GW 150921 การควบรวมของหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยพบมา

     เมื่อกว่าเจ็ดพันล้านปีก่อน มีหลุมดำขนาดใหญ่สองแห่งโคจรรอบกันและกัน จนกระทั่งพวกมันชนและควบรวมกัน เป็นเหตุการณ์ที่รุนแรงมากจนส่งระลอกวิ่งผ่านห้วงกาลอวกาศ ในตอนเช้าตรู่ของวันที่ 21 พฤษภาคม 2019 โลกก็ไหวสะเทือนจากระลอกที่คู่ยักษ์ที่อยู่ไกลโพ้นนี้ส่งออกมา เป็นเงื่อนงำให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นการชนในอวกาศครั้งใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ และเป็นการชนที่ท้าทายต่อความคาดหมายในทางทฤษฎี

     สัญญาณที่หอสังเกตการณ์สองแห่งคือ LIGO ในสหรัฐอเมริกา และ Virgo ในอิตาลีจับได้นั้นมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นการรบกวนในผืนกาลอวกาศเมื่อมีวัตถุมวลสูงเคลื่อนที่ สัญญาณซึ่งเรียกว่า GW 150921 มาจากการชนที่ใหญ่โตอย่างแท้จริง นักวิจัยประเมินว่าหลุมดำสองแห่งนี้มีมวลที่ 66 และ 85 เท่ามวลดวงอาทิตย์ หมุนวนเข้าหากันและกัน จนประสานรวมเป็นหลุมดำแห่งเดียวที่มีมวล 142 เท่ามวลดวงอาทิตย์

     เหตุการณ์ซึ่งเพิ่งประกาศใน Physical Review Letters วันที่ 2 กันยายน 2020 โดยรวมแล้วเป็นการตรวจจับที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยพบผ่านคลื่นความโน้มถ่วงมา ในเสี้ยววินาที หลุมดำที่กำลังควบรวมกันได้เปล่งพลังงานเทียบเท่ากับ 8 เท่ามวลของดวงอาทิตย์ ออกมาในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง ปริมาณพลังงานนี้เทียบเท่ากับการจุดระเบิดปรมาณู 1 พันล้านล้านลูกในทุกๆ วินาที ไปตลอด 13.8 พันล้านปี ซึ่งเป็นอายุของเอกภพที่สังเกตการณ์ได้

     Matthew Graham นักดาราศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) ซึ่งไม่ได้มีส่วนในโครงการ LIGO หรือ Virgo เลย เรียกเหตุการณ์นี้ว่า อาจจะเป็นการระเบิดที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เราเคยพบในเอกภพ

     การควบรวมของหลุมดำเหตุการณ์นี้ได้สร้างความตื่นเต้นทางวิทยาศาสตร์อย่างมาก ด้วยเหตุผลสามสี่ประการ ประการแรก หลุมดำที่เกิดขึ้นใหม่ไปอยู่ในช่องว่างในการสำรวจ จนกระทั่งบัดนี้ นักวิจัยได้พบแค่หลุมดำที่มีมวลหลายสิบเท่าดวงอิทตย์ และหลุมดำยักษ์ที่เรียกว่า supermassive black hole ซึ่งมีมวลหลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่ไม่เคยยืนยันหลุมดำแห่งใดที่มีมวลระหว่าง 100 ถึง 100,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์เลย การพบหลุมดำ 142 เท่ามวลดวงอาทิตย์ หลุมดำจาก GW 150921 จึงเป็นหลุมดำแห่งแรกที่เคยพบในช่วงรอยต่อนี้

      สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงจากการชนนี้ ยังสั้นมากๆ เมื่อเทียบกับการตรวจจับการชนก่อนหน้านี้ และการวิเคราะห์อย่างเข้มข้นก็เผยมวล 66 และ 85 เท่าดวงอาทิตย์ได้ในที่สุด ซึ่งก็ใหญ่กว่าการชนหลุมดำใดๆ ที่เคยตรวจพบมาในช่วงห้าปีนับตั้งแต่ที่เราตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรก Alessandra Bounanno นักฟิสิกส์ทฤษฎีจากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์ความโน้มถ่วงในเจอรมนี และมหาวิทยาลัยมารีแลนด์ กล่าวว่า นับตั้งแต่เริ่มมีสัญญาณนี้เกิดก็นานเพียง 0.1 วินาทีเท่านั้น ท้าทายเราที่จะจำแนกกำเนิดของมัน แต่แม้ว่าจะเป็นช่วงเวลาที่สั้นมากๆ เราก็สามารถจับสัญญาณนี้กับการควบรวมหลุมดำเหตุการณ์หนึ่ง ตามที่ทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ และเราก็ตระหนักว่าเป็นครั้งแรกที่เราได้พบการกำเนิดของหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black holes) จากหลุมดำพ่อแม่ที่น่าจะเป็นผลจากการควบรวมหลุมดำคู่ก่อนหน้านั้นอีก

