Cygnus X-1: หลุมดำแห่งแรกที่เรา(ยังไม่) รู้จัก

Tulip Nebula และ Cygnus X-1 credit: constellation-guide.com 

      การสำรวจหลุมดำแห่งแรกที่ตรวจจับได้ครั้งใหม่ได้นำให้นักดาราศาสตร์ตั้งคำถามว่าพวกเขารู้อะไรเกี่ยวกับวัตถุที่เป็นปริศนาที่สุดในเอกภพบ้าง รายงานที่เผยแพร่ในวารสาร Science ได้แสดงว่าระบบที่เรียกว่า Cygnus X-1 นั้นมีหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) ที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมา โดยไม่ใช้คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves)

     Cygnus X-1 เป็นหนึ่งในหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดแห่งหนึ่ง มันถูกพบเป็นแหล่งรังสีเอกซ์แห่งหนึ่งในปี 1964 โดยไกเกอร์เคาน์เตอร์คู่หนึ่งที่นำไปบนจรวดที่บินขึ้นสู่อวกาศแต่ไม่ถึงวงโคจร(sub-orbital rocket) ที่ส่งจากนิวเมกซิโก วัตถุนี้เป็นเป้าสนใจของการพนันในวงวิทยาศาสตร์ที่โด่งดังระหว่างนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Stephen Hawking และ Kip Thorne โดยในปี 1974 Hawking พนันไว้ว่ามันไม่ใช่หลุมดำ และ Hawking ก็แพ้พนันในปี 1990

      มันจึงกลายเป็นหนึ่งในหลุมดำที่ถูกศึกษามากที่สุดบนท้องฟ้า และนักดาราศาสตร์คิดว่าค่อนข้างรู้จักมันอย่างดี โดยเป็นวัตถุที่อยู่ห่างออกไปราว 6070 ปีแสง โดยมีหลุมดำมวล 14.8 เท่ามวลดวงอาทิตย์ และมีดาวข้างเคียงเป็นซุปเปอร์ยักษ์สีฟ้า HDE 226888 ซึ่งมีมวลราว 24 เท่าดวงอาทิตย์

     ในงานศึกษาล่าสุด ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้ใช้เครือข่ายเส้นฐานยาวมาก(Very Long Baseline Array) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุประกอบด้วยจานรับสัญญาณ 10 แห่งที่กระจายอยู่ทั่วสหรัฐฯ เมื่อทำงานร่วมกันก็เป็นเสมือนจานรับสัญญาณที่มีขนาดพอๆ กับทวีปอเมริกา พร้อมกับเทคนิคอันชาญฉลาดเพื่อตรวจสอบระยะทางในอวกาศ James Miller-Jones จากมหาวิทยาลัยเคอร์ติน และศูนย์เพื่อการวิจัยดาราศาสตร์วิทยุนานาชาติ(ICRAR) นักวิจัยนำทีม กล่าวว่า ถ้าเราสามารถมองวัตถุเดียวกันจากตำแหน่งที่แตกต่างกัน เราก็สามารถคำนวณระยะทางของมันได้โดยตรวจสอบว่า วัตถุนี้เคลื่อนที่ขยับไปไกลแค่ไหนเมื่อเทียบกับพื้นหลัง เหมือนกับถ้าคุณชูนิ้วออกไปและมองมันด้วยตาทีละข้าง คุณก็จะสังเกตเห็นว่านิ้วของมันจะขยับจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง นั้นเป็นกฏเดียวกันเลย หมายเหตุ เรียกว่าการสำรวจพารัลแลกซ์(parallax)

การตรวจสอบพารัลแลกซ์ที่ใช้เวลาห่างกัน 6 เดือน บอกเราว่า Cygnus X-1 อยู่ห่างออกไปกว่า 7000 ปีแสง  

     ตลอดหกวันที่เราสำรวจวงโคจรเต็มๆ ของหลุมดำนี้และใช้การสำรวจที่ได้จากระบบแห่งเดียวกันด้วยเครือข่ายกล้องเดียวกันในปี 2011 วิธีการนี้และการตรวจสอบครั้งใหม่ได้แสดงว่าระบบนั้นอยู่ห่างจากเรามากกว่าที่เคยคิด เกิน 7000 ปีแสงจากโลก Miller-Jones กล่าว ข้อมูลนี้สอดคล้องกับการตรวจสอบจากดาวเทียมไกอา(Gaia) โดยหลุมดำก็มีมวลสูงขึ้นอีกพอสมควร

