กาแล็กซี มีจุดกำเนิดและวิวัฒนาการอย่างไร?

กาแล็กซีมีจุดกำเนิดและวิวัฒนาการอย่างไร? คือหนึ่งในความลึกลับของจักรวาลที่นักดาราศาสตร์พยายามไขความลึกลับนี้มานานหลายสิบปี เช่นเดียวกับความลึกลับของสสารมืด (Dark Matter) สสารที่มองไม่เห็นและพลังงานมืด (Dark Energy) พลังงานลึกลับซึ่งต่อต้านแรงโน้มถ่วงและผลักจักรวาลให้ขยายตัวด้วยอัตราเร่งในทุกวันนี้

แซนดี้ เฟเบอร์ นักดาราศาสตร์จากหอดูดาวลิค แคลิฟอร์เนีย เจ้าของผลงานการศึกษาการกำเนิดกาแล็กซี่ที่โดดเด่นคนหนึ่งอธิบายถึงความสำคัญของการศึกษากาแล็กซีอย่างง่ายๆ ว่า "กาแล็กซีคือส่วนประกอบของจักรวาล ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงพยายามใฝ่หาคำตอบว่ามันกำเนิดมาได้อย่างไร"

ในช่วงต้นของทศวรรษที่ 1980 นักจักรวาลวิทยาเริ่มนำเราใกล้ความลับนี้เมื่ออธิบายปรากฏการณ์ภายหลังบิ๊กแบงเมื่อ 13.7 พันล้านปีก่อนว่า เมื่อจักรวาลอยู่ในวัยทารกมันจะขยายตัวอย่างรวดเร็วซึ่งเรียกกันว่าการพองตัว (Inflation) การพองตัวนี้จะกระจายความหนาแน่นไปในทุกทิศทาง

ความรู้นี้ทำให้นักดาราศาสตร์เริ่มมองเห็นว่าจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างไร แต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายการกำเนิดกาแล็กซีได้ ต่อมาเมื่อมีการค้นพบสสารมืด ทฤษฎีกำเนิดกาแล็กซีจึงอธิบายว่า ก่อนการพองตัวของจักรวาล ความหนาแน่นในจักรวาลมีลักษณะราบเรียบ แต่เมื่อมันพองตัวการจะเกิดการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของอาณาบริเวณในจักรวาลอย่างรุนแรง กล่าวคือเปลี่ยนจากความหนาแน่นที่ราบเรียบและสม่ำเสมอคล้ายทะเลสาบที่ไร้คลื่นลม กลายมาเป็นความหนาแน่นที่ไม่ราบเรียบและกระเพื่อมเหมือนคลื่นในทะเลขณะกำลังเกิดพายุ

ในขณะเดียวกันสสารมืดก็จะทำให้เกิดการกระเพื่อมมากขึ้นเพราะมันจะดึงดูดสสารปกติให้มารวมกันเป็นกลุ่มเป็นก้อนเหมือนหยดน้ำบนใยแมงมุม ทำให้บริเวณเหล่านี้กลายเป็นบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงมากและมีแรงโน้มถ่วงมากกว่าบริเวณที่อยู่รายรอบ แรงโน้มถ่วงจะดึงสสารปกติให้เข้ามารวมกันมากขึ้นๆ จนกระทั่งกลายเป็นแหล่ง "วัตถุดิบ" ที่จะให้กำเนิดกาแล็กซีในที่สุด

ทฤษฎีนี้มีความเป็นไปได้จากหลักฐานการค้นพบรังสีฉากหลังของจักรวาล (Cosmic Microwave Background-CMB) ซึ่งยังคงเห็นได้อยู่ทุกวันนี้ นอกจากนั้นการค้นพบว่าในกาแล็กซีมีปริมาณของสสารมืดมากกว่าสสารปกติราว 10 เท่าก็เป็นหลักฐานอีกชิ้นหนึ่งที่สนับสนุนให้ทฤษฎีนี้มีความน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้น

อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ก็ยังไม่เคยพิสูจน์ทฤษฎีนี้จากของจริงเลย จวบจนกระทั่งถึงปี ค.ศ.2002 ริชาร์ด เอลลิส นักดาราศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแคลิฟอร์เนียและทีมงานใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) และกล้องโทรทรรศน์เค้ก (Keck telescope)

ในฮาวายมองย้อนกลับไปในอดีตหลังบิ๊กแบงไม่นานนักแล้วพบกระจุกดาวที่ระยะทาง 13 พันล้านปีแสง ขนาดของมันเล็กมากเท่ากับ 1 ใน 20 ของขนาดกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราและมีดาวอยู่เพียง 1 ล้านดวงเท่านั้น

ทีมค้นพบบอกว่ากระจุกดาวดังกล่าวนี้ถือกำเนิดในช่วงเวลาไม่เกิน 1 พันล้านปีหลังบิ๊กแบง และอธิบายว่ากระจุกดาวนี้คือตัวอย่างต้นกำเนิดของส่วนประกอบของกาแล็กซีซึ่งถือกำเนิดขึ้นหลังบิ๊กแบงในราว 2 พันล้านปี ต่อจากนั้นในอีกราว 2-3 พันล้านปีกาแล็กซีเหล่านี้ก็กลายเป็นกาแล็กซีเก่าแก่ซึ่งมีหลายรูปทรง อาทิ กาแล็กซีรูปเกลียว กาแล็กซีรูปทรงกลม กาแล็กซีไร้รูปร่าง เหมือนอย่างที่เราเห็นกันอยู่ในปัจจุบัน ทว่าจำนวนกาแล็กซีในช่วงเวลาดังกล่าวจะมีมากกว่าในปัจจุบันประมาณ 3-10 เท่า

