ทำไมดาวเกิดน้อยลงทั้งที่แก๊สยังเหลือมาก ปริศนาจักรวาลยุคใหม่

จักรวาลไม่ได้ขาดแก๊ส แต่ขาดการแปรสภาพให้กลายเป็นดาว

การเกิดดาวในจักรวาลคือกระบวนการที่เมฆแก๊สเย็นหนาแน่นยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วง กลายเป็นดาวดวงใหม่จำนวนมากภายในแกแลกซี่ กระบวนการนี้ต้องอาศัยแก๊สไฮโดรเจนอะตอมจำนวนมากที่ถูกอัดตัวจนกลายเป็นแก๊สไฮโดรเจนโมเลกุลเย็นในเมฆโมเลกุล ก่อนที่จะแปรสภาพเป็นดาวที่ให้แสงสว่างและพลังงานในระยะยาว การทำความเข้าใจว่าปริมาณแก๊สเหล่านี้เปลี่ยนแปลงอย่างไรตามกาลเวลาคือกุญแจสำคัญของการอธิบายวิวัฒนาการของแกแลกซี่และการเสื่อมถอยของการเกิดดาวในจักรวาล

ข้อมูลดาราศาสตร์ใหม่กำลังบอกเราว่าเรื่องราวไม่เป็นไปอย่างที่ตำราเคยเขียน จักรวาลไม่ได้ค่อยๆ หมดเชื้อเพลิงดิบแบบที่หลายคนจินตนาการ อัตราการเกิดดาวลดลงราว 59 เปอร์เซ็นต์ในช่วง 4.5 พันล้านปี ขณะที่ปริมาณแก๊สไฮโดรเจนอะตอมซึ่งถูกมองว่าเป็นคลังเชื้อเพลิงกลับลดลงเพียงราว 11 ถึง 26 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ตัวเลขนี้บังคับให้เรายอมรับมุมมองใหม่ว่า ปัญหาใหญ่ไม่ใช่จักรวาลขาดแก๊ส แต่คือจักรวาลไม่สามารถแปรสภาพแก๊สที่มีอยู่ให้กลายเป็นดาวได้ดีเหมือนเดิมอีกต่อไป

ตัวเลขที่หักล้างนิทานเก่า จักรวาลไม่ได้หมดเชื้อเพลิง

ถ้าเชื่อว่าดาวเกิดจากการเผาผลาญเชื้อเพลิงแก๊ส แนวคิดง่ายที่สุดคือ เมื่อเวลาผ่านไปแก๊สต้องถูกใช้หรือสูญเสียไป จึงทำให้การเกิดดาวแผ่วลง ทว่าการวัดครั้งใหม่ที่ครอบคลุมแกแลกซี่ราว 2.5 ล้านแห่งกลับบอกอีกเรื่องหนึ่ง อัตราการเกิดดาวเฉลี่ยของจักรวาลลดลงด้วยปัจจัย 2.46 หรือพูดอีกแบบคือ ปัจจุบันจักรวาลสร้างดาวได้เพียงประมาณ 41 เปอร์เซ็นต์ของที่เคยทำเมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน ซึ่งเท่ากับการลดลงราว 59 เปอร์เซ็นต์

ในขณะที่อัตราการเกิดดาวดิ่งลง ปริมาณรวมของแก๊สไฮโดรเจนอะตอมกลับลดลงไม่มากนัก การสรุปด้วยสมการกำลังให้ค่าการลดลงเพียงปัจจัย 1.35 หรือสูญเสียราว 26 เปอร์เซ็นต์ และเมื่อแก้ค่าความคลาดอย่างระมัดระวัง การลดลงเหลือเพียงปัจจัย 1.12 หรือราว 11 เปอร์เซ็นต์ โดยผู้วิจัยย้ำว่า “ทั้งสองตัวเลขเล็กกว่าการลดลงของการเกิดดาวที่ 59 เปอร์เซ็นต์อย่างชัดเจน” นี่คือหลักฐานที่หักล้างนิทานเก่าเรื่องจักรวาลหมดเชื้อเพลิงดิบ เพราะคลังแก๊สยังอยู่เกือบครบ แสดงว่าจุดที่รวนคือขั้นตอนการเปลี่ยนแก๊สให้กลายเป็นดาว ไม่ใช่ตัวปริมาณเชื้อเพลิงเอง

จากแก๊สอะตอมสู่เมฆโมเลกุล จุดที่จักรวาลสะดุด

แก๊สไฮโดรเจนอะตอมซึ่งนักดาราศาสตร์เขียนย่อว่า H I ทำหน้าที่เหมือนถังเก็บเชื้อเพลิงขนาดยักษ์ แต่ดาวเกิดจริงในเมฆโมเลกุลเย็นที่ประกอบด้วยแก๊สไฮโดรเจนโมเลกุล H2 เมื่อแก๊สเย็นพอและถูกบังจากรังสีที่ทำให้แตกตัว เมฆโมเลกุลหนาแน่นเหล่านี้คือเตาหลอมที่แรงโน้มถ่วงสามารถอัดแก๊สให้ร้อนและหนาแน่นพอให้เกิดฟิวชัน การมีคลัง H I มากจึงไม่รับประกันว่าแกแลกซี่จะสร้างดาวได้ต่อเนื่อง หากแก๊สเหล่านั้นไม่ถูกอัดและทำให้เย็นจนกลายเป็นโมเลกุล

