เงาของหลุมดำ M87 ที่กำลังส่าย

 

ภาพหลุมดำภาพแรกที่เผยแพร่ในปี 2019 ได้ช่วยให้นักวิจัยได้วิเคราะห์ชุดข้อมูลในคลัง การค้นพบเหล่านั้นน่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้สร้างการทดสอบใหม่ให้กับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

    ในปี 2019 กลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์(Event Horizon Telescope-EHT) ได้ส่งภาพหลุมดำภาพแรกเป็น M87* วัตถุมวลสูงมากที่ใจกลางกาแลคซี M87 ซึ่งอยู่ไกลออกไป 55 ล้านปีแสง ขณะนี้ ทีมได้ใช้บทเรียนที่เรียนรู้จากเมื่อปีที่แล้วเพื่อวิเคราะห์ชุดข้อมูลในคลังจากปี 2009 ถึง 2013 ซึ่งบางส่วนก็ไม่เคยเผยแพร่มาก่อน การวิเคราะห์เผยให้เห็นถึงพฤติกรรมของภาพหลุมดำตลอดหลายปี บ่งชี้ถึงการดำรงอยู่ของรายละเอียดเงาที่คล้ายจันทร์เสี้ยว แต่มีการเรียงตัวที่แตกต่างกันไป โดยปรากฏเสมือนจันทร์เสี้ยวกำลังส่าย ผลสรุปเผยแพร่ใน Astrophysical Journal

     EHT ไม่ได้เป็นกล้องโทรทรรศน์เดี่ยว แต่เป็นความร่วมมือของกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลก ซึ่งรวมถึงกล้องโทรทรรศน์ขั้วโลกใต้(South Pole Telescope) ซึ่งทำการสำรวจโดยใช้เทคนิคมาตรแทรกสอดเส้นฐานยาวมาก(Very Long Baseline Interferometry) พร้อมกัน เมื่อทำงานพร้อมเพรียงกันเครือข่ายก็กลายเป็นจานวิทยุขนาดเท่าโลก ให้ความละเอียดภาพที่สูงอย่างเป็นอัตลักษณ์

EHT ในปี 2017 

     Bradford Benson รองศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก กล่าวว่า EHT กลายเป็นเครื่องมือชิ้นใหม่ให้แก่เราในการศึกษาหลุมดำและแรงโน้มถ่วงในแบบที่ไม่เคยเป็นไปได้มาก่อน ในฐานะสมาชิกของกลุ่มความร่วมมือ SPT และเครือข่าย EHT เราเฝ้ารอที่จะได้มีส่วนในการศึกษาในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ คนยิงธนู เอ สตาร์(Sgr A*) หลุมดำในใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือก ซึ่งเราจะมีมุมการสำรวจที่เป็นอัตลักษณ์จากตำแหน่งของ SPT ที่ขั้วโลกใต้

     ด้วยความละเอียดเชิงมุมที่สูงอย่างไม่น่าเชื่อของ EHT เมื่อปีที่แล้วเราได้เห็นภาพเงาของหลุมดำแห่งหนึ่ง ซึ่งประกอบด้วยเสี้ยวสว่างที่ก่อตัวขึ้นจากพลาสมาร้อนที่หมุนวนไปรอบๆ M87* และส่วนใจกลางที่ดำมืดซึ่งเราคาดว่าจะเป็นขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ของหลุมดำ Maciek Wielgus นักดาราศาสตร์ที่ศูนย์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ดสมิธโวเนียน และผู้เขียนนำรายงานฉบับใหม่ กล่าว แต่ผลสรุปเหล่านี้ก็มีพื้นฐานมาจากการสำรวจที่ทำผ่านช่องเวลาการสำรวจเพียงหนึ่งสัปดาห์ในเดือนเมษายน 2017 เท่านั้น ซึ่งก็สั้นเกินกว่าจะเห็นการเปลี่ยนแปลงได้มากนัก จากผลสรุปเมื่อปีที่แล้ว เราก็มีคำถามตามมาว่า แล้วรูปร่างคล้ายเสี้ยวแสงนี้สอดคล้องกับข้อมูลในคลังจากก่อนหน้านั้นหรือไม่ ข้อมูลในคลังจะบ่งชี้ถึงขนาดและการเรียงตัวของเสี้ยวแสงที่ใกล้เคียงกันหรือไม่

