นักดาราศาสตร์คิดว่าดาวก่อตัวขึ้นภายในเมฆที่ยุบตัวของก๊าซไฮโดรเจนเย็น เมฆเหล่านี้มองเห็นได้ยากเนื่องจากชั้นบรรยากาศของโลกดูดซับแสงส่วนใหญ่ที่มันส่อง แม้กระนั้นก๊าซอื่นคาร์บอนมอนอกไซด์ก็มีอยู่เช่นกันและสามารถสังเกตได้ง่ายจากโลก นักดาราศาสตร์จาก Max Planck Institute for Radio Astronomy ได้พัฒนาแผนที่โดยละเอียดของพื้นที่ก่อตัวดาวฤกษ์เหล่านี้ในกาแลคซี Andromeda
ดาวก่อตัวอย่างไร นี่เป็นหนึ่งในคำถามที่สำคัญที่สุดในทางดาราศาสตร์ เรารู้ว่าการก่อตัวของดาวเกิดขึ้นในเมฆก๊าซเย็นที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า -220 C (50 K) เฉพาะในภูมิภาคที่มีก๊าซหนาแน่นเท่านั้นที่สามารถเกิดแรงโน้มถ่วงได้ทำให้เกิดการยุบตัวและจึงก่อตัวเป็นดาว เมฆก๊าซเย็นในกาแลคซีนั้นประกอบไปด้วยโมเลกุลไฮโดรเจน H2 (อะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมที่รวมกันเป็นหนึ่งโมเลกุล) โมเลกุลนี้ปล่อยสายสเปกตรัมที่อ่อนแอในแบนด์วิดท์อินฟราเรดของสเปกตรัมที่ไม่สามารถสังเกตเห็นได้จากกล้องโทรทรรศน์บนโลกเนื่องจากชั้นบรรยากาศดูดซับรังสีนี้ ดังนั้นนักดาราศาสตร์ศึกษาโมเลกุลอื่นที่มักพบในบริเวณใกล้เคียงของ H2 เช่นคาร์บอนมอนอกไซด์, CO. เส้นสเปกตรัมที่รุนแรงของ CO ที่ความยาวคลื่น 2.6 มม. สามารถสังเกตได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่วางไว้ในสถานที่ที่มีบรรยากาศดี: สูงและ ภูเขาแห้งในทะเลทรายหรือที่ขั้วโลกใต้ ในอวกาศคาร์บอนมอนอกไซด์อวกาศเป็นตัวบ่งชี้ของเงื่อนไขที่เอื้ออำนวยต่อการก่อตัวของดาวดวงใหม่และดาวเคราะห์
ในกาแลคซีของเราทางช้างเผือกการศึกษาเรื่องการกระจายตัวของคาร์บอนมอนอกไซด์นั้นดำเนินมาเป็นเวลานาน นักดาราศาสตร์พบว่ามีก๊าซเย็นเพียงพอสำหรับการก่อตัวดาวฤกษ์ในอีกหลายล้านปีข้างหน้า แต่คำถามจำนวนมากยังไม่ได้รับคำตอบ เช่นวัตถุดิบของก๊าซโมเลกุลนี้มีอยู่ตั้งแต่แรก มันมาจากช่วงแรกของการพัฒนากาแล็กซี่หรือมันสามารถเกิดขึ้นจากก๊าซปรมาณูที่อุ่นกว่าได้หรือไม่? เมฆโมเลกุลสามารถยุบตัวตามธรรมชาติหรือต้องการการกระทำจากภายนอกเพื่อทำให้มันไม่เสถียรและยุบตัว? เนื่องจากดวงอาทิตย์ตั้งอยู่ในดิสก์ของทางช้างเผือกมันยากมากที่จะได้ภาพรวมของกระบวนการที่เกิดขึ้นใน Galaxy ของเรา การมองจาก "ข้างนอก" จะช่วยได้เช่นกันและดูที่เพื่อนบ้านจักรวาลของเรา
กาแลคซีแอนโดรเมด้าหรือที่รู้จักกันในชื่อแคตตาล็อก M31 เป็นระบบของดาวฤกษ์หลายพันล้านดวงซึ่งคล้ายกับทางช้างเผือกของเรา ระยะทางของ M31 เป็นเพียง 2.5 ล้านปีแสงทำให้เป็นกาแลคซีกังหันที่อยู่ใกล้ที่สุดกาแลคซีครอบคลุมมากกว่า 5 องศาในท้องฟ้าและสามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าว่าเป็นเมฆกระจายเล็ก ๆ การศึกษาเพื่อนบ้านจักรวาลนี้สามารถช่วยให้เข้าใจกระบวนการในกาแลคซีของเราเอง น่าเสียดายที่เราเห็นดิสก์ของก๊าซและดวงดาวใน M31 ใกล้ขอบ (ดูรูปที่ 1 ขวา)
