JWST พบสัญญาณ 'ต้องห้าม' ของโมเลกุล H₃⁺ ครั้งแรก หลังรอมา 40 ปี

นักดาราศาสตร์ตรวจพบแสงชนิดหนึ่งจากโมเลกุล trihydrogen cation (H₃⁺) เป็นครั้งแรก โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb (JWST) ทีมวิจัยนำโดย David Neufeld แห่ง Johns Hopkins University สัญญาณนี้มีการทำนายไว้ตั้งแต่ปี 1986 แต่ที่ผ่านมาไม่มีการค้นหาครั้งใดตรวจพบได้ รวมถึงความพยายามในห้องทดลอง

H₃⁺ เป็นโมเลกุลพื้นฐานของเคมีในแก๊สระหว่างดวงดาวเกือบทั้งหมด รวมถึงการก่อตัวของโมเลกุลอินทรีย์ซับซ้อนที่เป็นส่วนประกอบของสิ่งมีชีวิต จึงมักถูกเรียกว่า "โมเลกุลที่สร้างเอกภพ" ที่ผ่านมามีการพบโมเลกุลนี้ในกลุ่มเมฆระหว่างดวงดาว และเป็นส่วนหนึ่งของแสงออโรราบนดาวพฤหัสบดี

โมเลกุลนี้ประกอบด้วยนิวเคลียสของไฮโดรเจน 3 ตัวที่ใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 ตัว และเรียงเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า ทำให้ไม่มี dipole moment ถาวร (การกระจายประจุไฟฟ้าที่ไม่สมดุล) และไม่มีสเปกตรัมการหมุนบริสุทธิ์ที่ได้รับอนุญาตตามปกติ ดังนั้นเมื่อโมเลกุลหมุน จึงไม่ควรปลดปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเหมือนโมเลกุลทั่วไป

อย่างไรก็ตาม ในปี 1986 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Fu-Shih Pan และ Takeshi Oka จาก University of Chicago คำนวณว่าเมื่อโมเลกุลหมุน แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะบิดรูปทรงที่สมมาตรเล็กน้อย เกิด dipole moment ขนาดเล็กมาก และทำให้ปล่อยแสงออกมาได้ แต่อ่อนมากจนถูกจัดเป็นการเปลี่ยนสถานะแบบ "forbidden" (ต้องห้าม) ซึ่งไม่ได้ฝืนกฎฟิสิกส์ แต่ขัดกับกฎทั่วไปที่ควบคุมการแผ่รังสีของโมเลกุล

สัญญาณนี้ถูกพบในวัตถุ Herbig-Haro 168 (HH 168) ซึ่งอยู่ในบริเวณก่อตัวของดาวมวลสูง Cepheus A วัตถุ Herbig-Haro เกิดจากการปะทุรุนแรงของดาวฤกษ์ที่เพิ่งก่อตัว โดยสนามแม่เหล็กช่วยเหวี่ยงสสารบางส่วนออกเป็นลำพุ่ง (jet) ความเร็วหลายร้อยกิโลเมตรต่อวินาที เมื่อชนกับกลุ่มเมฆโมเลกุลโดยรอบ จะเกิดคลื่นกระแทกที่ทำให้แก๊สร้อนถึงหลายพันองศาและเรืองแสง ช่วงนี้มักซ่อนอยู่ในเนบิวลาหนา แต่แสงอินฟราเรดที่ JWST ตรวจจับทะลุฝุ่นได้ดีกว่าแสงที่ตามองเห็น

ในข้อมูลอินฟราเรดจาก HH 168 ทีมวิจัยพบเส้นสเปกตรัมที่อ่อนมากหลายเส้น ซึ่งความยาวคลื่นตรงกับการเปลี่ยนสถานะการหมุนแบบต้องห้ามของ H₃⁺ ที่ Pan และ Oka คำนวณไว้เมื่อ 40 ปีก่อน รายละเอียดการตรวจพบมีดังนี้

• พบเส้นสเปกตรัมที่แตกต่างกัน 26 เส้น ด้วยความเชื่อมั่นทางสถิติสูง
• เส้นที่แรงที่สุดมีค่า 72 sigma (หน่วยวัดความเชื่อมั่นทางสถิติ) ซึ่งแทบไม่เหลือข้อสงสัยเรื่องการตรวจพบ
• เมื่อเทียบกับที่แบบจำลองของทีมทำนายไว้ภายหลัง สัญญาณสว่างมาก

ตำแหน่งของสัญญาณใน HH 168 ใกล้เคียงกับการแผ่รังสีของโมเลกุลไฮโดรเจนปกติ (H₂) ที่ร้อน ซึ่งบ่งชี้ว่าทั้งสองโมเลกุลตอบสนองต่อสภาวะรุนแรงแบบเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม เมื่อทีมวิจัยลองจำลองด้วยแบบจำลองคลื่นกระแทก ยังไม่มีแบบใดอธิบายได้สมบูรณ์ แบบหนึ่งทำนายการแผ่รังสีของ H₂ ได้ดี แต่ประเมินสัญญาณ H₃⁺ ต่ำกว่าจริง 5-6 เท่า อีกแบบใกล้เคียงกับสัญญาณ H₃⁺ มากกว่า แต่ต้องใช้สภาวะที่อยู่นอกช่วงที่แบบจำลองนั้นผ่านการตรวจสอบมาแล้ว จึงต้องศึกษาเพิ่มเพื่ออธิบายว่าเหตุใดสัญญาณจึงสว่างขนาดนี้

ทีมวิจัยยังตรวจสอบข้อมูลเก่าของ JWST จากวัตถุ Herbig-Haro อีกแห่งคือ HH 211 และพบการแผ่รังสีลักษณะเดียวกัน แสดงว่าปรากฏการณ์นี้ไม่ได้จำกัดอยู่ที่วัตถุเดียว

การค้นพบนี้ยืนยันการคำนวณของ Pan และ Oka ว่าถูกต้อง โดยสิ่งที่ขาดมาตลอดคือเครื่องมือที่ไวพอ และในอนาคต H₃⁺ อาจกลายเป็นเครื่องมือให้นักวิทยาศาสตร์ใช้ทำความเข้าใจฟิสิกส์ของคลื่นกระแทกจากดาวฤกษ์ที่เพิ่งกำเนิด รวมถึงเคมีที่เปลี่ยนธาตุที่เรียบง่ายที่สุดในเอกภพให้กลายเป็นความซับซ้อนของจักรวาล

งานวิจัยนี้ได้รับการตอบรับให้ตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal Letters และเผยแพร่ฉบับ preprint ไว้บนเซิร์ฟเวอร์ arXiv แล้ว