LIGO-Virgo Gravitational-wave Transient Catalog 2

กลุ่มความร่วมมือ LIGO-Virgo(LIGO-Virgo collaborations) เพิ่งเผยแพร่บัญชีรายชื่อการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอย่างเป็นทางการครั้งที่สอง เพิ่มจำนวนการชนรวมจาก 11 เป็น 50 เหตุการณ์ ในบรรดาเหตุการณ์เหล่านั้น เกือบทั้งหมดเป็นการควบรวมของหลมดำคู่

      การตรวจจับใหม่ 39 เหตุการณ์มาจากช่วงหกเดือนแรกของการเดินเครื่องสำรวจครั้งที่ 3(O3) ซึ่งดำเนินการระหว่างเดือนเมษายนจนถึงตุลาคม 2019 เฉลี่ยเกิดการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง 1.5 ครั้งต่อสัปดาห์ กลุ่มความร่วมมือไม่ได้รวมว่าที่เหตุการณ์ที่ทีมสำรวจอื่นได้พบจากข้อมูลการเดินเครื่องก่อนหน้านี้ มี 26 จาก 39 เหตุการณ์ซึ่งได้ประกาศสู่สาธารณชนไปแล้ว ซึ่งพบโดยระบบอัตโนมัติและยืนยันโดยนักวิจัยอย่างรวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์ได้พบอีก 13 เหตุการณ์ที่เหลือในขณะที่กลั่นกรองข้อมูลในการสำรวจติดตามผลที่ละเอียดละออมากขึ้น

     คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) เป็นการกระเพื่อมที่วิ่งเป็นระลอกข้ามห้วงกาลอวกาศจากการชนครั้งใหญ่ของวัตถุมวลสูง เหตุการณ์ในช่วง O3 มีหลายเหตุการณ์ที่กลายเป็นหัวข้อข่าวใหญ่ไปแล้วซึ่งทีมได้ประกาศตลอดช่วงปี 2020 ซึ่งรวมถึงการชนของหลุมดำที่มีขนาดแตกต่างกันมาก(GW 190412), GW 190425 ซึ่งคิดกันว่าเป็นการชนของดาวนิวตรอนสองดวง และเป็นเพียงเหตุการณ์ที่สองที่พบเท่านั้น(เหตุการณ์แรกคือ GW 170817), GW 190521 เป็นการชนที่ในที่สุดก็ยืนยันการมีอยู่ของหลุมดำขนาดปานกลาง(intermediate-mass black hole; หลุมดำที่มีมวลอยู่ระหว่างมวลดวงดาว/stellar-mass กับมวลมหาศาล/supermassive) และ GW 190814 ซึ่งเป็นการชนแรกที่เกี่ยวข้องกับวัตถุในช่องว่างมวลที่อยู่ระหว่างดาวนิวตรอนกับหลุมดำ และการชนอีกเหตุการณ์หนึ่งที่อาจฝังตัวอยู่ในดิสก์ก๊าซ

     นี่ช่วยให้เรามีสำมะโนประชากรหลุมดำที่ครบถ้วนที่สุดจากชุดเครื่องมือของเรา แสดงถึงช่วงของหลุมดำที่ไม่เพียงแต่ไม่เคยตรวจพบมาก่อน แต่ยังสามารถเผยให้เห็นถึงความลึกที่แต่ก่อนหยั่งไม่ถึงในวิวัฒนาการและชีวิตหลังความตายของระบบคู่ Christopher Berry จากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น สมาชิกทีมกลุ่มร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ LIGO(LSC) กล่าวว่า ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงนั้นกำลังเกิดการปฏิวัติ เผยให้เราเห็ฯถึงชีวิตที่ซ่อนอยู่ของหลุมดำและดาวนิวตรอน ในเวลาเพียงห้าปี เราได้ก้าวจากที่ไม่รู้อะไรเลยว่ามีหลุมดำคู่ปรากฏอยู่ จนมามีบัญชีรายชื่อถึงมากกว่า 40 คู่ การเดินเครื่องำสำรวจครั้งทีสาม(O3) ได้ให้การค้นพบมากกว่าที่เคยได้มา เมื่อรวมสิ่งนี้จากการค้นพบก่อนหน้านี้ได้สร้างภาพที่สวยงามของเอกภพที่เต็มไปด้วยความหลากหลายของระบบคู่  

