กลุ่มของหลุมดำในกระจุกดาวทรงกลม

 

    นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะได้พบหลุมดำมวลปานกลางในใจกลางกระจุกดาวทรงกลม NGC 6397 แต่พวกเขากลับได้พบหลักฐานการรวมกลุ่มของหลุมดำขนาดเล็กกว่าที่นั้นแทน ข้อมูลใหม่จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้นำไปสู่การขยายการตรวจสอบกลุ่มของหลุมดำในกระจุกทรงกลมที่เกิดแกนกลางยุบตัว

     กระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) เป็นระบบที่ดาวราวหนึ่งแสนจนถึงหนึ่งล้านดวงอยู่กันอย่างแออัดหนาแน่นมาก ในกระจุกทรงกลมใดๆ ดาวทั้งหมดจะก่อตัวขึ้นในเวลาเดียวกันจากเมฆก๊าซก้อนเดียวกัน โดยปกติพวกมันจะมีอายุเก่าแก่มาก ทางช้างเผือกพบกระจุกทรงกลมราว 150 แห่ง กระจุกทรงกลมในการศึกษานี้ NGC 6397 มีอายุเก่าแก่เกือบเท่ากับอายุของเอกภพเลยทีเดียว มันอยู่ห่างออกไป 7800 ปีแสง ทำให้มันเป็นหนึ่งในกระจุกทรงกลมที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดแห่งหนึ่ง เนื่องจากนิวเคลียสที่หนาแน่นมากของกระจุกจึงถูกเรียกว่ากระจุกที่แกนกลางยุบตัว(core-collapsed cluster)

     เมื่อ Eduardo Vitral และ Gary A. Mamon จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งปารีส ได้เริ่มศึกษาแกนกลางของ NGC 6397 พวกเขาคาดว่าจะได้พบหลักฐานของหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black hole; IMBH) ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes มวลตั้งแต่ 1 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ขึ้นไป) ที่อยู่ในใจกลางกาแลคซีขนาดใหญ่ แต่ก็ยังใหญ่กว่าหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes อาจมีมวลได้ถึงระดับร้อยเท่ามวลดวงอาทิตย์) ซึ่งก่อตัวจากการยุบตัวของดาวมวลสูง IMBH เป็นส่วนเชื่อมที่หายไปที่ตามหามานานในวิวัฒนาการหลุมดำและการมีอยู่ของพวกมันก็ยังเป็นข้อถกเถียงที่ร้อนแรง แม้ว่าจะได้พบว่าที่หลุมดำมวลปานกลางหลายแห่งแล้วก็ตาม ทฤษฎีและแบบจำลองต่างๆ บอกว่าอาจจะพบ IMBH ได้ในกระจุกทรงกลม

NGC 6397

     เมื่อมองหา IMBH Vitral และ Mamon ได้วิเคราะห์ตำแหน่งและความเร็วของดาวในกระจุก พวกเขาทำโดยใช้การประเมินการเคลื่อนที่เฉพาะ(proper motion) ของดาวจากภาพฮับเบิลที่ถ่ายภาพกระจุกตลอดหลายปี นอกจากนั้นก็ใช้การเคลื่อนที่เฉพาะที่ได้จากหอสังเกตการณ์ไกอา(Gaia) ของอีซาซึ่งทำการตรวจสอบตำแหน่ง, ระยะทางและการเคลื่อนที่ของดาวอย่างแม่นยำ(แต่ในส่วนแกนกลางกระจุกก็แม่นยำน้อยกว่าการสำรวจของฮับเบิล) การทราบระยะทางสู่กระจุกแห่งนี้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้แปลผลการเคลื่อนที่เฉพาะของดาว ให้กลายเป็นความเร็วได้

      การวิเคราะห์ของเราบอกว่าวงโคจรของดาวนั้นใกล้เคียงกับการโคจรแบบสุ่มทั่วกระจุกทรงกลม แทนที่จะเป็นแบบวงกลมหรือวงรีมากๆ อย่างเป็นระบบระเบียบ Mamon อธิบาย เราพบหลักฐานที่ชัดเจนของมวลที่มองไม่เห็นในพื้นที่ใจกลางที่หนาแน่นของกระจุก แต่เราต้องประหลาดใจที่ได้พบว่ามวลพิเศษนี้ไม่ได้มีลักษณะเป็นจุดเดียว(อย่างที่คาดไว้ในกรณีหลุมดำมวลสูงที่อยู่โดดๆ) แต่กระจายกินพื้นที่ส่วนเล็กๆ ในกระจุก Vitral กล่าวเสริม ยิ่งมีมวลในบางตำแหน่งสูงมากเท่าใด ดาวก็เคลื่อนที่รอบพื้นที่เหล่านั้นเร็วขึ้นตามไปด้วย

