ปริศนาหลุมดำยักษ์ใหญ่ที่หายไป

     ปริศนาการหายไปของหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งยังคงซับซ้อนมากขึ้น แม้ว่าจะมีการสำรวจหาด้วยหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา และกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของนาซาแล้ว นักดาราศาสตร์ก็ยังคงไม่เห็นหลักฐานว่าจะมีหลุมดำขนาดตั้งแต่ 3 พันล้านจนถึง 1 แสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์อยู่

กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลถ่ายภาพกระจุกกาแลคซี Abell 2261 จะสังเกตเห็นกาแลคซีขนาดใหญ่ที่สว่างมาก จากมวลของกาแลคซีแห่งนี้ นักดาราศาสตร์คาดว่าหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซีน่าจะมีมวลถึงระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่กลับสำรวจไม่พบร่องรอยใดๆ 

     กระจุกกาแลคซี(galaxy cluster) เป็นโครงสร้างที่ยึดเกาะกันด้วยแรงโน้มถ่วงที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในเอกภพ โดยปกติ พวกมันจะเป็นกลุ่มของกาแลคซีหลายร้อยจนถึงหลายพันแห่งที่มาเกาะกลุ่มกัน โดยมีกาแลคซีที่สว่างมากขนาดมหึมาแห่งหนึ่งอยู่ใกล้กับใจกลางกระจุก ซึ่งเรียกกาแลคซีสว่างนี้ว่า BCG(Brightest cluster galaxy) และแม้แต่ในบรรดา BCGs ด้วยกันเอง BCG ของกระจุก Abell 2261 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 2.6 พันล้านปีแสงก็มีความโดดเด่น เมื่อมันมีความกว้างถึง 1 ล้านปีแสง ใหญ่เป็นสิบเท่าของทางช้างเผือก และมีแกนกลางขนาดมหึมาที่ปุกปุยด้วยความกว้าง 1 หมื่นปีแสง เป็นแกนกลางกาแลคซีที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยเห็นมา

     ในกาแลคซีขนาดใหญ่แทบทุกแห่งในเอกภพ จะมีหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลาง ซึ่งมีมวลตั้งแต่หลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ เนื่องจากมวลของหลุมดำในใจกลางมักจะอยู่ในแนวโน้มเดียวกับมวลของกาแลคซีเอง นักดาราศาสตร์จึงคาดว่ากาแลคซีในใจกลางกระจุก Abell 2261(ซึ่งเรียกว่า A2261-BCG) นั้นสามารถคำนวณขนาดของหลุมดำได้ ซึ่งน่าจะเป็นปีศาจตัวมหึมาด้วยมวลระหว่าง 3 พันล้านจนถึง 1 แสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้มันกลายเป็นหนึ่งในหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ที่สุด(หลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือกมีมวลราว 4 ล้านเท่าดวงอาทิตย์)

     แต่แทนที่จะอุดมไปด้วยรังสีจากหลุมดำมวลสูงที่เปี่ยมด้วยกิจกรรม เมื่อมันกวนและทำให้วัสดุสารรอบๆ ร้อนจัด หลุมดำของ A2261-BCG กลับเต็มไปด้วยกลุ่มหมอกฝ้าจากแสงดาวที่สว่าง เครื่องมือหลายชิ้นก็ไม่พบร่องรอยใดๆ ของหลุมดำในใจกลางกาแลคซีแห่งนี้เลย

     ด้วยการใช้ข้อมูลจันทราที่ได้ในปี 1999 และ 2004 นักดาราศาสตร์ได้สำรวจใจกลางของกาแลคซีขนาดใหญ่ในใจกลางกระจุก Abell 2261 เพื่อหาสัญญาณของหลุมดำยักษ์ พวกเขามองหาวัสดุสารที่ร้อนยิ่งยวดเมื่อมันตกลงสู่หลุมดำและสร้างรังสีเอกซ์ขึ้นมา แต่กลับไม่พบแหล่ง(รังสีเอกซ์) เช่นนั้นเลย

