นักดาราศาสตร์ที่สำรวจเอกภพในยุคแรกเริ่มได้ค้นพบสิ่งที่น่าประหลาดใจโดยใช้ NASA/ESA/CSA กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์. ความสามารถทางสเปกโทรสโกปีของเวบบ์รวมกับความไวแสงอินฟราเรดได้ค้นพบกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ในกระบวนการก่อตัวรอบควาซาร์สีแดงจัด ผลลัพธ์ที่ได้จะขยายความเข้าใจของเราว่ากาแลคซีในเอกภพยุคแรกรวมตัวกันเข้ากับโครงข่ายจักรวาลที่เราเห็นในปัจจุบันได้อย่างไร
ควาซาร์ที่เป็นปัญหา SDSS J165202.64+172852.3 เป็นควาซาร์ที่มี “สีแดงมาก” ที่มีอยู่ในยุคแรกๆ จักรวาล11.5 พันล้านปีก่อน ควาซาร์เป็นนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ (AGN) ชนิดที่หายากและส่องสว่างอย่างไม่น่าเชื่อ ควาซาร์นี้เป็นหนึ่งในนิวเคลียสดาราจักรที่ทรงพลังที่สุดที่เราเคยพบเห็นในระยะไกลสุดขั้วเช่นนี้ นักดาราศาสตร์คาดการณ์ว่าการปล่อยก๊าซที่รุนแรงของควอซาร์อาจทำให้เกิด “ลมดาราจักร” ผลักก๊าซอิสระออกจากดาราจักรเจ้าภาพ และอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่ออนาคต ดาว การก่อตัวที่นั่น
AGN เป็นบริเวณขนาดกะทัดรัดที่ใจกลางกาแลคซี ซึ่งปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ามากพอที่จะส่องสว่างดาวฤกษ์ทั้งหมดในกาแลคซีได้ AGN รวมถึงควาซาร์นั้นใช้พลังงานจากก๊าซที่ตกลงไปสู่มวลมหาศาล หลุมดำ ที่ใจกลางกาแล็กซีของพวกเขา โดยทั่วไปพวกมันจะปล่อยแสงจำนวนมหาศาลไปทั่วทุกความยาวคลื่น แต่แกนดาราจักรนี้เป็นสมาชิกของกลุ่มสีแดงที่ผิดปกติ นอกเหนือจากสีแดงในตัวของมันแล้ว แสงของกาแลคซียังถูกเลื่อนไปทางสีแดงอีกตามระยะทางอันกว้างใหญ่ของมัน นั่นทำให้เวบบ์มีความไวต่อความยาวคลื่นอินฟราเรดที่ไม่มีใครเทียบได้ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบกาแลคซีโดยละเอียด
เพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่ของก๊าซ ฝุ่น และสสารดาวฤกษ์ในดาราจักร ทีมงานได้ใช้เครื่องสเปกโตรกราฟอินฟราเรดใกล้ (NIRSpec) ของกล้องโทรทรรศน์ เครื่องมืออันทรงพลังนี้สามารถรวบรวมสเปกตรัมทั่วทั้งขอบเขตการมองเห็นของกล้องโทรทรรศน์ไปพร้อมๆ กัน แทนที่จะรวบรวมจากจุดเดียวในแต่ละครั้ง ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าสเปกโทรสโกปีหน่วยสนามอินทิกรัล (IFU) สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถตรวจสอบควอซาร์ได้พร้อม ๆ กัน กาแล็กซี และสภาพแวดล้อมที่กว้างขึ้น
สเปกโทรสโกปีมีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจการเคลื่อนที่ของกระแสลมและกระแสลมต่างๆ ที่อยู่รอบๆ ควอซาร์ การเคลื่อนที่ของก๊าซส่งผลต่อแสงที่พวกมันเปล่งออกมาและสะท้อน ทำให้มีการเลื่อนสีแดงหรือสีน้ำเงินตามสัดส่วนความเร็วและทิศทางของพวกมัน ทีมงานสามารถมองเห็นและระบุลักษณะการเคลื่อนไหวนี้ได้โดยการติดตามไอออนไนซ์ ออกซิเจน ในสเปกตรัม NIRSpec การสังเกตของ IFU มีประโยชน์อย่างยิ่ง โดยทีมงานใช้ประโยชน์จากความสามารถในการรวบรวมสเปกตรัมจากพื้นที่กว้างรอบๆ ควาซาร์ได้อย่างเต็มที่
