กาแล็กซียุคแรกมีธาตุหนักแล้ว แต่ลมจากดาวฤกษ์อาจอ่อนกว่าที่คิด

กาแล็กซียุคแรกไม่ได้มีคำถามเพียงว่า สร้างธาตุหนักได้เร็วแค่ไหน แต่ยังรวมถึง ก๊าซที่มีธาตุเหล่านั้นไปอยู่ที่ใด และดาวฤกษ์มวลมากส่งผลต่อก๊าซรอบตัวอย่างไร กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (JWST) ให้ภาพของก๊าซในกาแล็กซีห่างไกล ส่วนโครงการ TEMPOS ของกล้องฮับเบิลศึกษาดาวในกาแล็กซีใกล้เคียง เพื่อทดสอบฟิสิกส์ของดาวที่ใช้ในแบบจำลองกาแล็กซียุคแรก 110

ธาตุหนักออกสู่บริเวณรอบกาแล็กซีตั้งแต่ยุคต้น

กาแล็กซีสามแห่งที่ JWST ศึกษาปรากฏในช่วงราว 520–650 ล้านปีหลังบิกแบง ก๊าซของพวกมันมีคาร์บอน ออกซิเจน และซิลิคอน ซึ่งนักดาราศาสตร์จัดเป็น “ธาตุหนัก” หรือธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม การพบธาตุเหล่านี้บ่งชี้ว่าดาวฤกษ์รุ่นก่อนหน้าได้สร้างและกระจายสสารออกมาแล้ว หลักฐานว่าก๊าซที่มีธาตุหนักกำลังเคลื่อนออกไปยังชี้ว่า วัฏจักรก๊าซของกาแล็กซี—การรับก๊าซเข้ามาเพื่อก่อดาวและการผลักก๊าซบางส่วนออกไป—เริ่มเป็นรูปเป็นร่างตั้งแต่ช่วงต้น แต่การเห็นก๊าซไหลออก ยังไม่พิสูจน์ ว่าก๊าซนั้นจะไหลกลับมาในภายหลัง

เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับการค้นหา ดาวประชากรที่ 3 (Population III) ซึ่งเป็นดาวรุ่นแรกที่ก่อตัวจากสสารปราศจากธาตุหนัก ก๊าซที่ตรวจพบธาตุหนักแล้วไม่ใช่ก๊าซดั้งเดิมที่บริสุทธิ์ แม้องค์ประกอบทางเคมีอาจหลงเหลือร่องรอยของดาวรุ่นแรก ร่องรอยนั้นก็ไม่ใช่การเห็นตัวดาวโดยตรง ผลสำรวจจึงทำให้คาดหวังการพบดาวที่ยังปราศจากธาตุหนักใน ก๊าซบริเวณที่ตรวจวัด ได้น้อยลง ไม่ได้หมายความว่าดาวลักษณะนี้ไม่มีอยู่ที่อื่น

ฮับเบิลตรวจสอบฟิสิกส์ของดาว ไม่ใช่ก๊าซกลุ่มเดียวกัน

TEMPOS รวบรวมสเปกตรัมแสงอัลตราไวโอเลตของ ดาวฤกษ์มวลมากชนิด O จำนวน 29 ดวง ในกาแล็กซีแคระใกล้เคียง 6 แห่ง ซึ่งมีธาตุหนักน้อย ผลเบื้องต้นชี้ว่าลมดาวฤกษ์—สสารที่ไหลออกจากผิวดาว—อ่อนกว่าที่คาดในสภาพแวดล้อมที่มีธาตุหนักน้อยมาก และอาจอ่อนลงอย่างรวดเร็วเมื่อปริมาณธาตุหนักต่ำกว่าราวหนึ่งในสิบของดวงอาทิตย์ ทั้งระดับดังกล่าวและความชันของการลดลงยังต้องตรวจสอบเพิ่มเติม 161013

ลมจากดาวหนึ่งดวงไม่ใช่สิ่งเดียวกับก๊าซที่ไหลออกในระดับกาแล็กซี ตามที่ JWST ตรวจพบ แต่ลมดาวเป็นช่องทางหนึ่งที่ดาวมวลมากสูญเสียสสารและส่งผลต่อสภาพแวดล้อม หากแบบจำลองประเมินความแรงของลมผิดไป คำทำนายว่ากาแล็กซีอายุน้อยวิวัฒน์อย่างไรก็อาจเปลี่ยนตาม TEMPOS จึงเป็นการทดสอบส่วนประกอบของแบบจำลองจากดาวที่อยู่ใกล้กว่า ไม่ใช่การวัดดาวในกาแล็กซีห่างไกลของ JWST โดยตรง และยังไม่บอกว่าอะไรเป็นตัวผลักก๊าซเหล่านั้นออกไป 13

เหตุใดวัดแค่ออกซิเจนจึงอาจไม่พอ

ลมดาวฤกษ์ที่ขับเคลื่อนด้วยรังสีเกี่ยวข้องกับไอออนของธาตุหนักในบรรยากาศดาว TEMPOS พบว่าการดูดกลืนแสงที่เกี่ยวข้องกับเหล็กมีความแตกต่างกัน ทำให้การใช้ปริมาณ ออกซิเจนในก๊าซของกาแล็กซี เป็นตัวแทนองค์ประกอบของดาวที่สำคัญต่อลมดาวอาจคลาดเคลื่อน งานก่อนหน้านี้ในกาแล็กซีที่มีธาตุหนักน้อยมากก็พบว่า การวัดจากเหล็กในดาวกับออกซิเจนในก๊าซไม่จำเป็นต้องให้ภาพสัดส่วนธาตุแบบเดียวกัน 346

ประเด็นสำหรับผู้สร้างแบบจำลองจึงไม่ใช่การแทนค่าลมดาวด้วยตัวเลขใหม่เพียงตัวเดียว แต่คือการทดสอบความไม่แน่นอนของลมดาวในสภาพธาตุหนักน้อยและสัดส่วนระหว่างธาตุต่าง ๆ ควบคู่กับการไหลเข้า การไหลออก และการสะสมธาตุหนักของก๊าซ ผลจาก JWST และฮับเบิลช่วยจำกัดความเป็นไปได้ให้แคบลง แต่ยังไม่ใช่คำอธิบายที่พิสูจน์แล้วเพียงหนึ่งเดียวว่าทำไมกาแล็กซียุคแรกที่ JWST เห็นจึงซับซ้อนกว่าที่คาด 1410