ในยุคแรกนั้นเต็มไปด้วยดาวฤกษ์ขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 10,000 เท่า

นักวิทยาศาสตร์และนักดาราศาสตร์ทั่วโลกต่างให้ความสนใจจุดเริ่มต้นของเอกภพว่าพวกมันมีลักษณะหน้าตาเป็นอย่างไร

รูปที่ 1. จำลองเอกภพยุคแรกที่แสดงการระเบิดครั้งแรกของการก่อตัวของดาวฤกษ์และกาแล็กซี่ที่ใจกลาง (อ้างอิง: Livescience)

นี่คือการศึกษาใหม่ที่พบว่าเอกภพในยุคแรกเริ่มนั้นเต็มไปด้วยดาวฤกษ์ที่ขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 10,000 เท่า ซึ่งใหญ่กว่าดาวฤกษ์ที่ใหญ่ที่สุดที่ยังมีอยู่ในปัจจุบันประมาณ 1,000 เท่า ซึ่งปัจจุบันดาวฤกษ์ที่ใหญ่ที่สุดมีมวลไม่กี่ร้อยเท่าของดวงอาทิตย์ แต่เอกภพยุคแรกนั้นเป็นสถานที่แปลกใหม่กว่ามาก มันเต็มไปด้วยดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ยักษ์ที่เกิดขึ้นอยู่อย่างรวดเร็วและตายเร็วมาก โดยนักวิจัยพบว่าและเมื่อดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ยักษ์เหล่านี้ตายลง สภาวะต่างๆก็ไม่เหมาะที่จะให้พวกมันก่อตัวขึ้นอีก

ยุคมืดของจักรวาลเมื่อกว่า 1.3 หมื่นล้านปีก่อน ไม่นานหลังจากบิ๊กแบง (Big Bang) เอกภพนั้นไม่มีดวงดาว ไม่มีอะไรมากไปกว่าก๊าซที่เป็นกลางซึ่งเกือบทั้งหมดที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียม อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไปหลายร้อยล้านปี ก๊าซที่เป็นกลางเหล่านั้นเริ่มพอกพูนเป็นก้อนสสารที่มีความหนาแน่นมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งช่วงเวลานี้เรียกว่ายุคมืดของจักรวาล (Dark Ages)

ในเอกภพสมัยใหม่นั้นก้อนสสารที่หนาแน่นจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วเพื่อก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ แต่นั่นเป็นเพราะเอกภพสมัยใหม่มีบางสิ่งที่เอกภพในยุคแรกไม่มี นั่นคือธาตุจำนวนมากที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม องค์ประกอบเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากในการแผ่พลังงานออกไป สิ่งนี้ช่วยให้กลุ่มก้อนที่หนาแน่นหดตัวอย่างรวดเร็วและยุบตัวจนมีความหนาแน่นสูงมากพอที่จะกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion) ซึ่งเป็นกระบวนการที่ให้พลังงานแก่ดาวโดยการรวมธาตุที่เบากว่าเข้ากับสิ่งที่หนักกว่า

รูปที่ 2. จำลองเปรียบเทียบ ดวงอาทิตย์ ไปจนถึงดาวแคระน้ำเงิน R136a1 ที่มวลมากที่มีน้ำหนักมากกว่าดวงอาทิตย์ 315 เท่า (อ้างอิง: Space)

แต่วิธีเดียวที่จะได้ธาตุที่หนักกว่าในตอนแรกคือผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่นแบบเดียวกัน ดาวฤกษ์หลายชั่วอายุคนก่อตัว หลอมรวมและตายลง ทำให้เอกภพมีความสมบูรณ์จนถึงสถานะปัจจุบัน หากไม่มีความสามารถในการปล่อยความร้อนอย่างรวดเร็ว ดาวฤกษ์ในยุคแรกนั้นคงจะต้องก่อตัวขึ้นภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันและยากกว่ามากนี้

เพื่อให้เข้าใจปริศนาของดาวดวงแรกเหล่านี้ ทีมนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้หันไปใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนในยุคมืดเพื่อทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในตอนนั้น พวกเขารายงานการค้นพบของพวกเขาในเดือนมกราคมปี ค.ศ. 2023 ในเอกสารที่เผยแพร่ไปยังฐานข้อมูลของ Preprint arXiv และส่งเพื่อตรวจสอบโดยราชสมาคมดาราศาสตร์ (Royal Astronomical Society) ผลงานชิ้นใหม่นี้นำเสนอส่วนประกอบทางจักรวาลวิทยาตามปกติ สสารมืดที่ช่วยในการเติบโตของกาแล็กซี การวิวัฒนาการและการจับตัวเป็นก้อนของก๊าซที่เป็นกลาง และการแผ่รังสีที่สามารถทำให้ก๊าซเย็นลงและบางครั้งก็อุ่นขึ้น แต่งานของพวกเขารวมถึงสิ่งที่คนอื่นไม่มี เช่น แนวปะทะเย็น (Cold Fronts) ซึ่งเป็นกระแสของสสารเย็นที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วที่กระแทกเข้ากับโครงสร้างที่ก่อตัวขึ้นแล้ว

