Population III Stars ดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาล




(ความประทับใจของศิลปินเกี่ยวกับดาวดวงแรกในจักรวาลที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา / Cr.ภาพ supernova.eso.org/)


ดาวฤกษ์ดวงแรกที่เรียกว่า Population III หรือ Pop III stars เชื่อกันว่าได้ก่อตัวขึ้นจากเมฆ 'โมเลกุล' ในยุคแรกเริ่ม ซึ่งเป็นก๊าซไร้โลหะที่มีอยู่ในเอกภพยุคแรกๆ ในสภาพที่บริสุทธิ์  แต่มีข้อโต้แย้งทางทฤษฎีที่แนะนำว่า ดาวเหล่านี้น่าจะก่อตัวขึ้นเมื่อ 100 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง และพวกมันเป็นดาวที่มีความเป็นโลหะต่ำมาก หรือแม้แต่เป็นอิสระจากความเป็นโลหะ (ดาวที่มีโลหะเป็นศูนย์ ที่ก่อตัวขึ้นจากองค์ประกอบเดียวที่มีอยู่คือ ไฮโดรเจน ฮีเลียม และ
ปริมาณลิเธียมที่เบาบาง ) 

Pop III stars ถือเป็นดาวฤกษ์รุ่นแรกที่ก่อตัวในจักรวาล ที่ในเวลานั้นเอกภพมีเพียงไฮโดรเจนและฮีเลียม และยังไม่เคยมีใครสังเกตเห็น เพราะมันจางเกินไป ดาวฤกษ์ดวงแรกนี้จึงต้องเป็นไปตามองค์ประกอบที่มีอยู่ นั่นคือประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมทั้งหมด แม้ว่าต่อมาจะมีการค้นพบดาวฤกษ์ที่มีโลหะน้อยมากจำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังไม่พบดาวฤกษ์ Population III โดยตรง เนื่องจากคิดว่าพวกมันก่อตัวขึ้นครั้งแรกเมื่อนานมาแล้ว และตายไปอย่างรวดเร็ว

ธรรมชาติของ Pop-III stars นั้นเป็นเรื่องที่ถกเถียงกันมากว่า ดาวฤกษ์ Pop-III อาจมีมวลมากและมีความส่องสว่างสูงมาก โดยมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ 100 เท่า หรือมีมวลน้อยกว่าหลายสิบเท่าของมวลดวงอาทิตย์ และยังมีคำอธิบายที่ไม่สมเหตุสมผลของดาวฤกษ์ดวงแรกนี้ที่ว่า พวกมันได้ใช้เชื้อเพลิงหมดไปตลอดหลายปีที่ผ่านมา เนื่องจากมีมวลมากและร้อนจัด 
 
นักวิทยาศาสตร์จึงทำการศึกษาโดยเฉพาะด้วย computational models เนื่องจากจักรวาลยุคแรกนั้นซับซ้อนน้อยกว่าจักรวาลในปัจจุบันอย่างมาก ทำให้ทราบว่าดาวฤกษ์ Pop III มีมวลมากกว่าดาวในปัจจุบันมาก โดยมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึงร้อยเท่า และมีอายุสั้นเนื่องจากมีมวลมาก (อายุขัยของดาวจะสั้นลงเมื่อดาวมีมวลมากขึ้น พวกมันสว่างไสว มีชีวิตอยู่อย่างรวดเร็ว และตายในวัยเยาว์)

 
หรือสสารมืดรวมตัวกันเป็นกระจุกและเส้นใยก่อนจะดึงดูดสสารธรรมดาเข้ามา แล้วจึงก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ดวงแรก
(Cr.ภาพ Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH)
 
อย่างไรก็ตาม ในเวลาต่อมา นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการจำลองการก่อตัวของดาวฤกษ์ Pop-III ขึ้น โดยแสดงให้เห็นการกระจายมวลเริ่มต้นของดาวเหล่านี้ และพบว่าแท้จริงแล้ว ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยที่สุดนี้มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์ 0.8 เท่า  ซึ่งหากดาวฤกษ์ Pop-III ที่มีมวลน้อยกว่ามวลดวงอาทิตย์ก่อตัวขึ้นในเอกภพยุคแรก ด้วยมวลที่ต่ำกว่าและอายุขัยที่ยาวขึ้นตามลำดับ หมายความว่าพวกมันควรจะยังคงมีอยู่ในปัจจุบัน เช่นเดียวกับ ดาวแคระแดงที่อยู่ได้นานหลายล้านล้านปีโดยไม่เผาไหม้

