หน้าที่หลักอย่างหนึ่งของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ คือการค้นหากาแลคซีแรกสุดที่ขยายออกไป
ระบบดาวเหล่านี้อยู่ไกลออกไปมากมากกว่าวัตถุที่เคยสังเกตมาก่อนในจักรวาล นักวิทยาศาสตร์เขียนเกี่ยวกับกาแล็กซีที่มีการเปลี่ยนสีแดงจาก 12 เป็น 17 แต่มีแมลงวันในครีมในการเฉลิมฉลองชัยชนะทางวิทยาศาสตร์นี้: นักวิจัยบางคนเชื่อว่าอายุของวัตถุสามารถบิดเบี้ยวและผลลัพธ์ต้องมีการตรวจสอบอย่างรอบคอบ
ดาราจักรใดอยู่ไกลที่สุด
ก่อนการเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ในกาแล็กซีที่ได้รับการยืนยันที่อยู่ห่างไกลที่สุดคือ GN-z11 เป็นเวลานาน มันถูกค้นพบในปี 2559 โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล มีขนาดเล็กกว่าทางช้างเผือกประมาณ 25 เท่า และมีมวลประมาณ 1% ในเวลาเดียวกัน การก่อตัวดาวฤกษ์ในนั้นก็ดำเนินไปอย่างแข็งขันมากขึ้น 20 เท่า
GN-z11 อยู่ในกลุ่มดาวหมีใหญ่และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ประเมินว่าเรดชิฟต์อยู่ที่ 11.1 ซึ่งหมายความว่าเรากำลังสังเกตการณ์มันเหมือนเมื่อ 13.4 พันล้านปีก่อน - เพียง 400 ปีหลังจากบิ๊กแบง ในขณะที่จักรวาลขยายตัวอย่างต่อเนื่อง กาแลคซีในอวกาศก็เคลื่อนตัวออกจากกัน ดังนั้นระยะห่างที่เหมาะสมไปยัง GN-z11 คือประมาณ 32 พันล้านปีแสง
แม้กระทั่งก่อนการเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์ใหม่ในฤดูใบไม้ผลิปี 2022นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ประกาศการค้นพบผู้สมัครที่ห่างไกลกว่านั้นคือ HD1 มันถูกค้นพบโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศซูบารุและการสังเกตการณ์จากหอสังเกตการณ์บนพื้นดิน ตามสเปกโทรสโกปี redshift ของมันคือ 13.27 ซึ่งสอดคล้องกับระยะทาง 13.5 พันล้านปีแสง และกาแลคซีเองก็อยู่ห่างจากโลก 33.4 พันล้านปีแสง
เพียงหนึ่งสัปดาห์หลังจากการตีพิมพ์ข้อมูลครั้งแรกที่กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ นักวิจัยจากศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน ประกาศการค้นพบกาแลคซี GLASS-z13 ซึ่งคาดจะเปลี่ยนไปทางแดงที่ 13 ซึ่งเป็นประมาณ 300 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง หนึ่งสัปดาห์ต่อมา ได้รับข้อความเกี่ยวกับกาแล็กซีที่มีการเปลี่ยนสีแดงที่ 14 และแม้แต่ 16.7 หากเป็นเช่นนี้ เราจะเห็นกาแลคซีเหล่านี้ตามที่มีอยู่ประมาณ 200 ล้านปีหลังจากบิกแบง
จริงผลลัพธ์ทั้งหมดเหล่านี้เป็นข้อมูลเบื้องต้น: จนถึงขณะนี้ยังไม่มีการยืนยันค่า redshift เหล่านี้ เพื่อกำหนดระยะทางไปยังกาแลคซีเหล่านี้ จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ทางสเปกโทรสโกปี
Galaxy GN-z11 ที่เห็นโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลภาพ: NASA, ESA, P. Oesch (มหาวิทยาลัยเยล), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (มหาวิทยาลัยเยล) และ G. Illingworth (มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ)
กาแล็กซีใหม่ถูกค้นพบได้อย่างไร?
