สภาพแวดล้อมของ Disk (จานแผ่นกลม) ยุคเริ่มต้นจักรวาล ปราศจาก Metal-rich

สภาพกำเนิดชีวิตดาวดวงแรก ของจักรวาล

ดาวดวงแรก ก่อตัวขึ้นปราศจาก Metal-rich ในทางกายภาพถือว่าเป็นระบบที่ง่าย
ที่สุดกว่า การก่อตัวของดาวปัจจุบันนี้มาก ที่ต้องประกอบไปด้วย กลุ่มเมฆโมเลกุล
ของก๊าซหลากหลายกว่าเดิม

ความก้าวหน้า Cosmological moldels สามารถสร้างภาพเคลื่อนไหวเป็นกฎเกณฑ์
สมบูรณ์ในรายละเอียดของส่วนประกอบเริ่มแรก ในเงื่อนไขการกำเนิดดาวดวงแรก

การเทียบเคียง ดาวที่ผุดขึ้นปรากฎด้วย พร้อมกับกลุ่มเมฆโมเลกุลของก๊าซในกลุ่ม
โครงสร้างของสภาพแวดล้อมที่ถูกดัดแปลง โดยดาวรุ่นแรกๆ นั้นมีความยุ่งยากขึ้น
กว่าดาวดวงแรก และมีปัญหาในหลายกรณี ที่ น่าสนใจ ชวนติดตามให้เกิดทฤษฎี
ศึกษาเฉพาะ เพื่อรองรับผลวิเคราะห์ ลักษณะพฤติกรรมของดาว

ลำดับแรกก่อน การกำเนิดดาวดวงแรกในจักรวาลกลุ่มหมอกก๊าซมีรูปแบบธรรมดา
ลอยตัดกันไปมาเป็นวงโคจร ในขนาด Small-scale เหมือนขดลวดที่เชื่อมโยงกัน
ถัดจากนั้นเริ่มปะติดปะต่อกัน ด้วยแรงโน้มถ่วงของตนเอง

มีความกดดันจากความร้อนของก๊าซ ระดับอุณหภูมิราว 1,000 Kelvins โดยอะตอม
Hydrogen จับคู่ในความหนาแน่น ความร้อนของก๊าซ รังสรรค์ทั้งหมดเป็นโมเลกุล
Hydrogen โดยไม่แยแส่ต่อความหนาแน่นที่ผ่านมา ด้วยการเปล่งสะท้อนออกมา
ของ รังสี Infrared จากนั้นเกิดการปะทะกันด้วยกันของ อะตอม Hydrogen โดยมี
อุณหภูมิ ในความหนาแน่น ยุติที่ 200-300 Kelvins

ความกดดันก๊าซหดตัวย่อส่วนลงในบริเวณนั้นด้วยเหตุนี้จึงยอมปล่อยให้เกิดความ
เกร็งขมวด รวมกันกับแรงโน้มถ่วง ผูกมัดกันเป็นกลุ่มๆ ความไม่แยแส่ เป็นบทบาท
ที่ยอมให้ สสารสามัญเข้าสู่ระบบเป็นอันดับแรก

ทำให้ Hydrogen สงบลงแบนราบ สันฐานเดิมที่เป็นกลุ่มก้อน เกิดทรวงทรงแบน
เป็นแผ่น กลม (Disk) แต่เพราะอนุภาคสสารมืด ไม่เปล่งรังสี หรือสูญเสียพลังงาน
จึงกระเจิง กลับไปรวมกับกลุ่มเมฆในครั้งแรก

โดยความเป็นจริง First star-forming systems คล้ายคลึงกับการเกิดกาแล็คซี
ขนาดเล็กๆ ที่ประกอบด้วย สสารสามัญใน Disk และรัศมีรอบนอก (Halo) มีส่วน
ของสสารมืดมีความหนาทึบ ของก๊าซเป็นกลุ่มก้อนต่างๆกันไป ท้ายที่สุดก็ยุบตัว
ลงรวมเป็นดาว

สภาพแวดล้อมของ Disk (จานแผ่นกลม) ดาว ยุคที่มีองค์ประกอบ Metal-rich มาก

การฟื้นฟูของจักรวาลจากอดีต

ประเด็นสำคัญส่งผลกระบให้ดาวยุคแรกๆ เหลือน้อยหรืออายุสั้นเพราะปราศจาก
Metal-rich ทำให้ผิวพื้นดาวมีความร้อนสูงมาก ซึ่งเป็นระบบสร้างพลังงานออกมา
จากภายในแกนกลาง คล้ายกับดวงอาทิตย์