A2261-BCG ด้วยกล้องจันทรา

     ขณะนี้ ด้วยการสำรวจจากจันทรางานใหม่จากปี 2018 ทีมที่นำโดย Kayhan Gultekin จากมหาวิทยาลัยมิชิกัน ที่แอนน์อาร์เบอร์ ได้ทำการสำรวจเชิงลึกเพื่อหาหลุมดำในใจกลางกาแลคซีแห่งนี้ พวกเขายังพยายามหาคำอธิบายทางเลือกอื่นว่าหลุมดำถูกผลักออกจากใจกลางกาแลคซีต้นสังกัด เหตุการณ์รุนแรงเช่นนี้อาจจะเป็นผลจากการควบรวมของกาแลคซีสองแห่งเพื่อสร้างกาแลคซีที่สำรวจพบนี้ ซึ่งหลุมดำในใจกลางกาแลคซีแต่ละแห่งจะควบรวมกันก่อตัวเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้นแห่งเดียว

     เมื่อหลุมดำควบรวมกัน พวกมันจะสร้างระลอกในกาลอวกาศที่เรียกว่า คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) ถ้าคลื่นความโน้มถ่วงปริมาณมหาศาลที่ถูกสร้างในเหตุการณ์เช่นนี้ มีความไม่สมมาตรในทิศทางใดทิศทางหนึ่งมากกว่า ทฤษฎีได้ทำนายว่าหลุมดำมวลสูงขึ้นแห่งใหม่ก็น่าจะกระดอนออกจากใจกลางกาแลคซีในทิศทางตรงกันข้าม นี่เป็นสิ่งที่เรียกว่า หลุมดำกระดอนกลับ(recoiling black hole)

     นักดาราศาสตร์ยังไม่พบหลักฐานที่แน่ชัดของหลุมดำกระดอนกลับนี้เลย และก็ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลแห่งอื่นๆ ที่เข้ามาใกล้กันและกันมากพอที่จะสร้างคลื่นความโน้มถ่วงและควบรวมหรือไม่ โดยรวมแล้ว นักดาราศาสตร์ระบุได้แค่เพียงการควบรวมจากหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่ามาก การตรวจจับหลุมดำมวลมหาศาลที่กระดอนกลับน่าจะต้องให้นักวิทยาศาสตร์คิดค้นและพัฒนาหอสังเกตการณ์เพื่อมองหาคลื่นความโน้มถ่วงจากหลุมดำมวลมหาศาลที่ควบรวมกัน

เมื่อวัตถุมวลสูงอย่างหลุมดำสองแห่งหมุนวนเข้าหากันและกัน และระยะทางหดสั้นลงเรื่อยๆ พลังงานการโคจรจะถูกเปลี่ยนเป็นคลื่นความโน้มถ่วง ถ้าการควบรวมของหลุมดำทั้งสอง สร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่ไม่สมมาตร หลุมดำใหม่ที่เกิดขึ้นก็อาจจะกระดอนถอยในทิศทางตรงกันข้ามกับความไม่สมมาตรนั้น

     รายละเอียดเหล่านี้ถูกจำแนกเป็นครั้งแรกโดย Marc Postman จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศและเพื่อนร่วมงานในภาพจากฮับเบิลและซูบารุก่อนหน้านั้น และชักนำให้พวกเขาเสนอแนวคิดหลุมดำที่ควบรวมใน Abell 2261 ขึ้นมา ในระหว่างการควบรวม หลุมดำมวลมหาศาลในแต่ละกาแลคซีจะจมเข้าหาใจกลางของกาแลคซีที่เพิ่งรวมตัวขึ้นใหม่ ถ้าพวกมันเชื่อมโยงกันและกันผ่านแรงโน้มถ่วงได้ และวงโคจรเริ่มสั้นลง ก็คาดว่าหลุมดำน่าจะมีปฏิสัมพันธ์กับดาวที่อยู่รอบๆ และผลักพวกมันออกจากใจกลางกาแลคซี นี่น่าจะอธิบายแกนกลางขนาดใหญ่ของ Abell 2261 ได้ และยังอาจอธิบายว่าเพราะเหตุใด กลุ่มของดาวที่อยู่กันอย่างหนาแน่นที่สุดจึงอยู่ไกลจากแกนกลางราว 2 พันปีแสง

     แต่กระนั้น การกระจายตัวของดาวที่เอียงยังอาจจะเกิดขึ้นจากเหตุการณ์รุนแรงเช่น การควบรวมของหลุมดำมวลมหาศาล 2 แห่งและการกระดอนกลับของหลุมดำยักษ์ที่ก่อตัวใหม่ ก็เป็นได้