ในงานของพวกเขา นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการต่างๆตัวอย่างเช่น นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยมิสซูรี - โคลัมเบียใช้เอฟเฟกต์เลนส์โน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ SMACS J0723 วัตถุขนาดมหึมาบิดเบือนการเคลื่อนที่ของแสง ขยายวัตถุที่อยู่ไกลออกไป เหมือนกับเลนส์กล้องโทรทรรศน์ทั่วไป เมื่อใช้วิธีนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบกาแล็กซี 88 กาแล็กซี่ที่มีการเปลี่ยนสีแดงอย่างน้อย 11 กาแล็กซี นักวิจัยกล่าวว่าบางกาแล็กซี่อาจมีการเปลี่ยนสีแดงได้ถึง 20 กาแล็กซี
นักวิทยาศาสตร์คนอื่นวิเคราะห์ภาพต่างๆพื้นที่ของท้องฟ้าที่ไม่ใช้เอฟเฟกต์เลนส์โน้มถ่วง ภาพเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษา Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) ซึ่งประกอบด้วยภาพพื้นที่ต่างๆ 10 แห่งของท้องฟ้าที่ถ่ายโดยกล้องอินฟราเรดใกล้อินฟราเรด (NIRCam) ของกล้องโทรทรรศน์
เพื่อยืนยันอายุที่แท้จริงของคนห่างไกลวัตถุต้องมีการวิเคราะห์ทางสเปกโตรสโกปี ซึ่งจะแยกแสงจากวัตถุออกเป็นสเปกตรัม ในการทำเช่นนี้ นักวิทยาศาสตร์จะใช้สเปกโตรกราฟอินฟราเรดใกล้ (NIRSpec) ของกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์และเครื่องมืออินฟราเรดกลางของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ (MIRI)
ผลของเลนส์โน้มถ่วงในภาพคลัสเตอร์ SMACS J0723 ภาพ: NASA, ESA, CSA และ STScI
เรดชิฟท์คืออะไร?
ในการศึกษาเอกภพยุคแรก หลักตัวบ่งชี้ที่นักวิทยาศาสตร์ใช้คือการเปลี่ยนสีแดง ช่วยให้เข้าใจว่าวัตถุเคลื่อนที่ไปจากเราเร็วแค่ไหน เช่นเดียวกับที่สัญญาณของรถจักรไอน้ำหรือเรือเบาลงเมื่อเคลื่อนตัวออกจากผู้สังเกต คลื่นแสงจากวัตถุที่กำลังถอยกลับก็เปลี่ยนไปเช่นกัน
จักรวาลกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่องซึ่งหมายความว่ากาแลคซีอันห่างไกลกำลังเคลื่อนตัวออกจากโลก ที่เรดชิฟต์ การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากวัตถุที่กำลังถอยกลับจะเพิ่มความยาวคลื่นของมัน ซึ่งหมายความว่ารายละเอียดทั้งหมดของสเปกตรัมจะเปลี่ยนไปทางพื้นที่สีแดง
ยิ่งห่างไกลจากกาแล็กซีมากเท่าไร เราก็ยิ่งมองเห็นได้เร็วเท่านั้นและยิ่งแสงถูกยืดออกไปเนื่องจากการขยายตัวของจักรวาล เป็นผลให้แสงสีน้ำเงินและอัลตราไวโอเลตจากดาวฤกษ์อายุน้อยร้อนปรากฏเป็นอินฟราเรดให้เราทราบในอีก 13.5 พันล้านปีต่อมา
กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ มีอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนซึ่งตรวจจับการแผ่รังสีในส่วนต่างๆ ของช่วงอินฟราเรด และด้วยเหตุนี้จึงสามารถดักจับการแผ่รังสีของเอกภพยุคแรกได้
การเปลี่ยนแปลงสีแดงและสีน้ำเงิน ภาพ: Aleš Tošovský, CC BY-SA 3.0 ผ่าน Wikimedia Commons
เหตุใดผลลัพธ์แรกจึงอาจผิด
