หน้าแรก › อวกาศ › รุ่งอรุณแห่งจักรวาล: ดาวดวงแรกจุดแสงให้เอกภพอย่างไร
อวกาศ · ฟิสิกส์
รุ่งอรุณแห่งจักรวาล: ดาวดวงแรกจุดแสงให้เอกภพอย่างไร
จากยุคมืดสู่ท้องฟ้าที่โปร่งใส
ช่องว่างระหว่างกาแล็กซีดูโปร่งใสและว่างเปล่า แต่ในช่วงหลายร้อยล้านปีแรก เอกภพไม่ได้เป็นอย่างนั้น มันเต็มไปด้วยหมอกไฮโดรเจนมืด ๆ ที่กลืนแสงอัลตราไวโอเลต แล้วดาวรุ่นแรกก็ส่องสว่างขึ้น และค่อย ๆ เผาหมอกนั้นทีละฟองจนหายไป มาดูกันว่ารุ่งอรุณแห่งจักรวาลเกิดขึ้นอย่างไร และนักดาราศาสตร์อ่านเรื่องนี้จากแสงที่เก่าแก่ที่สุดได้อย่างไร
หนังสามมิติโต้ตอบได้ 9 นาที 13.8 พันล้านปีก่อน ถึง ปัจจุบัน เผยแพร่ 31 ตุลาคม 2569
อ่านฉบับ English
สารบัญ บทนำ บทที่ I · แสงแรก บทที่ II · ดาวรุ่นแรก บทที่ III · หมอกที่จางลง บทที่ IV · อ่านร่องรอยของหมอก บทที่ V · ใครเป็นผู้ทำ บทที่ VI · ฟังเสียงไฮโดรเจน บทส่งท้าย บทนำ อวกาศ · ฟิสิกส์
จากยุคมืดสู่ท้องฟ้าที่โปร่งใส ดาวรุ่นแรกจุดแสงให้เอกภพอย่างไร
ช่องว่างระหว่างกาแล็กซีดูว่างเปล่าและโปร่งใส แต่ไม่ได้เป็นอย่างนี้มาตลอด ตลอดหลายร้อยล้านปี เอกภพวัยเยาว์เต็มไปด้วยหมอกก๊าซไฮโดรเจนที่กลืนแสงอัลตราไวโอเลต (ultraviolet)
เดือนตุลาคม 2026 งานวิจัยขนาดเล็กจากกล้องฮับเบิลพบจุดพลิก กาแล็กซีที่มีลมแรงที่สุด คือก๊าซที่ถูกดาวระเบิดพัดออกไป กลับปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตชนิดที่ทำให้ไฮโดรเจนแตกตัวได้ออกมาน้อยที่สุด
แต่เรื่องราวเบื้องหลังนั้นเป็นที่ยอมรับแล้ว ดาวรุ่นแรกเผาหมอกนี้จนหายไปได้อย่างไร และเรารู้ได้อย่างไร
มองย้อนเวลา กาแล็กซีจาง ๆ ที่อยู่ไกลบนท้องฟ้ามืด ภาพนิ่งสร้างด้วย AI
6 กาแล็กซีที่ดาวก่อตัวอย่างรุนแรง (starburst galaxy) ขนาดกะทัดรัดที่ศึกษาด้วยฮับเบิล
ลมเร็วที่สุด มาคู่กับแสงที่หลุดออกมาน้อยที่สุด งานวิจัยใหม่ (Nature Astronomy 2026) โดยพื้นฐานแล้ว วิธีที่กาแล็กซีเหล่านี้ปล่อยรังสีที่ทำให้แตกตัวได้รั่วออกมา ไม่ได้เป็นอย่างที่เราคิดโคดี คาร์ ผู้เขียนหลัก (ScienceDaily 2026) แสงแรก เมื่อเอกภพอายุ 380,000 ปี ยุคมืดและดาวรุ่นแรก ฟองที่เผาหมอกจนหมด เควซาร์และแสงเก่าบอกเวลาได้อย่างไร ในภาพยนตร์นี้ บทที่ I · แสงแรก บทที่ I
แสงแรก เมื่อแสงหลุดออกมาได้เป็นครั้งแรก
ย้อนกลับไปที่จุดเริ่มต้น ช่วงแรกเอกภพเป็นซุปร้อนเรืองแสงของนิวเคลียสอะตอมเปลือย ๆ กับอิเล็กตรอนอิสระ แสงเดินทางไปได้ไม่ไกล เพราะชนอิเล็กตรอนแล้วกระเด็นไปมาตลอด เหมือนไฟหน้ารถในหมอกหนา
ราว 380,000 ปีหลังบิกแบง เอกภพเย็นลงเหลือราว 3,000 องศา อิเล็กตรอนจึงจับอยู่รอบโปรตอนได้ กลายเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลาง เรียกว่าการรวมตัวใหม่ (recombination)
ทันใดนั้นแสงก็เดินทางได้อิสระ และยังมาถึงเราจนทุกวันนี้ ถูกการขยายตัวของอวกาศยืดจนเป็นคลื่นไมโครเวฟ ที่อุ่นกว่าศูนย์สัมบูรณ์ไม่ถึงสามองศา คือรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง (cosmic microwave background)
หมอกเรืองแสง ก๊าซร้อนที่จางลงจนแสงส่องผ่านได้ ภาพนิ่งสร้างด้วย AI
~3,000 K อุณหภูมิเมื่ออะตอมก่อตัว
2.725 K แสงเดียวกันในวันนี้
