แบบจำลอง Lumina จำลองจักรวาลสองพันล้านปีแรกได้อย่างไร และตรวจสอบกับกล้องจริงแบบไหน?

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ

แบบจำลอง Lumina คำนวณสสารมืด ก๊าซ ดาวฤกษ์ และรังสีร่วมกันในกล่องจำลองเอกภพขนาดใหญ่ นักวิจัยนำจำนวนและสมบัติของกาแล็กซีจากแบบจำลองไปเทียบกับข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST) เพื่อดูว่าแบบจำลองอธิบายเอกภพยุคต้นได้ใกล้เคียงเพียงใด ตัวเลขเหล่านี้เป็นค่าที่อนุมานจากการสังเกตกาแล็กซี ไม่ใช่การวางภาพจำลองทับภาพถ่ายจริงจากกล้อง

บทความวิจัยของทีม Lumina ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ระบุว่าแบบจำลองใช้กล่องที่มีความยาวด้านละ 500 cMpc (เมกะพาร์เซกเชิงร่วมเคลื่อน) ซึ่งเป็นหน่วยระยะที่คำนึงถึงการขยายตัวของเอกภพ MIT เทียบขนาดนี้เป็นราว 1.6 พันล้านปีแสงต่อด้าน แบบจำลองเริ่มจากราว 45 ล้านปีหลังบิกแบงและติดตามต่อถึง z=3 หรือช่วงประมาณสองพันล้านปีหลังบิกแบง ค่า z ยิ่งสูงหมายถึงมองย้อนกลับไปยังเอกภพที่อายุน้อยกว่า กล่องนี้เป็นปริมาตรจำลองส่วนหนึ่ง ไม่ใช่จักรวาลทั้งหมด

แรงโน้มถ่วงรวบรวมสสารมืดให้เป็นโครงสร้าง ก๊าซจึงไหลเข้าไปในบริเวณหนาแน่นและก่อตัวเป็นดาวกับกาแล็กซี Lumina ใช้แบบจำลองการเกิดกาแล็กซี IllustrisTNG ร่วมกับตัวคำนวณการเคลื่อนที่ของรังสี แล้วติดตามว่ารังสีจากดาวและจากบริเวณใจกลางกาแล็กซีที่มีหลุมดำมวลยิ่งยวดกำลังดูดกลืนสสารเดินทางผ่านก๊าซอย่างไร

Lumina คำนวณการแตกตัวเป็นไอออนของไฮโดรเจนและฮีเลียม แสงอัลตราไวโอเลตจากดาวยุคแรกดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน ส่วนรังสีพลังงานสูงจากหลุมดำที่กำลังดูดกลืนสสารดึงอิเล็กตรอนตัวที่สองออกจากฮีเลียมที่แตกตัวเป็นไอออนแล้ว แบบจำลองจึงติดตามทั้งการเกิดกาแล็กซีและการเปลี่ยนสภาพของก๊าซระหว่างกาแล็กซีไปพร้อมกัน

นักวิจัยนำจำนวนกาแล็กซีในแต่ละช่วงมวลดาวฤกษ์ อัตราการก่อตัวดาว และความสว่างของนิวเคลียสกาแล็กซีกัมมันต์ไปเทียบกับค่าที่นักดาราศาสตร์อนุมานจากการสังเกตการณ์ รวมถึงข้อมูล JWST วิธีนี้ใช้ถามว่าแบบจำลองสร้างประชากรกาแล็กซีได้ใกล้กับสิ่งที่กล้องพบแค่ไหน

การเทียบยังเผยจุดที่แบบจำลองคลาดเคลื่อน งานวิจัยรายงานว่าตั้งแต่ z ประมาณ 5 ขึ้นไป Lumina ให้จำนวนกาแล็กซีมวลสูงมากน้อยกว่าค่าที่สังเกตได้ และช่องว่างยิ่งเด่นเมื่อ z ประมาณ 8 ขึ้นไป ผู้เขียนอภิปรายคำอธิบายที่เป็นไปได้หลายทาง เช่น การเกิดดาวมีประสิทธิภาพกว่าที่แบบจำลองกำหนด หรือมีสัดส่วนดาวมวลมากสูงกว่าที่สมมติไว้ แต่ยังไม่ได้ชี้สาเหตุเดียวที่ยืนยันแล้ว

ทีมเปิดให้ชุมชนนักวิทยาศาสตร์นำข้อมูล Lumina ไปวิเคราะห์ต่อและเทียบกับการสำรวจจากกล้องรุ่นใหม่ ความต่างที่เห็นในกาแล็กซีมวลสูงจึงเป็นโจทย์ให้ตรวจว่าการเกิดดาวและหลุมดำในแบบจำลองอธิบายข้อมูลยุคต้นได้ดีแค่ไหน

ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th