แสงจากรุ่งอรุณแห่งจักรวาลตรวจจับโดยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน

เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินซึ่งได้รับทุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐฯ (NSF) เพื่อมองย้อนกลับไปกว่า 13,000 ล้านปี และวัดว่าดาวดวงแรกในจักรวาลส่งผลต่อแสงที่ปล่อยออกมาจากเหตุการณ์ Big Bang อย่างไร โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ NSF Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) ที่อยู่ทางตอนเหนือของประเทศชิลี นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้วัดแสงไมโครเวฟโพลาไรซ์ (polarized microwave light) นี้เพื่อสร้างภาพที่ชัดเจนขึ้นของประวัติศาสตร์จักรวาล นั่นคือ "รุ่งอรุณแห่งจักรวาล" (cosmic dawn)

กล้องโทรทรรศน์ CLASS ของ NSF ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อตรวจจับร่องรอยขนาดใหญ่ที่ดาวฤกษ์ดวงแรกทิ้งไว้หลังจากบิ๊กแบง ซึ่งก่อนหน้านี้สามารถตรวจจับได้ด้วยอุปกรณ์ทดสอบในอวกาศเท่านั้น ผลการค้นพบนี้จะช่วยกำหนดสัญญาณจากแสงที่หลงเหลือจากบิ๊กแบง หรือที่เรียกว่า แสงไมโครเวฟจักรวาล (Cosmic microwave) ได้แม่นยำขึ้น และสร้างภาพจักรวาลยุคเริ่มต้นที่ชัดเจนยิ่งขึ้น การวิจัยนี้นำโดย Johns Hopkins University และ University of Chicago และได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาใน The Astrophysical Journal

ความท้าทายทางเทคนิค การแก้ปัญหา และ กระบวนการทางฟิสิกส์

กล้องโทรทรรศน์ CLASS สามารถแยกแยะความถี่สัญญาณรบกวนบนโลกและตรวจจับสัญญาณแสงจากจักรวาลในยุคแรกเริ่มได้ Credit: Matthew Petroff

แสงไมโครเวฟจักรวาลมีความยาวคลื่นเพียงไม่กี่มิลลิเมตรและจางมาก ส่วนแสงโพลาไรซ์เกิดเมื่อคลื่นแสงชนและกระเจิง ดังนั้นสัญญาณจากแสงไมโครเวฟโพลาไรซ์จึงจางกว่าถึงล้านเท่า และถูกกลบหรือบิดเบือนได้ง่ายจากคลื่นวิทยุ สภาพอากาศ และสัญญาณรบกวนบนโลก นักวิจัยได้แก้ปัญหานี้ด้วยการเปรียบเทียบข้อมูลจากกล้อง CLASS กับข้อมูลจากอุปกรณ์ทดสอบในอวกาศ เพื่อแยกสัญญาณรบกวนและโฟกัสไปที่สัญญาณร่วมจากแสงไมโครเวฟโพลาไรซ์

โดยหลังจากการเกิดบิ๊กแบงนั้น จักรวาลเต็มไปด้วยอิเล็กตรอนหนาแน่นจนแสงไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้ เมื่อจักรวาลขยายตัวและเย็นลง โปรตอนจะจับอิเล็กตรอนเกิดเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่มีความเป็นกลาง (neutral hydrogen atoms) ทำให้แสงไมโครเวฟเดินทางผ่านช่องว่างระหว่างอะตอมได้ เมื่อดาวดวงแรกก่อตัวในยุครุ่งอรุณแห่งจักรวาล พลังงานมหาศาลจากดาวเหล่านั้นดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน ทีมวิจัยจึงวัดความน่าจะเป็นที่โฟตอนจากบิ๊กแบงจะชนกับอิเล็กตรอนอิสระในก๊าซไอออไนซ์และกระเจิงออกนอกเส้นทาง

การค้นพบนี้ไม่เพียงท้าทายขีดจำกัดทางเทคโนโลยี แต่ยังเปิดหน้าต่างใหม่สู่การทำความเข้าใจวิวัฒนาการช่วงแรกเริ่มของจักรวาล

ที่มา:

Light from dawn of the universe observed by Earth-based telescopes, www.nsf.gov/news/light-dawn-universe-observed-earth-based-telescopes?utm_medium=email&utm_source=govdelivery