กับดักของหลุมดำยักษ์ในเอกภพยุคต้น

     ด้วย ความช่วยเหลือจาก กล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(Very Large Telescope, VLT) นักดาราศาสตร์ได้พบกาแลคซี 6 แห่ง ที่เรียงรายอยู่รอบหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่ง เมื่อเอกภพมีอายุไม่ถึง 1 พันล้านปี นี่เป็นครั้งแรกที่พบการรวมกลุ่มอย่างใกล้ชิดเช่นนี้ไม่นานหลังจากบิ๊กแบง และการค้นพบจะช่วยเราให้เข้าใจว่า หลุมดำมวลมหาศาลอย่างที่มีอยู่แห่งหนึ่งที่ใจกลางทางช้างเผือกก่อตัวและเจริญจนมีขนาดใหญ่โตได้อย่างรวดเร็วมากได้อย่างไร

     การค้นพบสนับสนุนทฤษฎีที่ว่าหลุมดำสามารถเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วภายในโครงสร้างขนาดใหญ่ที่คล้ายใยแมงมุมซึ่งประกอบด้วยก๊าซจำนวนมาก ที่เป็นวัตถุดิบของหลุมดำ

     งานวิจัยนี้ถูกขับดันด้วยความกระหายที่จะเข้าใจวัตถุทางดาราศาสตร์ที่ท้าทายที่สุดชนิดหนึ่ง ก็คือ หลุมดำมวลมหาศาล
(supermassive black holes) ในเอกภพยุคต้น พวกมันเป็นระบบที่สุดขั้วและจนถึงบัดนี้ เราก็ไม่มีคำอธิบายการมีอยู่ของพวกมันได้ดีพอ Marco Mignoli นักดาราศาสตร์ที่สถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ(INAF) ในโบโลญญา อิตาลี และผู้เขียนนำงานวิจัยฉบับใหม่ที่เผยแพร่ใน Astronomy & Astrophysics

ด้วยความช่วยเหลือจาก VLT นักดาราศาสตร์ได้พบกาแลคซี 6 แห่งที่เรียงรายรอบหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่ง เป็นครั้งแรกที่มีการพบกลุ่มที่อยู่กันใกล้ชิดภายในช่วงพันล้านปีแรกของเอกภพ ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำที่ใจกลางและกาแลคซีที่ถูกดักไว้ในเส้นใยก๊าซ หลุมดำพร้อมทั้งดิสก์รอบๆ มันถูกเรียกในชื่อ เควซาร์ SDSS J103027.09+052455.0 เรืองสว่างเมื่อมันกลืนกินมวลสารรอบๆ เข้าไป

      การสำรวจใหม่โดย VLT ได้เผยให้เห็นกาแลคซีหลายแห่งที่กำลังล้อมรอบหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่ง ซึ่งทั้งหมดเรียงรายอยู่บนเส้นใยรอบ “รังแมงมุม” ที่เป็นก๊าซซึ่งแผ่ออกไปมากกว่า 300 เท่าขนาดของทางช้างเผือก เส้นใยอวกาศก็เหมือนกับเส้นใยของแมงมุม Mignoli อธิบาย กาแลคซีอยู่และเจริญในส่วนที่เส้นใยพาดตัดกัน และกระแสธารก๊าซซึ่งเป็นเชื้อเพลิงให้กับทั้งกาแลคซีและหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลาง ก็สามารถไหลไปตามเส้นใยเหล่านี้

     แสงจากโครงสร้างคล้ายเส้นใยขนาดใหญ่นี้ ซึ่งมีหลุมดำที่มีมวล 1 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ เดินทางมายังโลกจากช่วงเวลาที่เอกภพมีอายุเพียง 9 ร้อยล้านปีเท่านั้น Roberto Gilli ผู้เขียนร่วม นักดาราศาสตร์จาก INAF เช่นกัน กล่าวถึงหลุมดำมวลมหาศาลว่า งานของเราได้ติดชิ้นส่วนที่สำคัญชิ้นหนึ่งให้กับปริศนาที่ยังว่างเป็นส่วนใหญ่ ก็คือ การก่อตัวและเจริญของวัตถุที่สุดขั้วเหล่านี้ แต่พบได้ไม่มากเท่าไหร่ ได้อย่างรวดเร็วมากหลังจากบิ๊กแบง 

