พบแล้ว “โมเลกุลแรก” แห่งเอกภพ

พบแล้ว “โมเลกุลแรก” แห่งเอกภพ

หลังจากมีความพยายามค้นหาโมเลกุลแรกที่เกิดขึ้นในเอกภพมานานหลายทศวรรษ ในที่สุดทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติ นำโดย ดร. รอล์ฟ กุสเตน (Dr. Rolf Guesten) จากสถาบันดาราศาสตร์วิทยุมักซ์พลังค์ ประเทศเยอรมนี ได้ตรวจพบ ไอออนฮีเลียมไฮไดรด์ (Helium hydride ion, HeH+) ในเอกภพได้สำเร็จเป็นครั้งแรก ในเนบิวลาดาวเคราะห์ NGC7027 โดยใช้หอสังเกตการณ์ในบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ ในช่วงคลื่นอินฟราเรดที่ใหญ่ที่สุดในโลก Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy ที่มีชื่อย่อว่า หอสังเกตการณ์โซเฟีย (SOFIA) ผลงานวิจัยดังกล่าวตีพิมพ์ในวารสารวิชาการชั้นนำของโลก Nature เมื่อวันที่ 17 เมษายน 2562

ตามหลักการของทฤษฎีบิ๊กแบง เมื่อย้อนกลับไปในยุคเริ่มต้นของเอกภพ ประมาณ 100,000 ปี หลังจากเกิดบิ๊กแบง เอกภพได้เย็นตัวลงจนมีอุณหภูมิประมาณ 4,000 เคลวิน ทำให้อะตอมต่าง ๆ เช่น ไฮโดรเจน และฮีเลียม เริ่มรวมตัวกันเป็นโมเลกุลขึ้นเป็นครั้งแรกคือ ไอออนฮีเลียมไฮไดรด์ (Helium hydride ion, HeH+) ต่อมาเมื่อเอกภพเย็นตัวลงอีก โมเลกุลดังกล่าวทำปฏิกิริยากับอะตอมไฮโดรเจนและนำไปสู่การเกิดโมเลกุลไฮโดรเจน ซึ่งเป็นโมเลกุลพื้นฐานในการก่อกำเนิดดาวฤกษ์ดวงแรกของเอกภพ ดังนั้นการพิสูจน์ถึงการมีอยู่จริงของโมเลกุลดังกล่าวจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษากระบวนการทางเคมีของเอกภพในยุคเริ่มต้น

นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างไอออนฮีเลียมไฮไดรด์ขึ้นในห้องปฏิบัติการได้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1925 แต่ไม่เคยตรวจพบโมเลกุลดังกล่าวได้ในธรรมชาติเลย ในช่วงปลายคริสต์ทศวรรษ 1970 นักดาราศาสตร์ได้คาดการณ์ว่า มีความเป็นไปได้ที่ ไอออนฮีเลียมไฮไดรด์ จะก่อกำเนิดขึ้นได้ในบริเวณชั้นแก๊สที่อยู่รอบ ๆ เนบิวลาดาวเคราะห์ เพราะที่ใจกลางเนบิวลาดาวเคราะห์นั้น มีดาวแคระขาวซึ่งมีอุณหภูมิสูงถึง 100,000 องศาเคลวิน อย่างไรก็ตามไอออนฮีเลียมไฮไดรด์มีคุณสมบัติเฉพาะตัวในการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นพลังงานต่ำสุดออกมา ณ ความถี่ 2.010 เทราเฮิรตซ์ (เทียบเท่าความยาวคลื่น 0.149 มม.) จัดอยู่ในช่วงคลื่นอินฟราเรดไกลซึ่งไม่สามารถทะลุผ่านชั้นบรรยากาศชั้นต่ำสุดของโลก (ชั้นโทรโปสเฟียร์) ลงมาได้ ดังนั้นการที่จะตรวจพบโมเลกุลดังกล่าวได้จึงต้องติดตั้งกล้องโทรทรรศน์บนเครื่องบินและบินสังเกตการณ์อยู่เหนือชั้นโทรโปสเฟียร์ หรือในชั้นสตราโตสเฟียร์นั่นเอง

หอสังเกตการณ์โซเฟีย เป็นโครงการความร่วมมือระหว่างองค์การนาซาและศูนย์วิจัยด้านการบินและอวกาศเยอรมัน (DLR) ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1996 โดยใช้เครื่องบินโบอิ้งรุ่น 747SP ติดตั้งกล้องโทรทรรศน์ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2.7 เมตร เริ่มบินสังเกตการณ์ครั้งแรกในปี ค.ศ. 2010 และ 2011 ได้ติดตั้งเครื่องสเปกโทรมิเตอร์ช่วงคลื่นอินฟราเรดไกลที่มีความละเอียดสูง GREAT (German Receiver for Astronomy at Terahertz Frequencies) พัฒนาโดยสถาบันดาราศาสตร์วิทยุมักซ์พลังค์ ร่วมกับมหาวิทยาลัยโคโลญจ์ และ DLR และต่อมาในปี ค.ศ. 2016 ด้วยพัฒนาการเทคโนโลยีเทราเฮิรตซ์ จึงปรับปรุงเพิ่มช่องสัญญาณของ GREAT ให้สามารถครอบคลุมช่วงความถี่ของไอออนฮีเลียมไฮไดรด์ หอสังเกตการณ์โซเฟียจึงได้ค้นพบไอออนฮีเลียมไฮไดรด์ ในเนบิวลาดาวเคราะห์ NGC 7027 ขึ้นเป็นครั้งแรก เนบิวลาดาวเคราะห์แห่งนี้อยู่ห่างจากโลกประมาณ 3,000 ปีแสง บริเวณใกล้กับกลุ่มดาว Cygnus การค้นพบนี้เป็นการพิสูจน์ความเข้าใจที่ถูกต้องของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับกระบวนการทางเคมีพื้นฐานของเอกภพในยุคเริ่มต้น และได้วิวัฒนาการมาเป็นเวลากว่าหมื่นล้านปี จนมาเป็นกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อนในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังเป็นรางวัลของการมุ่งพัฒนาเทคโนโลยีวิศวกรรมขั้นสูงของเครื่องมือวัดอย่างต่อเนื่อง ซึ่งทำให้เกิดการค้นพบอันยิ่งใหญ่ของมวลมนุษยชาติอีกด้วย

เรียบเรียง : ศวัสกมล ปิจดี – เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์ และ ดร.บุษบา คราเมอร์ – ผู้เชี่ยวชาญดาราศาสตร์วิทยุ