~1,100 เท่า คลื่นของมันถูกยืดออกไปเท่านี้ การรวมตัวใหม่ (มหาวิทยาลัยแอลเบอร์ตา) · K = เคลวิน ≈ °C + 273 1 + z = 3000 K 2.725 K ≈ 1100 1 + z = \frac{3000\ \text{K}}{2.725\ \text{K}} \approx 1100 1 + z = 2.725 K 3000 K ≈ 1100 z z z ค่าเรดชิฟต์ของแสงแรก แสงแรกถูกยืดไปเท่าไร วันนี้คลื่นของมันยาวราวหนึ่งมิลลิเมตร คือคลื่นไมโครเวฟ ส่วน 0 K คือศูนย์สัมบูรณ์ อุณหภูมิต่ำที่สุดที่เป็นไปได้0 บิกแบง: ร้อน หนาแน่น ทึบแสง~380,000 ปี อะตอมก่อตัว แสงหลุดออกมาได้หลังจากนั้น ยุคมืดเริ่มต้น400,000 ปีแรก (NASA) บทที่ I · แสงแรก
แสงแรก
NASA Science (เว็บบ์): ราว 380,000 ปีหลังบิกแบง ในช่วงการรวมตัวใหม่ อะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียมก่อตัวขึ้น เอกสารบรรยายของมหาวิทยาลัยแอลเบอร์ตา: เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าราว 3,000 K โปรตอนกับอิเล็กตรอนรวมกันเป็นไฮโดรเจนที่เป็นกลาง ซึ่งแทบไม่ขวางโฟตอน เอกภพจึงโปร่งแสง (ช่วงการกระเจิงครั้งสุดท้าย) นับแต่นั้นการขยายตัวได้ยืดโฟตอนเหล่านั้นออกไปราว 1,100 เท่า วันนี้จึงเป็นคลื่นไมโครเวฟที่ 2.725 K ความยาวคลื่นราว 1 มิลลิเมตร NASA APOD (2018): ดาวเทียมพลังค์ (Planck, ปี 2009–2013) ทำแผนที่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังนี้ได้ละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมี ผลสุดท้ายในปี 2018 ให้อายุเอกภพราว 13,800 ล้านปี
กด “ร้อน” และ “เย็นลง” เพื่อสลับระหว่างพลาสมากับอะตอมแรก
ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อการสอน กล่องก๊าซ ฟอง อะตอม และสเปกตรัม เป็นแผนภาพ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง และไม่ใช่ข้อมูลจริง
แหล่งข้อมูล:
NASA Science: first stars, a timeline of the universe (Webb) ;
University of Alberta, ASTRO 122 lecture 31: the era of recombination ;
NASA APOD (22 Jul 2018): Planck maps the microwave background จากนั้นเข้าสู่ยุคยาวนานที่เรียกว่ายุคมืดของจักรวาล (cosmic dark ages) เอกภพแทบทั้งหมดเป็นก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมที่ค่อย ๆ เย็นลง ไม่มีดาว ไม่มีกาแล็กซี
แต่มันไม่ได้เรียบเสมอกันทั้งหมด ความหนาแน่นที่ต่างกันเพียงเล็กน้อย ซึ่งเราเห็นเป็นจุดอุ่นและจุดเย็นในรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง ค่อย ๆ ขยายตัว เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงบริเวณที่หนาแน่นกว่าให้รวมกัน
ในก้อนที่หนาแน่นที่สุด ก๊าซร้อนจนปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเริ่มต้นขึ้นได้
ยุคมืดของจักรวาล ก๊าซเย็นและเส้นใยจาง ๆ ไม่มีแสงดาว ภาพนิ่งสร้างด้วย AIไฮโดรเจนที่เป็นกลาง และฮีเลียม แสงแรกที่ค่อย ๆ จางลง ยังไม่มีดาวและกาแล็กซี สิ่งที่อยู่ในยุคมืด (Knowable) ~380,000 ปี อะตอม เริ่มยุคมืดดาวรุ่นแรก ยังไม่รู้เวลาแน่ชัด~290 ล้านปี กาแล็กซีเก่าสุดที่ยืนยันได้ถึงปี 2024 (ESA/เว็บบ์)ออกจากความมืด (NASA) บทที่ II · ดาวรุ่นแรก บทที่ II
ดาวรุ่นแรก ดาวยักษ์ที่ทำจากไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วน
ดาวรุ่นแรกเรียกว่าดาวประชากรที่สาม (Population III) ก่อตัวจากไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วน ๆ ไม่มีธาตุหนักแบบที่พบในดาวอย่างดวงอาทิตย์เลย แบบจำลองชี้ว่าพวกมันเกิดขึ้นภายในราวหนึ่งร้อยล้านปีแรก
ทฤษฎีชี้ว่าหลายดวงเป็นดาวยักษ์ อาจมีมวลหลายสิบถึงหลายร้อยเท่าของดวงอาทิตย์ พวกมันลุกไหม้ร้อนและสว่างจ้า และตายตั้งแต่ยังเยาว์ กลายเป็นซูเปอร์โนวาหรือหลุมดำ