     คิดกันว่าหลุมดำแห่งแรกๆ สุดก่อตัวขึ้นจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ดวงแรกๆ จะต้องเจริญขึ้นอย่างรวดเร็วมากๆ ที่จะมีมวลในระดับหลักพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ได้ภายในช่วง 9 ร้อยล้านปีแรกของอายุเอกภพ แต่นักดาราศาสตร์ก็อับจนปัญญาที่จะอธิบายว่าเชื้อเพลิงจำนวนมหาศาลของหลุมดำ ที่จะช่วยให้มันเจริญอย่างพรวดพราดจนมีขนาดใหญ่โตในเวลาที่สั้น มีแค่ไหน โครงสร้างที่เพิ่งพบใหม่ได้ให้คำอธิบายที่เป็นไปได้ ก็คือ ใยแมงมุมและกาแลคซีที่ฝังตัวอยู่ภายในนั้นมีก๊าซมากพอที่จะกลายเป็นเชื้อเพลิงที่หลุมดำที่ใจกลางต้องใช้เพื่อกลายเป็นยักษ์ใหญ่มาก

ภาพจากแบบจำลองเสมือนจริง แสดงการเกาะกลุ่มของสสารปกติ จากแรงโน้มถ่วงของฮาโลสสารมืดที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก  

      แต่ว่า โครงสร้างคล้ายเส้นใยแมงมุมขนาดใหญ่เช่นนี้ก่อตัวขึ้นมาได้อย่างไร นักดาราศาสตร์คิดว่ากุญแจก็คือ ฮาโลของสสารมืดที่มีขนาดใหญ่กว่า พื้นที่ของสสารที่มองไม่เห็นขนาดใหญ่เหล่านี้ได้ดึงดูดก๊าซจำนวนมหาศาลในเอกภพ เมื่อรวมแล้ว ก๊าซและสสารมืดที่มองไม่เห็นได้ก่อตัวโครงสร้างคล้ายเส้นใยที่มีกาแลคซีและหลุมดำพัฒนาขึ้นได้ Colin Norman จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ในบัลติมอร์ ผู้เขียนร่วมการศึกษานี้เช่นกัน กล่าวว่า การค้นพบของเราช่วยสนับสนุนแนวคิดที่ว่าหลุมดำขนาดใหญ่ที่อยู่ห่างไกลที่สุดก่อตัวและเจริญขึ้นภายในฮาโลสสารมืดมวลสูงในโครงสร้างขนาดใหญ่ และการตรวจจับไม่พบโครงสร้างลักษณะนี้ก่อนหน้านี้ก็น่าจะเนื่องจากข้อจำกัดในการสำรวจ

     ขณะนี้กาแลคซีที่ถูกพบเป็นกาแลคซีที่สลัวที่สุดบางส่วนที่กล้องโทรทรรศน์จะสามารถสำรวจได้ การค้นพบนี้ต้องการการสำรวจยาวหลายชั่วโมงโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ช่วงตาเห็นที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่มี ซึ่งรวมถึง VLT ของหอสังเกตการณ์ทางใต้ของยุโรป(European Southern Observatory-ESO) ด้วย ด้วยการใช้เครื่องมือ MUSE และ FORS2 บน VLT ที่หอสังเกตการณ์พารานัล ในทะเลทรายอะตาคามาของชิลี ทีมได้ยืนยันความเชื่อมโยงระหว่างกาแลคซีทั้งหกและหลุมดำ เราเชื่อว่าเราเพิ่งได้เห็นยอดของภูเขาน้ำแข็งเท่านั้น และโดยรวมการค้นพบกาแลคซีที่อยู่รอบหลุมดำมวลมหาศาลก็เฉพาะพวกที่สว่างที่สุดเท่านั้น Barbara Balmaverde ผู้เขียนร่วม นักดาราศาสตร์ที่ INAF อิตาลี กล่าว

แผนผังตำแหน่งของ SDSS J103027.09+052455.0 เควซาร์ที่ได้รับพลังจากหลุมดำมวลมหาศาลที่ล้อมรอบด้วยกาแลคซีอย่างน้อย 6 แห่ง ในกลุ่มดาวเซกแทนส์(Sextans) แผนที่มีดาวเกือบทั้งหมดที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าภายใต้สภาพท้องฟ้าที่ดี ตำแหน่งของโครงสร้างระบุด้วยวงกลมสีแดง

     ผลสรุปเหล่านี้ส่งผลต่อความเข้าใจว่าหลุมดำมวลมหาศาลและโครงสร้างขนาดใหญ่ในอวกาศก่อตัวและพัฒนาอย่างไร กล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope) ของ ESO ซึ่งกำลังก่อสร้างในชิลี จะสามารถต่อยอดงานวิจัยนี้โดยการสำรวจกาแลคซีที่สลัวมากกว่ารอบๆ หลุมดำขนาดใหญ่ในเอกภพยุคต้นได้อีก

แหล่งข่าว eso.org : ESO telescope spots galaxies trapped in the web of a supermassive black hole
                sciencealert.com : astronomers find monster black hole with 6 galaxies trapped in its gravitational web