จากก๊าซดั้งเดิมสู่ทางช้างเผือก: MEGATRON จำลองจักรวาลยุคแรกอย่างไร

การจะเข้าใจว่าดาวฤกษ์และกาแล็กซีแรกเริ่มก่อตัวอย่างไร นักวิจัยต้องจำลองกระบวนการหลายอย่างที่เกิดขึ้นพร้อมกัน ไม่ใช่แค่การรวมตัวของก๊าซด้วยแรงโน้มถ่วง โครงการ MEGATRON จึงติดตามบริเวณในเอกภพยุคแรกที่ท้ายที่สุดจะยุบตัวเป็นกาแล็กซีซึ่งมีมวลใกล้เคียงทางช้างเผือก โดยเริ่มต้นจากก๊าซที่ยังไม่มีธาตุหนัก และจำลองการเกิดของดาวฤกษ์รุ่นแรก หรือ Population III 86

จุดเด่นของแบบจำลองคือการเชื่อมการเคลื่อนที่ของก๊าซเข้ากับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและการแพร่กระจายของรังสีไปพร้อมกัน ระบบติดตามทั้งโมเลกุลในก๊าซดั้งเดิม ธาตุที่เกิดขึ้นภายหลัง และวิธีที่รังสีจากดาวส่งผลต่อสภาพแวดล้อม ทำให้นักวิจัยคำนวณได้ทั้งแสงที่กาแล็กซีอาจปล่อยออกมาและร่องรอยธาตุที่อาจตกทอดอยู่ในดาวรุ่นหลัง 58

รังสี เคมี และซูเปอร์โนวาเปลี่ยนกาแล็กซีอย่างไร

รังสีจากดาวสามารถทำให้ก๊าซร้อนและแตกตัวเป็นไอออน ขณะที่โมเลกุลในก๊าซยุคแรกและธาตุหนักที่เกิดภายหลังมีผลต่อการระบายความร้อนของก๊าซ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของดาวรุ่นถัดไป เมื่อดาวมวลมากสิ้นอายุและระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา ธาตุที่สร้างขึ้นก็ถูกกระจายไปสู่ก๊าซรอบข้าง กลายเป็นวัตถุดิบสำหรับการก่อตัวของดาวและกาแล็กซีรุ่นต่อไป 58

ผลจำลองพบว่า ไม่ว่าจะใช้แบบจำลองผลป้อนกลับจากดาวแบบใด ก๊าซในกาแล็กซียุคแรกก็มีแนวโน้มหนาแน่นกว่า มีธาตุหนักน้อยกว่า และอยู่ภายใต้สนามรังสีที่เข้มกว่ากาแล็กซีมวลใกล้เคียงในเอกภพปัจจุบัน ลักษณะเหล่านี้สอดคล้องกับการตีความข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (JWST) 813

MEGATRON ยังจำลองสเปกตรัมของกาแล็กซีที่อยู่ไกลและเก่าแก่ได้หลายรูปแบบ แต่การที่สเปกตรัมแบบหนึ่งสอดคล้องกับข้อมูลสังเกต ไม่ได้แปลว่าจะระบุได้ทันทีว่ากระบวนการใดเป็นสาเหตุโดยตรง นักวิจัยยังต้องแยกผลของรังสี เคมี และผลป้อนกลับจากดาวออกจากกัน 813

“ที่ราบเหล็ก” ในกาแล็กซีแคระอาจเป็นเบาะแสของดาวรุ่นแรก

อีกคำถามคือ ดาวฤกษ์รุ่นแรกทิ้งร่องรอยไว้ที่ไหน หากธาตุจากซูเปอร์โนวาถูกผสมเข้าไปในก๊าซและดาวรุ่นหลัง ร่องรอยบางส่วนอาจยังปรากฏในกาแล็กซีแคระที่มีดาวจำนวนน้อย การศึกษาหนึ่งของ MEGATRON พบว่า การเพิ่มธาตุจากดาวรุ่นแรกอาจทำให้กาแล็กซีแคระขนาดเล็กที่สุดมีปริมาณเหล็กเฉลี่ยอยู่ในระดับใกล้เคียงกัน แทนที่จะลดลงต่อเนื่องตามมวลของกาแล็กซี 7

รูปแบบนี้เรียกว่า “ที่ราบ” ของปริมาณเหล็ก และอาจเป็นหลักฐานทางเคมีที่หลงเหลือจากซูเปอร์โนวาในเอกภพยุคแรก อย่างไรก็ตาม ผลดังกล่าวเป็นคำอธิบายที่แบบจำลองเสนอ ไม่ใช่การวัดคุณสมบัติของดาวรุ่นแรกหรือซูเปอร์โนวาของมันได้อย่างเด็ดขาดแล้ว 7

ใช้ JWST มองอดีต และใช้ดาวเก่าอ่านประวัติทางเคมี

MEGATRON เปิดทางให้เปรียบเทียบหลักฐานสองแบบ แบบแรกคือแสงจากกาแล็กซีอายุน้อยที่ JWST สังเกตได้จากระยะไกล ส่วนอีกแบบคือองค์ประกอบของธาตุในดาวเก่าแก่ที่มีโลหะต่ำในและรอบทางช้างเผือก ดาวเหล่านี้เป็นเสมือนบันทึกทางเคมีที่ช่วยบอกว่าสสารในเอกภพยุคต้นผ่านการเปลี่ยนแปลงแบบใดมา 87

งานระยะแรกของโครงการประกอบด้วยชุดการจำลองและการศึกษาสเปกตรัมของกาแล็กซีที่มีเรดชิฟต์สูง ก๊าซและผลป้อนกลับในกาแล็กซีแรกเริ่ม สภาพแวดล้อมของดาว Population III ตลอดจนความสัมพันธ์ระหว่างมวลกาแล็กซีแคระกับปริมาณเหล็ก 81367

ขั้นต่อไปคือการจำลองด้วยความละเอียดสูงขึ้น เพื่อแยกแยะก๊าซที่ดาวฤกษ์รุ่นแรกก่อตัวขึ้นได้ละเอียดกว่าเดิม ผลที่ได้อาจช่วยทดสอบสมมติฐานที่แตกต่างกันเกี่ยวกับมวลของดาวเหล่านั้น รังสีที่ปล่อยออกมา และธาตุที่ซูเปอร์โนวาสร้างขึ้น โดยนำไปเทียบกับทั้งสเปกตรัมจาก JWST และองค์ประกอบทางเคมีของดาวเก่าแก่ การทดสอบนี้ยังเป็นงานในอนาคต ไม่ใช่ข้อสรุปที่ชี้ชัดแล้วว่าดาวฤกษ์รุ่นแรกมีคุณสมบัติอย่างไร 81367