เมื่อเร็ว ๆ โครงการ JADES หรือ JWST Advanced Deep Extragalactic Survey โครงการศึกษาจักรวาลวิทยาที่นำกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb ส่องเข้าไปยังจุดที่มืดที่สุดในท้องฟ้าเพื่อทำการศึกษากาแล็กซีและโครงสร้างในจักรวาลที่อยู่ลึกเข้าไปในมุมมืดของท้องฟ้า ซึ่งด้วยศักยภาพของกล้องโทรทรรศน์ James Webb นั้นมันมอบภาพถ่ายที่แสดงรายละเอียดของวัตถุต่าง ๆ ที่แอบซ่อนอยู่ในมุมมืดได้สูงกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble เคยทำได้มหาศาล ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เองก็คาดหวังว่าโครงการนี้จะทำให้พวกเขาสามารถเข้าใจวิวัฒนาการของเอกภพตั้งแต่ยุคเริ่มต้นได้มากกว่าเดิม
โดยผลงานของโครงการนี้มีตั้งแต่การค้นพบกาแล็กซีที่เก่าแก่และไกลที่สุดที่เคยค้นพบมา JADES-GS-z14-0 ซึ่งมีค่า Redshift สูงถึงประมาณ 14.3 หมายความว่าเราเห็นมันในช่วงที่เอกภพมีอายุเพียง 290 ล้านปีเท่านั้น หรือค้นพบว่ากาแล็กซีในยุคแรกเริ่มมีความสว่างและมีขนาดใหญ่กว่าที่ทฤษฎีเดิมเคยคาดการณ์ไว้ ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องทบทวนโมเดลอย่าง Lambda CDM โมเดลมาตรฐานที่ใช้ในการทำนายสิ่งที่เกิดขึ้นตั้งแต่เอกภพถือกำเนิดขึ้นจาก Big Bang และดังที่ได้กล่าวไปข้างต้นว่าศักยภาพของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb นั้นเหนือกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble อย่างก้าวกระโดด ดังนั้น เมื่อโครงการ JADES ทำการสำรวจในพื้นที่เดียวกับภาพถ่าย Hubble Ultra Deep Field (HUDF) จึงทำให้ได้ภาพที่เผยให้เห็นรายละเอียดของวัตถุที่มืดและอยู่ลึกเข้าไปในตำแหน่งที่แม้แต่ Hubble ก็ยังมองไม่เห็น
เมื่อโครงสร้างกระจุกกาแล็กซีแรกเริ่มถูกเผยโดยโครงการ JADES และกล้อง Chandra
ก่อนหน้าที่จะมีโครงการ JADES นักดาราศาสตร์เคยมีความพยายามในการสังเกตการณ์ท้องฟ้าในย่านรังสีเอกซ์ให้ลึกที่สุดเท่าที่จะทำได้ ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Chandra X-ray Observatory ภายใต้โครงการ Chandra Deep Field South (CDF-S) มาก่อน ต่อมาในโครงการ JADES จึงได้มีการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb สังเกตการณ์กลับไปยังตำแหน่งเดิมที่กล้อง Chandra เคยบันทึกภาพไว้ ทว่าในครั้งนี้เป็นการสำรวจในย่านรังสีอินฟราเรด ซึ่งมาพร้อมกับความละเอียดในการแยกแยะภาพ (Resolution) ที่สูงกว่าทั้งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Chandra และกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble
