รังสีแกมมาจากดาราจักรแคระไขปริศนาทางดาราศาสตร์

ก้อนสว่างที่รู้จักกันในชื่อ ‘รังไหม’ ซึ่งดูเหมือนจะอยู่ภายในรังสีแกมมาขนาดมหึมาที่ระเบิดออกมาจากใจกลางกาแลคซีของเรา ที่เรียกว่าฟองแฟร์มี ได้ทำให้นักดาราศาสตร์งงงวยตั้งแต่มันถูกค้นพบในปี 2555

ในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ใน Nature Astronomy เราแสดงให้เห็นว่ารังไหมเกิดจากรังสีแกมมาที่ปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์ที่หมุนเร็วสุดขั้วที่เรียกว่า “พัลซาร์มิลลิวินาที” ในดาราจักรแคระราศีธนูซึ่งโคจรรอบทางช้างเผือก : แม้ว่าผลลัพธ์ของเราจะทำให้กระจ่างเกี่ยวกับความลึกลับของรังไหม แต่ก็ปฏิเสธความพยายามที่จะมองหาสสารมืดด้วยรังสีแกมมาที่อาจปล่อยออกมา

ดูด้วยรังสีแกมมา

โชคดีสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลก บรรยากาศของเราปิดกั้นรังสีแกมมา เหล่านี้เป็นอนุภาคของแสงที่มีพลังงานสูงกว่าโฟตอนที่เราตรวจพบมากกว่าหนึ่งล้านเท่า

เนื่องจากมุมมองระดับพื้นดินของเราถูกบดบัง นักวิทยาศาสตร์จึงไม่ทราบถึงความสมบูรณ์ของท้องฟ้ารังสีแกมมา จนกระทั่งเครื่องมือต่างๆ ถูกปล่อยออกสู่อวกาศ แต่เนื่องจากการค้นพบที่น่าสะพรึงกลัวของดาวเทียม Vela (เปิดตัวโดยตรงในปี 1960 เพื่อตรวจสอบการห้ามทดสอบนิวเคลียร์) ความมั่งคั่งนี้จึงถูกเปิดเผยมากขึ้นเรื่อยๆ

เครื่องมือรังสีแกมมาล้ำสมัยที่ใช้งานได้ในปัจจุบันคือกล้องโทรทรรศน์อวกาศแฟร์มีแกมมาเรย์ ซึ่งเป็นภารกิจสำคัญของนาซาในวงโคจรมานานกว่าทศวรรษ ความสามารถของ Fermi ในการแก้ไขรายละเอียดและตรวจจับแหล่งที่มาที่เลือนลางได้เผยให้เห็นถึงความประหลาดใจหลายประการเกี่ยวกับทางช้างเผือกของเราและจักรวาลที่กว้างขึ้น

ลูกโป่งลึกลับ

หนึ่งในความประหลาดใจเหล่านี้เกิดขึ้นในปี 2010 ไม่นานหลังจากการเปิดตัวของ Fermi; ในใจกลางของทางช้างเผือก มีบางอย่างกำลังเป่าฟองอากาศที่เปล่งรังสีแกมมาขนาดยักษ์ “ฟองสบู่ Fermi” ที่คาดไม่ถึงโดยสมบูรณ์เหล่านี้ครอบคลุม 10% ของท้องฟ้า

ผู้ต้องสงสัยหลักสำหรับแหล่งที่มาของฟองสบู่คือหลุมดำมวลมหาศาลของดาราจักร ด้วยมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 4 ล้านเท่า สัตว์ยักษ์ตัวนี้ซ่อนอยู่ในแกนดาราจักร ซึ่งเป็นบริเวณที่เกิดฟองสบู่

ดาราจักรส่วนใหญ่มีหลุมดำมวลมหาศาลเช่นนี้อยู่ที่ศูนย์กลาง ในบางกรณี หลุมดำเหล่านี้กลืนสสารเข้าไปอย่างแข็งขัน ขณะที่พวกมันป้อนอาหาร พวกมันจะยิง “ไอพ่น” ขนาดยักษ์ออกมาพร้อมๆ กัน ซึ่งมองเห็นได้ทั่วสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

ดังนั้นนักวิจัยจึงถามหลังจากค้นพบฟองสบู่: เราจะหาปืนสูบที่เชื่อมพวกมันกับหลุมดำมวลมหาศาลของดาราจักรเราเจอได้ไหม? หลักฐานการทดลองก็ปรากฏขึ้นในไม่ช้า ภายในฟองแต่ละฟองมีไอพ่นรังสีแกมมาบางๆ ที่ชี้กลับไปที่ใจกลางกาแลคซี

เมื่อเวลาผ่านไปและข้อมูลเพิ่มเติม ภาพนี้จึงเบลอ แม้ว่าลักษณะคล้ายไอพ่นของฟองอากาศอันหนึ่งได้รับการยืนยันแล้ว แต่ไอพ่นที่เห็นได้ชัดของอีกฟองหนึ่งดูเหมือนจะระเหยไปภายใต้การตรวจสอบอย่างใกล้ชิด

ฟองดูเบ้อย่างประหลาด อันหนึ่งมีจุดสว่างยาวๆ คือ “รังไหม” อีกฟองหนึ่งไม่มี



อ่านเพิ่มเติม. นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบหนึ่งในไอพ่นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในท้องฟ้า


รังไหมและที่มาที่ไป

งานล่าสุดของเราใน Nature Astronomy คือการตรวจสอบเชิงลึกเกี่ยวกับธรรมชาติของ ‘รังไหม’ อย่างน่าทึ่ง เราพบว่าโครงสร้างนี้ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับฟองสบู่ Fermi หรือหลุมดำมวลมหาศาลของดาราจักร