ยังไม่มีใครเห็นดาวแบบนี้ได้อย่างแน่ชัด ปี 2026 นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ รายงานกาแล็กซีจาง ๆ แห่งหนึ่งที่อาจมีดาวแบบนี้อยู่ แต่ยังเป็นเพียงผู้ต้องสงสัย ที่รอการยืนยัน
มีแค่ไฮโดรเจนและฮีเลียม ไม่มีธาตุหนัก ซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า “โลหะ” ก่อตัวราว 100 ล้านปีแรก (แบบจำลอง) ต่างจากดาวทั่วไปอย่างไร (AAS Nova) ดาวประชากรที่สาม (ภาพจินตนาการ) ดาวยักษ์สีน้ำเงินส่องโพรงในก๊าซบริสุทธิ์ ภาพนิ่งสร้างด้วย AI
10–1,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (ค่าประมาณ)
~50–100 ล้าน ปีหลังบิกแบง สิ่งที่ทฤษฎีชี้ (Universe Today) เห็นที่ค่าเรดชิฟต์ 6.5 ถูกขยายโดยกระจุกกาแล็กซี สีตรงกับดาวไร้ธาตุหนักที่สุด ต้องใช้สเปกตรัมยืนยัน GLIMPSE-16043 (AAS Nova 2026) การจะมองเห็นยุคนี้ นักดาราศาสตร์อาศัยความจริงที่ว่าแสงต้องใช้เวลาเดินทาง ยิ่งกาแล็กซีอยู่ไกล แสงของมันก็ยิ่งเดินทางมานาน เราจึงเห็นมันในสภาพเมื่อนานมาแล้ว
ปี 2004 ภาพ Hubble Ultra Deep Field จ้องท้องฟ้าผืนเล็กนิดเดียวนานกว่าสิบเอ็ดวัน และพบกาแล็กซีเกือบหนึ่งหมื่นแห่ง กาแล็กซีที่จางที่สุดคือภาพเมื่อเอกภพอายุราว 800 ล้านปี
เว็บบ์มองได้ลึกกว่านั้นอีก ปี 2024 มันยืนยันกาแล็กซีชื่อ JADES-GS-z14-0 ซึ่งเราเห็นในสภาพเมื่อราว 290 ล้านปีหลังบิกแบง
กล้องโทรทรรศน์คือเครื่องย้อนเวลา กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่หันไปยังกาแล็กซีสีแดงจาง ๆ ภาพนิ่งสร้างด้วย AI
~10,000 กาแล็กซีในผืนฟ้าเล็ก ๆ ผืนเดียว
11.3 วัน เวลาเปิดรับแสง ใน 400 รอบวงโคจร
1/10 ของความกว้างดวงจันทร์ Hubble Ultra Deep Field (ESA/ฮับเบิล 2004) 13.8 − 0.8 ≈ 13 billion years 13.8 - 0.8 \approx 13\ \text{billion years} 13.8 − 0.8 ≈ 13 billion years เวลาที่มองย้อนกลับ โดยประมาณ แสงจากกาแล็กซีที่จางที่สุดใน Ultra Deep Field เดินทางมาราว 13,000 ล้านปี (คำนวณโดยเรา)
14.32 ค่าเรดชิฟต์
~290 ล้าน ปีหลังบิกแบง JADES-GS-z14-0 (ESA/เว็บบ์ พ.ค. 2024) บทที่ II · ดาวรุ่นแรก
แสงต้องใช้เวลา
ESA/ฮับเบิล (9 มีนาคม 2004): Hubble Ultra Deep Field ในกลุ่มดาวเตาหลอม (Fornax) กว้างราวหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางดวงจันทร์เต็มดวง ถ่ายด้วยการเปิดรับแสง 800 ครั้งใน 400 รอบวงโคจรของฮับเบิล รวม 11.3 วัน ระหว่างกันยายน 2003 ถึงมกราคม 2004 และเห็นกาแล็กซีเกือบ 10,000 แห่ง กาแล็กซีที่เล็กและแดงที่สุดอาจเป็นภาพเมื่อเอกภพอายุราว 800 ล้านปี ESA/เว็บบ์ (30 พฤษภาคม 2024): JADES-GS-z14-0 มีค่าเรดชิฟต์ 14.32 และเป็นภาพเมื่อไม่ถึง 300 ล้านปีหลังบิกแบง ราว 290 ล้านปี ในเวลานั้นเป็นกาแล็กซีที่ไกลที่สุดที่รู้จัก
กดเลือกกาแล็กซีเพื่อส่งแสงของมันไปตามเส้นเวลา เส้นเวลาวาดแบบยืดสเกล
ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อการสอน กล่องก๊าซ ฟอง อะตอม และสเปกตรัม เป็นแผนภาพ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง และไม่ใช่ข้อมูลจริง
แหล่งข้อมูล:
ESA/Hubble heic0406a (9 Mar 2004): Hubble sees galaxies galore, the Hubble Ultra Deep Field ;