การศึกษาก่อนหน้านี้โดย, หมู่คนอื่น ๆ, the นาซา/อีเอสเอ กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและอุปกรณ์สเปกโตรมิเตอร์สนามอินทิกรัลใกล้อินฟราเรดบนกล้องโทรทรรศน์เจมินี-นอร์ธทำให้เกิดความสนใจต่อการไหลออกอันทรงพลังของควาซาร์ และนักดาราศาสตร์ได้คาดการณ์ว่ากาแลคซีต้นสังกัดของมันอาจรวมเข้ากับดาราจักรที่มองไม่เห็นบางดวง แต่ทีมงานไม่ได้คาดหวังว่าข้อมูล NIRSpec ของเวบบ์จะระบุได้อย่างชัดเจนว่าพวกเขาไม่ได้มองกาแลคซีเพียงแห่งเดียวเท่านั้น แต่ยังมีอีกอย่างน้อยสามแห่งที่หมุนวนรอบ ๆ กาแล็กซีนั้น ต้องขอบคุณสเปกตรัม IFU เหนือพื้นที่กว้าง การเคลื่อนที่ของวัตถุที่อยู่รอบๆ ทั้งหมดนี้จึงสามารถแมปได้ ส่งผลให้สรุปได้ว่า SDSS J165202.64+172852.3 แท้จริงแล้วเป็นส่วนหนึ่งของปมหนาแน่นของการก่อตัวกาแลคซี
“มีกระจุกดาราจักรไม่กี่แห่งที่รู้จักในยุคแรกเริ่มนี้ มันยากที่จะหาพวกมันเจอ และน้อยคนนักที่จะมีเวลาก่อตัวนับตั้งแต่เกิดบิ๊กแบง” นักดาราศาสตร์ โดมินิกา ไวเลซาเล็ก จากกล่าว มหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์ก ในประเทศเยอรมนีซึ่งเป็นผู้นำการศึกษาเรื่องนี้ ดวงดาวที่ห่างจากโลกสีร้อยสิบพันปีแสง. “นี่อาจช่วยให้เราเข้าใจว่ากาแลคซีในสภาพแวดล้อมหนาแน่นวิวัฒนาการไปอย่างไร… มันเป็นผลลัพธ์ที่น่าตื่นเต้น”
เมื่อใช้การสำรวจ IFU จาก NIRSpec ทีมงานสามารถยืนยันดาราจักรสามดวงที่มายังควอซาร์นี้ได้ และแสดงให้เห็นว่าพวกมันเชื่อมโยงกันอย่างไร ข้อมูลที่เก็บข้อมูลจากฮับเบิลบอกเป็นนัยว่าอาจมีมากกว่านี้อีก ภาพจากกล้องถ่ายภาพมุมกว้าง 3 ของฮับเบิลแสดงให้เห็นวัตถุที่ขยายออกไปรอบๆ ควาซาร์และดาราจักรของมัน กระตุ้นให้เกิดการเลือกควาซาร์สำหรับการศึกษานี้ในเรื่องการไหลออกและผลกระทบต่อดาราจักรต้นทางของมัน ตอนนี้ ทีมงานสงสัยว่าพวกเขาอาจกำลังดูแกนกลางของกระจุกกาแลคซีทั้งหมด ซึ่งขณะนี้ถูกเปิดเผยโดยภาพถ่ายที่คมชัดของเวบบ์เท่านั้น
“การดูข้อมูลครั้งแรกของเราอย่างรวดเร็วเผยให้เห็นสัญญาณที่ชัดเจนของการมีปฏิสัมพันธ์ที่สำคัญระหว่างกาแลคซีใกล้เคียง” สมาชิกในทีมที่แชร์ Andrey Vayner จาก มหาวิทยาลัย Johns Hopkins ในเมืองบัลติมอร์ สหรัฐอเมริกา “ความไวของเครื่องมือ NIRSpec ปรากฏชัดเจนทันที และสำหรับฉันก็ชัดเจนว่าเราอยู่ในยุคใหม่ของสเปกโทรสโกปีอินฟราเรด”
กาแลคซีที่ยืนยันแล้วทั้งสามแห่งโคจรรอบกันและกันด้วยความเร็วสูงอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้ว่ามีมวลจำนวนมาก เมื่อรวมกับความใกล้ชิดที่พวกมันอัดแน่นอยู่ในบริเวณรอบๆ ควาซาร์นี้ ทีมงานเชื่อว่านี่เป็นหนึ่งในพื้นที่ก่อตัวกาแลคซีที่หนาแน่นที่สุดที่รู้จักในช่วงต้นๆ จักรวาล. “แม้แต่ปมสสารมืดที่หนาแน่นก็ไม่เพียงพอที่จะอธิบายได้” Wylezalek กล่าว “เราคิดว่าเราน่าจะได้เห็นบริเวณที่มีรัศมีมวลมหาศาลของสสารมืดสองดวงมารวมกัน”
