หลุมดำยักษ์ที่กัดแทะดาวฤกษ์ทุก 114 วัน

     ราวๆ ทุก 114 วันจนแทบจะแม่นยำเหมือนกับนาฬิกา กาแลคซีแห่งหนึ่งที่อยู่ห่างออกไป 570 ล้านปีแสงจะสว่างขึ้นราวกับดอกไม้ไฟ หอสังเกตการณ์หลายแห่งได้บันทึกพฤติกรรมที่แปลกประหลาดนี้อย่างน้อยก็ตั้งแต่ปี 2014 และขณะนี้ นักดาราศาสตร์ก็ปะติดปะต่อเรื่องราวเพื่อระบุว่าเกิดอะไรขึ้น

อนิเมชั่นแสดงการลุกจ้าจาก ESO 253-G003

      ในใจกลางของกาแลคซีกังหัน ESO 253-G003 มีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่โคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งทุกๆ 114 วัน มันเหวี่ยงตัวผ่านเข้าไปใกล้มากพอที่วัสดุสารบางส่วนของมันจะถูกหลุมดำดึงและกลืนไป เป็นสาเหตุให้เกิดแสงจ้าในหลายช่วงความยาวคลื่น จากนั้น ดาวก็ขยับออกมาไกล อยู่รอดพอที่จะเหวี่ยงตัวกลับเข้าไปให้หลุมดำแทะทึ้งในวงโคจรถัดไปอีก จากความสม่ำเสมอของการลุกจ้านี้ นักดาราศาสตร์จึงเรียกกาแลคซีแห่งนี้ว่า Old Faithful ตามชื่อน้ำพุร้อนที่มีชื่อเสียงโด่งดังที่อุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน

      Anna Payne ผู้เขียนคนแรกในการศึกษานี้ นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยฮาวายที่มาเนา กล่าวว่า นี่เป็นการลุกจ้าในหลายช่วงความยาวคลื่นที่ทำนายได้แม่นยำที่สุดและปรากฏซ้ำบ่อยที่สุดเท่าที่เราเคยพบจากแกนกลางกาแลคซีแห่งหนึ่งๆ มา และพวกมันก็ให้โอกาสอันเป็นอัตลักษณ์แก่เราในการศึกษาโอลด์เฟธฟูลนอกกาแลคซีในรายละเอียด เราคิดว่าหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีสร้างการปะทุเมื่อมันกัดกลืนดาวยักษ์ที่โคจรรอบไปบางส่วน

     การลุกจ้าถูกพบเป็นครั้งแรกในเดือนพฤศจิกายน 2014 โดย ASAS-SN(All-Sky Automated Survey for Supernovae) ซึ่งเป็นเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์หุ่นยนต์ขนาด 14 เซนติเมตรจำนวน 24 ตัวทั่วโลก ในช่วงเวลาดังกล่าว นักดาราศาสตร์คิดว่าแสงที่สว่างขึ้นเป็นซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นใน ESO 253-G003 แต่ในปี 2020 เมื่อ Payne ได้ตรวจสอบข้อมูล ESO 253-G003 จาก ASAS-SN เธอก็พบการลุกจ้าอื่นๆ จากตำแหน่งเดียวกัน โดยรวมแล้ว เธอได้จำแนกการลุกจ้า 17 เหตุการณ์ ที่มีระยะห่างราว 114 วัน จากนั้น เธอและทีมได้ทำนายว่ากาแลคซีน่าจะมีการลุกจ้าอีกครั้งในวันที่ 17 พฤษภาคม, 7 กันยายน และ 26 ธันวาคม 2020 และก็ถูกต้องทั้งหมด ซึ่งถูกศึกษาโดยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินมากมาย(ซึ่งรวมถึงกล้องดูดาวสมัครเล่นขนาดใหญ่สี่ตัวในออสเตรเลีย, อาฟริกาใต้และบราซิล) และหอสังเกตการณ์อวกาศรังสีเอกซ์ทั้งสวิฟท์และ NuSTAR ของนาซา และ XMM-Newton ของอีซา

กาแลคซีกัมมันต์(active galaxy) ESO 253-G003 ในภาพ เป็นกาแลคซีแห่งแรกสุดที่แสดงการลุกจ้าซ้ำอย่างเป็นคาบเวลาสม่ำเสมอจากหลุมดำที่ใจกลางของมัน