และยังพบว่าเมื่อ Pop-III ตายในการระเบิดของซุปเปอร์โนวา พวกมันจะผลิตโลหะชนิดแรกๆสำหรับกลุ่มดาวฤกษ์ที่ตามมา(คือ Population II ซึ่งมีโลหะเป็นสัดส่วนเพียงเล็กน้อย และ Population I ที่อุดมด้วยโลหะที่เรามีในวันนี้) โดยหลุมดำที่เหลืออยู่จะกลายเป็นเมล็ดพันธ์ของหลุมดำมวลมหาศาลที่พบในใจกลางกระจุกดาราจักรในปัจจุบัน ซึ่งการสร้างแบบจำลอง นอกจากจะให้คำอธิบายโดยละเอียดของวัตถุแล้ว นักดาราศาสตร์พบว่า Pop III ยังเป็นวัตถุที่น่าสนใจในบริบทของการสร้างไอออนใหม่อีกด้วย
 
ทั้งนี้ มีการตั้งสมมติฐานมานานแล้วว่าการเริ่มต้นยุคของการแตกตัวเป็นไอออนใหม่อาจถูกกำหนดโดยดาวฤกษ์รุ่นแรก ซึ่ง Pop-III สามารถเปลี่ยนแปลงพลวัตของจักรวาลโดยให้ความร้อนและทำให้ก๊าซโดยรอบแตกตัวเป็นไอออน โดยมีบทบาทสำคัญในการทำให้ตัวกลางระหว่างดาราจักรปฐมภูมิมีความอุดมสมบูรณ์ทางเคมีมากขึ้น
 
จนในปี 2018 นักวิทยาศาสตร์ได้ประกาศการค้นพบ 2MASS J18082002–5104378 B. ดาวฤกษ์ขนาดเล็กที่มีโลหะน้อยในของทางช้างเผือกของเรา ด้วยอายุ 13.53 พันล้านปี และเป็นหนึ่งในดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดในดาราจักร นี่จึงเป็นข้อพิสูจน์ถึงข้อเท็จจริงที่ว่ายังมีดวงดาวเก่าแก่ที่สุดในจักรวาล ที่อาจยังอยู่ใกล้ ๆ โดยถูกตรึงไว้ที่ใดที่หนึ่งในเอกภพของเรา แต่มีแสงสลัวทำให้หาได้ยาก และการที่ยังไม่พบ Pop-III นั้น เป็นไปได้ว่าพวกมันอาจเป็นเพียงรุ่นเดียวที่ถูกลบออกจากบิ๊กแบง 

ภาพจำลองของ Pop III ในระหว่างการก่อตัว ซึ่งจากการประมาณการก่อนหน้านี้ระบุว่าดาวดวงแรกมีมวลมากถึง 1,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์
แต่การจำลองในภายหลังพบว่ามีขนาดประมาณ 60 ถึง 300 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ สิ่งนี้จะจำแนกพวกมันเป็นดาวมวลสูง แต่อายุสั้น
Cr.ภาพโดย Ralf Kaehler / Cr.การจำลองโดย Tom Abel

การทำความเข้าใจช่วงเริ่มแรกของจักรวาลอันน่าพิศวงและดาวดวงแรกเกิดขึ้นได้อย่างไรนั้น มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจสิ่งที่เราเห็นรอบตัวเราในปัจจุบัน รวมถึงการทำความเข้าใจวัตถุและปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นในระบบสุริยะด้วย ซึ่งโอกาสที่ดีที่สุดในการสังเกตวัตถุเหล่านี้คือการมองลึกลงไปในอดีต จนถึงปัจจุบัน เครื่องมือสังเกตการณ์ยังขาดความสามารถทางเทคนิคในการมองย้อนกลับไปในอดีตให้ไกลพอที่จะสังเกตดาวที่เก่าแก่อย่าง Pop III ได้

