ทีมนักดาราศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการที่จะช่วยให้พวกเขา ‘มองเห็น’ ผ่านหมอกของเอกภพยุคแรกและตรวจจับแสงจากดาวฤกษ์ดวงแรกและกาแลคซี่ได้
นักวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้พัฒนาวิธีการที่จะช่วยให้พวกเขาสามารถสังเกตและศึกษาดาวดวงแรกผ่านเมฆไฮโดรเจนที่ปกคลุมจักรวาลประมาณ 378,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง
การสังเกตการกำเนิดของดาวฤกษ์ดวงแรกและกาแลคซี่เป็นเป้าหมายของนักดาราศาสตร์มานานหลายทศวรรษแล้ว เพราะมันจะช่วยอธิบายว่าจักรวาลวิวัฒนาการมาจากความว่างเปล่าหลังจากบิกแบงไปสู่อาณาจักรที่ซับซ้อนของวัตถุท้องฟ้าที่เราสังเกตเห็นในวันนี้ได้อย่างไร 13.8 พันล้านปีต่อมา
Square Kilometer Array (SKA) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไปที่จะแล้วเสร็จภายในสิ้นทศวรรษนี้ มีแนวโน้มที่จะสามารถสร้างภาพแสงที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาลได้ แต่สำหรับกล้องโทรทรรศน์ในปัจจุบัน ความท้าทายคือการตรวจจับจักรวาลวิทยา สัญญาณของดวงดาวผ่านเมฆไฮโดรเจนหนา
สัญญาณที่นักดาราศาสตร์ตั้งเป้าที่จะตรวจจับนั้นคาดว่าจะอ่อนแอกว่าสัญญาณวิทยุอื่นๆ ที่มาจากท้องฟ้าประมาณหนึ่งแสนเท่า เช่น สัญญาณวิทยุที่กำเนิดในดาราจักรของเราเอง
การใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุเองทำให้เกิดการบิดเบือนของสัญญาณที่ได้รับ ซึ่งสามารถปิดบังสัญญาณที่น่าสนใจของจักรวาลวิทยาได้อย่างสมบูรณ์ นี่ถือเป็นความท้าทายอย่างสุดโต่งในการสังเกตการณ์ในจักรวาลวิทยาวิทยุสมัยใหม่ การบิดเบือนที่เกี่ยวข้องกับเครื่องมือดังกล่าวมักถูกตำหนิว่าเป็นคอขวดที่สำคัญในการสังเกตประเภทนี้
ตอนนี้ทีมที่นำโดยเคมบริดจ์ได้พัฒนาวิธีการเพื่อดูผ่านเมฆดึกดำบรรพ์และสัญญาณรบกวนท้องฟ้าอื่น ๆ เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบที่เป็นอันตรายจากการบิดเบือนที่นำมาใช้โดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ วิธีการของพวกเขา ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทดลอง REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) จะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถสังเกตดาวฤกษ์ดวงแรกสุดผ่านการมีปฏิสัมพันธ์กับเมฆไฮโดรเจน เช่นเดียวกับที่เราจะอนุมานภูมิทัศน์ด้วยการดูเงาใน หมอก.