การศึกษาเบื้องต้นขึ้นอยู่กับข้อสังเกตเดียวและอาจไม่ถูกต้อง ตัวอย่างเช่น ดาราจักรก่อกำเนิดดาวที่เต็มไปด้วยฝุ่นซึ่งมีอยู่หลายพันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงสามารถปลอมตัวเป็นดาราจักรที่อยู่ห่างไกลทำลายสถิติได้ นอกจากนี้ แสงที่ปล่อยออกมาจากกาแล็กซียังอาจถูกบิดเบือนโดยวัตถุอื่นๆ
ตัวอย่างเช่น ขึ้นอยู่กับความแดงดาราจักร CEERS-DSFG-1 ปรากฏในภาพ James Webb นักดาราศาสตร์ได้กำหนด redshift จาก 17 เป็น 18 ซึ่งหมายความว่าเราเห็นมัน 220 ล้านปีหลังจาก Big Bang อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ชาวญี่ปุ่นใช้กล้องโทรทรรศน์ submillimeter ของ NOEMA เพื่อค้นหาดาราจักรเดียวกันและแสดงให้เห็นว่ามีฝุ่นอยู่เป็นจำนวนมาก
ฝุ่นดูดซับความยาวคลื่นที่สั้นลงและเป็นสีน้ำเงินมากขึ้นแสงดาว ปล่อยให้ยาวขึ้นและแดงขึ้น ซึ่งหมายความว่าเมื่อมองจากโลกด้วยสายตา ดาราจักรดังกล่าวจะปรากฏเป็นสีแดงมากขึ้น หลังจากปรับผลการสังเกตโดยคำนึงถึงอิทธิพลของฝุ่นแล้ว นักวิทยาศาสตร์พบว่าการเปลี่ยนสีแดงที่แท้จริงนั้นอยู่ที่ประมาณ 5 เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าดาราจักรสามารถมองเห็นได้ 1.3 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง
Galaxy CEERS-DSFG-1 ในรูปของกล้องโทรทรรศน์"James Webb" ที่มีการสังเกต NOEMA ซ้อนทับเป็นเส้นชั้นความสูง ทางด้านขวาคือหน้าตาของผู้สมัครเมื่อดูผ่านตัวกรองต่างๆ: จะไม่แสดงในตัวกรองความยาวคลื่นที่สั้นกว่า แต่จะมองเห็นได้ชัดเจนขึ้นในตัวกรองสีแดง ภาพ: J. Zavala et al.
นักวิจัยได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันกำลังศึกษากาแล็กซี่ผู้สมัคร CEERS-1749 พวกเขาเรียกการค้นพบของพวกเขาว่าดาราจักรชโรดิงเงอร์ ประเด็นคือการเปลี่ยนไปทางแดงของมันสามารถเท่ากับ 5 หรือ 17 ก็ได้ หากเรากำลังพูดถึงดาราจักรที่ห่างไกลกัน นี่เป็นหนึ่งในระบบที่คล้ายกันที่รู้จักกันในระยะไกลที่สุด และถ้ามันเป็นส่วนหนึ่งของกระจุกดาว เราก็ กำลังพูดถึงอีกครั้งหนึ่งพันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ทุกอย่างจะชัดเจนหลังจากการวิจัยใหม่
ไม่ว่าจะได้รับการยืนยันบันทึกที่ประกาศการค้นพบใหม่จะมีส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจกระบวนการพัฒนาของจักรวาลยุคแรก แม้แต่กาแล็กซีที่อยู่ห่างไกล "ปิด" ด้วยเรดชิฟต์ประมาณ 5 ก็ได้เปิดข้อมูลใหม่
ฝุ่นระหว่างดวงดาวเป็นผลพลอยได้จากวัฏจักรการเกิดและการตายของดวงดาว ต้องมีฝุ่นจำนวนมากจึงจะส่งผลต่อการเปลี่ยนสีแดง และนี่หมายความว่าการก่อตัวดาวฤกษ์ที่มีความเข้มข้นสูงมากควรเกิดขึ้นในกาแลคซีดังกล่าว ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้เกี่ยวกับกระบวนการดังกล่าว
กาแลคซีห่างไกลจำนวนมากจากช่วงเวลาต่างๆ ของชีวิตในจักรวาลจะช่วยให้เข้าใจว่าระบบดาวดวงแรกก่อตัวและพัฒนาอย่างไร
อ่านเพิ่มเติม:
“เจมส์ เวบบ์” ส่งภาพการชนกันของดาราจักรขนาดใหญ่ 2 แห่ง
แบคทีเรียที่ "ไร้ประโยชน์" บนโลกจะให้ชีวิตแก่อาณานิคมของดาวอังคาร
บนปิรามิดในประเทศจีนพบรูปเหมือนของ "ราชาแห่งบรรพบุรุษ" ทรงครองราชย์เมื่อ 4,000 ปีที่แล้ว