COSMOS-z3.1-A โครงสร้างยักษ์ยุคแรกเริ่มที่กำลังก่อร่างเป็นซูเปอร์กระจุกดาราจักร

COSMOS-z3.1-A คือ โปรโตซูเปอร์กระจุกดาราจักร หรือโครงสร้างต้นกำเนิดของ “กระจุกดาราจักรหลายกระจุก” ที่ยังอยู่ระหว่างรวมตัว นักดาราศาสตร์สังเกตเห็นมันที่เรดชิฟต์ 3.1 ซึ่งเป็นภาพของเอกภพเมื่อมีอายุเพียงประมาณ 2.1 พันล้านปี จึงนับเป็นบรรพบุรุษของซูเปอร์กระจุกดาราจักรที่ไกลที่สุดเท่าที่ค้นพบ และเป็นหน้าต่างสำคัญสู่กระบวนการสร้างกระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ที่สุดในเอกภพยุคปัจจุบัน 15

ใหญ่แค่ไหน และมีแนวโน้มจะกลายเป็นอะไร

มวลของ COSMOS-z3.1-A ประเมินว่าอยู่ที่ราว 5,000 เท่าของดาราจักรทางช้างเผือก แบบจำลองและการประเมินมวลของโครงสร้างลูกหลานจากความหนาแน่นของสสารบ่งชี้ว่า เมื่อวิวัฒน์มาถึงเอกภพปัจจุบัน มันน่าจะกลายเป็นระบบกระจุกดาราจักรที่มีมวลมากกว่า กระจุกโคมา (Coma Cluster) ซึ่งเป็นหนึ่งในกระจุกดาราจักรขนาดใหญ่ที่สุดในเอกภพใกล้เรา 2510

อย่างไรก็ตาม ตัวเลขมวลในอนาคตนี้เป็นผลจากแบบจำลอง ไม่ใช่การวัดมวลในอนาคตโดยตรง จึงยังมีความไม่แน่นอนตามสมมติฐานที่ใช้คำนวณ

ไม่ใช่ก้อนกลมก้อนเดียว แต่เป็นจุดนัดพบของ “ใยจักรวาล”

COSMOS-z3.1-A ไม่ได้เป็นกระจุกดาราจักรทรงกลมที่นิ่งและสมดุลแล้ว หากประกอบด้วยแกนโปรโตกระจุกหลายก้อนที่หนาแน่นและกระจายตัวเป็นหย่อม ๆ ครอบคลุมพื้นที่ประมาณ 90 × 70 × 60 เมกะพาร์เซกเชิงร่วมเคลื่อนที่ รอบ ๆ ยังมีโครงสร้างยืดตัวคล้ายเส้นใย ซึ่งน่าจะลำเลียงสสารเข้าสู่แกนที่หนาแน่นเหล่านี้

ตำแหน่งดังกล่าวอยู่บริเวณจุดตัดของ โครงข่ายจักรวาล (cosmic web) ซึ่งเป็นเครือข่ายเส้นใยขนาดมหึมาของสสารในเอกภพ จึงถือเป็นบริเวณที่หนาแน่นผิดปกติอย่างยิ่ง และเป็นตัวอย่างที่หาได้ยากของโครงสร้างมวลมหาศาลในยุคเอกภพที่ยังอายุน้อยเช่นนี้ 1

ทีมวิจัยสร้างแผนที่สามมิติได้อย่างไร

โครงการ ODIN ใช้การถ่ายภาพผ่านฟิลเตอร์แถบแคบ โดยเฉพาะข้อมูลจากกล้อง Dark Energy Camera หรือ DECam เพื่อค้นหาบริเวณที่มีดาราจักรปล่อยรังสีไลแมน-แอลฟา (Lyman-alpha emitters) รวมตัวกันหนาแน่นที่เรดชิฟต์เป้าหมาย