ESA/Webb (30 May 2024): JADES-GS-z14-0, the most distant galaxy then known ทำไมถึงแดงขนาดนั้น เมื่อแสงเดินทางผ่านอวกาศที่กำลังขยายตัว คลื่นของมันจะถูกยืดให้ยาวขึ้นและแดงขึ้น นี่คือเรดชิฟต์ (redshift) ตัวเลข z บอกว่ายืดไปเท่าไร ความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้นเป็นหนึ่งบวก z เท่า
ดังนั้นที่ค่าเรดชิฟต์หก คลื่นจะมาถึงเรายาวขึ้นเจ็ดเท่า แสงอัลตราไวโอเลตกลายเป็นอินฟราเรด กาแล็กซียุคแรกสุดจึงถูกค้นพบด้วยกล้องที่มองเห็นอินฟราเรด
λ observed = ( 1 + z ) λ emitted \lambda_{\text{observed}} = (1+z)\,\lambda_{\text{emitted}} λ observed = ( 1 + z ) λ emitted λ \lambda λ ความยาวคลื่น z z z ค่าเรดชิฟต์ เรดชิฟต์ ไลแมนแอลฟาคือเส้นอัลตราไวโอเลตที่เด่นที่สุดของไฮโดรเจน เส้นนี้ที่ 121.6 นาโนเมตร จะไปอยู่ราว 851 นาโนเมตรที่ z = 6 และราว 1,860 นาโนเมตรที่ z = 14.3
× 7 ที่ z = 6
× 15.3 ที่ z = 14.3 ยืดออก 1 + z เท่า ตอนปล่อย (UV) 122 z = 6 (อินฟราเรด) 851 z = 14.3 (อินฟราเรด) 1,862
แสงอัลตราไวโอเลต 121.6 นาโนเมตรไปอยู่ที่ไหน บทที่ II · ดาวรุ่นแรก
เรดชิฟต์
แสงจากกาแล็กซีไกล ๆ มาถึงเราโดยถูกการขยายตัวของอวกาศยืดออก ความยาวคลื่นถูกคูณด้วย (1 + z) โดย z คือค่าเรดชิฟต์ Wikipedia (Lyman series): ไลแมนแอลฟา เส้นที่เกิดเมื่ออิเล็กตรอนตกจากระดับที่สองลงสู่ระดับแรก อยู่ที่ 121.567 นาโนเมตร เมื่อคูณด้วย 1 + z จะได้ราว 851 นาโนเมตร (อินฟราเรด) ที่ z = 6 และราว 1,860 นาโนเมตรที่ z = 14.32 ซึ่งเป็นค่าเรดชิฟต์ที่ ESA/เว็บบ์ ให้ไว้สำหรับ JADES-GS-z14-0 (คำนวณโดยเรา)
กด z = 0, 6 หรือ 14 เพื่อยืดสเปกตรัม
ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อการสอน กล่องก๊าซ ฟอง อะตอม และสเปกตรัม เป็นแผนภาพ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง และไม่ใช่ข้อมูลจริง
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: Lyman series ;
ESA/Webb (30 May 2024): JADES-GS-z14-0, the most distant galaxy then known บทที่ III · หมอกที่จางลง บทที่ III
หมอกที่จางลง ทำให้ไฮโดรเจนแตกตัว
ดาวดวงใหม่ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตออกมามหาศาล การจะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน โฟตอน (photon) หนึ่งตัวต้องมีพลังงานอย่างน้อย 13.6 อิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งก็คือแสงอัลตราไวโอเลตที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าราว 91 นาโนเมตร
โฟตอนที่อ่อนกว่าทำไม่ได้ ต่อให้มีมากแค่ไหน แต่ตัวที่แรงพอจะกระแทกอิเล็กตรอนหลุด เหลือโปรตอนเปลือย ๆ อะตอมจึงแตกตัวเป็นไอออน (ionised)
เพราะมันย้อนกลับสิ่งที่การรวมตัวใหม่ทำไว้ การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่นี้จึงเรียกว่ายุคไอออไนซ์ใหม่ (reionisation)
E ≥ 13.6 eV ⇔ λ ≤ 91.1 nm E \geq 13.6\ \text{eV} \;\Leftrightarrow\; \lambda \leq 91.1\ \text{nm} E ≥ 13.6 eV ⇔ λ ≤ 91.1 nm E E E พลังงานของโฟตอน 1 eV (อิเล็กตรอนโวลต์) คือหน่วยพลังงานขนาดจิ๋ว λ \lambda λ ความยาวคลื่น ขีดจำกัดไลแมน แสงที่ตามองเห็น: ผ่านไป ~2.5 ไลแมนแอลฟา (121.6 นาโนเมตร): ยกอิเล็กตรอนขึ้นหนึ่งชั้น แต่ทำให้หลุดไม่ได้ 10.2 UV ที่แตกตัวได้: อิเล็กตรอนหลุด ≥13.6
พลังงานโฟตอนกับผลต่อไฮโดรเจน กาแล็กซีรุ่นแรก ดาวอายุน้อยสีน้ำเงินในฟองก๊าซเรืองแสง ภาพนิ่งสร้างด้วย AIก่อน ~380,000 ปี ก๊าซร้อน: ไฮโดรเจนแตกตัว~380,000 ปี การรวมตัวใหม่: อะตอมเป็นกลางรุ่งอรุณ แสงดาวทำให้แตกตัวอีกครั้งทำไมจึงเป็นการแตกตัว “อีกครั้ง” บทที่ III · หมอกที่จางลง