จากการสำรวจพื้นที่ดังกล่าว พบว่ามีตำแหน่งหนึ่งที่ดูมืดมิด ทว่าแท้จริงแล้วกลับอัดแน่นไปด้วยกาแล็กซีจำนวนมหาศาลซ่อนอยู่ภายใน เมื่อพิจารณาจากตำแหน่งที่ตั้ง นักดาราศาสตร์ระบุว่าโครงสร้างและการกระจุกตัวของมันมีความคล้ายคลึงกับโครงสร้างของกระจุกกาแล็กซี (Galaxy Cluster) เป็นอย่างมาก และเมื่อนำข้อมูลจากการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Chandra มาซ้อนทับ (Overlay) เพื่อเปรียบเทียบ ก็ได้รับการยืนยันว่า โครงสร้างดังกล่าวคือกระจุกกาแล็กซีจริง ซึ่งฝังตัวอยู่ท่ามกลางกลุ่มก๊าซที่ร้อนจัด โครงสร้างนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า JADES-ID1 และเมื่อทำการเปรียบเทียบค่า Redshift ก็พบว่านี่ไม่ใช่เพียงกระจุกกาแล็กซีธรรมดา แต่เป็นโครงสร้างกระจุกกาแล็กซีที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่มนุษยชาติเคยค้นพบ โดยมีอายุเก่าแก่ถึง 12,800 ล้านปี หรืออาจกล่าวได้ว่ากระจุกกาแล็กซีแห่งนี้ก่อตัวขึ้นหลังจากเหตุการณ์ Big Bang เพียง 1,000 ล้านปีเท่านั้น ซึ่งถือเป็นระยะเวลาที่รวดเร็วกว่าที่นักดาราศาสตร์เคยคาดการณ์ไว้เป็นอย่างมาก An X-ray-emitting protocluster at z ≈ 5.7 reveals rapid structure growth
เมื่อการค้นพบขัดแย้งกับทฤษฎี Lambda CDM
อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาทฤษฎี Lambda CDM (Lambda-Cold Dark Matter) ซึ่งอธิบายถึงการขยายตัวของเอกภพภายหลังปรากฏการณ์ Big Bang ทฤษฎีนี้ได้ทำนายลำดับเวลาไว้ว่า ดาวฤกษ์ดวงแรกน่าจะถือกำเนิดขึ้นในระยะเวลา 200 ล้านปีหลัง Big Bang กาแล็กซีแห่งแรกจะก่อตัวขึ้นที่ 500 ล้านปี และโครงสร้างขนาดใหญ่อย่างกระจุกกาแล็กซี (Galaxy Cluster) จะต้องใช้เวลาถึง 3,000 ล้านปีหลัง Big Bang จึงจะก่อตัวสำเร็จ ซึ่งทฤษฎี Lambda CDM นี้นับเป็นหนึ่งในแบบจำลองที่ได้รับการยอมรับและใช้อธิบายวิวัฒนาการของเอกภพอย่างแพร่หลายที่สุด
ทว่า หลังจากการเริ่มต้นของโครงการ JADES ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb สำรวจลึกลงไปในจุดที่มืดมิดที่สุดของท้องฟ้า กลับพบกาแล็กซีขนาดใหญ่ที่ดำรงอยู่ในช่วงเวลาที่เก่าแก่กว่ากรอบเวลาที่ทฤษฎีได้ทำนายไว้ การค้นพบเหล่านี้คือสิ่งที่ขัดแย้งกับทฤษฎีที่ตั้งเอาไว้ทำให้นักเอกภพวิทยาต้องกลับมาทบทวนความเข้าใจเสียใหม่ และภาพถ่ายกระจุกกาแล็กซี JADES-ID1 ก็คือหนึ่งในสิ่งที่ขัดแย้งกับทฤษฎี Lambda CDM อีกเหมือนกันเพราะหากว่ากันตามทฤษฎี Lambda CDM กระจุกกาแล็กซีขนาดใหญ่ควรจะเกิดขึ้นหลังจากการระเบิดของ Big Bang ที่ 3,000 ล้านปี แต่ JADES-ID1 กลับปรากฏขึ้นในระยะเวลาเพียง 1,000 ล้านปีหลัง Big Bang เท่านั้น เท่ากับว่าโครงสร้างกระจุกกาแล็กซีนี้ก่อตัวเสร็จสมบูรณ์เร็วกว่าที่แบบจำลองคาดการณ์ไว้ถึง 2,000 ล้านปี ซึ่งก็ถือเป็นการหักล้างกับทฤษฎี
