ดาวฤกษ์ดวงแรกเปลี่ยนจักรวาลได้อย่างไร?

ความเข้าใจในวิวัฒนาการของเอกภพในช่วงแรกเริ่ม เป็นส่วนสำคัญของดาราศาสตร์ยุคใหม่ ช่วงที่สำคัญอย่างยิ่งในยุคแรก ๆ ก็คือช่วงเวลาแห่งการแตกตัวเป็นไอออนใหม่ (reionisation) ซึ่งเป็นช่วงที่ดาวฤกษ์ดวงแรกถือกำเนิดขึ้น

เมื่อประมาณ 13,800 ล้านปีที่แล้ว เอกภพเริ่มต้นด้วยบิกแบง (Big Bang) ในช่วงแรกเริ่ม เอกภพเป็นเหมือนเบ้าหลอมของอนุภาคร้อนที่ไม่มีพันธะ เมื่อเอกภพเริ่มเย็นตัวลง โปรตอน (proton) และนิวตรอน (neutron) ก็รวมตัวกันและดึงดูดอิเล็กตรอนอิสระ (free electron) เพื่อก่อตัวเป็นอะตอมที่เป็นกลาง (neutral atom) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน (hydrogen) แต่ก็มีฮีเลียม (helium) อยู่บ้าง

เหตุการณ์นี้เรียกว่า การรวมตัวใหม่ (recombination) ทำให้เอกภพ ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ และมีหมอกไฮโดรเจนปกคลุมอยู่ทั่ว กลุ่มเมฆไฮโดรเจนยุบตัวลงในที่สุด เพื่อก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ดวงแรก แต่กระบวนการนี้เป็นไปอย่างค่อยเป็นค่อยไป เป็นเวลาหลายล้านปีที่เอกภพจะไม่มีแหล่งกำเนิดแสงใด ๆ  ยุคมืดของจักรวาล (cosmic dark ages) จึงได้เริ่มต้นขึ้น

จากนั้น แรงโน้มถ่วงของบริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่า ก็เริ่มดึงดูดสสารที่อยู่รอบ ๆ บริเวณเหล่านี้ยุบตัวลง กลายเป็นดาวฤกษ์และกาแล็กซีแรกเริ่ม และเริ่มเปล่งแสงในที่สุด ต้องขอบคุณการรวมตัวใหม่ ที่ทำให้ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระที่จะกระเจิงแสงดาว แสงจึงสามารถเดินทางได้อย่างอิสระทั่วเอกภพ เป็นการสิ้นสุดยุคมืดของจักรวาล

ดาวฤกษ์ดวงแรก มีขนาดใหญ่และมีพลังงานมากพอ ที่จะดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่รอบ ๆ ได้อีกครั้ง ช่วงเวลานี้เรียกว่า ยุคแห่งการแตกตัวเป็นไอออนใหม่ (epoch of reionization) ยุคนี้เริ่มต้นเมื่อ 400 ล้านปีหลังบิกแบง และดำเนินต่อไปอีกหลายร้อยล้านปี

ยังมีเรื่องที่เราไม่รู้อีกมากเกี่ยวกับช่วงเวลานี้ ในประวัติศาสตร์ของเอกภพ และแม้แต่กล้องที่พิเศษสุดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลก็สามารถมองเห็นกาแล็กซีที่สว่างเพียงไม่กี่แห่ง จากช่วงเวลานั้นเท่านั้น แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลก็ได้ให้ข้อมูลโดยละเอียดที่สุดที่เรา มีเกี่ยวกับความอุดมสมบูรณ์และคุณสมบัติของกาแล็กซีก่อตัวดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุด

ในขณะที่ให้คำตอบบางอย่าง ผลลัพธ์ที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลก็ก่อให้เกิดคำถามมากขึ้นเช่นกัน

• ดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้นเมื่อใดและอย่างไร ?
• กาแล็กซีแรกปรากฏขึ้นเมื่อใด ?
• รังสีจากดาวฤกษ์ดวงแรก หลุดพ้นจากสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วยฝุ่นของกาแล็กซีแม่ของพวกมันได้อย่างไร ? เพื่อแตกตัวเป็นไอออนของสสารที่อยู่ระหว่างกาแล็กซี
• ดาวฤกษ์ดวงแรกมีพลังมากพอ ที่จะแตกตัวเป็นไอออนของเอกภพจริง ๆ หรือว่าหลุมดำ (black hole) ก็มีบทบาทด้วย

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ขององค์การนาซา   องค์การอวกาศยุโรป   และองค์การอวกาศแคนาดา   มาพร้อมด้วยกล้องโทรทรรศน์อินฟราเรด และกระจกขนาดมหึมา 6.5 เมตร จะสามารถสอนเราเกี่ยวกับยุคแรก ๆ ของเอกภพได้ กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ จะสำรวจเอกภพ  มองย้อนกลับไปในอดีต เพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับยุคแห่งการแตกตัวเป็นไอออนใหม่ เกิดขึ้นได้อย่างไรและเมื่อใดกันแน่ สิ่งนี้จะให้ความกระจ่างมากขึ้นเกี่ยวกับยุคที่ดาวฤกษ์ดวงแรก เริ่มส่องสว่างเอกภพ เราพร้อมที่จะประหลาดใจไปกับธรรมชาติที่เหนือจินตนาการอันยิ่งใหญ่ที่สุดของเรา

เครดิตข้อมูล: ESA/Hubble

• How the first stars transformed the Universe.