     แม้ว่าจะมีเงื่อนงำว่ามีการควบรวมของหลุมดำเกิดขึ้น แต่ข้อมูลจากทั้งฮับเบิลและจันทราก็ไม่แสดงหลักฐานของหลุมดำเลย Gultekin และเพื่อนร่วมงานเกือบทั้งหมดของเขาซึ่งนำโดย Sarah Burke-Spolaor จากมหาวิทยาลัยเวสต์เวอร์จิเนีย เคยใช้ฮับเบิลเพื่อมองหากลุ่มก้อนของดาวฤกษ์ที่หลุมดำที่กระดอนกลับอาจจะดึงติดออกไปด้วยกัน พวกเขาศึกษากลุ่มก้อน 3 แห่งใกล้กับใจกลางกาแลคซี และตรวจสอบว่าการเคลื่อนที่ของดาวในกลุ่มก้อนเหล่านี้มีความเร็วมากพอที่จะบอกว่าพวกมันมีหลุมดำมวลระดับพันล้านเท่าอยู่ภายในด้วย แต่ก็ไม่มีหลักฐานที่แน่ชัดของหลุมดำในกลุ่มก้อนดาว 2 แห่ง และดาวในอีกกลุ่มที่เหลือก็สลัวเกินกว่าจะสร้างผลสรุปที่เป็นประโยชน์ได้

     พวกเขายังเคยศึกษาการสำรวจ Abell 2261 ด้วย VLA(Karl G. Jansky Very Large Array) การเปล่งคลื่นวิทยุที่ตรวจพบใกล้กับใจกลางของกาแลคซี ได้แสดงหลักฐานว่าเคยมีกิจกรรมของหลุมดำมวลมหาศาลเกิดขึ้นที่นั้นเมื่อ 50 ล้านปีก่อน แต่ไม่ได้บ่งชี้ว่าใจกลางของกาแลคซีในปัจจุบันมีหลุมดำเช่นนั้นอยู่ จากนั้น พวกเขาก็หันไปหากล้องจันทราเพื่อมองหาวัสดุสารร้อนยิ่งยวดและสร้างรังสีเอกซ์เมื่อมันตกลงสู่หลุมดำ ในขณะที่ข้อมูลจันทราได้เยผให้เห็นกลุ่มก๊าซร้อนที่หนาทึบที่สุดว่าไม่ได้อยู่ในใจกลางกาแลคซี แต่พวกมันก็ไม่ได้เผยให้เห็นสัญญาณรังสีเอกซ์ใดๆ ที่เป็นไปได้ว่าจะมาจากหลุมดำมวลมหาศษลที่กำลังเติบโต ไม่พบทั้งแหล่งรังสีเอกซ์ในใจกลางกระจุก หรือในกลุ่มก้อนของดาวใดๆ หรือในตำแหน่งที่มีการเปล่งคลื่นวิทยุใดๆ เลย

    ภาพรวมประกอบ Abell 2261 ซึ่งมีข้อมูลช่วงตาเห็นจากฮับเบิลและกล้องซูบารุ ได้แสดงกาแลคซีในกระจุกและที่พื้นหลัง และข้อมูลจากจันทราก็แสดงก๊าซร้อน(เป็นสีชมพู) กระจัดกระจายอยู่ทั่วกระจุก ใจกลางภาพแสดงกาแลคซีทรงรี(elliptical galaxy) ขนาดยักษ์ในใจกลางกระจุก

     ผู้เขียนจึงสรุปว่า อาจจะไม่มีหลุมดำอยู่ที่ใดเลย หรือ มันกำลังกลืนวัสดุสารช้าเกินกว่าจะสร้างสัญญาณรังสีเอกซ์ให้ตรวจจับได้ ปริศนาของตำแหน่งหลุมดำยักษ์ที่นั้นจึงยังคงอยู่ต่อไป แม้ว่าการสำรวจจะล้มเหลว แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังมีความหวังว่าจะมองหาหลุมดำมวลมหาศาลแห่งนี้ในอนาคต เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ น่าจะสามารถเผยให้เห็นการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซี หรือในกลุ่มก้อนดาวเหล่านั้นได้ ถ้าเวบบ์ยังหาหลุมดำไม่เจอ คำอธิบายที่ดีที่สุดก็คือ หลุมดำกระดอนหลุดออกจากใจกลางกาแลคซีไปแล้ว

     รายงานอธิบายผลสรุปเหล่านี้เผยแพร่ในวารสารของสมาคมดาราศาสตร์อเมริกัน และเวบไซท์ก่อนตีพิมพ์ arXiv.org

 

แหล่งข่าว phys.org : on the hunt for a missing giant black hole
                sciencealert.com : somehow, a monstrous supermassive black hole has gone missing
                iflscience.com : a supermassive black hole appears to have gone missing