นักวิจัยพบว่าเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนเกิดขึ้นก่อนการก่อตัวดาวฤกษ์ดวงแรก ก๊าซที่เป็นกลางเริ่มรวมตัวกันและจับตัวเป็นก้อน ไฮโดรเจนและฮีเลียมปล่อยความร้อนออกมาเล็กน้อย ซึ่งทำให้กลุ่มก๊าซที่เป็นกลางมีความหนาแน่นสูงขึ้นอย่างช้าๆ แต่กระจุกที่มีความหนาแน่นสูงกลับอุ่นขึ้น สร้างรังสีที่แตกตัวของก๊าซที่เป็นกลางและป้องกันไม่ให้แตกออกเป็นกระจุกขนาดเล็กจำนวนมาก นั่นหมายความว่าดาวที่เกิดจากกระจุกเหล่านี้สามารถกลายเป็นก้อนใหญ่ได้อย่างไม่น่าเชื่อ

การโต้ตอบกลับไปกลับมาเหล่านี้ระหว่างการแผ่รังสีและก๊าซที่เป็นกลางทำให้เกิดก๊าซเป็นกลางจำนวนมหาศาลซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของกาแล็กซีแรก ก๊าซที่อยู่ลึกเข้าไปในกาแล็กซีต้นแบบเหล่านี้ก่อตัวเป็นจานพอกพูนมวล (Accretion Disk) ที่หมุนอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นวงแหวนของสสารที่ไหลอย่างรวดเร็วซึ่งก่อตัวขึ้นรอบๆวัตถุขนาดใหญ่ รวมถึงหลุมดำในเอกภพสมัยใหม่ ในขณะเดียวกัน ที่ขอบด้านนอกของเอกภพรุ่นก่อน กลุ่มก๊าซเย็นก็โปรยปรายลงมา ที่แนวหน้าที่เย็นที่สุดและใหญ่ที่สุดได้ทะลุทะลวงกาแล็กซีรุ่นก่อนไปจนถึงจานพอกพูนมวล

รูปที่ 3. จำลองวัสดุจากจานพอกพูนมวลกำลังหมุนรอบดาวอายุน้อย FU Orionis (อ้างอิง: Astronomy)

แนวปะทะที่เย็นจัดเหล่านี้กระแทกเข้ากับจานพอกพูนมวล ทำให้ทั้งมวลและความหนาแน่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงระดับวิกฤติ จึงทำให้ดาวฤกษ์ดวงแรกปรากฏขึ้น ดาวดวงแรกเหล่านั้นไม่ใช่แค่โรงงานฟิวชั่นทั่วไป พวกมันเป็นกลุ่มก๊าซเป็นกลางขนาดมหึมาซึ่งจุดประกายฟิวชันคอร์ทั้งหมดในคราวเดียว ข้ามขั้นตอนที่พวกมันแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย ทำให้มวลของดาวฤกษ์ที่เกิดขึ้นนั้นใหญ่มาก

ดาวฤกษ์ยุคแรกเหล่านั้นจะสว่างอย่างเหลือเชื่อและจะมีชีวิตที่สั้นมาก น่าจะน้อยกว่าหนึ่งล้านปี ซึ่งดวงดาวในเอกภพสมัยใหม่นั้นสามารถอยู่ได้หลายพันล้านปี หลังจากนั้นพวกมันจะตายลงจากการระเบิดของซูเปอร์โนวาอย่างรุนแรง การระเบิดเหล่านั้นจะนำพาสิ่งที่ได้จากปฏิกิริยาฟิวชันภายใน ซึ่งเป็นธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งก่อให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์รอบต่อไป ที่ตอนนี้ปนเปื้อนด้วยธาตุที่หนักกว่า ซึ่งกระบวนการนี้ไม่สามารถทำซ้ำได้และดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ยักษ์เหล่านั้นจะไม่ปรากฏในเอกภพอีกต่อไป

อ้างอิง: Livescience, Preprint arXiv

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *