หลุมดำระดับพันล้านเท่าในช่วงรุ่งอรุณของเอกภพ

 

ภาพจากศิลปินแสดง J0313-1806 ซึ่งเป็นเควซาร์ที่อยู่ห่างไกลมากที่สุดเท่าที่เคยพบมา โดยพบมันเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 670 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น

 

    ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้พบเควซาร์ที่ห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา เป็นปีศาจที่อยู่ห่างจากโลก 13.03 พันล้านปีแสง ซึ่งได้รับพลังจากหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่มีมวล 1.6 พันล้านเท่ามวลดวงอิทตย์ และสว่างกว่ากาแลคซีทางช้างเผือกของเรามากกว่าหนึ่งพันเท่า

      เควซาร์(quasar) ซึ่งมีชื่อว่า J0313-1806 ถูกพบเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 670 ล้านปีเท่านั้น(หรือเรดชิพท์ 7.64) และกำลังบอกเล่าเรื่องราวมีค่าแก่นักดาราศาสตร์ว่ากาแลคซีมวลสูงและหลุมดำมวลมหาศาลในแกนกลางของพวกมัน ก่อตัวได้อย่างไรในเอกภพยุคต้น นักวิทยาศาสตร์นำเสนอการค้นพบในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 237 แบบเสมือนจริง และเผยแพร่เป็นรายงานใน Astrophysical Journal Letters

     เควซาร์(quasar ย่อมาจาก quasi-stellar radio sources) เกิดขึ้นเมื่อแรงโน้มถ่วงรุนแรงของหลุมดำมวลมหาศาล
(supermassive black hole) ในแกนกลางของกาแลคซีแห่งหนึ่งๆ ดึงวัสดุสารจากรอบข้างมาก่อตัวเป็นดิสก์มวลสารที่ร้อนยิ่งยวดและหมุนไปรอบๆ หลุมดำ กิจกรรมนี้ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลทำให้เควซาร์สว่างเจิดจ้าอย่างมากซึ่งมักจะกลบกาแลคซีส่วนที่เหลือไปเลย แต่มันก็อยู่ห่างไกลมากๆ จนต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่สุดที่มีจึงจะสามารถตรวจจับมันเป็นจุดอินฟราเรดจุดหนึ่งในช่วงรุ่งอรุณของเอกภพ

เควซาร์ปรากฏมีขนาดใหญ่กว่าจุดๆ เดียวในข้อมูลของนักวิจัย

      J0313-1806 เบียดเอาชนะผู้ครอบครองสถิติเควซาร์ที่ห่างไกลที่สุดซึ่งพบเมื่อสามปีที่แล้ว J1342+0928 ไป 20 ล้านปี การสำรวจด้วย ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ในชิลีได้ยืนยันการตรวจสอบระยะทางด้วยความแม่นยำสูง หลุมดำของเควซาร์นี้มีมวลสูงเป็นสองเท่าของผู้ยึดครองสถิติก่อนหน้านี้ และความจริงนี้ก็ให้แง่มุมอันมีค่าเกี่ยวกับหลุมดำและผลกระทบของพวกมันต่อกาแลคซีต้นสังกัด

     Feige Wang นักวิจัยฮับเบิลที่หอสังเกตการณ์สจ๊วต มหาวิทยาลัยอริโซนา และผู้นำทีมวิจัย กล่าวว่า นี่เป็นตัวอย่างแรกที่สุดว่าหลุมดำมวลมหาศาลกำลังสร้างผลกระทบต่อกาแลคซีต้นสังกัดของมันอย่างไรบ้าง จากการสำรวจกาแลคซีที่ห่างไกลน้อยกว่านี้ เราทราบว่าสิ่งนี้จะต้องเกิดขึ้น แต่เราไม่เคยได้เห็นมันเกิดขึ้นตั้งแต่ช่วงเริ่มแรกในเอกภพ มวลมหาศาลของหลุมดำใน J0313-1806 ตั้งแต่ในช่วงแรกๆ ของความเป็นมาของเอกภพได้กำจัดแบบจำลองทางทฤษฎี 2 งานว่าวัตถุเหล่านี้ก่อตัวอย่างไร ทิ้งไปได้