การค้นพบครั้งนี้เป็นที่ยอมรับของนักดาราศาสตร์โดยทั่วไป แต่สิ่งที่ยังหาคำตอบไม่ได้ก็คือ ทำไมกาแล็กซีจึงหลายรูปทรงและมีขนาดและสีที่แตกต่างกัน

ล่าสุดนักดาราศาสตร์อีกทีมได้ให้รายละเอียดมากยิ่งขึ้น และเป็นการค้นพบที่นำความประหลาดใจเหนือความคาดหมายอย่างที่ทฤษฎีไม่เคยว่าไว้ นั่นคือการพบว่ากาแล็กซีในยุคนั้นเติบโตอย่างรวดเร็วแต่ตายเมื่ออายุยังน้อย

ไอโว แลบบี้ นักดาราศาสตร์จากหอดูดาวคาร์เนกี้และทีมงานใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ศึกษากาแล็กซีมวลมากจำนวนราว 12 กาแล็กซีย้อนอดีตหลังบิ๊กแบง 2 พันล้านปีหรือช่วงเวลาที่จักรวาลมีอายุน้อยกว่า 1 ใน 5 ของอายุจักรวาลในปัจจุบัน

กาแล็กซีเหล่านี้มีดาวแออัดอยู่ราวๆ 100 พันล้านดวง และมีรูปทรงแตกต่างกัน บางกาแล็กซีกำลังให้กำเนิดดาวดวงใหม่อยู่ บางกาแล็กซีถูกปกคลุมด้วยฝุ่น และบางกาแล็กซีเป็นกาแล็กซีที่ตายแล้ว

แลบบี้กล่าวเปรียบเทียบว่า จักรวาลในขณะเยาว์วัยนั้นก็เหมือนกับสวนสัตว์ขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยสัตว์นานาชนิด มีกาแล็กซีหลากหลายเหมือนที่เราเห็นกันอยู่ในปัจจุบัน

แต่ในบรรดากาแล็กซีเหล่านั้นมีกาแล็กซีจำนวนหนึ่งที่ตายแล้วซึ่งไม่เป็นไปตามทฤษฎีที่กล่าวไว้ว่ากาแล็กซีที่ตายแล้วจะเกิดก็ต่อเมื่อจักรวาลอายุมากแล้ว

อะไรที่เป็นสาเหตุทำให้กาแล็กซีในช่วงแรกเริ่มของจักรวาลมีอายุสั้น นักดาราศาสตร์ยังไม่รู้แน่ชัด แลบบี้ บอกว่าอาจจะเกิดจากหลุมดำยักษ์ในใจกลางกาแล็กซีดูดกลืนก๊าซและปลดปล่อยรังสีออกมาซึ่งขัดขวางการกำเนิดดวงดาวในกาแล็กซีนั้นก็เป็นได้

ก่อนหน้านี้ไม่นานนักกล้องโทรทรรศน์อวกาศกาเลก (Galaxy Evolution Explorer-GALEX) ขององค์การนาซ่า ตรวจพบกาแล็กซีขนาดใหญ่หรือกาแล็กซีมวลมาก มีอายุอยู่ในระหว่าง 100 ล้านปี-1 พันล้านปี อยู่ห่างจากโลกราว 2 พันล้านปี-4 พันล้านปีแสง

การค้นพบของกล้องกาเลกหักล้างทฤษฎีที่ว่า อัตราการเติบโตของเทหวัตถุในจักรวาลหรือการกำเนิดกาแล็กซีกำลังลดลงเรื่อยๆ แม้ว่าจักรวาลยังคงให้กำเนิดกาแล็กซีอยู่ก็ตาม แต่มันเป็นเพียงกาแล็กซีขนาดเล็กเท่านั้น ทั้งนี้เพราะว่าจักรวาลกำลังขยายตัว สสารที่เคยอยู่รวมกันอย่างหนาแน่นในช่วงแรกๆ ของจักรวาลได้กระจายตัวออกไป จนยากที่จะทำให้เกิดกาแล็กซีขนาดใหญ่เหมือนในยุคแรกๆ ได้

การไขความลับของกาแล็กซีที่ผ่านมาหลายครั้ง ดูประหนึ่งว่ายิ่งศึกษากาแล็กซีมากเท่าใด ก็จะพบกับความลึกลับซับซ้อนของมันมากยิ่งขึ้นเท่านั้น ทุกวันนี้กาแล็กซีจึงยังคงเป็นหนึ่งในความลึกลับสุดยอดของจักรวาลอยู่ต่อไป

รูปร่างของกาแล็กซี
     - กาแล็กซี แบบกังหัน (spiral galaxy) มีรูปร่างแบน ตรงกลางเป็นทรงกลมเป็นกระเปาะ มีแขนเหยียดออกไปหลายอัน และตีเกลียวดูเป็นรูปเหมือนกังหัน
     - กาแล็กซี แบบกังหันมีคาน (barred spiral galaxy) มีลักษณะคล้ายกับกาแล็กซี แบบกังหัน แต่ที่กระเปาะใจกลางของกาแล็กซี จะมีคานยื่นออกมาสองด้าน และที่ปลายคานมีแขนออกไป มองดูคล้ายกับหัวฉีดน้ำในสนามหญ้า
     - กาแล็กซี แบบรี (eliptical galaxy) มองดูคล้ายกับซิการ์ กาแล็กซี ชนิดนี้มักจะเป็นกาแล็กซี ที่มีอายุมาก เต็มไปด้วยดาวแก่ที่ใกล้จะดับ
     - กาแล็กซี ไร้รูปร่างเป็นกาแล็กซี ที่มีรูปร่างไม่แน่นอน เข้าใจว่าเกิดจากการกลืนกันของดาราจักร แบบ 1-3 ที่อยู่ใกล้กัน