      องค์ประกอบที่มองไม่เห็นนี้ควรจะประกอบด้วยซากจากดาวมวลสูง(เช่น ดาวแคระขาว, ดาวนิวตรอนและหลุมดำ)  เท่านั้น ก่อตัวขึ้นเมื่อแกนภายในดาวยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงเมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของพวกมันหมดลง วัตถุเหล่านี้จึงมีความหนาแน่นสูงกว่าดาววิถีหลัก ดาวจะค่อยๆ จมลงสู่ส่วนกลางของกระจุกหลังจากมีปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับดาวมวลสูงน้อยกว่าที่อยู่ใกล้เคียง ในเกมพินบอลดาวที่เรียกกันว่า dynamical friction จากการแลกเปลี่ยนโมเมนตัม ดาว(และวัตถุ) ที่หนักกว่าจะแยกตัวจมลงสู่แกนกลางกระจุก ในขณะที่ดาวที่มีมวลเบากว่าจะอพยพออกสู่ปริมณฑลของกระจุก นำไปสู่การกระจุกตัวของมวลที่มองไม่เห็นในพื้นที่ขนาดเล็ก

ภาพจากศิลปินเพื่อแสดงการกระจุกตัวของหลุมดำที่ใจกลางของ NGC 6397 ในความเป็นจริงแล้ว หลุมดำขนาดเล็กที่แสดงอยู่ในภาพนั้นมีขนาดเล็กเกินความสามารถในการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์ใดๆ ที่มีอยู่(รวมทั้งฮับเบิล) และกล้องที่อยู่ในการเตรียมการ มีการทำนายว่ากระจุกทรงกลมที่แกนกลางยุบตัวแห่งนี้ น่าจะมีหลุมดำอยู่มากกว่า 20 แห่ง

     ด้วยการใช้ทฤษฎีวิวัฒนาการดาวฤกษ์ นักวิทยาศาสตร์สรุปว่าองค์ประกอบที่มองไม่เห็นส่วนใหญ่เป็นหลุมดำมวลดวงดาว แทนที่จะเป็นดาวแคระขาวหรือดาวนิวตรอนซึ่งสลัวเกินกว่าจะสำรวจได้ Mamon กล่าว เพิ่งมีการศึกษาล่าสุดสองงานที่ก็เสนอว่าซากของดาว และโดยเฉพาะอย่างยิ่งหลุมดำมวลดวงดาว น่าจะพบได้จำนวนหนึ่งในพื้นที่ส่วนในของกระจุกทรงกลม การศึกษาของเราเป็นการค้นพบแรกที่ได้ให้ทั้งมวลและพื้นที่ของสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นกลุ่มของวัตถุที่น่าจะเป็นหลุมดำเสียส่วนใหญ่ ในกระจุกทรงกลมที่แกนกลางยุบตัว Vitral กล่าวเสริม งานวิจัยรายงานใน Astronomy & Astrophysics

     การวิเคราะห์ของเราคงไม่น่าจะเป็นไปได้ถ้าปราศจากทั้งข้อมูลฮับเบิลเพื่อตรวจสอบพื้นที่ส่วนในของกระจุก และข้อมูลไกอาที่บอกถึงรูปร่างการโคจรของดาวส่วนนอก ซึ่งก็จะบอกโดยอ้อมถึงความเร็วของดาวที่พื้นหน้าและพื้นหลังในพื้นที่ส่วนใน Mamon กล่าวเสริม นักดาราศาสตร์ยังบอกว่าการค้นพบนี้เพิ่มคำถามว่า การควบรวมของหลุมดำที่อยู่กันอย่างแออัดในกระจุกทรงกลมที่แกนกลางยุบตัวลง อาจจะเป็นแหล่งหลักที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วงที่สำรวจที่เพิ่งพบโดย LIGO หรือไม่

แหล่งข่าว spacetelescope.org : Hubble uncovers concentration of small black holes
                hubblesite.org : Hubble uncovers concentration of small black holes
                sciencealert.com : astronomers find a fascinating cluster of stars filled with small black holes   
                iflscience.com : peculiar congregation of black holes found lurking at the center of a stellar cluster