     แบบจำลองที่ตัดทิ้งไปงานแรกบอกว่า ดาวฤกษ์มวลสูงมากในระดับหลายร้อยเท่ามวลดวงอาทิตย์(ดาวฤกษ์รุ่นแรกสุดที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมล้วนๆ เรียกว่า ประชากรดาวกลุ่ม 3; Population III stars) แต่ละดวงมีชีวิตที่สั้นมาก ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาและยุบตัวเป็นหลุมดำซึ่งต่อมาก็เกาะกลุ่มกันเป็นหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ขึ้น แบบที่สองบอกว่า กระจุกดาวที่หนาแน่นสูงยุบตัวกลายเป็นหลุมดำมวลสูง อย่างไรก็ตาม ในกรณีทั้งสองนี้กระบวนการจะใช้เวลานานเกินกว่าที่จะสร้างหลุมดำที่มีขนาดใหญ่อย่างที่พบใน J0313-1806 ในช่วงเวลาที่เราพบมันได้

ภาพจากศิลปินแสดงการยุบตัวของเมฆก๊าซลงโดยตรง ซึ่งเป็นวิธีหนึ่งที่อาจจะก่อตัวหลุมดำมวลมหาศาลขึ้นมาได้

      นี่กำลังบอกเราว่าไม่ว่าเราจะทำยังไง เมล็ดพันธุ์ของหลุมดำนี้ก็จะต้องก่อตัวขึ้นจากกลไกที่แตกต่างออกไป Xiaohui Fan จากมหาวิทยาลัยอริโซนา เช่นกัน กล่าว ในกรณีนี้ มันเป็นกลไกที่เกี่ยวข้องกับก๊าซไฮโดรเจนเย็นดั่งเดิมปริมาณมหาศาลได้ยุบตัวลงโดยตรงกลายเป็นเมล็ดพันธุ์หลุมดำ Mitch Begelman จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าวว่า ผมคิดว่า(หลุมดำ) มวลสูงที่เรดชิพท์มากกว่า 7 เหล่านี้ได้สร้างความกดดันให้กับแบบจำลองที่บอกว่าประชากรดาวฤกษ์กลุ่มสามเป็นเมล็ดพันธุ์ แม้ว่าจะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำเมล็ดพันธุ์ที่มีมวลระดับหมื่นเท่าดวงอาทิตย์ตั้งแต่ช่วงหนึ่งร้อยล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง แต่ก็จะต้องเติบโตขึ้นด้วยอัตราที่สูงที่สุดเพื่อที่จะถึง 1.6 พันล้านเท่า

     การสำรวจ J0313-1806 ของ ALMA ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับกาแลคซีต้นสังกัดของเควซาร์ ซึ่งกำลังก่อตัวดาวใหม่ๆ ด้วยอัตราประมาณ 200 เท่าของอัตราก่อตัวในทางช้างเผือก นี่เป็นอัตราการก่อตัวดาวที่ค่อนข้างสูงในกาแลคซีที่มีอายุใกล้เคียงกัน และมันก็บ่งชี้ว่ากาแลคซีต้นสังกัดของเควซาร์กำลังเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วมากๆ Jinyi Yang ผู้เขียนคนที่สองในรายงานนี้ จากมหาวิทยาลัยอริโซนา เช่นกัน กล่าว

     ความสว่างของเควซาร์บ่งชี้ว่าหลุมดำกำลังกลืนกินมวลสารเทียบเท่ากับ 25 เท่าดวงอาทิตย์ต่อปี นักดาราศาสตร์บอกว่าพลังงานที่ปลดปล่อยออกจากการป้อนมวลสารที่รวดเร็วอาจจะส่งพลังให้กับกระแสก๊าซมีประจุ(หรือพลาสมา) ที่ไหลออกมาอย่างทรงพลังที่พบว่าเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 20% ความเร็วแสง การไหลออกที่ทรงพลังเช่นนั้นกำลังดึงก๊าซเย็นที่ใช้ในการก่อตัวดาวออกจากกาแลคซี และคิดกันว่าสุดท้ายแล้วจะหยุดการก่อตัวดาวในกาแลคซีลง

ภาพของเควซาร์ที่ห่างไกลที่สุดที่นำเสนอในการประชุมดาราศาสตร์อเมริกันเสมือนจริง แถวบนแสดงภาพเควซาร์ในช่วงความยาวคลื่นที่มากขึ้นเรื่อยๆ สเปคตรัมด้านล่างแสดงว่าแสงของเควซาร์ที่เปล่งในแต่ละช่วงความยาวคลื่นเปรียบเทียบกับสเปคตรัมแม่แบบเควซาร์(เส้นฟ้า) เป็นอย่างไร แสงที่ความยาวคลื่นมากที่สุดแทบจะถูกดูดกลืนโดยก๊าซไฮโดรเจนที่อยู่กั้นกลางไปเกือบทั้งหมด การดูดกลืนทั้งปวงนี้เป็นสัญญาณที่ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้พบเควซาร์ที่ห่างไกลเช่นนี้