ทำให้ไฮโดรเจนแตกตัว
Wikipedia (Lyman limit): 13.6 eV คือพลังงานที่ต้องใช้ดึงอิเล็กตรอนออกจากสถานะพื้นของอะตอมไฮโดรเจน ความยาวคลื่นที่ตรงกัน คือขีดจำกัดไลแมน อยู่ที่ 91.13 นาโนเมตร (911.3 อังสตรอม) Wikipedia (Lyman series): เส้นไลแมนแอลฟาที่ 121.567 นาโนเมตร เกิดจากอิเล็กตรอนตกจากระดับที่สอง (n = 2) ลงสู่สถานะพื้น (n = 1) พลังงานของมันคือ 13.6 × (1 − 1/4) ≈ 10.2 eV ซึ่งยกอิเล็กตรอนขึ้นได้ แต่ทำให้หลุดไม่ได้ (คำนวณโดยเรา) ScienceDaily (2026): รังสีเข้มข้นจากกาแล็กซียุคแรกดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจน เหลือโปรตอนกับอิเล็กตรอนอิสระ ในช่วงที่เรียกว่ายุคไอออไนซ์ใหม่
กดเลือกพลังงานโฟตอน แล้วดูว่ามันทำอะไรกับอะตอม
ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อการสอน กล่องก๊าซ ฟอง อะตอม และสเปกตรัม เป็นแผนภาพ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง และไม่ใช่ข้อมูลจริง
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: Lyman limit ;
Wikipedia: Lyman series ;
ScienceDaily / University of Michigan (29 Oct 2026): Hubble reveals a stunning twist in how the universe emerged from darkness (Nature Astronomy) รอบกาแล็กซียุคแรกแต่ละแห่ง เกิดฟองก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนขึ้นท่ามกลางหมอกที่เป็นกลาง ฟองนี้ให้แสงอัลตราไวโอเลตผ่านได้ เมื่อดาวและกาแล็กซีส่องสว่างขึ้นมากเข้า ฟองก็ยิ่งขยาย
ในที่สุดฟองก็ชนกันและรวมเป็นหนึ่ง จนไฮโดรเจนระหว่างกาแล็กซีแทบทั้งหมดแตกตัวเป็นไอออน การวัดของดาวเทียมพลังค์ชี้ว่ากระบวนการนี้เสร็จไปราวครึ่งหนึ่ง เมื่อเอกภพมีอายุราว 700 ล้านปี
นักดาราศาสตร์เรียกยุคไอออไนซ์ใหม่ว่าการเปลี่ยนสถานะครั้งใหญ่ครั้งสุดท้ายของเอกภพ นับแต่นั้นก๊าซส่วนใหญ่ระหว่างกาแล็กซีก็อยู่ในสภาพแตกตัวมาตลอด
ฟองในหมอก บริเวณเรืองแสงที่ขยายและเชื่อมกันในก๊าซมืด ภาพนิ่งสร้างด้วย AI
~700 ล้าน ปี: ไอออไนซ์ใหม่ไปได้ครึ่งทาง
รวดเร็ว และช้ากว่าที่ข้อมูลเก่าเคยชี้ พลังค์ (2016) ~700 ล้านปี แตกตัวราวครึ่งหนึ่ง~1,000 ล้านปี แตกตัวเกือบทั้งหมดวันนี้ ยังแตกตัวเป็นส่วนใหญ่ไปได้ไกลแค่ไหน (พลังค์; Fan และคณะ) เราเรียกยุคไอออไนซ์ใหม่ว่าการเปลี่ยนสถานะครั้งใหญ่ครั้งสุดท้ายของเอกภพโคดี คาร์ มหาวิทยาลัยมิชิแกน (2026) การเปลี่ยนสถานะคือการเปลี่ยนรูปแบบของสสาร เหมือนน้ำแข็งละลายเป็นน้ำ ในที่นี้คือก๊าซที่เป็นกลางกลายเป็นก๊าซที่แตกตัว บทที่ IV · อ่านร่องรอยของหมอก บทที่ IV
อ่านร่องรอยของหมอก เงาในแสงของเควซาร์
เรารู้ได้อย่างไรว่าหมอกจางลงเมื่อไร นักดาราศาสตร์ดูเควซาร์ (quasar) ใจกลางกาแล็กซีที่สว่างจ้าและอยู่ไกลมาก แล้วศึกษาแสงที่เดินทางผ่านหมอกมาหาเรา
ปี 1965 เจมส์ กันน์ (James Gunn) กับบรูซ ปีเตอร์สัน (Bruce Peterson) ทำนายสิ่งที่ต้องมองหา ถ้าหมอกจางไปแล้ว แสงอัลตราไวโอเลตของเควซาร์จะส่องผ่านมาได้ มีเพียงเส้นมืดบาง ๆ พาด แต่ถ้ายังมีหมอกที่เป็นกลาง แสงทั้งช่วงจะหายไปเลย
ปี 2001 เควซาร์จากการสำรวจท้องฟ้าดิจิทัลสโลน (Sloan Digital Sky Survey) แสดงช่องมืดแบบนี้ให้เห็น และเควซาร์อีกหลายดวงหลังจากนั้นชี้ว่าหมอกแทบหมดไปแล้วเมื่อราวพันล้านปีหลังบิกแบง
