การหมุนรอบตัวของหลุมดำยักษ์ในใจกลางทางช้างเผือก

anatomy of a black hole 

      เมื่อหลุมดำได้ก่อตัวขึ้นแล้ว สนามแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงมากของมันจะสร้างพื้นที่หนึ่งซึ่งเลยจากพื้นที่นี้เข้าไป แม้แต่แสงก็ไม่สามารถหนีออกมาได้ และเมื่อมองจากข้างนอกมันก็จะปรากฏเป็นความดำมืด รายละเอียดทั้งหมดของการผสมผสานอันซับซ้อนระหว่างสสารและพลังงานในอดีตของมัน ก็จะสูญหายไป ทิ้งไว้แต่สิ่งที่ง่ายๆ ที่สามารถอธิบายได้ด้วยตัวแปรเพียง 3 อย่างคือ มวล, การหมุนรอบตัว และประจุไฟฟ้า นักดาราศาสตร์สามารถตรวจสอบมวลของหลุมดำได้ในแบบที่ค่อนข้างตรงไปตรงมา โดยการเฝ้าดูว่าสสารเคลื่อนที่ในละแวกใกล้เคียงภายใต้อิทธิพลสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำอย่างไรบ้าง

     ส่วนประจุของหลุมดำนั้นคิดกันว่าเป็นเรื่องไม่สำคัญเมื่อประจุทั้งบวกและลบที่ตกลงสู่หลุมดำ สุดท้ายก็จะมีจำนวนที่เท่าๆ กัน การหมุนรอบตัวของหลุมดำนั้นยากที่จะตรวจสอบ โดยปกติจะตรวจสอบโดยการแปลผลการเปล่งรังสีเอกซ์จากขอบในที่ร้อนของดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) รอบหลุมดำ การหมุนรอบตัวแบ่งระดับได้ตั้งแต่ 0 ถึง 1 และหลุมดำก็อาจหมุนรอบตัวได้ตั้งแต่จุดทศนิยมไม่มาก จนใกล้เคียงกับ 1

ภาพรวมประกอบจากข้อมูลอินฟราเรดและรังสีเอกซ์แสดงพื้นที่ในใจกลางทางช้างเผือก ภาพเล็กเป็นภาพรังสีเอกซ์ในระยะประชิด

     กาแลคซีทางช้างเผือกมีหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) แห่งหนึ่งในใจกลางของมัน คนยิงธนู เอ สตาร์
(Sagittarius A* หรือเขียนสั้นๆ ว่า Sgr A*) มีมวลประมาณ 4 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ มันเปิดเผยตัวเองออกมาเป็นครั้งแรกให้กับนักวิทยาศาสตร์ในปี 1931 โดยเป็นแหล่งคลื่นวิทยุปริศนาในใจกลางกาแลคซีที่ระยะห่างประมาณ 27000 ปีแสง แต่ก็ต้องกระทั่งปี 2002 ที่นักวิจัยยืนยันว่าคลื่นวิทยุนี้มาจากบางสิ่งที่มีมวลสูงและมีขนาดกะทัดรัดอย่างหลุมดำ และเมื่อไม่กี่วันก่อน การศึกษาหลุมดำทางช้างเผือกก็ทำให้นักวิจัยได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020

     มันเป็นหลุมดำยักษ์ที่อยู่ใกล้เรามากที่สุดและแม้ว่ามันจะไม่ได้มีกิจกรรมมากมาย หรือสว่างเจิดจ้าอย่างหลุมดำในกาแลคซีอื่นๆ ความใกล้ของมันก็ช่วยให้นักดาราศาสตร์มีโอกาสอันเป็นอัตลักษณ์ในการตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้นใกล้กับ “ขอบ” ของหลุมดำขนาดใหญ่ได้

     หลุมดำในใจกลางกาแลคซีของเรานั้นล้อมรอบด้วยดาวกลุ่มหนึ่ง และมีก้อนมวลสารที่เรืองสลัวอีกมากมาย และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ก็สามารถผลักดันการทดสอบสัมพัทธภาพทั่วไปจนถึงขีดจำกัดใหม่ โดยการตรวจสอบและทำแบบจำลองการเคลื่อนที่ของก้อนเหล่านี้เมื่อพวกมันเหวี่ยงตัวไปรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาล อย่างไรก็ตาม การหมุนรอบตัวของหลุมดำก็ไม่ได้ค่าที่สอดคล้องกันนัก แต่ค่าที่ได้ก็น่าจะช่วยบอกว่าแบบจำลองใดที่ใช้การได้

