กล้องโทรทรรศน์ฟาสต์ (FAST) ของจีนเผยเบาะแสใหม่ ช่วยไขความเข้าใจวิวัฒนาการของเอกภพ

นักวิทยาศาสตร์ต่างพยายามไขคำถามสำคัญมาอย่างยาวนานว่า เหตุใดในยุคแรกเริ่มของเอกภพจึงมีดาวฤกษ์เกิดใหม่ขึ้นอย่างมากมาย ขณะที่ในปัจจุบันอัตราการก่อกำเนิดดาวฤกษ์กลับชะลอตัวลงอย่างเห็นได้ชัด ล่าสุด งานวิจัยที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จีนได้ค้นพบเบาะแสสำคัญใหม่ ซึ่งอาจช่วยไขปริศนาเกี่ยวกับวิวัฒนาการของเอกภพ

คณะนักวิจัยนานาชาติ ซึ่งประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์จากหอดูดาวแห่งชาติจีน สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (NAOC) หอดูดาวดาราศาสตร์เซี่ยงไฮ้ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน (SHAO) มหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้เจียวทง และสถาบันอื่น ๆ ได้บรรลุความก้าวหน้าสำคัญในการศึกษาประเด็นดังกล่าว

นักวิจัยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 500 เมตร หรือ FAST ของจีน ร่วมกับเครื่องมือสำรวจพลังงานมืดด้วยเทคนิคสเปกโทรสโกปี (DESI) ซึ่งเป็นโครงการระดับนานาชาติที่มีสถาบันเข้าร่วมมากกว่า 70 แห่ง เพื่อวัดวิวัฒนาการของไฮโดรเจนเป็นกลางในเอกภพตลอดช่วง 4,500 ล้านปีที่ผ่านมาด้วยการตรวจวัดที่มีความแม่นยำสูง โดยผลการศึกษาช่วยให้เกิดความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับปริศนาที่นักดาราศาสตร์พยายามค้นหาคำตอบมาอย่างยาวนาน

เจียง เผิง นักวิจัยจาก NAOC กล่าวว่า “เหตุใดเอกภพจึงก่อกำเนิดดาวฤกษ์ดวงใหม่ได้ยากขึ้นเรื่อย ๆ เป็นคำถามสำคัญในสาขาการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาราจักร”

คำอธิบายที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางคือ เมื่อเอกภพมีอายุมากขึ้น ก๊าซเย็นซึ่งเป็นวัตถุดิบสำคัญในการก่อกำเนิดดาวฤกษ์ก็จะค่อย ๆ ถูกใช้ไป ทำให้อัตราการเกิดดาวฤกษ์ลดลงตามไปด้วย ดังนั้น หากเป็นไปตามสมมติฐานนี้ การที่ดาวฤกษ์เกิดใหม่น้อยลง ก็ควรหมายความว่าปริมาณก๊าซเย็นที่เหลืออยู่ในเอกภพลดลงในสัดส่วนใกล้เคียงกันด้วย

ไฮโดรเจนอะตอมที่เป็นกลางเป็นแหล่งก๊าซเย็นสำคัญในดาราจักร และมีบทบาทสำคัญในกระบวนการหมุนเวียนของก๊าซ ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับการก่อกำเนิดดาวฤกษ์ภายในดาราจักร

อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนเป็นกลางสามารถตรวจจับได้จากสัญญาณคลื่นวิทยุที่ความยาวคลื่น 21 เซนติเมตร แต่สัญญาณดังกล่าวมีความอ่อนมาก โดยเฉพาะจากดาราจักรที่อยู่ห่างไกล ทำให้สัญญาณมักถูกกลบด้วยสัญญาณรบกวนจากพื้นหลัง จึงเป็นเรื่องยากที่จะได้ข้อมูลจากการสังเกตโดยตรงที่มีความน่าเชื่อถือ

กัว หง นักวิจัยจาก SHAO กล่าวว่า การผสานการสังเกตการณ์ด้วยคลื่นวิทยุที่มีความไวสูงของ FAST เข้ากับการสำรวจท้องฟ้าด้วยสเปกโทรสโกปีในวงกว้างของ DESI ทำให้คณะนักวิจัยสามารถวิเคราะห์ดาราจักรราว 2.5 ล้านแห่ง ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ประมาณหนึ่งในสามของท้องฟ้า

แนวทางดังกล่าวช่วยให้นักวิจัยสามารถติดตามประวัติวิวัฒนาการของไฮโดรเจนเป็นกลางในเอกภพ ด้วยขนาดกลุ่มตัวอย่างและความแม่นยำทางสถิติในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน

ผลการวัดอย่างแม่นยำพบว่า เมื่อ 4,500 ล้านปีก่อน อัตราการก่อกำเนิดดาวฤกษ์ในเอกภพสูงกว่าปัจจุบันราว 2.5 เท่า ขณะที่ความหนาแน่นของไฮโดรเจนอะตอมที่เป็นกลางในเวลานั้นสูงกว่าระดับปัจจุบันเพียงประมาณ 1.4 เท่า

กล่าวอีกนัยหนึ่ง แม้อัตราการก่อกำเนิดดาวฤกษ์จะลดลงอย่างมาก แต่ปริมาณสำรองของไฮโดรเจนเป็นกลางในเอกภพไม่ได้ลดลงในอัตราเดียวกัน เจียง เผิง ระบุว่า ผลการค้นพบนี้หักล้างคำอธิบายที่ว่า “การลดลงอย่างรวดเร็วของไฮโดรเจนเป็นกลางเป็นสาเหตุให้การก่อกำเนิดดาวฤกษ์ลดลง”

แล้วหากเอกภพยังคงมีไฮโดรเจนเป็นกลางอยู่มาก เหตุใดการก่อกำเนิดดาวฤกษ์จึงยากขึ้นเรื่อย ๆ

นักวิจัยเสนอว่า ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ถือกำเนิดขึ้นภายในกลุ่มเมฆก๊าซโมเลกุลที่มีความหนาแน่นสูง เมื่อความหนาแน่นของก๊าซโดยรวมในเอกภพลดลง ประสิทธิภาพในการเปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นกลางให้เป็นไฮโดรเจนโมเลกุลก็ลดลงตามไปด้วย ส่งผลให้ปริมาณก๊าซโมเลกุล ซึ่งเป็นก๊าซที่มีบทบาทโดยตรงต่อการก่อกำเนิดดาวฤกษ์ ค่อย ๆ ลดน้อยลง

ผลการศึกษาดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ Nature Astronomy เมื่อวันอังคารที่ผ่านมา

ภาพถ่ายทางอากาศแบบพาโนรามาวันที่ 26 กรกฎาคม 2566 แสดงให้เห็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 500 เมตร
หรือ FAST ของจีน ในมณฑลกุ้ยโจว ทางตะวันตกเฉียงใต้ของจีน (ซินหัว)