เควซาร์ ใจกลางกาแล็กซีที่สว่างเพราะหลุมดำกำลังกลืนก๊าซ เควซาร์คืออะไร (Knowable) 1965 กันน์และปีเตอร์สันทำนายร่องมืด2001 พบที่ z = 6.28 (Becker และคณะ, SDSS)2006 เควซาร์ 19 ดวง: จุดจบราว z ≈ 6การอ่านแสงเควซาร์ (Wikipedia; Fan และคณะ) หลัง: แสงผ่านมาได้ มีเส้นบาง ๆ พาด (“ป่า”) ก่อน: แสงหายไปทั้งช่วง (“ร่องมืด”) กด “หลัง” และ “ก่อน” เพื่อเปรียบเทียบ ก่อนและหลังหมอกจาง
5.74–6.42 ช่วงค่าเรดชิฟต์ที่ศึกษา
19 เควซาร์จากการสำรวจสโลน Fan และคณะ (2006) เควซาร์ SDSS 19 ดวง บทที่ IV · อ่านร่องรอยของหมอก
ร่องกันน์–ปีเตอร์สัน
Wikipedia (Gunn–Peterson trough): ทำนายไว้ในปี 1965 โดยเจมส์ กันน์และบรูซ ปีเตอร์สัน และโดยปีเตอร์ ชอยเออร์ (Peter Scheuer) อย่างเป็นอิสระ คือการที่แสงจากเควซาร์ไกล ๆ ถูกกดหายไปในช่วงความยาวคลื่นที่สั้นกว่าเส้นไลแมนแอลฟาที่ถูกเรดชิฟต์ เพราะไฮโดรเจนที่เป็นกลางในอวกาศระหว่างกาแล็กซี พบครั้งแรกในปี 2001 โดยโรเบิร์ต เบกเกอร์ (Robert Becker) และคณะ จากข้อมูลการสำรวจสโลน ในเควซาร์ที่ค่าเรดชิฟต์ 6.28 Fan และคณะ (2006): ในเควซาร์ SDSS 19 ดวงที่ค่าเรดชิฟต์ 5.74–6.42 ก๊าซระหว่างกาแล็กซีเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้นเมื่อเลย z = 5.7 สัดส่วนที่เป็นกลางราว z = 6.2 อยู่ที่ราว 1–4% และเพิ่มขึ้นกว่าสิบเท่าจาก z = 5.7 ถึง 6.4 ผู้วิจัยเสนอว่า z ≈ 6 เป็นจุดสิ้นสุดของช่วงที่ฟองรวมกัน Knowable Magazine (2024): เควซาร์ได้พลังงานจากหลุมดำมวลยิ่งยวดที่กำลังกลืนสสาร
กด “หลัง” และ “ก่อน” เพื่อเทียบเควซาร์ที่มองผ่านก๊าซที่แตกตัวเป็นส่วนใหญ่ กับมองผ่านหมอกที่เป็นกลาง
ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อการสอน กล่องก๊าซ ฟอง อะตอม และสเปกตรัม เป็นแผนภาพ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง และไม่ใช่ข้อมูลจริง
แหล่งข้อมูล:
Wikipedia: Gunn–Peterson trough ;
Fan et al. (2006), constraining the ionizing background and the epoch of reionization with z~6 quasars II: a sample of 19 quasars ;
Knowable Magazine (2024): the era of reionization, how did it change the universe? เบาะแสที่สองมาจากแสงที่เก่าที่สุด เมื่อก๊าซแตกตัว อิเล็กตรอนก็เป็นอิสระอีกครั้ง และโฟตอนไมโครเวฟพื้นหลังส่วนน้อยก็ชนพวกมันจนกระเจิงระหว่างทางมาหาเรา
จากร่องรอยการกระเจิงนี้ ดาวเทียมพลังค์วัดได้ว่ามีโฟตอนกระเจิงเพียงราวหนึ่งในยี่สิบ ซึ่งชี้ว่ายุคไอออไนซ์ใหม่เกิดค่อนข้างช้า สอดคล้องกับหลักฐานจากเควซาร์
2009–2013 ทำแผนที่รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง
13,800 ล้าน ปี: อายุเอกภพที่ได้จากข้อมูลนี้ ดาวเทียมพลังค์ (NASA APOD) τ = 0.054 ± 0.007 ⇒ 1 − e − τ ≈ 5 % \tau = 0.054 \pm 0.007 \;\Rightarrow\; 1 - e^{-\tau} \approx 5\% τ = 0.054 ± 0.007 ⇒ 1 − e − τ ≈ 5% τ \tau τ ความลึกเชิงแสง (optical depth): แสงไมโครเวฟพื้นหลังถูกกระเจิงระหว่างทางมากแค่ไหน แสงเก่าถูกกระเจิงไปเท่าไร (พลังค์ 2018) โฟตอนไมโครเวฟราวหนึ่งในยี่สิบตัวชนอิเล็กตรอนอิสระ (คำนวณโดยเราจากค่า τ)เควซาร์: หมอกเกือบหมดที่ z ≈ 6 ไมโครเวฟพื้นหลัง: ครึ่งทางที่ ~700 ล้านปี รวมกัน: เกิดค่อนข้างช้า เบาะแสสองอย่างที่สอดคล้องกัน บทที่ V · ใครเป็นผู้ทำ บทที่ V
ใครเป็นผู้ทำ ผู้ต้องสงสัย และงบประมาณแสง