โครงสร้างภาพหลุมดำของ M87 ที่ได้จาก EHT

      ตั้งแต่ปี 2009 ถึง 2013 นักวิจัยได้เก็บข้อมูล M87* ด้วยเครือข่ายต้นแบบ(ปี 2009 ถึง 2012 EHT มีกล้องร่วมสำรวจ 3 ตัว และปี 2013 เพิ่มเป็นสี่) ก่อนที่กล้องโทรทรรศน์อื่นจะมาร่วมสำรวจเต็มรูปแบบ พวกเขาสามารถสกัดข้อมูลเพื่อดูขนาดของเสี้ยวและการเรียงตัวที่เปลี่ยนไปได้ การสำรวจในปี 2009 ถึง 2013 มีข้อมูลน้อยกว่าที่ทำในปี 2017 อย่างมาก ทำให้เป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างภาพขึ้นมา ทีม EHT จึงใช้แบบจำลองทางสถิติเพื่อมองหาการเปลี่ยนแปลงในลักษณะปรากฏของ M87* เมื่อเวลาผ่านไปแทน

      เมื่อขยายการวิเคราะห์สู่การสำรวจ 2009 ถึง 2017 นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงว่า M87* เป็นไปตามความคาดหมายจากทฤษฎี Kazu Akiyama นักวิทยาศาสตร์ที่หอสังเกตการณ์เฮย์สแต๊กของเอ็มไอที ผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าวว่า ในการศึกษานี้ เราได้แสดงว่ารูปลักษณ์โดยคร่าวๆ หรือการมีอยู่ของวงแหวนที่ไม่สมมาตร ปรากฏอยู่ตลอดช่วงหลายปี นี่เป็นการยืนยันที่สำคัญจากความคาดหมายทางทฤษฎี เมื่อขนาดที่คงที่ช่วยให้เรามีความเชื่อมั่นมากขึ้นเกี่ยวกับธรรมชาติของ M87* และกำเนิดเงานี้

     เส้นผ่าศูนย์กลางเงาของหลุมดำยังคงสอดคล้องกับการทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์สำหรับหลุมดำที่มีมวล 6.5 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่ในขณะที่เส้นผ่าศูนย์กลางเสี้ยวนั้นคงที่ตลอดหลายปี ทีมได้พบว่าข้อมูลยังซ่อนเรื่องประหลาดใจไว้ด้วย เมื่อเสี้ยวแสงนั้นกำลังส่าย ซึ่งเป็นข่าวใหญ่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นครั้งแรกที่พวกเขาได้แรกเห็นโครงสร้างพลวัตของการไหลจากการสะสมมวลสาร(accretion flow) อยู่ใกล้มากๆ กับขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำ ในสภาวะแรงโน้มถ่วงที่สุดขั้ว การศึกษาพื้นที่นี้เป็นกุญแจสู่การเข้าใจปรากฏการณ์ประหลาดเช่น การยิงไอพ่นสัมพัทธภาพ และจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างการทดสอบใหม่ๆ ให้กับสัมพัทธภาพทั่วไปด้วย

ภาพหลุมดำของ M87 ที่ได้จากการถ่ายภาพ/ทำแบบจำลองเรขาคณิต และเครือข่าย EHT ตั้งแต่ปี 2009 ถึง 2017 เส้นผ่าศูนย์กลางของวงแหวนทั้งหมดมีขนาดใกล้เคียงกัน แต่ตำแหน่งของด้านที่สว่างเปลี่ยนแปลงไปในเวลาเพียงไม่กี่วัน

     ก๊าซตกลงสู่หลุมดำจะร้อนขึ้นในระดับหลายพันล้านองศา เกิดการแตกตัวเป็นไอออน(ionization) และสร้างความปั่นป่วนถ้ามีสนามแม่เหล็กร่วมอยู่ด้วย เนื่องจากการไหลของวัสดุสารนั้นปั่นป่วน เสี้ยวแสงจึงดูเหมือนจะส่ายไปตามเวลา Wielgus กล่าว ความสว่างที่ไม่สม่ำเสมอยังเป็นผลอีกอย่างที่สัมพัทธภาพทั่วไปได้ทำนายไว้ซึ่งเรียกว่า ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เมื่อส่วนหนึ่งของวงแหวนหมุนเข้าหาเรา-ผู้สังเกตการณ์ มันจะปรากฏสว่างขึ้น ส่วนอื่นที่หมุนหนีออกจากเราก็จะสลัวกว่า ในข้อมูล ทีมได้พบว่าพื้นที่ที่สว่างไม่ได้อยู่นิ่งกับที่ มันเคลื่อนส่ายไปรอบๆ  

