สัญญาณวิทยุชั่วพริบตาช่วยอ่านสสารในจักรวาลได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

กล้องวิทยุรับสัญญาณจากท้องฟ้าเพียงไม่กี่มิลลิวินาที แล้วมันก็หายไป ไม่มีแสงให้ตาเห็น และหลายครั้งไม่มีเหตุการณ์ซ้ำ จึงเหลือเพียงตำแหน่งกับคลื่นที่เดินทางมาถึงโลกให้ทีมดาราศาสตร์ตามรอย

สัญญาณชนิดนี้เรียกว่า fast radio burst หรือ FRB เป็นคลื่นวิทยุที่สั้นมากแต่ทรงพลัง ต้นกำเนิดยังไม่แน่ชัด การตามหาแหล่งกำเนิดจึงต้องใช้ทั้งกล้องวิทยุหาพิกัดและกล้องที่มองเห็นแสงจากวัตถุไกลโพ้น

ทีม MeerTRAP ใช้กล้อง MeerKAT ในแอฟริกาใต้ตรวจพบ FRB 20240304B เมื่อ 4 มีนาคม 2024 และระบุตำแหน่งได้ละเอียด แต่กล้องภาคพื้นดินที่ส่องไปยังจุดนั้นกลับไม่พบกาแล็กซี คำถามจึงไม่ใช่แค่สัญญาณมาจากไกลแค่ไหน แต่มีบ้านอยู่ตรงไหนด้วย

กล้อง James Webb พบกาแล็กซีต้นทางที่กล้องบนพื้นโลกมองไม่เห็น ด้วย NIRCam แล้วใช้ NIRSpec วัดการเลื่อนทางแดงได้ 2.148 แปลว่าเรากำลังเห็นสัญญาณจากยุคที่เอกภพมีอายุราว 3 พันล้านปี กาแล็กซีแคระแห่งนี้ยังสร้างดาวอย่างคึกคัก ภาพดังกล่าวสนับสนุนแนวคิดว่า FRB บางลูกอาจมาจากแมกนีทาร์วัยเยาว์ แต่ยังไม่ยืนยันต้นกำเนิดของ FRB ทุกลูก

เหตุที่ต้องใช้กล้องสองชนิดเพราะมันตอบคนละคำถาม MeerKAT รับคลื่นวิทยุและช่วยชี้พิกัด ส่วน Webb เก็บแสงอินฟราเรดจากวัตถุที่จางมาก การไม่มีภาพกาแล็กซีจากกล้องภาคพื้นดินจึงไม่ได้แปลว่าไม่มีต้นทาง แต่อาจหมายถึงวัตถุนั้นเล็กและไกลเกินกว่าจะเห็นจากพื้นโลก

เมื่อ NIRCam พบจุดกำเนิดที่เป็นไปได้ ทีมใช้ NIRSpec แยกแสงออกเป็นช่วงคลื่นเหมือนดูรหัสที่ติดมากับแสง เส้นสเปกตรัมช่วยคำนวณการเลื่อนทางแดง ซึ่งบอกว่าเอกภพขยายตัวจนแสงถูกยืดไปมากเพียงใด ค่า 2.148 จึงเป็นหลักฐานวัดระยะทางเชิงจักรวาล ไม่ใช่ภาพถ่ายคลื่นวิทยุที่กำลังระเบิด

กาแล็กซีต้นทางมีมวลดาวฤกษ์ราวสิบล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และมีอัตราการสร้างดาวประมาณ 0.2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ต่อปี งานวิจัยประเมินว่ามันมีมวลต่ำและมีโลหะน้อยเมื่อเทียบกับกาแล็กซีที่รู้จักว่าเป็นบ้านของ FRB อย่างไรก็ดี นักวิจัยเตือนว่าจำนวนกาแล็กซีเจ้าบ้านที่จางมากซึ่งเคยสังเกตยังมีไม่มาก การเปรียบเทียบจึงมีขอบเขตตามข้อมูลที่มี

สภาพแวดล้อมที่กำลังสร้างดาวเร็วเข้ากับแมกนีทาร์ ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่มีสนามแม่เหล็กสูงและเกิดหลังดาวมวลมากระเบิด นักดาราศาสตร์เสนอว่าแหล่งแบบนี้อาจปล่อย FRB ได้ไม่นานหลังเกิด ต่างจากการรวมตัวของดาวนิวตรอนสองดวงที่อาจใช้เวลานานกว่าจะชนกัน เบาะแสนี้จึงเอนน้ำหนักให้แมกนีทาร์ในกรณีนี้ แต่ไม่ได้ปิดคำอธิบายอื่น

สัญญาณยังเก็บร่องรอยของสิ่งที่มันผ่านมาตลอดทาง ก่อนถึงโลก คลื่นวิทยุเดินทางผ่านก๊าซและพลาสมาระหว่างกาแล็กซี อนุภาคมีประจุทำให้บางความถี่มาถึงช้ากว่าความถี่อื่น นักวิจัยจึงใช้ความต่างนี้ประเมินปริมาณสสารตามแนวสายตา เปรียบคล้ายไฟฉายที่ไม่ได้ถ่ายภาพสิ่งกีดขวาง แต่ทิ้งร่องรอยไว้ในสัญญาณ

จากข้อมูลของ FRB ครั้งนี้ ทีมพบร่องรอยของโครงสร้างจักรวาลสองแห่งตามเส้นทาง หนึ่งคือกลุ่มกาแล็กซีที่ยังไม่เคยรู้จักมาก่อน มีค่าเลื่อนทางแดง 0.3 และอีกแห่งคือกระจุกกาแล็กซี Virgo ซึ่งอยู่ใกล้โลกประมาณ 54 ล้านปีแสง ข้อมูลเหล่านี้มาจากผลต่อสัญญาณ ไม่ใช่ภาพตรงของกระจุกทั้งสอง

การใช้ FRB สำรวจสสารจึงต้องอาศัยหลายเหตุการณ์ที่ทราบตำแหน่งและระยะทาง เมื่อมีตัวอย่างมากขึ้น นักดาราศาสตร์อาจเปรียบเทียบร่องรอยตามเส้นทางต่าง ๆ เพื่อสร้างภาพว่าก๊าซที่มองไม่เห็นกระจายอยู่ระหว่างกาแล็กซีอย่างไร งานชิ้นนี้แสดงว่าการวัดไปได้ไกลถึงยุคที่เอกภพมีอายุเพียงสามพันล้านปี แต่ยังเป็นข้อมูลจากสายตาเพียงแนวเดียว

สิ่งที่ได้จากแฟลชสั้น ๆ จึงมีสองชั้น: มันพาไปพบกาแล็กซีเล็กที่ซ่อนอยู่ และใช้เส้นทางของมันเป็นร่องรอยของสสารในอวกาศ ส่วนคำถามว่าอะไรจุด FRB ยังเปิดอยู่ หลักฐานรอบนี้ชี้ไปทางแมกนีทาร์มากขึ้น แต่การยืนยันต้องอาศัยการสังเกต FRB และกาแล็กซีเจ้าบ้านเพิ่ม