ยุคไอออไนซ์ใหม่เกิดขึ้นจริง คำถามที่ยังค้างอยู่คือใครเป็นผู้ทำ ผู้ต้องสงสัยมีทั้งกาแล็กซีแคระจาง ๆ จำนวนมาก กาแล็กซีสว่างซึ่งมีน้อยกว่า และเควซาร์ที่หลุมดำกำลังกลืนสสารจนปล่อยรังสีรุนแรงออกมา
การจะนับให้ได้ นักดาราศาสตร์ต้องรู้ตัวเลขสองตัว คือดาวสร้างแสงที่ทำให้แตกตัวได้มากแค่ไหน และมีสัดส่วนเท่าไรที่เล็ดลอดผ่านก๊าซและฝุ่นรอบดาว ออกไปสู่อวกาศระหว่างกาแล็กซีได้
เว็บบ์เพิ่มจุดพลิกเข้ามา กาแล็กซีจาง ๆ ยุคแรกอาจสร้างแสงที่ทำให้แตกตัวได้มากกว่าที่คาดราวสี่เท่า ถ้ามีแสงมากขนาดนั้น หมอกก็ควรจางหายเร็วกว่านี้ งานวิจัยปี 2024 ชิ้นหนึ่งจึงตั้งคำถามว่านี่คือวิกฤตงบประมาณโฟตอนหรือไม่
กาแล็กซีแคระจาง ๆ จำนวนมาก กาแล็กซีสว่างที่มีน้อยกว่า เควซาร์: หลุมดำที่กลืนก๊าซ ผู้ต้องสงสัย (Knowable) light out = light made × f esc \text{light out} = \text{light made} \times f_{\text{esc}} light out = light made × f esc f esc f_{\text{esc}} f esc สัดส่วนที่หลุดรอดออกไปได้ งบประมาณแสง แบบเข้าใจง่าย ยุคไอออไนซ์ใหม่หลังกล้องเว็บบ์: วิกฤตงบประมาณโฟตอน? (Reionization after JWST: a photon budget crisis?)ชื่องานวิจัยปี 2024 ของมูโญซและคณะ
~4× ของแสงที่ทำให้แตกตัวได้ซึ่งคาดไว้จากกาแล็กซีจางยุคแรก Atek และคณะ ผ่าน Knowable (2024) ตรงนี้เองที่งานวิจัยใหม่จากฮับเบิลเข้ามา ทีมของโคดี คาร์ ใช้เครื่องสเปกโทรกราฟ (spectrograph) ของฮับเบิล ศึกษากาแล็กซีที่ดาวก่อตัวอย่างรุนแรง (starburst galaxy) หกแห่งใกล้เรา ซึ่งใช้แทนกาแล็กซีวัยเยาว์ในยุครุ่งอรุณ
แนวคิดหลักเดิมเชื่อว่าลมจากซูเปอร์โนวาเจาะรูในก๊าซ และปล่อยให้แสงอัลตราไวโอเลตหลุดออกไป แต่ผลกลับพบว่ากาแล็กซีที่มีลมเร็วที่สุดปล่อยแสงที่ทำให้แตกตัวได้ออกมาในสัดส่วนน้อยที่สุด
ทีมเสนอว่าแสงหลุดออกไปตั้งแต่ช่วงแรก จากดาวที่อายุน้อยมาก ก่อนที่ซูเปอร์โนวาจะกวนก๊าซและฝุ่นให้ปั่นป่วน ด้วยกาแล็กซีเพียงหกแห่ง นี่จึงเป็นผลเบื้องต้น และทีมกำลังขอเวลาใช้ฮับเบิลเพิ่มเพื่อทดสอบต่อ
กาแล็กซีที่ดาวก่อตัวอย่างรุนแรง (starburst galaxy) กระจุกดาวอายุน้อย กับก๊าซและฝุ่นที่ถูกพัดออกไป ภาพนิ่งสร้างด้วย AI
6 กาแล็กซีที่ดาวก่อตัวอย่างรุนแรง (starburst galaxy) ขนาดกะทัดรัดใกล้เรา
COS สเปกโทรกราฟ Cosmic Origins Spectrograph ของฮับเบิล: เครื่องแยกแสงออกเป็นสีต่าง ๆ งานวิจัย (Nature Astronomy 2026) พลังงานจากซูเปอร์โนวากวนสภาพแวดล้อมรอบ ๆ และเพิ่ม แทนที่จะลด การปกคลุมของก๊าซที่เป็นกลางและฝุ่นสตีเฟน แมกแคนด์ลิส มหาวิทยาลัยจอห์นส์ฮอปกินส์ (ScienceDaily 2026) แนวคิดเดิม: ลมซูเปอร์โนวาเปิดทาง ฮับเบิล: ลมเร็วสุด แสงออกน้อยสุด แนวคิดใหม่: แสงออกก่อน ลมมาทีหลัง สองแนวคิด (ScienceDaily 2026) บทที่ VI · ฟังเสียงไฮโดรเจน บทที่ VI
ฟังเสียงไฮโดรเจน แผนที่ของตัวหมอกเอง
ขั้นต่อไป นักดาราศาสตร์หวังจะทำแผนที่ของตัวหมอกเอง ไฮโดรเจนที่เป็นกลางปล่อยคลื่นวิทยุจาง ๆ ยาว 21 เซนติเมตร จากการพลิกสปินเล็ก ๆ ของอิเล็กตรอน เส้นนี้ตรวจพบครั้งแรกในกาแล็กซีของเราเมื่อปี 1951
สัญญาณจากยุครุ่งอรุณมาถึงเราแบบถูกยืดยาวขึ้นมากและจางมาก ชุดเสาอากาศอย่าง HERA ที่มีเสาอากาศ 350 ต้นในแอฟริกาใต้กำลังค้นหาอยู่ และกล้องวิทยุ Square Kilometre Array ตั้งเป้าจะทำแผนที่
ปี 2018 การทดลอง EDGES อ้างว่าตรวจพบ แต่นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากยังสงสัย แผนที่ที่ชัดเจนยังรออยู่ข้างหน้า
