JWST ค้นพบ M1149-BSG-z5: เกลียวคานที่ไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา

อัตราการเกิดดาวฤกษ์ที่รุนแรง M1149-BSG-z5 อยู่ในกลุ่มดาราจักรที่กำลังก่อตัวดาวฤกษ์ในอัตราที่สูงมากเมื่อเทียบกับดาราจักรอื่นในยุคเดียวกัน (main sequence) โดยมีอัตราการเกิดดาวฤกษ์ใหม่สูงถึงประมาณ 144 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ต่อปี ทั้งบริเวณคานและแขนกังหันต่างกำลังก่อตัวดาวฤกษ์อย่างแข็งขัน

หลุมดำมวลยิ่งยวดที่กำลังเคลื่อนไหว ใจกลางดาราจักรมีหลุมดำมวลยิ่งยวดที่กำลังทำงานอยู่ (active galactic nucleus) แต่ที่ surprising คือมันมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับมวลของดาราจักร โดยมีอัตราส่วนมวลหลุมดำต่อมวลดาวฤกษ์ประมาณ 0.001 ซึ่งน้อยกว่าอัตราส่วนทั่วไปในดาราจักรยุคปัจจุบันที่อยู่ที่ประมาณ 0.1–0.2% นอกจากนี้ ค่าความเป็นโลหะ (metallicity) ของดาราจักรนี้อยู่ที่ประมาณ 50% ของค่าความเป็นโลหะของดวงอาทิตย์

ทำไมการค้นพบนี้ถึงเขย่าวงการดาราศาสตร์

นี่ไม่ใช่แค่การทำลายสถิติเท่านั้น แต่การมีอยู่ของดาราจักรกังหันมีคานที่สมบูรณ์แบบเมื่อจักรวาลมีอายุเพียง 1.1 พันล้านปี ท้าทายแบบจำลองการวิวัฒนาการของดาราจักรที่มีมายาวนาน

แบบจำลองคอมพิวเตอร์มาตรฐาน (cosmological simulations) เคยทำนายว่า คานดาวฤกษ์ (stellar bars) ซึ่งเป็นแถบดาวและแก๊สสว่างที่พาดผ่านใจกลางดาราจักรกังหัน ต้องใช้เวลาหลายพันล้านปีในการก่อตัวและเสถียร แนวคิดเดิมคือ แผ่นจานของดาราจักรต้องก่อตัวและสงบลงก่อน แรงโน้มถ่วงจึงจะสามารถขับเคลื่อนการเกิดคานได้ ซึ่งคาดว่าจะเกิดขึ้นหลังจาก z ≈ 1–2 (ประมาณ 6–10 พันล้านปีหลังบิ๊กแบง)

M1149-BSG-z5 ทำลายเส้นเวลานี้ มันแสดงให้เห็นถึงดาราจักรที่มีโครงสร้างสมบูรณ์ ทั้ง bulge, bar, และ disk ในเวลาหลัง cosmic dawn เพียงพันล้านปีเศษ นี่เป็นการค้นพบล่าสุดในชุดการค้นพบของ JWST (รวมถึง CEERS-2112 ที่ z ≈ 3 และ COSMOS-74706 ที่ z ≈ 4 ) ที่กำลังบังคับให้วงการดาราศาสตร์ต้องเขียนบทเรียนเรื่องการก่อตัวดาราจักรใหม่

แล้วมันก่อตัวเร็วขนาดนี้ได้อย่างไร?