     จากบัญชีรายชื่อโดยรวมเหล่านี้ช่วยให้เรามองเห็นภาพการตรวจจับโดยรวม โดยวัตถุที่มีความเกี่ยวข้องกับการชนมีช่วงมวลที่กว้าง ตั้งแต่ ราว 1 เท่าเศษมวลดวงอาทิตย์ ไปจนถึงราว 90 เท่า เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นใกล้ที่สุดอยู่ที่ 5 ร้อยล้านปีแสง ส่วนที่ไกลที่สุดก็มองย้อนไปได้ที่ราว 7 พันล้านปีแสง ใน 39 เหตุการณ์ที่เพียงเหตุการณ์เดียวที่อาจจะเป็นการควบรวมของดาวนิวตรอน แต่ไม่เหมือนกับเหตุการณ์ครั้งประวัติศาสตร์ GW 170817 เมื่อนักดาราศาสตร์ไม่พบร่องรอยการปะทุคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งความเป็นไปได้นี้อาจขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุเอง

      นั้นก็ยังไม่ใช่ข้อมูลใหม่ทั้งหมดที่นำเสนอ ยังมีเหตุการณ์อีก 2 เหตุการณ์ GW 190426_152155 และ GW 190924_021846 ซึ่งปรากฏโดดเด่นเป็นพิเศษขึ้นมา และแน่นอนว่าชื่อที่ยาวๆ เหล่านั้น ก็เพราะเมื่อเราได้ตรวจจับเหตุการณ์(คลื่นความโน้มถ่วง) มากขึ้นเรื่อยๆ แต่วันอาจจะไม่เพียงพอที่จะแยกแยะพวกมัน ดังนั้นชื่อใหม่ยาวๆ แบบนี้จึงผนวกเวลาในแบบ UTC(Coordinate Universal Time) อย่าง GW 190426_151255 ก็อาจจะเป็นการควบรวมของหลุมดำแห่งหนึ่งที่มีมวลราว 6 เท่าดวงอาทิตย์กับดาวนิวตรอนอีก 1 ดวง โชคร้ายที่สัญญาณนี้ค่อนข้างแผ่ว ดังนั้นเราจึงไม่สามารถแน่ใจได้อย่างแน่นอน Serguei Ossokine นักดาราศาสตร์จากสถาบันอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในพอทชดัม เจอรมนี กล่าว

      สิ่งที่น่าสนใจจริงๆ เกี่ยวกับบัญชีรายชื่อใหม่ก็คือว่า หลุมดำที่มีขนาดใหญ่มีจำนวนมากแค่ไหน มากกว่าครึ่งในเหตุการณ์การควบรวมจะต้องเกี่ยวข้องกับหลุมดำที่มีมวลระดับ 30 เท่าดวงอาทิตย์หรือสูงกว่านั้น ก่อนการตรวจจับการควบรวมครั้งแรกของ LIGO ย้อนกลับไปในปี 2015 นักดาราศาสตร์เกือบทั้งหมดไม่คิดว่าพวกเขาจะได้พบหลุมดำที่มีขนาดใหญ่เช่นนั้น แต่เคยมีการทำนายไว้แต่ก็ไม่ได้ยอมรับกันอย่างกว้างขวางนัก

      แต่ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์มีกรณี 7 เหตุการณ์ที่มีหลุมดำหนึ่งแห่งที่มีมวลอย่างน้อย 50 เท่าดวงอาทิตย์ โดยมีแห่งหนึ่งที่พุ่งขึ้นไปถึง 90 เท่าดวงอาทิตย์ ระบบมวลสูงเหล่านี้เป็นหนึ่งในการค้นพบที่สำคัญที่สุดในบัญชีรายชื่อใหม่ นักดาราศาสตร์เคยได้ทำนายว่าน่าจะมีทะเลทรายหลุมดำระหว่างช่วงมวล 50 ถึง 130 เท่ามวลดวงอาทิตย์ เขตที่เปลี่ยวร้างส่วนนี้น่าจะมีอยู่เนื่องจาก เมื่อดาวฤกษ์มวลสูงคืบคลานถึงจุดจบของชีวิต มันจะหลอมคาร์บอนในแกนกลางอย่างบ้าคลั่งซึ่งเป็นสภาวะที่จะทำให้แกนกลางไร้เสถียรภาพ และเป็นสาเหตุให้มันยุบตัวอย่างรุนแรง ถ้าแกนกลางมีมวลเหนือระดับ 130 เท่า การยุบตัวจะเกิดขึ้นอย่างกู่ไม่กลับ เปลี่ยนแกนกลางให้กลายเป็นหลุมดำ แต่ที่แกนกลางมวลต่ำลงมา การหลอมนิวเคลียสจะเกิดขึ้นในแบบที่เกิดการผลักตัวออกได้เพียงพอที่จะต้านการยุบตัวลง และฉีกดาวออกเป็นชิ้นๆ ไม่เหลืออะไรไว้

