มองย้อนกลับไปที่ Cosmic Dawn—นักดาราศาสตร์ยืนยันว่าเป็นกาแล็กซีที่จางที่สุดเท่าที่เคยเห็นมา

มองย้อนกลับไปที่ Cosmic Dawn—นักดาราศาสตร์ยืนยันว่าเป็นกาแล็กซีที่จางที่สุดเท่าที่เคยเห็นมา

Time Stamp: 13 สิงหาคม 2023 10:00

จักรวาลที่เราอาศัยอยู่เป็นจักรวาลที่โปร่งใส ซึ่งแสงจากดวงดาวและกาแล็กซีส่องแสงสว่างตัดกับฉากหลังที่มืดและชัดเจน แต่นี่ไม่ใช่กรณีเสมอไป ในช่วงปีแรก ๆ เอกภพเต็มไปด้วยหมอกของอะตอมไฮโดรเจนที่บดบังแสงจากดาวฤกษ์และกาแล็กซียุคแรกสุด

แสงอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงจากดาวฤกษ์และกาแล็กซีรุ่นแรกๆ นั้นถูกเผาผ่านหมอกไฮโดรเจน ซึ่งเปลี่ยนจักรวาลให้เป็นอย่างที่เราเห็นในปัจจุบัน ในขณะที่กล้องโทรทรรศน์รุ่นก่อนๆ ขาดความสามารถในการศึกษาวัตถุในจักรวาลในยุคแรกๆ เหล่านั้น ปัจจุบัน นักดาราศาสตร์กำลังใช้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์เทคโนโลยีที่เหนือชั้นในการศึกษาดวงดาวและกาแล็กซีที่ก่อตัวขึ้นหลังบิกแบง

ฉันเป็น นักดาราศาสตร์ที่ศึกษาดาราจักรที่อยู่ไกลที่สุด ในเอกภพโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและอวกาศชั้นแนวหน้าของโลก ทีมของฉันใช้การสังเกตการณ์ใหม่จากกล้องโทรทรรศน์เว็บบ์และปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วง ยืนยันการมีอยู่ ของกาแล็กซีที่จางที่สุดที่รู้จักกันในปัจจุบันในเอกภพยุคแรก กาแล็กซีที่เรียกว่า JD1 ถูกมองว่าเป็นตอนที่เอกภพมีอายุเพียง 480 ล้านปี หรือร้อยละ 4 ของอายุปัจจุบัน

ประวัติโดยย่อของเอกภพยุคแรก

พันล้านปีแรกของเอกภพคือ ช่วงเวลาสำคัญในการวิวัฒนาการ. ในช่วงเวลาแรกหลังบิกแบง สสารและแสงเชื่อมโยงกันเป็น "ซุป" ที่ร้อนและหนาแน่นของ อนุภาคพื้นฐาน.

อย่างไรก็ตาม เสี้ยววินาทีหลังจากบิกแบงจักรวาล ขยายตัวอย่างรวดเร็วมาก. ในที่สุดการขยายตัวนี้ทำให้เอกภพเย็นลงพอที่แสงและสสารจะแยกออกจาก "ซุป" ของพวกมัน และอีกประมาณ 380,000 ปีต่อมาก็ก่อตัวเป็นอะตอมของไฮโดรเจน อะตอมของไฮโดรเจนปรากฏเป็นหมอกในอวกาศ และหากไม่มีแสงจากดวงดาวและกาแล็กซี จักรวาลก็มืดมิด ช่วงนี้เรียกว่า ยุคมืดของจักรวาล.