วิธีการของพวกเขาจะปรับปรุงคุณภาพและความน่าเชื่อถือของการสังเกตการณ์จากกล้องโทรทรรศน์วิทยุโดยพิจารณาถึงช่วงเวลาสำคัญที่ยังไม่ได้สำรวจนี้ในการพัฒนาจักรวาล การสังเกตการณ์ครั้งแรกจาก REACH คาดว่าจะเกิดขึ้นในปลายปีนี้
รายงาน ผล ในวัน นี้ในวารสาร Nature Astronomy
ดร. Eloy de Lera Acedo จาก Cavendish Laboratory แห่งเคมบริดจ์ หัวหน้าผู้เขียนรายงานกล่าวว่า “ในช่วงเวลาที่ดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้น จักรวาลส่วนใหญ่ว่างเปล่าและประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นส่วนใหญ่
เขากล่าวเสริมว่า: “เนื่องจากแรงโน้มถ่วง องค์ประกอบต่างๆ มารวมกันในที่สุด และเงื่อนไขก็เหมาะสมสำหรับการหลอมนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นสิ่งที่ก่อตัวดาวฤกษ์ดวงแรก แต่พวกมันถูกล้อมรอบด้วยเมฆที่เรียกว่าไฮโดรเจนเป็นกลาง ซึ่งดูดซับแสงได้ดีมาก ดังนั้นจึงยากที่จะตรวจจับหรือสังเกตแสงด้านหลังเมฆโดยตรง”
ในปี 2018 กลุ่มวิจัยอีกกลุ่มหนึ่ง (ดำเนินการ ‘การทดลองเพื่อตรวจจับยุคโลกของลายเซ็น Reioniozation’ – หรือ EDGES) ได้เผยแพร่ผลที่บ่งบอกถึงการตรวจจับที่เป็นไปได้ของแสงแรกสุดนี้ แต่นักดาราศาสตร์ไม่สามารถทำซ้ำผลลัพธ์ได้ – นำพวกเขา ให้เชื่อว่าผลเดิมอาจเกิดจากการรบกวนจากกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้อยู่
“ผลลัพธ์ดั้งเดิมจะต้องใช้ฟิสิกส์ใหม่ในการอธิบาย เนื่องจากอุณหภูมิของก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งน่าจะเย็นกว่าที่เราเข้าใจจักรวาลในปัจจุบันมาก อีกทางหนึ่งคือ อุณหภูมิที่สูงกว่าโดยไม่ทราบสาเหตุของรังสีพื้นหลัง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วถือว่าเป็นพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกที่รู้จักกันดี อาจเป็นสาเหตุได้” เดอ เลรา อะเซโด กล่าว
เขากล่าวเสริม: “ถ้าเราสามารถยืนยันได้ว่าสัญญาณที่พบในการทดลองก่อนหน้านี้นั้นมาจากดาวดวงแรกจริงๆ ความหมายจะมหาศาล”
เพื่อศึกษาช่วงเวลานี้ในการพัฒนาจักรวาล ซึ่งมักเรียกกันว่า Cosmic Dawn นักดาราศาสตร์ศึกษาเส้น 21 เซนติเมตร ซึ่งเป็นสัญญาณการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากไฮโดรเจนในเอกภพช่วงต้น พวกเขามองหาสัญญาณวิทยุที่วัดความแตกต่างระหว่างการแผ่รังสีจากไฮโดรเจนกับการแผ่รังสีหลังหมอกไฮโดรเจน
วิธีการที่พัฒนาโดย de Lera Acedo และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้สถิติแบบเบย์ในการตรวจจับสัญญาณจักรวาลวิทยาเมื่อมีสัญญาณรบกวนจากกล้องโทรทรรศน์และเสียงทั่วไปจากท้องฟ้าเพื่อให้สามารถแยกสัญญาณออกได้
ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องมีเทคนิคและเทคโนโลยีล้ำสมัยจากสาขาต่างๆ
นักวิจัยใช้การจำลองเพื่อเลียนแบบการสังเกตการณ์จริงโดยใช้เสาอากาศหลายตัว ซึ่งช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของข้อมูล – การสังเกตการณ์ก่อนหน้านี้อาศัยเสาอากาศเพียงตัวเดียว