ทีมวิจัยเสนอสองกลไกหลักที่อาจทำงานร่วมกัน :

1. ความไม่เสถียรจากแรงโน้มถ่วงในแผ่นจานที่อุดมด้วยแก๊สและมีสสารธรรมดาเป็นองค์ประกอบหลัก ในเอกภพยุคแรก ดาราจักรต่างๆ มีแก๊สมากกว่าและมีความปั่นป่วนมากกว่าปัจจุบัน ในแผ่นจานที่หนาแน่น เย็น และอุดมด้วยแก๊ส ซึ่งบริเวณใจกลางถูกครอบงำด้วยสสารธรรมดา (baryonic matter) มากกว่าสสารมืด ความไม่เสถียรจากแรงโน้มถ่วงอย่างรวดเร็วสามารถเกิดขึ้นได้ สิ่งนี้สามารถขับเคลื่อนการเกิดคานได้ในเวลาเพียงไม่กี่ร้อยล้านปี โดยไม่จำเป็นต้องมีแผ่นจานดาวฤกษ์ที่โตเต็มที่มาก่อน

2. แรงปฏิสัมพันธ์จากสิ่งแวดล้อม M1149-BSG-z5 ถูกค้นพบในบริเวณรอบกระจุกดาราจักร MACS J1149+2223 ซึ่งเป็นบริเวณที่มีความหนาแน่นของดาราจักรสูงกว่าค่าเฉลี่ย ข้อมูลสเปกโทรสโกปีจาก JWST เผยให้เห็นว่ามีดาราจักรข้างเคียงอยู่ใกล้กันมาก ปฏิสัมพันธ์จากแรงน้ำขึ้นน้ำลง (tidal interactions) หรือการรวมตัวกับดาราจักรขนาดเล็ก อาจกระตุ้นหรือเร่งการเกิดคานให้เร็วขึ้น

ผู้เขียนสรุปว่า เส้นทางที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดคือการรวมกันของทั้งสองกลไก: แผ่นจานที่อุดมด้วยแก๊สและถูกครอบงำด้วยสสารธรรมดาที่เกิดความไม่เสถียรอย่างรวดเร็ว ร่วมกับแรงปฏิสัมพันธ์เล็กน้อยจากสิ่งแวดล้อม

สถิติใหม่และอนาคต

M1149-BSG-z5 ที่ z = 5.102 เข้ามาแทนที่เจ้าของสถิติเดิม:

• CEERS-2112 ที่ z ≈ 3 (ประมาณ 2.1 พันล้านปีหลังบิ๊กแบง)
• COSMOS-74706 ที่ z ≈ 4 (ประมาณ 1.5 พันล้านปีหลังบิ๊กแบง)

การค้นพบของ JWST แต่ละครั้งได้ผลักดันยุคสมัยของการเกิดคานให้เร็วขึ้นเรื่อยๆ แนวโน้มนี้ชี้ให้เห็นว่าดาราจักรจานที่มีระเบียบรวมถึงดาราจักรกังหันมีคานอย่างทางช้างเผือกของเราอาจเป็นเรื่องปกติในยุคแรกเริ่มของจักรวาล มากกว่าที่ใครจะคาดการณ์ไว้

ขั้นตอนต่อไปคือการยืนยันผลลัพธ์ด้วยข้อมูลสเปกโทรสโกปีเพิ่มเติม และค้นหาดาราจักรที่มีคานซึ่งมีอายุมากกว่านี้ หากคานสามารถก่อตัวได้เร็วขนาดนี้ JWST อาจค้นพบมันที่ z > 6 ซึ่งอยู่ในขอบเขตการสังเกตการณ์ของมัน

สรุป

M1149-BSG-z5 คือดาราจักรชนิดกังหันมีคานที่อยู่ไกลที่สุดเท่าที่เคยค้นพบ มันมีอยู่จริงเมื่อจักรวาลมีอายุเพียง 1.1 พันล้านปีหลังบิ๊กแบง การก่อตัวที่รวดเร็วของมันท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการสร้างโครงสร้างของดาราจักร โดยชี้ไปยังกระบวนการที่อุดมด้วยแก๊สและมีความปั่นป่วน ซึ่งสามารถประกอบดาราจักรที่ดูโตเต็มที่ได้เร็วกว่าแบบจำลองที่เคยอนุญาตมาก แนวคิดคลาสสิกที่ว่าคานเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในช่วงท้ายของการวิวัฒนาการนั้นใช้ไม่ได้อีกต่อไปแล้ว และนี่ยังเป็นแค่จุดเริ่มต้นของ JWST เท่านั้น