การมาถึงของดาวฤกษ์และกาแล็กซีรุ่นแรกๆ หลายร้อยล้านปีหลังจากบิกแบงอาบจักรวาลด้วยแสงยูวีที่ร้อนจัด หมอกไฮโดรเจนถูกเผาไหม้หรือแตกตัวเป็นไอออน. กระบวนการนี้ ทำให้เกิดเอกภพที่โปร่งใส ซับซ้อน และสวยงามที่เราเห็นในปัจจุบัน

นักดาราศาสตร์อย่างฉันเรียกจักรวาลหนึ่งพันล้านปีแรกว่า เมื่อหมอกไฮโดรเจนนี้มอดไหม้ ยุคของการรีออไนเซชัน. เพื่อให้เข้าใจช่วงเวลานี้อย่างถ่องแท้ เราศึกษาเวลาที่ดาวฤกษ์และกาแล็กซีแรกก่อตัวขึ้น คุณสมบัติหลักของพวกมันคืออะไร และพวกมันสามารถผลิตแสง UV ได้มากพอที่จะเผาผลาญไฮโดรเจนทั้งหมดหรือไม่

[เนื้อหาฝัง]

การค้นหาดาราจักรสีจางในเอกภพยุคแรก

ขั้นตอนแรกสู่การทำความเข้าใจยุคของการรีไอออนไนซ์คือการค้นหาและยืนยันระยะทางไปยังดาราจักรที่นักดาราศาสตร์คิดว่าอาจมีส่วนรับผิดชอบในกระบวนการนี้ เนื่องจากแสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัด จึงต้องใช้เวลากว่าจะมาถึงกล้องโทรทรรศน์ของเรา ดังนั้นนักดาราศาสตร์ เห็นวัตถุเหมือนในอดีต.

ตัวอย่างเช่น แสงจากใจกลางกาแล็กซีของเรา ทางช้างเผือก ใช้เวลาประมาณ 27,000 ปีกว่าจะมาถึงโลก เราจึงมองเห็นเหมือนเมื่อ 27,000 ปีก่อน นั่นหมายความว่าหากเราต้องการย้อนกลับไปยังช่วงเวลาแรกหลังจากบิกแบง (เอกภพมีอายุ 13.8 พันล้านปี) เราต้องมองหาวัตถุในระยะไกล

เนื่องจากกาแลคซีที่อาศัยอยู่ในช่วงเวลานี้อยู่ไกลมาก พวกมันจึงปรากฏขึ้นมาก อ่อนแอและเล็ก ไปยังกล้องโทรทรรศน์ของเราและปล่อยแสงส่วนใหญ่ออกมาในอินฟราเรด ซึ่งหมายความว่านักดาราศาสตร์ต้องการกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดที่ทรงพลังอย่างเว็บบ์เพื่อค้นหาพวกมัน ก่อนหน้าเว็บบ์ กาแล็กซีห่างไกลเกือบทั้งหมดที่นักดาราศาสตร์พบมีความสว่างและมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ เพียงเพราะกล้องโทรทรรศน์ของเราไม่ไวพอที่จะมองเห็นกาแล็กซีที่เล็กกว่าและจางกว่า

อย่างไรก็ตาม ประชากรกลุ่มหลังนี้มีจำนวนมากกว่ามาก เป็นตัวแทน และน่าจะเป็นตัวขับเคลื่อนหลักในกระบวนการรีไอออนไนซ์ ไม่ใช่กลุ่มที่สดใส ดังนั้น กาแล็กซีสีจางเหล่านี้จึงเป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องศึกษาให้ละเอียดยิ่งขึ้น มันเหมือนกับการพยายามทำความเข้าใจวิวัฒนาการของมนุษย์โดยการศึกษาประชากรทั้งหมด แทนที่จะศึกษาคนที่สูงมากๆ เว็บบ์กำลังเปิดหน้าต่างใหม่ในการศึกษาเอกภพในยุคแรกเริ่มด้วยการให้เราเห็นกาแลคซีจางๆ

กาแล็กซียุคแรกโดยทั่วไป

JD1 เป็นกาแลคซีจาง ๆ ที่ "ธรรมดา" มันเป็น ค้นพบในปี 2014 ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เป็นกาแลคซีอันไกลโพ้นที่น่าสงสัย แต่กล้องฮับเบิลไม่มีความสามารถหรือความไวในการยืนยันระยะทาง มันทำได้เพียงการคาดเดาที่มีการศึกษาเท่านั้น