ภาพจาก ALMA แสดงเมฆโมเลกุลก๊าซรอบพื้นที่ที่ทราบว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือกอยู่ พื้นที่แห่งนี้เน้นเป็นสีแดง ดูมืดและสงบเงียบ

     การหมุนรอบตัวนั้นมีความสำคัญด้วยเหตุผลหลัก 2 ประการ ประการแรกคือ ขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) หรือพื้นที่ที่ไม่อาจย้อนกลับได้ ซึ่งจะมีขนาดใหญ่ขึ้นถ้าหลุมดำมีมวลสุงขึ้น แต่ถ้าหลุมดำหมุนรอบตัวเร็วขึ้นเรื่อยๆ ขอบฟ้าสังเกตการณ์ก็จะหดมา หลุมดำที่หมุนรอบตัวเร็วมากๆ ก็ควรจะมีขอบฟ้าสังเกตการณ์ที่เล็กกว่าหลุมดำที่หมุนรอบตัวช้า ด้วยมวลที่ใกล้เคียงกัน

     ประการที่สอง การหมุนรอบตัวแสดงบทบาทในการสร้างไอพ่นวัสดุสารที่ร้อน 2 ลำที่บางครั้งก็ยิงออกสู่อวกาศด้วยความเร็วสูงอย่างไม่น่าเชื่อ จากแกนการหมุนรอบตัวของหลุมดำ กาแลคซีที่มีขนาดพอๆ กับทางช้างเผือกเกือบทุกแห่งมีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ในใจกลาง และกาแลคซีเหล่านี้ก็มักจะมีไอพ่นขนาดพอประมาณพุ่งออกจากแกนกลาง แต่ทางช้างเผือกกลับไม่มีไอพ่นให้เห็น นี่น่าจะบอกว่า Sgr A* น่าจะหมุนรอบตัวไม่เร็วนัก

     นักวิจัยคิดว่าหลุมดำที่หมุนรอบตัวเร็วจะก่อกวนดิสก์ที่กำลังสะสมมวลสารที่หมุนอยู่เลยขอบฟ้าสังเกตการณ์ออกไปเล็กน้อย เร่งให้สสารบางส่วนมีความเร็วสูงจนปะทุกลายเป็นไอพ่นออกมา สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทราบเกี่ยวกับ Sgr A* ที่เงียบกริบ ก็คือมันอาจจะมีดิสก์สะสมมวลสารขนาดเล็ก หรือหลุมดำยักษ์แทบจะไม่หมุนรอบตัวเลย หรือทั้งสองอย่าง

     นักดาราศาสตร์ที่ศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CfA) Giacomo Fragione และ Avi Loeb ตระหนักว่าการกระจายตัวของวัตถุที่กระจุกกันอยู่กลุ่มหนึ่ง ที่เรียกว่า ดาวฤกษ์เอส(S-stars) สามารถใช้เพื่อตรวจสอบการหมุนรอบตัวของหลุมดำ ขณะนี้พบดาวฤกษ์เอสประมาณ 40 ดวงโคจรรอบหลุมดำของทางช้างเผือก ด้วยวงโคจรที่เล็กถึง 9.9 ปี และการวิเคราะห์เมื่อเร็วๆ นี้ก็อ้างอิงว่าพวกมันเรียงอยู่ในดิสก์ที่เกือบหันข้าง(edge-on) พอดี 2 อัน โดยดาวในแต่ละดิสก์ก็โคจรรอบหลุมดำไป แต่ในทิศทางตรงกันข้าม ถ้าคุณวาดวงโคจรของพวกมันรอบๆ หลุมดำและมองจากด้านข้าง พวกมันก็จะตัดกันเป็นตัว X