     เมื่อได้เห็นหลุมดำมากมายอยู่ในช่องว่างมวลนี้จึงเป็นเรื่องที่สร้างความประหลาดใจอย่างแท้จริง Maya Fishbach นักวิทยาศาสตร์ LIGO จากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น กล่าว มันง่ายกว่าที่หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงจะจับการชนกันของหลุมดำขนาดใหญ่มากกว่าขนาดเล็ก แต่เมื่อนักวิจัยผลักขีดจำกัดของเครื่องมือไปอีกและเฝ้าดูว่าประชากรโดยรวมน่าจะมีสภาพอย่างไร ถ้าพวกเขาสามารถตรวจจับทุกสิ่งได้อย่างสมบูรณ์แบบ พวกเขาประเมินว่าจะมีระบบราว 3% ที่มีหลุมดำแห่งหนึ่งที่อ้วนพีระดับ 45 เท่าขึ้นไป ซึ่งสูงกว่าที่เคยประเมินจากบัญชีรายชื่องานแรกซึ่งอยู่ที่ 1%

     ยังคงไม่แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้น กลุ่มความร่วมมือยังได้เห็นร่องรอยว่าจำนวนของหลุมดำจะลดลงที่ระดับเกิน 40 เท่าขึ้นไป มันอาจจะเป็นประชากรกลุ่มย่อยซึ่งแท้จริงแล้วลวงข้อมูลอยู่ Fishbach กล่าว หลุมดำรุ่นที่สองซึ่งไม่ได้เกิดขึ้นจากการแตกดับของดาวแต่เป็นการชนย่อยๆ หรือบางที ช่วงมวลอาจจะต้องขยับขึ้นไปสูงขึ้น หรือจริงๆ เป็นเรื่องปกติ เมื่อดาวจะมีหนทางมากมายที่จะยุบตัว(เป็นหลุมดำ)

     Stan Woosley จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ ก็เป็นหนึ่งในนักดาราศาสตร์ที่ผลักดันความเป็นไปได้ที่สอง โดยการเปลี่ยนแปลงอัตราการหลอมนิวเคลียสของดาวไปด้วยเหตุบางประการ, การหมุนรอบตัว และการยึดจับมวลสารของมันไว้ก่อนที่จะตาย หรือหาทางดึงจากดาวข้างเคียงเข้ามา ก็เป็นไปได้ที่จะทำให้ขีดจำกัดขั้นต่ำขยับไปอยู่ที่ 65 เท่า เขากล่าว อธิบายทุกเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงได้หมด ยกเว้นเพียงเหตุการณ์เดียว

     การศึกษาในห้องทดลองเมื่อเร็วๆ นี้โดยทีมนานาชาติยังบอกว่า การหลอมฮีเลียมอาจจะคืบหน้าได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงขึ้นราว 35% ในแกนกลางดาว ถ้าเป็นเช่นนั้น ก็อาจจะช่วยสะสมคาร์บอน และชะลอการยุบตัวลง ทำให้ยากที่ดาวจะระเบิดที่มวลต่ำได้

     แต่ก็ยังไม่มีใครที่ทราบว่าจะต้องทำอย่างไร กับหลุมดำระดับ 90 เท่ามวลดวงอาทิตย์ นั้นมันอยู่กลางทะเลทราย(มวล) เลย Woosley กล่าว ถ้าคุณเอาเจ้านี่ออก ส่วนที่เหลือก็ดูไม่ยุ่งยาก

     หนทางหนึ่งที่จะค้นหาความเป็นมาของหลุมดำใหญ่ก็คือ จากการหมุนรอบตัวของพวกมัน หลุมดำที่เกิดขึ้นจากการควบรวมมักจะหมุนรอบตัวด้วยความเร็วประมาณ 70% ของอัตราสูงสุด ในความเป็นจริง หลุมดำทั้งหมดที่ได้ในบัญชีรายชื่อ O3 มีอัตราการหมุนใกล้เคียงกับค่าดังกล่าวนี้ แต่ในทางตรงกันข้าม หลุมดำที่เกิดจากการแตกดับของดาวน่าจะหมุนรอบตัวช้ากว่าซึ่งเป็นการทำนายที่ได้รับการยืนยันจากหลุมดำแห่งหนึ่งเกี่ยวข้องเหตุการณ์การควบรวมในบัญชี O3 ในเหตุการณ์ GW190814