     ขณะนี้ เราสามารถจบกรณีต้องสงสัยและบอกได้ว่าหลุมดำมวลปานกลางมีอยู่จริง Christopher Berry สมาชิกทีม LIGO นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น กล่าว แต่สำหรับ Berry และคนอื่นๆ แล้ว หลุมดำที่สร้างความตื่นเต้นให้มากกว่า กลับไม่ใช่หลุมดำที่เกิดมาจากการควบรวม แต่เป็นหลุมดำตั้งต้นที่มีมวลสูงกว่าในคู่ควบรวมนี้ ด้วยมวลที่ราว 85 เท่าดวงอาทิตย์ เนื่องจากในทางทฤษฎีแล้ว ไม่น่าจะมีหลุมดำในช่วงมวลนี้ นี่จึงเป็นเรื่องที่ช๊อค เพราะว่ามันอยู่ในที่ที่เราคิดว่าจะไม่มีหลุมดำขนาดนี้ เขากล่าว

     สำหรับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ดวงดาวทั้งหลาย ดาวฤกษ์เป็นวัตถุที่พึ่งพาสมดุล: แรงโน้มถ่วงจะบีบอัดดาว แต่เมื่อแสงวิ่งออกจากแกนกลาง มันจะผลักดาวออกไป แต่บางครั้งดาวมวลสูงก็เผาไหม้อย่างรุนแรงในแกนกลาง สมดุลนี้จึงเสียไป อนุภาคแสงที่เรียกว่า โฟตอน(photons) จะดึงพลังงานออกมาด้วยเพียงพอที่จะเปลี่ยนเป็นคู่อิเลคตรอน-โพสิตรอน ซึ่งเป็นปฏิสสารของอิเลคตรอน การเปลี่ยนแปลงนี้ลดความดันภายในแกนกลางลงได้ชั่วคราว ซึ่งทำให้ดาวบีบอัดตัวมากขึ้นและร้อนขึ้น

     ทฤษฎีปัจจุบันทำนายว่าเมื่อดาวที่มีมวลราว 60 ถึง 130 เท่าดวงอาทิตย์ การบีบอัดและสภาพที่ร้อนขึ้น จะนำไปสู่การระเบิดแบบกู่ไม่กลับที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวาแบบคู่ไร้เสถียรภาพ(pair-instability supernova) เหตุการณ์เช่นนี้จะทำลายดาวอย่างสิ้นเชิงจนเศษซากที่กระจายออกมาไม่สามารถยุบตัวเป็นหลุมดำได้ สิ่งที่ประหลาดก็คือ หลุมดำตัวใหญ่ที่คู่ที่สร้าง GW 190521 อยู่ในช่วงมวลที่คาดว่าน่าจะเกิด(ซุปเปอร์โนวา) คู่ไร้เสถียรภาพ Berry กล่าว พูดง่ายๆ คือ ดาวในช่วงมวลนี้ไม่ควรจะสร้างหลุมดำขึ้นมาได้

ดาวมวลสูงในระดับหนึ่ง จบชีวิตด้วยการสร้างหลุมดำโดยผ่านกระบวนการเกิดซุปเปอร์โนวา 2 แบบที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับมวลตั้งต้นของดาวฤกษ์

     ถ้าคุณพบหลุมดำที่มีมวลระหว่าง 52 ถึง 133 เท่ามวลดวงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่า ช่องว่างมวลค่าบน(upper mass gap) มันก็ไม่น่าจะถูกสร้างขึ้นมาจากดาวฤกษ์เดี่ยวที่ยุบตัวลงเปรี้ยงเดียว Priyamvada Natarajan นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยเยล ผู้เชี่ยวชาญหลุมดำซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ อธิบาย ธรรมชาติกำลังบอกเราว่ามีหนทางมากมายที่จะไปถึงหลุมดำในช่วงมวลนี้

     ไม่เพียงแต่ผลสรุปเหล่านี้จะเปิดประตูบานใหม่สู่หลุมดำมวลปานกลางและหลุมดำในช่องว่างมวลค่าบน แต่ยังเป็นกุญแจสู่ความเข้าใจปริศนาหลุมดำอีกอย่างว่า หลุมดำมวลมหาศาล ได้ความใหญ่โตของพวกมันมาอย่างไร

     หลุมดำเป็นปริศนาแทบจะตลอดกาล เนื่องจากพวกมันไม่เปล่งรังสีหรือสะท้อนรังสีใดๆ ให้เราตรวจจับได้ เราจึงไม่ทราบกระทั่งว่ามีพวกมันอยู่ที่นั้น จนกว่าพวกมันจะเริ่มกลืนมวลสารอย่างกระตือรือร้น ซึ่งเป็นกระบวนการที่เปล่งรังสีจำนวนมหาศาลจากส่วนที่อยู่นอกหลุมดำออกมาเล็กน้อย แต่หลุมดำมวลปานกลางกลับยิ่งเป็นปริศนาในหมู่มวลปริศนา เนื่องจากดูเหมือนว่าพวกมันจะมีอยู่ไม่มากนัก