งานวิจัยใหม่นี้เลื่อนจุดสนใจจากคำถามว่าจักรวาลมีแก๊สพอหรือไม่ ไปสู่คำถามที่ลึกกว่า คือเหตุใดแกแลกซี่จึงเปลี่ยนแก๊ส H I ที่มีอยู่มากมายให้กลายเป็นเมฆโมเลกุลได้ลดลง[SR C:298799] คำตอบอาจเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็ก การแผ่รังสี หรือกลไกป้อนกลับจากดาวรุ่นก่อนๆ ซึ่งเราเริ่มเห็นร่องรอยได้จากการศึกษาในระดับระบบสุริยะของเราเอง เช่น ฝุ่นในอุกกาบาต DOM 08006 ที่เก็บได้จากทวีปน้ำแข็งเมื่อปี 2008 ชี้ว่ามีสนามแม่เหล็กแรงกว่าของโลกถึง 12 เท่าในเนบิวลาสุริยะยุคแรก หากแม่เหล็กสามารถกำหนดรูปทรงและการไหลของแก๊สในแผ่นจานกำเนิดดวงอาทิตย์ได้ ก็มีเหตุผลจะตั้งคำถามว่าแม่เหล็กอาจมีบทบาทต่อการควบแน่นของแก๊สในระดับแกแลกซี่เช่นกัน

FAST และ DESI กล้องยักษ์ที่เปลี่ยนภาพวิวัฒนาการของแกแลกซี่

เบื้องหลังข้อสรุปใหม่เกี่ยวกับการเกิดดาวในจักรวาลคือการทำงานร่วมกันของกล้องโทรทรรศน์ยักษ์สองชนิด กล้องวิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 500 เมตรที่เรียกว่า FAST ใช้ตรวจสัญญาณเส้นสเปกตรัม 21 เซนติเมตรอ่อนจางจากแก๊สไฮโดรเจนอะตอมทั่วท้องฟ้า ผ่านโครงการสำรวจ FAST All Sky H I หรือ FASHI เส้น 21 เซนติเมตรนี้เกิดจากการเปลี่ยนทิศการสปินระหว่างโปรตอนกับอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งโอกาสเกิดน้อยมากสำหรับอะตอมเดี่ยว แต่เมื่อรวมทั้งแกแลกซี่สัญญาณรวมจะพอวัดได้

เพื่อให้รู้ว่าควรมองหาเส้นนี้ที่ความถี่ใดในสเปกตรัมที่ถูกดึงยืดโดยการขยายตัวของจักรวาล ทีมวิจัยจึงจับคู่ข้อมูล FAST กับสเปกโทรสโกปีเชิงแสงจากโครงการ Bright Galaxy Survey ของเครื่องมือ DESI หรือ Dark Energy Spectroscopic Instrument วิธีนี้ทำให้ได้ตัวอย่างแกแลกซี่ 2,473,945 แห่งบนพื้นที่ท้องฟ้าราว 12,000 ตารางองศา การวัดส่วนใหญ่ไม่ได้เห็นแก๊สทีละแกแลกซี่ แต่ใช้เทคนิคซ้อนสเปกตรัมด้วยข้อมูลระยะทางจาก DESI เพื่อดึงสัญญาณเฉลี่ยของแก๊ส H I ออกมาจากเสียงรบกวน ผลลัพธ์คือภาพรวมใหม่ของวิวัฒนาการของแก๊สอะตอมในระดับจักรวาล ซึ่งเข้มแข็งพอจะท้าทายทฤษฎีวิวัฒนาการของแกแลกซี่ชุดใหญ่

จากฝุ่นอุกกาบาตสู่แบบจำลองจักรวาล กติกาใหม่ของการเกิดดาว

การจัดระเบียบจักรวาลไม่ได้เกิดจากแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว การศึกษาฝุ่นแคลเซียมอะลูมิเนียมในอุกกาบาต DOM 08006 ที่เชื่อว่าเป็นตัวอย่างวัสดุยุคแรกสุดของระบบสุริยะ แสดงหลักฐานชัดถึงสนามแม่เหล็กในเนบิวลาสุริยะที่แรงกว่าสนามแม่เหล็กโลกถึง 12 เท่า และบทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการเมื่อวันที่ 7 สิงหาคม ผลการวิเคราะห์ชี้ว่าการเปลี่ยนกลุ่มเมฆก๊าซทรงกลมให้กลายเป็นแผ่นดิสก์กำเนิดดาวเคราะห์ไม่ได้ถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วงล้วนๆ แต่แม่เหล็กมีบทบาทอย่างสำคัญด้วย

ในระดับจักรวาล นักวิจัยกำลังเปรียบเทียบเส้นโค้งการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแก๊ส H I กับเส้นโค้งการเกิดดาวจากแบบจำลองคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ เช่น IllustrisTNG และ SIMBA โดยเงื่อนไขใหม่คือ แบบจำลองที่ดีต้องอธิบายได้พร้อมกันทั้งการที่ปริมาณแก๊สอะตอมเปลี่ยนแปลงน้อยในช่วงปลาย และการที่อัตราการเกิดดาวตกลงอย่างรุนแรง งานนี้ไม่ได้เป็นเพียงการแข่งขันว่าแบบจำลองไหนเก่งกว่า แต่คือการเขียนกติกาใหม่ของวิวัฒนาการของแกแลกซี่ว่า หัวใจไม่ได้อยู่ที่การมีหรือไม่มีแก๊สไฮโดรเจนอะตอมเท่าใด แต่อยู่ที่กลไกซับซ้อนซึ่งรวมแรงโน้มถ่วง แม่เหล็ก และสภาพแวดล้อมที่ควบคุมการเปลี่ยนแก๊สเหล่านั้นให้กลายเป็นเมฆโมเลกุลและดาวรุ่นใหม่ในที่สุด