การศึกษาที่ดำเนินการโดยทีมงานของ Wylezalek เป็นส่วนหนึ่งของการสืบสวนของเวบบ์เกี่ยวกับจักรวาลในยุคแรกเริ่ม ด้วยความสามารถในการมองย้อนเวลาอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน กล้องโทรทรรศน์จึงถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบว่ากาแลคซีแรกก่อตัวและพัฒนาอย่างไร และหลุมดำก่อตัวและมีอิทธิพลต่อโครงสร้างของจักรวาลอย่างไร ทีมงานกำลังวางแผนการสำรวจติดตามผลกระจุกดาราจักรก่อกำเนิดกาแลคซีที่ไม่คาดคิดนี้ และหวังว่าจะใช้มันเพื่อทำความเข้าใจว่ากระจุกดาราจักรที่วุ่นวายและหนาแน่นเช่นนี้ก่อตัวอย่างไร และมันได้รับผลกระทบจากหลุมดำมวลมหาศาลที่ยังคุกรุ่นอยู่ที่ใจกลางของมันอย่างไร
เครดิต:
ESA/Webb, NASA และ CSA, D. Wylezalek, A. Vayner และทีมงาน Q3D
พวกเขามุ่งเป้าไปที่คำถามเรื่องลมกาแล็กซีและการตอบรับควาซาร์เป็นอันดับแรก ควาซาร์ถูกสงสัยมานานแล้วว่าเป็นต้นเหตุของการก่อตัวดาวฤกษ์ลดลงในกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันโดยกลไกการป้อนกลับนี้ แต่หลักฐานที่แน่ชัดในการเชื่อมโยงทั้งสองนั้นหาได้ยาก การสังเกตการณ์ในปัจจุบันเป็นเพียงครั้งแรกในชุดที่จะศึกษาควาซาร์สามแห่งกับเวบบ์ แต่ละครั้งในช่วงเวลาที่ต่างกันในอดีตของจักรวาล
“การจะแยกแสงที่เจิดจ้าอย่างน่าเหลือเชื่อของควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลออกจากโฮสต์ที่ริบหรี่มากและสหายของมันนั้นแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยจากพื้นดิน การเปิดเผยรายละเอียดของลมกาแล็กซีที่อาจส่งกลับนั้นยิ่งท้าทายมากขึ้น” สมาชิกในทีมร่วมกับ David Rupke จาก Rhodes College ในเมืองเมมฟิส สหรัฐอเมริกา “ตอนนี้กับ Webb เราได้เห็นแล้วว่ามีการเปลี่ยนแปลง”
งานวิจัยนี้เสร็จสมบูรณ์โดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ Early Release Science (ERS) ของเวบบ์ ข้อสังเกตเหล่านี้เกิดขึ้นในช่วง 5 เดือนแรกของการดำเนินงานด้านวิทยาศาสตร์ของเวบบ์ การสังเกตของเวบบ์ที่ให้ผลลัพธ์นี้นำมาจากโปรแกรม ERS #1335
การอ้างอิงวารสาร
- โดมินิกา ไวเลซาเล็ค, อันเดรย์ เวย์เนอร์, เดวิด เอส. เอ็น. รุปเก้, นาเดีย แอล. ซากัมสกา, ซิลเวน เวเลอซ์, ยูโซ อิชิคาว่า, แคโรไลน์ เบอร์เทเมส, เหว่ยเหอ หลิว, ฮอร์เก้ เค. บาร์เรรา-บัลเลสเตรอส, เซียว-เหวิน เฉิน, แอนดี้ ดี. กูลดิ้ง, เจนนี่ อี. กรีน, เควิน เอ็น. เฮนไลน์, นอร่า ลุทซ์เกนดอร์ฟ, เฟร็ด ฮามันน์, ทิโมธี เฮคแมน, ฌอน ดี. จอห์นสัน, ดีเทอร์ ลุตซ์, วินเชนโซ ไมเนียรี, โรแบร์โต ไมโอลิโน, นิโคล พี. เอช. เนสวาดบา, แพทริค โอเกิล, เอคฮาร์ด สตอร์ม ผลลัพธ์แรกจากโปรแกรมวิทยาศาสตร์ก่อนเปิดตัวของ JWST Q3D: ช่วงเวลาที่ปั่นป่วนในชีวิตของควาซาร์สีแดงสุดขีด z∼3 ที่เปิดเผยโดย NIRSpec IFU ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ของกาแลคซี (astro-ph.GA); จักรวาลวิทยาและฟิสิกส์ดาราศาสตร์นอกกาแลกติก (astro-ph.CO) arXiv: 2210.10074 [astro-ph.GA]