จากนั้น ทีมงานใช้ข้อมูลสเปกตรัมของ DESI ในพื้นที่กว้าง และติดตามผลแบบเจาะจงด้วยเครื่องมือ GMOS บนกล้องโทรทรรศน์ Gemini South กับ DEIMOS บนกล้อง Keck II เพื่อยืนยันเรดชิฟต์ของดาราจักรต่าง ๆ วิธีนี้เปลี่ยนภาพความหนาแน่นบนท้องฟ้าแบบสองมิติให้เป็นแผนที่สามมิติ และเผยให้เห็นเส้นใยที่เชื่อมแกนหนาแน่นเข้าด้วยกัน 1

หลักฐานที่สอดคล้องกับการเติบโตแบบ “เล็กก่อน แล้วรวมใหญ่”

ผลการค้นพบสนับสนุนภาพมาตรฐานของการก่อตัวโครงสร้างในเอกภพ หรือการเติบโตแบบลำดับชั้น (hierarchical growth): ฮาโลสสารมืดและกลุ่มดาราจักรขนาดเล็กเกิดขึ้นก่อน แล้วค่อยรวมตัวและรับสสารเพิ่มตามเส้นใยของโครงข่ายจักรวาล จนกลายเป็นกระจุกและซูเปอร์กระจุกขนาดใหญ่

COSMOS-z3.1-A แสดงภาพช่วงกลางของกระบวนการนี้อย่างชัดเจน เพราะยังเป็นกลุ่มของโปรโตกระจุกหลายแห่งที่แยกจากกัน แต่ฝังตัวอยู่ในเครือข่ายเส้นใยซึ่งคอยป้อนสสารให้ ไม่ใช่กระจุกเดี่ยวขนาดยักษ์ที่ก่อตัวสมบูรณ์แล้ว 110

แล้วเกี่ยวข้องกับผลจาก JWST ที่ว่าดาราจักรยุคแรกอาจหนักกว่าคาดหรือไม่

ผลของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) เป็นคนละประเด็นกับการค้นพบ COSMOS-z3.1-A โดยเน้นศึกษาประชากรดาวฤกษ์ภายในดาราจักรยุคแรกแต่ละแห่ง สเปกตรัมจากตัวอย่างขนาดเล็กบ่งชี้ว่า ดาราจักรมวลมากบางแห่งอาจมีดาวฤกษ์มวลต่ำที่สลัวจำนวนมากเกินคาด หรือมีประชากรดาวแบบ “เอนเอียงไปทางดาวมวลต่ำ” ซึ่งอาจทำให้มวลดาวฤกษ์ที่ประเมินไว้ต่ำกว่าความจริงราว 3–4 เท่า 4913

หากข้อสรุปนี้ได้รับการยืนยันในกลุ่มตัวอย่างที่กว้างขึ้น ปริศนาว่าดาราจักรยุคแรกสะสมสสารและสร้างดาวได้รวดเร็วเพียงใดจะยิ่งท้าทายขึ้น COSMOS-z3.1-A เสนอภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการประกอบตัวอย่างรวดเร็ว—จุดหนาแน่นที่ได้รับสสารจากเส้นใยจักรวาลอย่างต่อเนื่อง—แต่เพียงลำพังยังไม่อธิบายได้ว่าเหตุใดการสร้างดาวภายในดาราจักรจึงอาจมีสัดส่วนดาวมวลต่ำแตกต่างจากที่คาด

ขั้นต่อไป: เพิ่มจำนวนแผนที่ของเอกภพยุคไกล

การสำรวจ Legacy Survey of Space and Time (LSST) ของหอดูดาว Vera C. Rubin ซึ่งเริ่มดำเนินงานแล้ว จะถ่ายภาพท้องฟ้าลึก ครอบคลุมพื้นที่กว้าง และหลายแถบสีซ้ำ ๆ ช่วยเพิ่มจำนวนผู้สมัครโครงสร้างหนาแน่นที่เรดชิฟต์สูงอย่างมาก และทำให้การทำแผนที่โปรโตกระจุกกับสภาพแวดล้อมรอบข้างเป็นระบบยิ่งขึ้น อย่างไรก็ดี การวัดสเปกตรัมยังจำเป็นต่อการระบุตำแหน่งสามมิติที่แม่นยำ และศึกษาประวัติการเคลื่อนที่ของโครงสร้างเหล่านี้ 13