ในปี 1995 ทีมนักดาราศาสตร์วิทยุที่ Institut de Radioastronomie Millimé trique (IRAM) ใน Grenoble (Michel Guélin, Hans Ungerechts, Robert Lucas) และที่สถาบัน Max Planck สำหรับดาราศาสตร์วิทยุ (MPIfR) ใน Bonn (Christoph Nieten, Nikolaus Neininger, Elly Berkhuijsen, Rainer Beck, Richard Wielebinski) เริ่มต้นโครงการที่มีความทะเยอทะยานในการทำแผนที่กาแลคซีแอนโดรเมดาทั้งหมดในแนวสเปกตรัมคาร์บอนมอนอกไซด์ เครื่องมือที่ใช้สำหรับโครงการนี้คือกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 30 เมตรของ IRAM ซึ่งตั้งอยู่บน Pico Veleta (2970 เมตร) ใกล้กับกรานาดาในสเปน ด้วยความละเอียดเชิงมุม 23 อาร์เซวินาที (ที่ความถี่การสังเกต 115 GHz = ความยาวคลื่น 2.6 มม.) 1.5 ล้านตำแหน่งแต่ละตำแหน่งจะต้องมีการวัด เพื่อเพิ่มความเร็วในกระบวนการสังเกตวิธีการวัดใหม่ถูกนำมาใช้ แทนที่จะเฝ้าดูที่แต่ละตำแหน่งกล้องโทรทรรศน์วิทยุจะถูกผลักในแถบทั่วกาแลคซีพร้อมกับบันทึกข้อมูลอย่างต่อเนื่อง วิธีการสังเกตนี้เรียกว่า 'on the fly' ได้รับการพัฒนาเป็นพิเศษสำหรับโครงการ M31 ตอนนี้เป็นแบบมาตรฐานไม่เพียง แต่ที่กล้องโทรทรรศน์วิทยุ Pico Veleta เท่านั้น แต่ยังมีกล้องโทรทรรศน์อื่น ๆ ที่สำรวจที่ความยาวคลื่นมิลลิเมตร
สำหรับแต่ละตำแหน่งที่สังเกตุใน M31 ไม่เพียง แต่บันทึกค่าความเข้ม CO หนึ่งค่าเท่านั้น แต่ยังมีค่า 256 ค่าทั่วทั้งสเปกตรัมพร้อมแบนด์วิดท์ที่ 0.2% ของความยาวคลื่นกลาง 2.6 มม. ดังนั้นชุดข้อมูลการสังเกตที่สมบูรณ์จึงประกอบด้วยตัวเลข 400 ล้านตัว! ตำแหน่งที่แน่นอนของเส้น CO ในสเปกตรัมให้ข้อมูลเกี่ยวกับความเร็วของก๊าซเย็น หากก๊าซเคลื่อนที่เข้าหาเราเส้นจะถูกเปลี่ยนเป็นความยาวคลื่นที่สั้นกว่า เมื่อแหล่งกำเนิดย้ายออกไปจากเราเราจะเห็นการเปลี่ยนเป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น นี่เป็นเอฟเฟ็กต์แบบเดียวกัน (เอฟเฟกต์ Doppler) ที่เราได้ยินเมื่อไซเรนของรถพยาบาลเคลื่อนเข้าหาเราหรืออยู่ห่างจากเรา ในวิชาดาราศาสตร์ผลของดอปเลอร์ทำให้สามารถศึกษาการเคลื่อนที่ของเมฆก๊าซได้ แม้แต่เมฆที่มีความเร็วต่างกันที่มองเห็นในแนวสายตาเดียวกันก็สามารถแยกแยะได้ หากเส้นสเปกตรัมนั้นกว้างแสดงว่าเมฆอาจกำลังขยายตัวหรืออย่างอื่นก็ประกอบด้วยเมฆหลายชนิดที่ความเร็วต่างกัน
การสำรวจเสร็จสิ้นลงในปี 2544 ด้วยเวลากล้องโทรทรรศน์มากกว่า 800 ชั่วโมงนี่เป็นหนึ่งในโครงการสังเกตการณ์ที่ใหญ่ที่สุดซึ่งดำเนินการด้วยกล้องโทรทรรศน์ของ IRAM หรือ MPIfR หลังจากการประมวลผลและการวิเคราะห์ข้อมูลจำนวนมหาศาลอย่างกว้างขวางการเผยแพร่อย่างสมบูรณ์ของก๊าซเย็นใน M31 เพิ่งเผยแพร่ (ดูรูปที่ 1 ซ้าย)