      พวกเขาให้ชื่อการลุกจ้าที่เกิดขึ้นซ้ำๆ นี้ว่า ASASSN-14ko และการทำนายที่เที่ยงตรงเหล่านั้นก็หมายความว่าพวกเขาจะสามารถใช้การสำรวจการลุกจ้าในเดือนพฤษภาคมที่ลงรายละเอียดมากขึ้นได้จากกล้องโทรทรรศน์ TESS การสำรวจก่อนหน้านี้จากเครื่องมืออื่นๆ ก็ได้ให้ข้อมูลตลอดช่วงความยาวคลื่นที่กว้าง Patrick Vallely นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตท กล่าวว่า TESS ได้ให้ภาพที่มองทะลุปรุโปร่งสู่การลุกจ้าพิเศษนี้ แต่เนื่องจากวิธีที่ปฏิบัติการ TESS ถ่ายภาพท้องฟ้า มันจึงไม่สามารถสำรวจการลุกจ้าทั้งหมดได้ ASAS-SN รวบรวมข้อมูลการปะทุแต่ละครั้งที่มีรายละเอียดน้อยกว่า แต่ก็กินช่วงเวลาที่ยาวกว่าซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับกรณีนี้ การสำรวจทั้งสองงานจึงเติมเต็มกันและกัน

      การระเบิดซุปเปอร์โนวานั้นสว่างขึ้นแล้วก็จางหายไปเนื่องจากเหตุการณ์จะทำลายดาวต้นกำเนิด ดังนั้นไม่ว่าอะไรที่ทำให้เกิดการปะทุแสงในช่วงตาเห็น, อุลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์นี้ จะต้องเป็นสิ่งอื่นที่แตกต่างออกไป

     ไม่ใช่เรื่องแปลกที่หลุมดำมวลมหาศาลจะเปล่งการลุกจ้าอย่างสม่ำเสมอได้ เมื่อมันได้กัดแทะดาวดวงหนึ่งในวงโคจรอย่างที่เพิ่งจำแนกเมื่อปีที่แล้วซึ่งเกิดการลุกจ้านาน 9 ชั่วโมง แต่กรณี ESO 253-G003 ไม่ได้อธิบายได้ง่ายๆ แบบนั้น นั่นเป็นเพราะ ESO 253-G003 แท้จริงแล้วเป็นกาแลคซีสองแห่งที่กำลังอยู่ในขั้นตอนสุดท้ายของการควบรวมกัน ซึ่งหมายความว่า พวกมันก็น่าจะมีหลุมดำมวลมหาศาล 2 แห่งอยู่ในใจกลางด้วย

     งานวิจัยล่าสุดได้แสดงว่าหลุมดำมวลมหาศาล 2 แห่งที่กำลังมีปฏิสัมพันธ์กันสามารถสร้างการลุกจ้าที่เกิดขึ้นซ้ำๆ ได้ แต่วัตถุในใจกลาง ESO 253-G003 อยู่ห่างกันราว 4500 ปีแสง ห่างไกลเกินและยังโคจรรอบกันและกันช้าเกินกว่าจะมีปฏิสัมพันธ์รูปแบบนี้ได้ ความเป็นไปได้อื่นก็คือ มีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งได้ชนกับดิสก์มวลสารที่สะสมอยู่รอบๆ หลุมดำใหญ่กว่าในสองนั้น แต่นี่ก็ตัดทิ้งไปได้เลยเช่นกัน เมื่อดาวจะชนกับดิสก์สะสมมวลสารในตำแหน่งและมุมที่แตกต่างกัน รูปร่างของการลุกจ้าก็น่าจะแตกต่างกันไปด้วย แต่การสำรวจแสดงว่าการลุกจ้าจาก ESO 253-G003 นั้นเกิดขึ้นแทบไม่แตกต่างกันเลย และเห็นในนิวเคลียสที่สว่างกว่าหนึ่งในสอง

     ความเป็นไปได้ทางที่สามก็คือ การรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงบางส่วนซ้ำๆ(repeated partial tidal disruption) เมื่อวัตถุมวลสูงขนาดใหญ่ดึงวัสดุสารจากวัตถุขนาดเล็กในวงโคจร ซ้ำแล้วซ้ำอีก ถ้าดาวฤกษ์นี้อยู่ในวงโคจรที่รี 114 วันรอบหลุมดำ เมื่อมันผ่านเข้าใกล้ที่สุด(periastron) มันก็น่าจะเข้าใกล้มากพอที่จะถูกดึงวัสดุสารบางส่วนออกไปก่อนที่มันจะวิ่งหนีห่างออกไปอีกครั้ง เมื่อวัสดุสารนี้ชนกับดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำก็สร้างการลุกจ้าได้ และนี่ก็เป็นสิ่งที่น่าจะกำลังเกิดขึ้น

     เมื่อมีลำดับเหตุการณ์นี้อยู่ในใจ ทีมก็วิเคราะห์การสำรวจ พวกเขาวิเคราะห์กราฟแสงของการลุกจ้าแต่ละครั้ง และยังเปรียบเทียบการลุกจ้าทั้งหลายกับเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วง(tidal disruption event; TDEs) ของหลุมดำอื่นๆ และพวกเขาก็ตรวจสอบว่าดาวน่าจะโคจรหลุมดำมวลมหาศาลที่มีมวล 78 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ในช่วงที่เข้าใกล้มากที่สุด ดาวสูญเสียวัสดุสารราว 0.3% มวลดวงอาทิตย์(หรือสามเท่ามวลดาวพฤหัสฯ) ให้กับหลุมดำ ซึ่งก็น่าจะเพียงพอที่จะเป็นสาเหตุให้เกิดการลุกจ้าที่สำรวจพบ ในขณะที่ดาวก็ยังมีชีวิตต่อไปได้