แต่ด้วยกล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไป เช่น กล้องโทรทรรศน์ James Webb Space Telescope (JWST) ในที่สุด อาจเป็นไปได้ที่จะตรวจพบทั้งดาวมืดที่มีมวลมหาศาลในเอกภพยุคแรก  และกลุ่มดาวเก่าแก่อื่นๆที่น่าประทับใจในใจกลางกาแลคซี  และยังมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Giant radio telescope array ขนาดยักษ์ที่กำลังจะถูกสร้างขึ้นในเร็วๆ นี้ เช่น Square Kilometer Array(SKA) ที่สามารถเจาะทะลุผ่านพ้นยุค Reionization (การเปลี่ยนจากจักรวาลที่เป็นกลางไปสู่จักรวาลที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์) ไปสู่ยุคมืดของจักรวาลได้ และจะให้เบาะแสเพิ่มเติมเกี่ยวกับเอกภพในยุคแรก ๆ ได้อย่างแน่นอน

นอกจากนี้ การถือกำเนิดของดาราศาสตร์คลื่นโน้มถ่วงที่เปิดเผยโดยหอสังเกตการณ์ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ได้ค้นพบหลักฐานของหลุมดำหนักที่อาจเชื่อมต่อกับเศษซากจากซุปเปอร์โนวา Pop III ที่เก่าแก่ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะสร้างแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นเพื่อเปรียบเทียบกับการสังเกตสิ่งที่กำลังจะเกิดขึ้นในอีกหลายๆ ปีข้างหน้า

รวมทั้งการค้นพบดาราจักรหายาก กาแล็กซี่ CR7 โดยนักวิจัยจากหอดูดาวท้องฟ้าซีกใต้แห่งยุโรป (European Southern Observatory) ที่พบร่องรอยของฮีเลียมแตกตัวเป็นไอออน แต่ไม่มีองค์ประกอบที่หนักกว่าในบริเวณกาแลคซี ซึ่งเป็นท้องฟ้าโบราณที่อยู่ห่างออกไปกว่า 12 พันล้านปีแสง ที่น่าจะมาจาก 800 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง โดยนักวิทยาศาสตร์คาดหวังว่าจะพบดาวดวงแรกในท้องฟ้าโบราณที่มืดครึ้มนี้ในอนาคตเช่นกัน 



งานวิจัยการสร้างไอออนของนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Katsuya Abe และ Hiroyuki Tashiro ระบุว่า
ในช่วงก่อนดาวดวงแรก เมฆก๊าซมีแต่ไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วนๆ หมายความว่าพวกมันไม่สามารถแผ่ความร้อนและเย็นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เหมือนกลุ่มดาวสมัยใหม่ ดังนั้น เพื่อป้องกันไม่ให้เมฆเหล่านี้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เมฆก๊าซสมัยใหม่สามารถเข้าถึงได้ เป็นผลให้เมฆก๊าซในช่วงแรก
มีมวลมากก่อนที่จะยุบตัวเป็นดาว ผลที่ได้คือ population III ที่มีมวลมากและร้อนจัด ทำให้รังสีที่พวกมันผลิตออกมามีขนาดมหึมา
ซึ่งจะทำให้ก๊าซใกล้ตัวแตกตัวเป็นไอออน และจะผลิตรังสีมากขึ้นเมื่อพวกมันตาย

ภาพประกอบ กาแล็กซี่ CR7 ที่สว่างกว่าดาราจักรใดๆ ในเอกภพยุคแรกถึงสามเท่า
Cr.ภาพ ESO/M. Kornmesser



กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดยักษ์ Square Kilometer Array ในแอฟริกาใต้ตอนใต้
โดยจะเพิ่ม MeerKAT Telescope อีก 133 จาก 64 จานที่มีอยู่ /Cr.ภาพ SKA ORGANISATION/SWINBURNE ASTRONOMY PRODUCTIONS
ที่มา 
Jarrett L. Johnson (2015), “The chemical signature of surviving Population III stars in the Milky Way”, arXiv:1411.4189 [astro-ph.GA] 

Cr.http://beyondearthlyskies.blogspot.com/2015/03/surviving-population-iii-stars-in-galaxy.html
Cr.https://www.space.com/dark-stars-first-in-the-universe / By All About Space magazine, Amanda Doyle 
Cr.http://beyondearthlyskies.blogspot.com/2015/03/surviving-population-iii-stars-in-galaxy.html
Cr.https://medium.com/predict/the-mystery-of-population-iii-2f6bc5521e29 / Ella AldersonFollow

(ขอขอบคุณที่มาของข้อมูลทั้งหมดและขออนุญาตนำมา)
 
แสดงความคิดเห็น
โปรดศึกษาและยอมรับนโยบายข้อมูลส่วนบุคคลก่อนเริ่มใช้งาน อ่านเพิ่มเติมได้ที่นี่