แต่ดาวยุคแรกมีความร้อนสูง ส่วนใหญ่เป็นปึกแผ่นมีความเพียงพอที่สร้างพลังงาน
ออกมาหักล้างกับแรงโน้มถ่วง ดังนั้นผิวหน้าแต่ละลำดับชั้น (Surface layers) จึงมี
ความร้อนสูงไปด้วย ประเมินจากขนาด ระหว่าง 100-1,000 เท่าของดวงอาทิตย์
พบว่าพื้นผิวร้อน ราว 100,000 Kelvins เท่ากับ สูงกว่าดวงอาทิตย์ 17 เท่า

เพราะฉะนั้นดาวที่ฉายแสงแรกออกมาในจักรวาล จึงเต็มไปด้วย รังสี Ultraviolt
จากความร้อนสูงของดาว และเป็นการเริ่มต้นขึ้นของละอองความร้อน (Ionize)
ของ Neutral Hydrogen และก๊าซ Helium เกิดขึ้นโดยรอบแต่นั้นมา โดยเรียก
ช่วงยุคพัฒนาการนี้ว่า Cosmic renaissance (การฟื้นฟูจักรวาล)

จากดวงดวงแรกเพียงดวงเดียว ความเข้มข้นของ Ionize มีน้อยที่จะเหลือทิ้งไว้
เพื่อให้เป็นวัตถุดิบ ก่อตัวในรุ่นดาวถัดไป ซึ่งเป็นการก่อตัวทีละดวง ทีละดวง
จึงต้องใช้เวลานับพันล้านปี จะพอเพียงต่อการผสมรวมตัวเป็น จุดแกนกลางของ
ก๊าซ (Intergalactic gas) ได้เต็มอัตรา

ควอซาร์ แหล่งพลังหลักชุดแรกของจักรวาล

การวิเคราะห์ผลสำรวจ Strong absorption (อำนาจการดูดกลืน) แสง Ultraviolet
ของ Quasars (ควอซาร์) อายุ 900 ล้านปีหลังจากการเกิด Big bang พบหย่อม
ของ Neutral Hydrogen gas เป็นการเริ่มต้นสะสมของ Ionize ในเวลานั้น

ถ้าดาวดวงแรก ไม่ได้มีขนาดยักษ์เช่นที่เคยวิเคราะห์ไว้ ก๊าซ Helium การเกิด
Ionize ต้องมาจากการกระตุ้นของ รังสี Ultraviolt ของแหล่งพลังงาน ควอซาร์
ซึ่งในอนาคต ต้องสำรวจหาค่าเพิ่มเติมเริ่อง Helium เปลี่ยนแปลงมาจาก Ionize
จากวัตถุระยะไกล ของจักรวาล

ถ้าดาวดวงแรก มีขนาดยักษ์หรือใหญ่โตมาก ต้องมีความสัมพันธ์กับอายุขัยที่สั้น
เพียงไม่กี่ล้านปี โดยดาวนั้นมีจุดสิ้นสุดอายุ ระเบิดเป็น Supenovae แล้วผลักดัน
Metals ออกมาสู่จักรวาล ต้องมีขนาดระหว่าง 100-250 เท่า ของดวงอาทิตย์จึง
จะมีผลสมบูรณ์ต่อ การสะสมจุดแกนกลางของก๊าซ (Intergalactic gas)

พบว่า เมื่อ Metals ผุดขึ้นทั่วไปในจักรวาล ในกลุ่มเมฆหมอกการก่อตัวของดาว
ราว 1,000 เท่าของที่มีในดวงอาทิตย์ Metals เหล่านั้น มีอุณหภูมิก๊าซใน Cosmic
ฺbackground เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว (อุณหภูมิเสื่อมถอยในจุดที่จักรวาลขยายตัว
จาก 19 Kelvins หลังจาก Big bang เหลือ 2.7 Kelvins ในปัจจุบัน)

ด้วยการยอม ลดสมรรถภาพจากความเย็นตัวเป็นข้อมูลว่า ดาวมีขนาดเล็กและเป็น
การขับไล่ออกด้วยการเกิดของดาว เป็นไปได้ว่าบริเวณก่อตัวดาวไม่มีอัตราเร่ง
จนกว่า มีการเกิดขึ้นของ Metals

ในกรณีนี้ ดาวที่เกิดขึ้นเป็นดวงที่สอง เป็นเอกภาพมีอำนาจตอบสนองเกิดแสงและ
นำไปสู่ เรื่อง Cosmic renaissance (การฟื้นฟูจักรวาล)

การสะสมจุดแกนกลางของก๊าซ

High-supernova ห่างจากโลก 80 ล้านปีแสง

Massive black holes

Mini-quasar มีอายุ 8 พันล้านปี พบใน Galaxy CXO-J141741.9

References :

Yale Unviersity
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
California Institute of Technology
The International Max-Planck Research School on Astrophysics