21 ซม. ความยาวคลื่น จาก “การพลิกสปิน” ของอิเล็กตรอน
1,420 MHz ความถี่
1951 พบครั้งแรก โดยยูอินและเพอร์เซลล์ เส้นไฮโดรเจน (HyperPhysics) ชุดเสาอากาศวิทยุ จานตาข่ายลวดเล็ก ๆ หลายร้อยใบบนพื้นที่แห้งแล้ง ภาพนิ่งสร้างด้วย AI21 cm × ( 1 + 9 ) = 2.1 m 21\ \text{cm} \times (1 + 9) = 2.1\ \text{m} 21 cm × ( 1 + 9 ) = 2.1 m คลื่นวิทยุที่ถูกยืด จากค่าเรดชิฟต์ 9 เส้น 21 เซนติเมตรจะมาถึงด้วยความยาวราวสองเมตร (คำนวณโดยเรา)2018 EDGES อ้างว่าพบ: แรงกว่าที่คาด ยังถูกสงสัยตอนนี้ HERA: เสาอากาศ 350 ต้น เคปเหนือ2024 เป็นต้นไป สถานี SKA เริ่มเก็บข้อมูลแรกตามล่าสัญญาณ (Knowable) บทที่ VI · ฟังเสียงไฮโดรเจน
เส้น 21 เซนติเมตร
HyperPhysics (มหาวิทยาลัยแห่งรัฐจอร์เจีย): เส้น 21 เซนติเมตร ที่ความถี่ 1,420 MHz เกิดจากการพลิกสปินในสถานะพื้นของไฮโดรเจน คือสปินของอิเล็กตรอนพลิกเทียบกับสปินของโปรตอน ใช้ทำแผนที่ไฮโดรเจนทะลุกลุ่มฝุ่นได้ แฮโรลด์ ยูอิน (Harold Ewen) และเอดเวิร์ด เพอร์เซลล์ (Edward Purcell) สังเกตเห็นครั้งแรกในปี 1951 หลังจาก เอช. ซี. ฟาน เดอ ฮุลสต์ ทำนายไว้ในปี 1944 Knowable Magazine (2024): สัญญาณ 21 เซนติเมตรเป็นเครื่องมือหลักที่วางแผนไว้เพื่อศึกษาไฮโดรเจนที่เป็นกลางก่อนและระหว่างยุคไอออไนซ์ใหม่ และยังไม่เคยตรวจพบจากเอกภพยุคแรกได้อย่างแน่ชัด EDGES รายงานการตรวจพบสัญญาณเฉลี่ยในปี 2018 ซึ่งแรงกว่าที่คาดและถูกตั้งข้อสงสัย HERA มีเสาอากาศ 350 ต้นในจังหวัดเคปเหนือ (Northern Cape) ของแอฟริกาใต้ ส่วน Square Kilometre Array ซึ่งมีสถานีในแอฟริกาใต้และออสเตรเลียที่เริ่มเก็บข้อมูลแรกในปี 2024 จะทำแผนที่สัญญาณนี้ทั่วท้องฟ้า
กด “แสงดาว” และ “21 ซม.” เพื่อสลับระหว่างสิ่งที่กาแล็กซีแสดง กับสิ่งที่แผนที่วิทยุของไฮโดรเจนจะแสดง
ฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่ายเพื่อการสอน กล่องก๊าซ ฟอง อะตอม และสเปกตรัม เป็นแผนภาพ ไม่ได้ตามสัดส่วนจริง และไม่ใช่ข้อมูลจริง
แหล่งข้อมูล:
HyperPhysics (Georgia State University): the hydrogen 21-cm line ;
Knowable Magazine (2024): the era of reionization, how did it change the universe? บทส่งท้าย บทส่งท้าย
ท้องฟ้าที่โปร่งใส สิ่งที่เรารู้ และสิ่งที่ยังไม่รู้
ท้องฟ้าโปร่งใสที่เราเห็นจึงมาทีหลัง ในช่วงราวหนึ่งร้อยล้านปีแรก เอกภพยังไม่มีดาวเลย แล้วดาวและกาแล็กซีรุ่นแรกก็จุดแสงขึ้นทีละฟอง จนหมอกหายไปเมื่อราวพันล้านปีหลังบิกแบง
เรารู้ว่ามันเกิดขึ้น และรู้คร่าว ๆ ว่าเมื่อไร คำถามที่ยังเปิดอยู่คือ ใครทำงานส่วนใหญ่ และแสงหลุดออกมาได้อย่างไร
380,000 ปี แสงแรกหลุดออกมาได้~100 ล้านปี ดาวรุ่นแรก (ทฤษฎี)~290 ล้านปี JADES-GS-z14-0~700 ล้านปี แตกตัวครึ่งหนึ่ง (พลังค์)~1,000 ล้านปี หมอกเกือบหมด (เควซาร์)13,800 ล้านปี วันนี้จากมืดสู่ใส (เวลาโดยประมาณ) เอกภพที่โปร่งใส กาแล็กซีที่มองเห็นผ่านอวกาศโปร่งใสในวันนี้ แหล่งอ้างอิงทุกข้ออยู่ในแผงข้าง และฉากสามมิติเป็นแบบจำลองอย่างง่าย ภาพนิ่งสร้างด้วย AIแหล่งแสงใดทำงานส่วนใหญ่ แสงของพวกมันหลุดออกมาได้อย่างไร ดาวรุ่นแรกเป็นอย่างไร แผนที่ 21 ซม. ที่ชัดเจน ยังเป็นคำถามเปิด เรารู้ว่ามันเกิดขึ้น แต่เรายังไม่มีคำตอบครบสำหรับคำถามเหล่านั้นโคดี คาร์ มหาวิทยาลัยมิชิแกน (2026)