     ในความเป็นจริงแล้ว เราได้เห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างมากที่นั้น และไม่ใช่ว่าแบบจำลองการสะสมมวลสารในทางทฤษฎีทุกงานจะทำนายการส่ายที่รุนแรงอย่างนั้น นี่จึงหมายความว่าเราสามารถเริ่มกำจัดแบบจำลองบางส่วน โดยมีพื้นฐานจากพลวัตที่สำรวจพบได้

     อาจจะมีปัจจัยหลายอย่างที่เป็นสาเหตุของความปั่นป่วนในการไหล ระดับการหมุนรอบตัวของหลุมดำก็เป็นอย่างหนึ่ง โครงสร้างสนามแม่เหล็กในดิสก์สะสมมวลสารเองก็เป็นอีกปัจจัย ซึ่งอาจขับเคลื่อนโดยความไร้เสถียรภาพการหมุนรอบตัวของสนามแม่เหล็ก(magnetorotational instability) หรือการหมุนรอบตัวของหลุมดำที่เอียงจากการไหลสะสมมวลสาร

     Shep Doeleman ผู้อำนวยการผู้ก่อตั้ง EHT กล่าว การทดลองของ EHT ในช่วงแรกได้ให้คลังสมบัติเป็นการสำรวจระยะยาว ซึ่ง EHT ปัจจุบันแม้ว่าจะมีความสามารถในการถ่ายภาพที่น่าประทับใจ ก็ไม่อาจจะเทียบได้ เมื่อเราได้ตรวจสอบขนาดของ M87* ในปี 2009 เรายังมองไม่เห็นว่ามันจะช่วยให้เราได้แย้มให้เห็นถึงพลวัตหลุมดำเป็นครั้งแรกด้วย ถ้าคุณต้องการจะเห็นหลุมดำเปลี่ยนแปลงไปในช่วงหนึ่งทศวรรษ ก็ไม่มีสิ่งใดแทนที่การมีข้อมูลตลอดหนึ่งทศวรรษได้

ภาพแสดงความสอคดล้องในเส้นผ่าศูนย์กลางวงแหวนสว่างที่วัดไว้ และการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งความสว่าง มีเพียงข้อมูลจากปี 2017 ที่มีคุณภาพเพียงพอที่จะสร้างภาพ ในขณะที่การสำรวจก่อนหน้านั้นทำได้แค่เพียงแบบจำลองวงแหวน

 

     Geoffrey Bower นักวิทยาศาสตร์โครงการ EHT กล่าวเสริมว่า การจับตาดู M87* ด้วยเครือข่าย EHT ที่ขยายออกไปจะให้ภาพใหม่ๆ และชุดข้อมูลที่ร่ำรวยมากขึ้นเพื่อศึกษาพลวัตที่ปั่นป่วนนี้ เราพร้อมแล้วที่จะทำงานในการวิเคราะห์ข้อมูลจากการสำรวจปี 2018 ซึ่งได้จากกล้องโทรทรรศน์เพิ่มขึ้นอีกหนึ่งตัวในกรีนแลนด์ ในปี 2021 เรากำลังวางแผนที่จะสำรวจด้วยกล้องเพิ่มอีก 2 ที่(รวมเป็น 11 ที่) ให้คุณภาพภาพที่พิเศษสุด นี่จะเป็นช่วงเวลาที่น่าตื่นเต้นมากจริงๆ สำหรับการศึกษาหลุมดำ

     Anton Zensus จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์วิทยุในเจอรมนี กล่าวว่า ความสามารถในการถ่ายภาพที่เพิ่มขึ้นจากการขยายเครือข่ายจะให้ภาพเงาของหลุมดำ M87* ที่มีรายละเอียดมากขึ้น และสู่ไอพ่นส่วนในสุดในกาแลคซีวิทยุ M87 เราแทบจะอดใจรอสิ่งที่จะได้เห็นไม่ไหว

แหล่งข่าว phys.org : new analysis of black hole reveals a wobbling shadow
                sciencealert.com : the giant black hole we imaged for the first time now appears to be..glittering   
                space.com : surprise! The ring around M87 galaxy’s monster black hole wobbles over time