดดเด่น ปริมาณไนโตรเจนที่มากผิดปกติ และบทบาทของมันในยุคการแตกตัวเป็นไอออนใหม่ ทำให้การค้นพบนี้เป็นจุดอ้างอิงที่สำคัญสำหรับจักรวาลวิทยาในยุคปัจจุบัน ข้อมูลที่รวบรวมโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ไม่เพียงแต่ทำลายสถิติเท่านั้น แต่ยังบังคับให้เราต้องคิดใหม่เกี่ยวกับวิธีการและอัตราการกำเนิดของกาแล็กซีแรก ดาวฤกษ์ดวงแรก และท้ายที่สุด โครงสร้างขนาดใหญ่ที่ก่อร่างสร้างจักรวาลที่เรารู้จักในปัจจุบัน