เล็กและจางในบริเวณใกล้เคียง กาแล็กซีบางครั้งอาจถูกเข้าใจผิดว่าเป็นกาแล็กซีที่ห่างไกลดังนั้นนักดาราศาสตร์จำเป็นต้องแน่ใจในระยะทางของมันก่อนที่เราจะสามารถอ้างสิทธิ์เกี่ยวกับคุณสมบัติของมันได้ กาแลคซีที่ห่างไกลจึงยังคงเป็น "ผู้สมัคร" จนกว่าจะได้รับการยืนยัน ในที่สุดกล้องโทรทรรศน์เว็บบ์ก็มีความสามารถในการยืนยันสิ่งเหล่านี้ และ JD1 ก็เป็นหนึ่งในการยืนยันครั้งสำคัญครั้งแรกโดยเว็บบ์เกี่ยวกับตัวเลือกดาราจักรที่อยู่ห่างไกลอย่างยิ่งที่กล้องฮับเบิลพบ การยืนยันนี้จัดว่าเป็น กาแล็กซีที่จางที่สุดที่เคยเห็นในเอกภพยุคแรก.

เพื่อยืนยัน JD1 ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติและฉันใช้สเปกโตรกราฟอินฟราเรดใกล้ของ Webb NIRSpecเพื่อให้ได้สเปกตรัมอินฟราเรดของดาราจักร สเปกตรัมช่วยให้เราสามารถระบุระยะห่างจากโลกและกำหนดอายุของมัน จำนวนดาวฤกษ์อายุน้อยที่ก่อตัวขึ้น รวมทั้งปริมาณฝุ่นและธาตุหนักที่ก่อตัวขึ้น

แสงจ้า (กาแล็กซีและดวงดาวสองสามดวง) ตัดกับฉากหลังที่มืดมิดของท้องฟ้า กาแล็กซีจางๆ ดวงหนึ่งแสดงอยู่ในกล่องขยายเป็นรอยเปื้อนจางๆ
ท้องฟ้าที่เต็มไปด้วยดาราจักรและดวงดาวไม่กี่ดวง JD1 ซึ่งอยู่ในภาพซูมเข้าเป็นกาแล็กซีที่จางที่สุดที่ยังพบได้ในเอกภพยุคแรก เครดิตรูปภาพ: Guido Roberts-Borsani/UCLA; ภาพต้นฉบับ: NASA, ESA, CSA, Swinburne University of Technology, University of Pittsburgh, STScI

เลนส์ความโน้มถ่วง แว่นขยายของธรรมชาติ

แม้แต่เว็บบ์ JD1 ก็ไม่อาจมองเห็นได้หากปราศจากความช่วยเหลือจากธรรมชาติ JD1 ตั้งอยู่หลังกระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งเรียกว่า อาเบลล์ 2744ซึ่งแรงโน้มถ่วงรวมกันจะโค้งงอและขยายแสงจาก JD1 เอฟเฟกต์นี้เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วง ทำให้ JD1 ดูใหญ่ขึ้นและสว่างกว่าปกติถึง 13 เท่า

[เนื้อหาฝัง]

หากไม่มีเลนส์ความโน้มถ่วง นักดาราศาสตร์จะไม่เห็น JD1 แม้แต่กับเว็บบ์ การรวมกันของการขยายความโน้มถ่วงของ JD1 และภาพใหม่จากเครื่องมืออินฟราเรดใกล้ของ Webb อีกเครื่องหนึ่ง นีอาร์แคมทำให้ทีมของเราสามารถศึกษาโครงสร้างของกาแล็กซีได้อย่างละเอียดและละเอียดอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

ไม่เพียงหมายความว่าเราในฐานะนักดาราศาสตร์สามารถศึกษาบริเวณด้านในของกาแล็กซียุคแรกได้เท่านั้น แต่ยังหมายความว่าเราสามารถเริ่มพิจารณาได้ว่ากาแล็กซียุคแรกนั้นมีขนาดเล็ก กะทัดรัด และแยกจากแหล่งกำเนิดหรือไม่ หรือว่าพวกมันรวมและมีปฏิสัมพันธ์กับกาแลคซีใกล้เคียงหรือไม่ จากการศึกษากาแลคซีเหล่านี้ เรากำลังย้อนรอยกลับไปถึงโครงสร้างที่สร้างจักรวาลและก่อกำเนิดบ้านจักรวาลของเราสนทนา

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: นาซ่า/STScI

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์