     ความเอียงของแกนการหมุนรอบตัวก็สำคัญ แม้ว่านักดาราศาสตร์จะพบข้อยกเว้นมากมาย แต่คู่หลุมดำที่ก่อตัวขึ้นในฐานะเป็นแฝดร่วมท้องจากดาวฤกษ์ในระบบดาวคู่ ก็น่าจะหมุนรอบตัวเหมือนกับลูกข่างที่ตั้งตรงไปรอบกันและกัน อย่างไรก็ตาม แต่หลุมดำซึ่งมาอยู่คู่กันในภายหลังก็น่าจะที่จะความเอียงของแกนการหมุนรอบตัวแบบสุ่ม

     แต่ก็ยังคงยากที่จะตรวจสอบการหมุนรอบตัวของหลุมดำแต่ละแห่งก่อนที่จะควบรวมกัน Fishbach กล่าว นักวิทยาศาสตร์จึงตรวจสอบสิ่งนี้เป็นองค์รวมและหาการรบกวนในเชิงสถิติแทน จากการวิเคราะห์ กลุ่มความร่วมมือสามารถบอกได้ว่า หลุมดำก่อนการควบรวมบางส่วนก็กำลังหมุนรอบตัวอย่างแน่ชัด และมีประมาณหนึ่งในสามที่อาจจะกลิ้งไปด้านข้างเมื่อเทียบกับวงโคจร หรือหมุนกลับทางเมื่อเทียบกับทิศทางที่มันโคจรไปรอบคู่หูของมัน

     นี่บอกว่าในภาพที่เบื้องต้นมากๆ นี้ มีหลุมดำที่ชนกันและ LIGO-Virgo ได้พบราวหนึ่งในสามที่มาจับคู่กันมาตั้งแต่ในกระจุกดาวที่มีความหนาแน่นสูง หรือในดิสก์ก๊าซที่ปุกปุยมากรอบหลุมดำยักษ์ในใจกลางกาแลคซี(ซึ่งเรียกว่า supermassive black hole) แทนที่จะก่อตัวขึ้นมาด้วยกันตั้งแต่เริ่ม

     บัญชีรายชื่อใหม่และรายงานที่เกี่ยวข้องยังรวมถึงการค้นพบที่น่าสนใจอื่นๆ มากมาย ตั้งแต่การยืนยันทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของ
ไอน์สไตน์ จนถึงหลักฐานว่าอัตราการควบรวมของหลุมดำนั้นเมื่อ 7 หรือ 8 พันล้านปีก่อนสูงเป็นสองเท่าของปัจจุบันนี้(นี่เป็นสิ่งที่คาดการณ์ไว้ เมื่อการก่อตัวของดาวในเอกภพมีอัตราที่สูงที่สุดเมื่อราว 1 หมื่นล้านปีก่อน) และยังมีสัญญาณว่า จะมีหลุมดำที่มีมวลเบาน้อยกว่าที่คิดไว้อย่างมาก โดยระบบหลุมดำคู่ที่มีขนาดเล็กที่สุดที่พบ มีวัตถุที่ 9 และ 5 เท่ามวลดวงอาทิตย์(GW 190924_021846) แม้ว่าจะยังมีวัตถุอย่างน้อยหนึ่งดวงที่มีมวลจนอาจต่ำกว่าที่จะเป็นหลุมดำ(GW 190814) แต่ก็ยังดูน่าจะเป็นเหมือนลักษณะที่ขาดแคลนพวกมวลเบา Fishbach กล่าว

     แต่มันก็อาจเป็นภาพที่ยุ่งยาก เธอเตือน เรายังไม่แน่ใจว่าช่องว่าง(มวล) อยู่ตรงไหน และเราก็ยังไม่แน่ใจว่าช่องว่างนี้ว่างจริงหรือไม่ ภาพนี้จะชัดเจนมากขึ้นด้วยข้อมูลจากครึ่งหลังของ O3 ซึ่งเดินเครื่องตั้งแต่เดือนพฤศจิกายน 2019 จนถึงมีนาคม 2020 มีการเตือนเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงสู่สาธารณชน 23 ครั้งจากช่วงดังกล่าวนี้ แต่ก็อาจจะต้องรอหกถึงสิบสองเดือนก่อนที่การวิเคราะห์สุดท้ายจะออกมา

 

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : big black holes dominate new gravitational-wave catalog