     ถ้าดาวยักษ์ดวงหนึ่งที่มีชั้นก๊าซที่ปุกปุยผ่านเข้ามาใกล้ แต่ก็ไม่ได้ใกล้เกินไป ในวงโคจรที่รีมากๆ หลุมดำก็สามารถขโมยชั้นก๊าซส่วนนอกบางส่วนได้โดยไม่ฉีกดาวฤกษ์ออกเป็นชิ้นๆ Benjamin Shappee นักดาราศาสตร์ที่สถาบันเพื่อดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวาย กล่าว ในกรณีนั้น ดาวยักษ์ก็แค่เดินทางกลับมาซ้ำแล้วซ้ำอีก จนกว่าดาวจะหมดเชื้อเพลิง

ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งกำลังดึงชั้นก๊าซส่วนนอกออกจากดาวยักษ์แดงดวงหนึ่ง

     การรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงบางส่วนที่เกิดเป็นคาบเวลาแน่นอนเช่นนี้ถูกศึกษาในทางทฤษฎีเป็นครั้งแรกในปี 1986 โดย Jean-Pierre Luminet จากห้องทดลองดาราศาสตร์ฟิสิกส์ มาร์กเซย์ ฝรั่งเศส ในความเป็นจริง Luminet ให้ความเห็นว่า ผมประหลาดใจที่เหตุการณ์นี้ไม่ได้ถูกพบก่อนหน้านี้ เพราะว่า TDEs บางส่วนจะต้องเกิดขึ้นบ่อยกว่า TDEs ทั้งดวงซึ่งเราก็พบแล้วหลายสิบกรณี การคำนวณของเขาได้แสดงว่าแรงบีบฉีกของหลุมดำมวลมหาศาลน่าจะฉีกดาวที่คล้ายดวงอาทิตย์ได้ถ้ามันผ่านเข้ามาใกล้เกินไป หรือปล่อยมันไปแบบไม่บุบสลายถ้ามันอยู่ไกลพอ เทียบกันแล้ว ด้วยระยะทางใกล้เคียงกัน หลุมดำสามารถดึกชั้นก๊าซส่วนนอกที่มีความหนาแน่นต่ำจากดาวยักษ์แดงได้ ในขณะที่แกนกลางที่แน่นปึ๊กของดาวยังคงประสานกันดี

     แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังคงไม่ทราบว่าจริงๆ แล้ว มันเป็นดาวชนิดไหนกันแน่ จึงยังคงไม่แน่ชัดว่าดาวและหลุมดำจะรักษาการเต้นรำนี้ได้นานแค่ไหน ซึ่งทำให้ยากที่จะคำนวณว่าดาวจะอยู่รอดได้อีกนานแค่ไหน แต่ทีมได้ทำนายว่า เมื่อการลุกจ้าครั้งหน้าเกิดขึ้น ในเดือนเมษายน และสิงหาคม 2021 พวกเขามีแผนจะทำการสำรวจเพิ่มขึ้น ซึ่งก็จะเป็นโอกาสที่หาได้ยากมากๆ ในการเข้าใจการสะสมมวลของหลุมดำมวลมหาศาล Kris Stanek จากโอไฮโอสเตท กล่าวว่า โดยรวมแล้ว เราอยากจะเข้าใจคุณสมบัติของหลุมดำเหล่านี้และพวกมันเจริญอย่างไร ความสามารถเพื่อที่จะทำนายช่วงเวลาการลุกจ้าครั้งต่อๆ ไปอย่างแม่นยำ จะช่วยให้เราได้เก็บข้อมูลที่เราไม่น่าจะทำได้ และเราก็กำลังเก็บข้อมูลเหล่านี้แล้ว

     Luminet เตือนว่ายังต้องเรียนรู้เกี่ยวกับหลุมดำอีกมาก ลองหวนรำลึกเมื่อเมฆก๊าซความหนาแน่นต่ำก้อนหนึ่งที่เรียกว่า G2 ได้ผ่านเข้าใกล้หลุมดำในใจกลางทางช้างเผือกของเราเมื่อปี 2014 นักดาราศาสตร์เกือบทุกคนคาดว่ามันจะต้องถูกทำลายโดยแรงบีบฉีกมหาศาล แต่ก็ไม่มีอะไรเกิดขึ้นเป็นชิ้นเป็นอัน เราจึงยังต้องเรียนรู้อีกมากเพื่อให้เข้าใจ TDEs ได้ดีขึ้น งานวิจัยนำเสนอในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 237 และเผยแพร่ใน Astrophysical Journal และบนเวบ arXiv

แหล่งข่าว sciencealert.com : a distant galaxy is flaring with strange regularity, and scientists have figure out why
                skyandtelescope.com : black hole feasts on star, bite by bite
                phys.org : NASA missions help investigate an “Old Faithful” active galaxy