     นักดาราศาสตร์เคยตรวจจับสิ่งที่พวกเขาคิดว่าน่าจะเป็นหลุมดำมวลปานกลาง แต่ก็เช่นเดียวกับการตรวจจับหลุมดำเกือบทั้งหมดที่ไม่ใช่หลักฐานทางตรง จึงไม่สามารถสรุปแน่ชัดได้ แต่คลื่นความโน้มถ่วงช่วยให้เราได้ตรวจจับหลุมดำคู่ และผลผลิตจากการควบรวมของพวกมันได้โดยตรง ซึ่งทำให้สัญญาณจาก GW 190521 เป็นหลักฐานโดยตรงของหลุมดำมวลปานกลางชิ้นแรก

     Berry กล่าวว่า หนึ่งในปริศนาข้อใหญ่ที่สุดในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ก็คือ แล้วหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวอย่างไร ลองนึกว่ามีช้างระดับหลักล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์อยู่ในห้อง แล้วพวกมันเจริญจากหลุมดำมวลดวงดาวซึ่งก่อตัวเมื่อดาวยุบตัวลง หรือว่า พวกมันก่อตัวผ่านหนทางอื่นที่ยังไม่พบ เป็นเวลานานที่เราสำรวจหาหลุมดำมวลปานกลางเพื่อเชื่อมต่อช่องว่างระหว่างหลุมดำมวลดวงดาวกับมวลมหาศาล ขณะนี้ เรามีข้อพิสูจน์แล้ว

     ในรายงานคู่เคียงที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters ทีม LIGO-Virgo ได้หาลำดับเหตุการณ์จำนวนหนึ่งว่าการควบรวมนี้และหลุมดำตัวประหลาดที่เกี่ยวข้อง เกิดขึ้นอย่างไร แนวคิดที่น่าสนใจมากที่สุดก็คือ อย่างน้อยมีหลุมดำแห่งหนึ่ง(แต่ไม่ใช่ทั้งคู่) ที่ก่อตัวขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำขนาดเล็กกว่า 2 แห่ง นี่เป็นลำดับเหตุการณ์ที่ผมชื่นชอบ Steinn Sigurdsson นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเพนน์ซิลวาเนียสเตท ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าว

     ในสภาพแวดล้อมที่เฉพาะน่าจะสร้างการควบรวมแบบสองขั้นตอนขึ้นได้มากกว่า ความเป็นไปได้ทางหนึ่งที่อาจจะเพิ่มโอกาสในการควบรวมแบบนี้ก็คือ ถ้ามันเกิดขึ้นภายในดิสก์ก๊าซที่โคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซี ซึ่งก็มีร่องรอยหลักฐานว่า GW 150921 อาจจะเกิดขึ้นในลักษณะตั้งต้นแบบนี้ ในเดือนมิถุนายน Graham เป็นผู้เขียนร่วมในการศึกษาชิ้นหนึ่งที่เผยแพร่ใน Physical Review Letters ที่อธิบายว่าแสงวาบในพื้นที่ใกล้เคียงกันบนท้องฟ้ากับ GW 150921 ประมาณ 34 วันหลังจากคลื่นความโน้มถ่วงวิ่งผ่านโลก ทีมบอกว่าแสงนี้น่าจะก่อตัวขึ้นเมื่อหลุมดำที่ควบรวมได้วิ่งผ่านดิสก์ก๊าซที่ล้อมรอบหลุมดำยักษ์แห่งหนึ่งไว้ ทำให้ก๊าซร้อนขึ้นจนเรืองสว่าง

     แต่ Natarajan ก็มีอีกทฤษฎีหนึ่ง ในการศึกษาที่เธอร่วมเขียนในปี 2014 เธอได้คำนวณว่าในเอกภพยุคต้น หลุมดำขนาดเล็กสามารถพองตัวด้วยความเร็วที่สูงมากๆ โดยกระเด้งไปรอบๆ กระจุกดาวที่อุดมด้วยก๊าซ ในการศึกษาต่อๆ มา เธอก็รวบยอดความคิดว่า จะต้องมีกระจุกดาวชนิดหนึ่งๆ ที่สามารถให้กำเนิดหลุมดำคู่ขึ้นมา ซึ่งแต่ละแห่งจะมีมวลประมาณ 50 ถึง 75 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งหลังจากนั้นพวกมันก็ควบรวมกัน

     ไม่ว่างานทางทฤษฎีกับ GW 190521 จะเบ่งบานไปแค่ไหน แต่นักวทิยาศาสตร์บอกว่าพวกเขาจะไม่สามารถเผยปริศนาของมันได้ จนกว่าหลังจากที่ LIGO และ Virgo จะตรวจจับการชนที่คล้ายๆ กันนี้ได้มากขึ้น ด้วยเหตุการณ์เดียว คุณก็ยังคงมีคำอธิบายมากมายให้กับสิ่งที่คุณบอกว่าเป็นข้อยกเว้น Sigurdsson กล่าว ทันทีที่คุณสามารถสำรวจเหตุการณ์ได้จำนวนหนึ่ง คุณก็จะกำจัดแบบจำลองไปได้ส่วนหนึ่ง

 

แหล่งข่าว sciencealert.com : most massive black hole collision detected confirms elusive middleweight black holes
                nationalgeographic.com : the birth of a massive intermediate black hole would have been observed for the first time