ภาพจากศิลปินแสดงดาวฤกษ์เอสที่โคจรรอบหลุมดำในใจกลางทางช้างเผือก

     นักดาราศาสตร์ทั้งสองตระหนักว่าเรขาคณิตที่ไม่ปกติเช่นนี้น่าจะช่วยให้ประเมินการหมุนรอบตัวของหลุมดำได้ หนึ่งในการทำนายที่น่าฉงนที่สุดของสัมพัทธภาพก็คือ อวกาศไม่เพียงแต่บิดโค้งไปรอบๆ โดยแรงโน้มถ่วงของวัตถุมวลสูง แต่มันยังบิด(ในระดับที่น้อยกว่า) จากการหมุนรอบตัวของวัตถุด้วย นี่เป็นสิ่งที่เรียกว่า frame dragging effect ปรากฏการณ์ประหลาดที่มีขนาดเล็กและยากที่จะตรวจสอบ(อย่างไรก็ตาม ก็ทำได้สำเร็จ) ทั้งคู่ได้แสดงว่าในกรณีของ Sgr A* การลากกรอบจะมีผลพอประมาณต่อวงโคจรของดาวฤกษ์เอสในดิสก์เหล่านี้ พวกเขาก็สามารถแสดงว่าการหมุนรอบตัวของหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางทางช้างเผือกนั้น จะต้องมีไม่ถึง 0.1

     เนื่องจากถ้ามีการหมุนรอบตัวที่เร็วกว่านั้น ก็น่าจะผลักดาวฤกษ์เอสออกจากระนาบการโคจรตัว X ไปแล้ว นั้นเป็นเพราะวงโคจรของพวกมันซึ่งนักวิจัยคิดว่าน่าจะเก่าแก่พอๆ กับอายุดาวฤกษ์เอง ดาวยังคงอยู่ในวงโคจรเดิมนับตั้งแต่ที่พวกมันก่อตัวขึ้นมา ถ้า Sgr A* เคยหมุนรอบตัวเร็วมากก็ไม่น่าจะเกิดรูปแบบนี้ได้ เมื่อวัตถุมวลสูงหมุนรอบตัวเร็วมากๆ ในอวกาศ การหมุนนั้นจะส่งอิทธิพลต่อทุกๆ สิ่งในวงโคจรรอบมัน เมื่อเวลาผ่านไป วัตถุมวลสูงจะกระตุกวงโคจรของวัตถุขนาดเล็กเหล่านั้นทำให้พวกมันเรียงตัวตามทิศทางการหมุนรอบตัวของวัตถุมวลสูงเองเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยวัตถุที่หมุนรอบตัวช้าก็จะสร้างผลอ่อน และยิ่งต้องใช้เวลานานขึ้นเพื่อให้วัตถุขนาดเล็กเหล่านั้นเรียงตัวในวงโคจรรอบหัวหน้าตัวเบิ้ม

ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลจับภาพไอพ่นสัมพัทธภาพลำใหญ่(สีฟ้า) ที่พุ่งออกจากหลุมดำมวลมหาศาลทีใจกลางกาแลคซี M87(กาแลคซีกังหันยักษ์แห่งนี้ปรากฏเป็นจุดสว่างในภาพ โดยหลุมดำของมันมีขนาดเล็กเกินกว่าจะเห็นได้) ไอพ่นลำที่สองของหลุมดำยิงออกมาในทิศทางอื่นและถูกซ่อนไว้

      ดาวเหล่านั้นมีอายุเก่าแก่มากพอที่การหมุนรอบตัวน่าจะดึงพวกมันให้เป็นระเบียบมากขึ้นอย่างสังเกตได้ ถ้าผลกระทบนั้นรุนแรงมากพอ จึงอนุมานได้ว่าวงโคจรของพวกมันอยู่ในสภาพดั่งเดิมมาตั้งแต่ที่พวกมันก่อตัวขึ้น ดาวฤกษ์เอสจึงเป็นตัวระบุขีดจำกัดขั้นต่ำสำหรับ Sgr A* ที่หนึ่งในสิบความเร็วแสง และอาจจะหมุนรอบตัวช้ากว่านั้นอีก ผลสรุปนี้ยังอธิบายว่าเพราะเหตุใดจึงดูเหมือนว่า Sgr A* ไม่มีไอพ่นให้เห็น ภาพเงาของ Sgr A* ในระยะประชิดที่ชัดเจนภาพแรกที่คาดหมายว่าจะเผยแพร่ในอนาคตอันใกล้จากทีมวิจัยอื่น น่าจะช่วยยืนยันได้ รายงานนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 1 ตุลาคม  

แหล่งข่าว phys.org : the spin of the supermassive black hole in the Milky Way  
                space.com : the Milky Way’s quiet, introverted monster won’t spin