     เราคิดว่าหลุมดำมวลมหาศาลเหล่านั้นเป็นเหตุผลว่าเพราะเหตุใดกาแลคซีขนาดใหญ่หลายแห่งจึงหยุดก่อตัวดาวลง Fan กล่าว เราสำรวจพบ “การปิด(quenching)” นี้ในช่วงเวลาหลังจากนั้น แต่จนกระทั่งบัดนี้ เราก็ไม่เคยทราบว่ากระบวนการเกิดขึ้นเร็วแค่ไหนในเอกภพยุคต้น เควซาร์นี้จึงเป็นหลักฐานที่เร็วที่สุดว่าการปิดการก่อตัวดาวอาจจะเกิดขึ้นได้ตั้งแต่ในช่วงต้นมากๆ กระบวนการนี้ยังทิ้งหลุมดำให้อดอยากและหยุดการเจริญของมัน และแสงจ้าของมันก็จะมืดลงอย่างน้อยก็จากมุมการมองของเรา Fan ระบุ

     นอกเหนือจาก ALMA แล้ว นักดาราศาสตร์ยังใช้กล้องโทรทรรศน์มาเจลลันบาดขนาด 6.5 เมตร, กล้องเจมิไนเหนือ และหอสังเกตการณ์เคก ในฮาวาย และกล้องเจมิไนใต้ในชิลี นักดาราศาสตร์วางแผนที่จะศึกษา J0313-1806 ต่อไป รวมทั้งเควซาร์อื่นด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและในอวกาศ

     การสำรวจในอนาคตด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์น่าจะเปิดงานวิจัยเควซาร์ในรายละเอียดให้ขยายกว้างขึ้น ด้วยกล้องภาคพื้นดิน เราสามารถเห็นได้แค่เพียงแหล่งแสงเท่านั้น Wang กล่าว การสำรวจในอนาคตน่าจะแสดงให้เห็นโครงสร้างไอพ่นที่ไหลออกและบอกได้ว่าลมเควซาร์แผ่ออกไปไกลจากกาแลคซีแค่ไหน และช่วยให้เราเข้าใจสถานะในวิวัฒนาการของมันได้ดีขึ้น ทีมกำลังพัฒนาปัญญาประดิษฐ์เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลขนาดใหญ่และทำให้กระบวนการค้นหาเควซาร์ที่ไกลโพ้นมีประสิทธิภาพมากขึ้น เมื่อยูคลิด(Euclid) และกล้องเวบบ์จะช่วยให้เราได้พบเควซาร์อาจจะถึงร้อยแห่งที่ระยะดังกล่าวหรือไกลกว่านั้น ด้วยตัวอย่างทางสถิติกลุ่มใหญ่จะช่วยให้สร้างไทม์ไลน์ที่แม่นยำของยุครีไอออนไนซ์(reionization epoch) เช่นเดียวกับเปิดช่องมากขึ้นว่าหลุมดำยักษ์เหล่านี้ก่อตัวได้อย่างไร

เควซาร์ที่ห่างไกลที่สุดสามแห่งล่าสุดที่พบในช่วงสามปีหลัง(ระบุเป็นห้าเหลี่ยมสีแดง) ต้องขอบคุณการสำรวจท้องฟ้าพื้นที่กว้างล่าสุด ความพยายามที่กำลังดำเนินไปเพื่อหาเควซาร์ที่ระยะทางที่ไกลออกไปกว่าเดิมกำลังใกล้เคียงกับยุคที่มีเควซาร์แห่งแรกๆ เกิดขึ้นประมาณ 500 ล้านปีหลังบิ๊กแบง

แหล่งข่าว sciencedaily.com : quasar discovery sets new distance record
                sciencealert.com : astronomers detect the most distant quasar to date, over 13 billion light-years away
                skyandtelescope.com : what the most distant quasar tells us about black hole birth
                space.com : the most distant quasar ever found is hiding a seriously supermassive black hole
                 phys.org : researchers discover the earliest supermassive black hole and quasar in the universe