     LIGO ได้ตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากการควบรวมซึ่งมีหลุมดำในระดับถึง 50 เท่ามวลดวงอาทิตย์ด้วย แต่พวกมันก็อาจเป็นผลผลิตจากดาวฤกษ์ที่มีองค์ประกอบเหล็ก(และโลหะอื่น) ที่ต่ำมากๆ ซึ่งหมายความว่ามีลมดวงดาวที่พัดอ่อนกว่า และจึงมีมวลเหลืออยู่มากกว่า ดาวที่เพิ่งก่อตัวภายในทางช้างเผือกมีองค์ประกอบโลหะในสัดส่วนที่สูงกว่า ซึ่งคิดกันว่าหมายความว่า ลมดวงดาวของพวกมันก็จะรุนแรงมากและผลักมวลออกไปได้มาก

     Ilya Mandel ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยโมนาช และ OzGrav(ARC Centre of Excellence in Gravitational Wave Discovery) บอกว่าหลุมดำมีมวลสูงมาก จนจริงๆ แล้วมันได้ท้าทายวิธีคิดของนักดาราศาสตร์ว่ามันก่อตัวอย่างไร

     ก่อนหน้านี้ หลุมดำมวลดวงดาวที่ยึดครองสถิติมวลสูงสุดที่ตรวจพบในช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือ M33 X-7 ซึ่งมีมวลที่ 15.65 เท่าดวงอาทิตย์ ในช่วงเวลาที่พบนี้ แม้ว่า M33 X-7 ก็ยังท้าทายแบบจำลองการก่อตัวหลุมดำ

     Cygnus X-1 ยังก่อตัวในสภาพแวดล้อมที่อุดมด้วยโลหะ ซึ่งก็ท้าทายแนวคิดว่าหลุมดำมวลดวงดาวขนาดใหญ่จะก่อตัวเฉพาะในเอกภพยุคต้นจากดาวฤกษ์ที่ขาดแคลนโลหะ แต่จากงานวิจัยนี้บอกว่าหลุมดำมวลดวงดาวยักษ์ก็น่าจะสามารถก่อตัวเร็วๆ นี้ได้เช่นกัน LIGO ได้ตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากการควบรวมซึ่งมีหลุมดำในระดับถึง 50 เท่ามวลดวงอาทิตย์ด้วย แต่พวกมันก็อาจเป็นผลผลิตจากดาวฤกษ์ที่มีองค์ประกอบเหล็ก(และโลหะอื่น) ที่ต่ำมากๆ ซึ่งหมายความว่ามีลมดวงดาว(stellar wind) ที่พัดอ่อนกว่า และจึงมีมวลเหลืออยู่มากกว่า ดาวที่เพิ่งก่อตัวภายในทางช้างเผือกมีองค์ประกอบโลหะในสัดส่วนที่สูงกว่า ซึ่งคิดกันว่าหมายความว่า ลมดวงดาวของพวกมันก็จะรุนแรงมากและผลักมวลออกไปได้มาก

     นักวิทยาศาสตร์เสนอว่า ดาวสูญเสียมวลออกสู่สภาพแวดล้อมรอบข้างผ่านลมดวงดาวซึ่งพัดพามวลออกจากพื้นผิว แต่เพื่อที่จะสร้างหลุมดำที่หนักขนาดนี้ เราต้องลดปริมาณมวลที่ดาวสูญเสียออกไปลงตลอดช่วงชีวิตของพวกมัน เขากล่าว หลุมดำในระบบ Cygnus X-1 เริ่มต้นชีวิตเป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่งซึ่งมีมวลราว 60 เท่าดวงอาทิตย์ และยุบตัวลงโดยตรงโดยข้ามขั้นตอนการระเบิดซุปเปอร์โนวาไปเมื่อหลายหมื่นปีก่อน

ภาพจากศิลปินแสดงระบบ Cygnus X-1 ซึ่งหลุมดำกำลังดึงมวลสารของดาวยักษ์ข้างเคียง หลุมดำมวลดวงดาวแห่งนี้มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมาโดยการสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