แต่เราพบว่ารังไหมเป็นอย่างอื่นโดยสิ้นเชิง: รังสีแกมม่าจากดาราจักรแคระราศีธนูซึ่งเกิดขึ้นด้านหลังฟองใต้เมื่อมองจากโลก

แผนภาพแสดงทางช้างเผือก ฟอง Fermi ที่ปล่อยแกมมา (สีชมพู) และดาราจักรแคระราศีธนูและหาง (สีเหลือง/เขียว) จากตำแหน่งของดวงอาทิตย์ เรามองดูดาวแคระราศีธนูผ่านฟองอากาศ Fermi ทางใต้
Aya Tsuboi, Kavli IPMU, ผู้เขียนจัดให้

คนแคระราศีธนู ที่เรียกกันว่าเพราะตำแหน่งท้องฟ้าในกลุ่มดาวราศีธนู เป็นดาราจักร “ดาวเทียม” ที่โคจรรอบทางช้างเผือก มันเป็นส่วนที่เหลือของกาแลคซีขนาดใหญ่กว่ามากที่สนามโน้มถ่วงอย่างแรงของทางช้างเผือกได้ฉีกขาดออกจากกันอย่างแท้จริง แท้จริงแล้ว ดวงดาวที่พุ่งออกมาจากคนแคระชาวราศีธนูนั้นสามารถพบได้ใน “หาง” ที่กวาดไปทั่วท้องฟ้า

รังสีแกมมาเกิดจากอะไร?

แหล่งกำเนิดรังสีแกมมาหลักในทางช้างเผือกคือเมื่ออนุภาคพลังงานสูงที่เรียกว่ารังสีคอสมิกชนกับก๊าซบางมากระหว่างดาวฤกษ์

อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่สามารถอธิบายรังสีแกมมาที่คนแคระราศีธนูปล่อยออกมาได้ มันสูญเสียก๊าซไปนานแล้วเนื่องจากแรงดึงดูดแบบเดียวกับที่พัดพาดาวฤกษ์หลายดวงออกไป

แล้วรังสีแกมมามาจากไหน?

เราได้พิจารณาความเป็นไปได้หลายประการ รวมถึงโอกาสที่น่าตื่นเต้นที่พวกมันจะเป็นลายเซ็นของสสารมืด สสารที่มองไม่เห็นซึ่งเป็นที่รู้จักจากผลกระทบของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ซึ่งนักดาราศาสตร์เชื่อว่าเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของเอกภพ น่าเสียดายที่รูปร่างของรังไหมตรงกับการกระจายตัวของดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้อย่างใกล้ชิด โดยแยกสสารมืดเป็นแหล่งกำเนิด

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งดวงดาวมีหน้าที่รับผิดชอบต่อรังสีแกมมา และยัง ดาวแคระราศีธนูนั้นเก่าและเงียบ ในประชากรดังกล่าว แหล่งใดผลิตรังสีแกมมา?

พัลซาร์มิลลิวินาที

เราพอใจที่มีความเป็นไปได้เพียงอย่างเดียว: วัตถุที่หมุนอย่างรวดเร็วที่เรียกว่า “พัลซาร์มิลลิวินาที” เหล่านี้คือเศษของดาวฤกษ์บางดวงที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ที่โคจรรอบดาวอีกดวงหนึ่งอย่างใกล้ชิด

ภายใต้สถานการณ์ที่เหมาะสม ระบบไบนารีดังกล่าวจะทำให้เกิดดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นวัตถุที่มีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ แต่มีรัศมีเพียง 20 กม. หมุนรอบหลายร้อยครั้งต่อวินาที

เนื่องจากการหมุนเร็วและสนามแม่เหล็กแรงสูง ดาวนิวตรอนเหล่านี้จึงทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งอนุภาคตามธรรมชาติ พวกมันยิงอนุภาคพลังงานสูงมากสู่อวกาศ

อนุภาคเหล่านี้จะปล่อยรังสีแกมมาออกมา เราพบว่าพัลซาร์มิลลิวินาทีของคนแคระราศีธนูเป็นแหล่งกำเนิดรังไหมลึกลับขั้นสุดท้าย



อ่านเพิ่มเติม. ดาวนิวตรอนที่เพิ่งค้นพบนี้สามารถส่องทางให้กับวัตถุดาวฤกษ์ประเภทใหม่ทั้งหมดได้


ตามล่าหาสสารมืด

การค้นพบของเราทำให้เกิดแสงใหม่บนพัลซาร์มิลลิวินาทีในฐานะแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาในระบบดาวโบราณอื่นๆ

ในเวลาเดียวกัน พวกเขายังหันเหความพยายามที่จะค้นหาหลักฐานของสสารมืดผ่านการสังเกตการณ์ดาราจักรดาวเทียมอื่นในทางช้างเผือก น่าเสียดายที่มี “พื้นหลัง” ที่ชัดเจนกว่าของรังสีแกมมาจากพัลซาร์มิลลิวินาทีในระบบเหล่านี้มากกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้

ดังนั้นสัญญาณใดๆ ที่พวกเขาสร้างขึ้นจึงไม่สามารถตีความได้อย่างชัดเจนว่าเกิดจากสสารมืด

การไล่ล่าสัญญาณสสารมืดยังคงดำเนินต่อไป



อ่านเพิ่มเติม. เราไม่รู้ว่าสสารมืดมีอยู่จริงหรือไม่ เหตุใดนักดาราศาสตร์จึงยังคงมองหา?