ก๊าซเย็นใน M31 นั้นมีความเข้มข้นในโครงสร้างที่มีลวดลายสวยงามมากในแขนกังหัน เส้น CO มีความเหมาะสมในการติดตามโครงสร้างแขนกังหัน แขนก้นหอยที่โดดเด่นมีให้เห็นในระยะทางระหว่าง 25,000 ถึง 40,000 ปีแสงจากใจกลางแอนโดรเมดาซึ่งเกิดการก่อตัวดาวส่วนใหญ่ ในพื้นที่ภาคกลางซึ่งเป็นที่ตั้งของดาวอายุมากกว่าจำนวนมากแขน CO จะอ่อนแอกว่ามาก อันเป็นผลมาจากความโน้มเอียงสูงของ M31 เมื่อเทียบกับเส้นสายตา (ประมาณ 78 องศา) แขนกังหันดูเหมือนจะก่อตัวเป็นวงแหวนวงรีขนาดใหญ่ที่มีแกนหลัก 2 องศา อันที่จริงแอนโดรเมดาถูกถ่ายเป็นเวลานานอย่างผิด ๆ ว่าเป็นกาแลคซี 'ริง'
แผนที่ความเร็วของก๊าซ (ดูรูปที่ 2) มีลักษณะคล้ายกับกระสุนยิงของล้อไฟยักษ์ อีกด้านหนึ่ง (ทางใต้ซ้าย) ก๊าซ CO เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 500 กม. / วินาทีไปทางเรา (สีน้ำเงิน) แต่อีกด้านหนึ่ง (ทิศเหนือขวา) ด้วย ‘เพียง 100 กม. / วินาที (สีแดง) เนื่องจากกาแลคซีแอนโดรเมด้ากำลังเคลื่อนเข้าหาเราด้วยความเร็วประมาณ 300 กม. / วินาทีมันจะผ่านทางช้างเผือกอย่างใกล้ชิดในเวลาประมาณ 2 พันล้านปี นอกจากนี้ M31 ยังหมุนรอบตัวด้วยแกนกลางประมาณ 200 กม. / วินาที เนื่องจากกลุ่มเมฆ CO ภายในกำลังเคลื่อนที่บนเส้นทางที่สั้นกว่าเมฆด้านนอกพวกมันจึงสามารถแซงกันได้ สิ่งนี้นำไปสู่โครงสร้างเกลียว
ความหนาแน่นของก๊าซโมเลกุลเย็นในแขนกังหันนั้นมีขนาดใหญ่กว่าในพื้นที่ระหว่างแขนในขณะที่ก๊าซอะตอมมิกกระจายอย่างสม่ำเสมอ สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าแก๊สโมเลกุลเกิดจากก๊าซอะตอมมิกในแขนกังหันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงแหวนแคบของการก่อตัวดาวฤกษ์ ที่มาของแหวนนี้ยังไม่ชัดเจน อาจเป็นไปได้ว่าก๊าซในวงแหวนนี้เป็นเพียงวัสดุที่ยังไม่ได้ใช้สำหรับดาว หรือบางทีสนามแม่เหล็กที่ปกติมากใน M31 จะก่อให้เกิดการก่อตัวดาวในแขนกังหัน การสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์เอฟเฟลสเบิร์กแสดงให้เห็นว่าสนามแม่เหล็กนั้นติดตามแขนกังหันที่อยู่ใน CO อย่างใกล้ชิด
วงแหวนแห่งการก่อตัวดาวฤกษ์ (‘เกิดโซน’) ในทางช้างเผือกของเราซึ่งขยายจาก 10,000 ถึง 20,000 ปีแสงจากใจกลางมีขนาดเล็กกว่าใน M31 แม้จะมีก๊าซโมเลกุลมากถึง 10 เท่า (ดูตารางในภาคผนวก) เนื่องจากกาแลคซีทุกแห่งมีอายุใกล้เคียงกันทางช้างเผือกจึงประหยัดกว่าด้วยวัตถุดิบ ในทางกลับกันดาวเก่าหลายดวงที่อยู่ใกล้ใจกลาง M31 บ่งบอกว่าในอดีตอัตราการก่อตัวดาวฤกษ์สูงกว่าในปัจจุบัน: ก๊าซส่วนใหญ่ผ่านการประมวลผลแล้ว แผนที่ CO ใหม่แสดงให้เราเห็นว่าแอนโดรเมด้ามีประสิทธิภาพมากในการสร้างดาวในอดีต ในอีกหลายพันล้านปีนับจากนี้ทางช้างเผือกของเราอาจดูเหมือนแอนโดรเมด้าในตอนนี้
แหล่งต้นฉบับ: Max Planck Institute News Release