     น่าอัศจรรย์ที่มันกำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ข้างเคียงดวงหนึ่ง ซึ่งเป็นซุปเปอร์ยักษ์ ทุกๆ 5.6 วัน ด้วยระยะทางเพียงหนึ่งในห้าของระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ การสำรวจใหม่เหล่านี้บอกเราว่าหลุมดำมีมวล 21 เท่าดวงอาทิตย์ เพิ่มขึ้นจากการประเมินไว้ก่อนหน้านี้ 50%  ซึ่งดาวข้างเคียงเองเมื่อมีการประเมินมวลใหม่ก็เพิ่มมาอยู่ที่ 40 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งมันเองก็ใหญ่พอที่วันหนึ่งจะกลายเป็นหลุมดำได้ ก่อตัวระบบหลุมดำคู่ที่สร้างกับที่เห็นในการควบรวมที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง

     อย่างไรก็ตาม ระบบคู่นี้ไม่น่าจะควบรวมได้ในเร็วๆ นี้ ในรายงานอีกฉบับ Xueshan Zhao เป็นผู้เขียนร่วมรายงาน และว่าที่ดอกเตอร์ที่ศึกษาที่หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งชาติ อันเป็นส่วนหนึ่งของสำนักวิทยาศาสตร์จีน(NAOC) ในเป่ยจิง ด้วยการใช้การตรวจสอบที่อัพเดทเพื่อหามวลและระยะทางของหลุมดำจากโลก ฉันก็สามารถยืนยันได้ว่า Cygnus X-1 กำลังหมุนรอบตัวอย่างเร็วมาก ใกล้เคียงกับความเร็วแสง และเร็วกว่าหลุมดำใดๆ ที่เคยพบมา เธอกล่าว

     สิ่งนี้ค้านกับระบบคู่ที่สร้างคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งมีการหมุนรอบตัวที่ช้ามากๆ หรือเอียง นี่บอกว่า Cygnus X-1 จะมีเส้นทางวิวัฒนาการที่แตกต่างจากระบบหลุมดำคู่ที่เราเห็นการควบรวม จากระยะห่างระหว่าง Cygnus X-1 และ HDE 226888 นักวิจัยได้คำนวณว่าคู่ไม่น่าจะควบรวมกันในช่วงเวลาพอๆ กับอายุของเอกภพ คือ 13.8 พันล้านปี การศึกษาระบบแห่งนี้ในตอนนี้ ก่อนที่หลุมดำแห่งที่สองจะยุบตัวลง จึงน่าจะเป็นโอกาสอันหาได้ยากในการเข้าใจระบบหลุมดำคู่

     ฉันอยู่ในช่วงเริ่มต้นอาชีพวิจัย ดังนั้นการเป็นส่วนหนึ่งของทีมนานาชาติและช่วยขัดเกลาคุณสมบัติของหลุมดำแห่งแรกที่ถูกพบ ก็เป็นโอกาสที่เยี่ยมยอด Zhao กล่าว ในปีหน้า กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ที่สุดบนโลก คือ เครือข่ายตารางกิโลเมตร(Square Kilometre Array; SKA) ก็จะเริ่มก่อสร้างในออสเตรเลียและอาฟริกาใต้ การศึกษาหลุมดำจะเป็นเหมือนส่องไฟให้กับความลับที่เก็บไว้อย่างดีที่สุดในเอกภพ เป็นงานวิจัยที่น่าตื่นเต้นแต่ก็ท้าทาย Millier-Jones กล่าว

     เมื่อกล้องโทรทรรศน์รุ่นถัดไปเริ่มทำงาน ความไวที่สูงขึ้นจะเผยให้เห็นเอกภพในรายละเอียดที่เพิ่มขึ้น ตอบแทนความพยายามนับหลายสิบปีของนักวิทยาศาสตร์และทีมวิจัยทั่วโลก เพื่อให้เข้าใจห้วงอวกาศ และวัตถุสุดขั้วและน่าพิศวงที่มีอยู่ให้ดีขึ้น เป็นช่วงเวลาที่ดีที่ได้เป็นนักดาราศาสตร์

แหล่งข่า spaceref.com : first black hole ever detected is more massive than we thought
              sciencealert.com : we thought we understood the “first” black hole. But we were wrong, scientists say  
              skyandtelescope.com : first-detected black hole is more massive than we thought