“วิธีการของเราร่วมกันวิเคราะห์ข้อมูลจากหลายเสาอากาศและข้ามย่านความถี่ที่กว้างกว่าเครื่องมือปัจจุบันที่เทียบเท่ากัน วิธีการนี้จะให้ข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ข้อมูลแบบเบย์ของเรา” de Lera Acedo กล่าว
เขาเสริมว่า: “โดยพื้นฐานแล้ว เราลืมเกี่ยวกับกลยุทธ์การออกแบบแบบดั้งเดิม และแทนที่จะมุ่งเน้นไปที่การออกแบบกล้องโทรทรรศน์ที่เหมาะสมกับวิธีที่เราวางแผนจะวิเคราะห์ข้อมูล ซึ่งคล้ายกับการออกแบบผกผัน สิ่งนี้สามารถช่วยเราวัดสิ่งต่าง ๆ จาก Cosmic Dawn และในยุคของการสร้างไอออนใหม่ เมื่อไฮโดรเจนในจักรวาลถูกรีไอออนใหม่”
การก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์กำลังเสร็จสิ้นที่เขตสงวนวิทยุ Karoo ในแอฟริกาใต้ ซึ่งเป็นสถานที่ที่ได้รับการคัดเลือกเนื่องจากมีสภาพที่ดีเยี่ยมสำหรับการสังเกตการณ์ท้องฟ้าด้วยวิทยุ ห่างไกลจากการรบกวนคลื่นความถี่วิทยุที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น สัญญาณโทรทัศน์และวิทยุ FM
ทีมนักวิจัยกว่า 30 คนของ REACH เป็นสหสาขาวิชาชีพและกระจายอยู่ทั่วโลก โดยมีผู้เชี่ยวชาญในสาขาต่างๆ เช่น จักรวาลวิทยาเชิงทฤษฎีและการสังเกต การออกแบบเสาอากาศ เครื่องมือวัดความถี่วิทยุ การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข การประมวลผลดิจิทัล บิ๊กดาต้า และสถิติแบบเบย์ REACH นำโดย University of Stellenbosch ในแอฟริกาใต้
Professor de Villiers หัวหน้าร่วมของโครงการที่มหาวิทยาลัย Stellenbosch ในแอฟริกาใต้กล่าวว่า “แม้ว่าเทคโนโลยีเสาอากาศที่ใช้สำหรับเครื่องมือนี้จะค่อนข้างเรียบง่าย แต่สภาพแวดล้อมการใช้งานที่รุนแรงและห่างไกล และความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดที่จำเป็นในการผลิต นี่เป็นโครงการที่ท้าทายมากในการทำงาน”
เขาเสริมว่า: “เรารู้สึกตื่นเต้นเป็นอย่างยิ่งที่จะได้เห็นว่าระบบทำงานได้ดีเพียงใดและมีความมั่นใจอย่างเต็มที่ว่าเราจะทำให้การตรวจจับที่เข้าใจยาก”
บิ๊กแบงและยุคแรก ๆ ของจักรวาลเป็นที่เข้าใจกันดีในยุคต่างๆ ต้องขอบคุณการศึกษาการแผ่รังสีคอสมิกไมโครเวฟพื้นหลัง (CMB) ที่เข้าใจได้ดียิ่งขึ้นก็คือวิวัฒนาการของดาวฤกษ์และวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ ที่ล่าช้าและแพร่หลาย แต่เวลาของการก่อตัวของแสงแรกในจักรวาลนั้นเป็นชิ้นส่วนพื้นฐานที่ขาดหายไปในปริศนาแห่งประวัติศาสตร์ของจักรวาล
การวิจัยได้รับการสนับสนุนโดยสถาบัน Kavli สำหรับจักรวาลวิทยาในเคมบริดจ์ (สหราชอาณาจักร) มูลนิธิวิจัยแห่งชาติ (แอฟริกาใต้) ความน่าเชื่อถือของ Cambridge-Africa ALBORADA (สหราชอาณาจักร) และสภาสิ่งอำนวยความสะดวกด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (STFC) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการวิจัยและ นวัตกรรม (UKRI)
อ้างอิง
E. de Lera Acedo et al.: ‘ เครื่องวัดรังสี REACH สำหรับตรวจจับสัญญาณไฮโดรเจนขนาด 21 ซม. จาก redshift z ≈ 7.5–28 ‘ ดาราศาสตร์ธรรมชาติ (กรกฎาคม 2565). ดอย: 10.1038/s41550-022-01709-9.