สาเหตุที่แบบจำลอง Lambda CDM ประเมินว่าการเกิดขึ้นของกระจุกกาแล็กซีต้องใช้เวลากว่า 3,000 ล้านปีหลังจากเอกภพถือกำเนิดขึ้น เป็นเพราะกระบวนการทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องนั้นต้องอาศัยเวลา และไม่สามารถเกิดขึ้นในชั่วขณะได้ แรงโน้มถ่วงต้องใช้ระยะเวลาพอสมควรในการดึงดูดสสารมืด (Dark Matter) ให้เข้ามารวมตัวกันจนเกิดเป็นโครงสร้าง “เส้นใยจักรวาล” (Cosmic Web) จากนั้นเมื่อเส้นใยเหล่านี้มาตัดกัน จะก่อให้เกิดจุดสะสมมวลสารมหาศาลที่สามารถดึงดูดกาแล็กซีนับร้อยนับพันแห่งให้มารวมตัวกันอยู่ ณ บริเวณเดียวกันได้ ซึ่งกระบวนการสะสมมวลและพลังงานที่กล่าวมานี้เป็นกระบวนการที่ค่อยเป็นค่อยไปนานหลายพันล้านปี
นอกจากนี้ ปัจจัยสำคัญอีกประการที่จะทำให้กระจุกกาแล็กซีก่อตัวขึ้นได้อย่างสมบูรณ์ คือการรวบรวมกลุ่มก๊าซที่มีอุณหภูมิร้อนจัดในมวลสารระหว่างกาแล็กซี (Intergalactic Medium) ให้จับตัวเป็นกลุ่มก้อน ซึ่งกลไกนี้ก็มีลักษณะเช่นเดียวกับการรวมตัวของมวลสารในเส้นใยจักรวาล ด้วยเหตุผลสองประการนี้ นักทฤษฎีจึงเชื่อมั่นมาตลอดว่ากรอบเวลา 3,000 ล้านปีหลัง Big Bang (หรือประมาณ 10,800 ล้านปีก่อน) คือช่วงเวลาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเกิดกระจุกกาแล็กซี ดังนั้น การค้นพบ JADES-ID1 ที่ดำรงอยู่ที่ตำแหน่ง 12,800 ล้านปีก่อน จึงสวนทางกับทฤษฎีที่ตั้งไว้ถึง 2,000 ล้านปี
ยิ่งไปกว่านั้น JADES-ID1 ยังเป็นกระจุกกาแล็กซีที่มีมวลมหาศาลถึง 20 ล้านล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ (Solar Mass) การค้นพบโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่และมีมวลมหาศาลในช่วงเวลาที่เก่าแก่กว่าที่ทฤษฎีคาดการณ์ไว้ บังคับให้นักวิทยาศาสตร์ต้องกลับมาตั้งคำถามกับทฤษฎีมาตรฐานที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบันอีกครั้ง เป็นไปได้หรือไม่ว่าสสารมืดอาจสามารถรวมตัวกันได้อย่างรวดเร็วในยุคที่เอกภพในช่วงเริ่มต้นยังมีขนาดเล็กและมีความหนาแน่นสูง หรืออาจมีหลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Black Hole) ปรากฏขึ้นมา หรือกระทั่งมีปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์อื่น ๆ ที่เป็นตัวเหนี่ยวนำให้กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นได้เร็วกว่าที่มนุษยชาติเคยเข้าใจ
แม้ในขณะนี้ เราจะยังไม่สามารถหาทฤษฎีหรือแบบจำลองใหม่มารองรับได้อย่างสมบูรณ์ ว่าเหตุใดกระจุกกาแล็กซี JADES-ID1 จึงสามารถก่อตัวขึ้นได้รวดเร็วเช่นนี้ แต่การค้นพบดังกล่าวได้พิสูจน์ให้เห็นอย่างชัดเจนว่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb ได้ทำหน้าที่ขยายพรมแดนแห่งองค์ความรู้ของมนุษยชาติอย่างแท้จริง และแสดงให้เห็นว่าในเอกภพอันกว้างใหญ่ไพศาลแห่งนี้ ยังคงมีเรื่องราวอันน่าตื่นเต้นรอคอยให้เราค้นหาอีกมากมาย
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
