นิวตริโนจาก tidal disruption event ของหลุมดำ

 

IceCube observatory ที่ขั้วโลกใต้ ในช่วงฤดูหนาว

     ดาวดวงหนึ่งถูกฉีกทึ้งอย่างสมบูรณ์เมื่อมันผ่านเข้าใกล้หลุมดำแห่งหนึ่งมากเกินไป ได้กลายเป็นของขวัญที่หาได้ยากในวงการวิทยาศาสตร์ เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจจับนิวตริโนพลังงานสูงที่ถูกยิงออกสู่อวกาศในเหตุการณ์รุนแรงลักษณะนี้

     อนุภาคจิ๋วไม่เพียงแต่ช่วยให้เราเข้าใกล้การระบุได้อย่างแม่นยำว่าอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในเอกภพนั้นเกิดขึ้นจากที่ไหน แต่มันยังแสดงว่าเหตุการณ์การรบกวนโดยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำสามารถเป็นเครื่องเร่งความเร็วอนุภาคในธรรมชาติได้ด้วย Sjoert van Velzen นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยไลเดน ในเนเธอร์แลนด์ส กล่าวว่า เราไม่ทราบกำเนิดของนิวตริโน(neutrino) พลังงานสูงในอวกาศ หลักๆ ก็เพราะยากมากที่จะระบุตำแหน่งได้ ผลสรุปนี้น่าจะเป็นเพียงครั้งที่สองเท่านั้นที่มีการตามรอยนิวตริโนพลังงานสูงย้อนกลับไปถึงแหล่งกำเนิดของพวกมันได้

      นิวตริโนเป็นสิ่งเล็กๆ ที่สร้างความพิศวง มวลของพวกมันน้อยนิดจนแทบจะเป็นศูนย์ พวกมันเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง และพวกมันไม่มีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติ สำหรับนิวตริโนแล้ว เอกภพนั้นแทบจะเป็นนามธรรม ในความเป็นจริง มีนิวตริโนหลายพันล้านอนุภาคกำลังวิ่งผ่านตัวคุณในตอนนี้ นั้นจึงเป็นเหตุผลว่าเพราะเหตุใดพวกมันจึงมีชื่อเล่นว่า ghost particle แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าพวกมันจะไม่สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสสารปกติเลย

นิวตริโนที่พบมาจากหลายแหล่ง แต่แหล่งหลักๆ คือดวงอาทิตย์

      การพบเห็นการตายของดาวฤกษ์ดวงหนึ่งโดยหลุมดำเป็นเรื่องที่พบได้ค่อนข้างยาก แต่เราก็ได้พบมันในปริมาณที่พอจะบอกได้คร่าวๆ ว่ากระบวนการนี้เกิดขึ้นอย่างไร เมื่อดาวฤกษ์โชคร้ายดวงหนึ่งเข้าใกล้หลุมดำแห่งหนึ่งมากพอจนมันโดนดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำไว้ ผลจากสนามแรงโน้มถ่วงที่รุนแรง แรงโน้มถ่วงของหลุมดำที่ดึงด้านใกล้ของดาว จะรุนแรงมากกว่าที่ด้านไกลของดาว ชักนำให้เกิดการยืดออก(stretching) ความแตกต่าง(ของแรงโน้มถ่วง) นี้เรียกว่า tidal force สุดท้ายจะฉีกดาวออกเป็นกระแสธารก๊าซ เป็นสิ่งที่เรียกว่า tidal disruption event(TDE) นั้นเอง

     TDE เหตุการณ์นี้สร้างการลุกจ้าของแสงที่สว่างมาก โดยครึ่งหนึ่งของเศษซากจากดาวที่ถูกทำลายหมุนวนไปรอบๆ หลุมดำ ร้อนขึ้นเรื่อยๆ ก่อนที่มันจะถูกกลืนเข้าสู่ขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ส่วนเศษซากอีกครึ่งที่เหลือก็ถูกสาดออกสู่อวกาศ และนั้นก็เป็นเพียงแต่การลุกจ้าที่ถูกสำรวจพบบนโลกในวันที่ 9 เมษายน 2019 โดย ZTF(Zwicky Transient Facility) กล้องหุ่นยนต์ตัวหนึ่งที่หอสังเกตการณ์พาโลมาร์ของคาลเทค เหตุการณ์ซึ่งเรียกว่า AT2019dsg เกิดขึ้นจากหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ที่มีมวล 30 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์(หลุมดำของทางช้างเผือกมีมวลราว 4 ล้านเท่าดวงอาทิตย์) จากกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปราว 700 ล้านปีแสง การปะทุเกิดขึ้นในนิวเคลียสของกาแลคซีที่ค่อนข้างสว่างแห่งหนึ่ง ซึ่งบอกได้ว่าดาวถูกทำลายโดยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ

     ทีมค้นพบได้สำรวจติดตามผล TDE นี้ โดยตรวจสอบในหลายช่วงความยาวคลื่นและพบว่า มันลุกจ้าสว่างไสวในช่วงสเปคตรัมที่ตาเห็นได้และในช่วงรังสีเอกซ์โดยมีความสว่างสูงสุดในทั้งสองช่วงความยาวคลื่นเกิดในเดือนพฤษภาคม และต่อมาก็ตรวจจับได้ในสเปคตรัมคลื่นวิทยุที่สว่างขึ้นเรื่อยๆ ไปหลายเดือน

หลังจากหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ฉีกยืดดาวดวงหนึ่งออก เศษซากดาวราวครึ่งหนึ่งก็ถูกเหวี่ยงกลับสู่อวกาศ ในขณะที่อีกครึ่งก่อตัวเป็นดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) รอบหลุมดำ ระบบสว่างไสวในหลายช่วงความยาวคลื่น และคิดกันว่าได้สร้างกระแสวัสดุสารที่ไหลออก(outflow) ที่ดูคล้ายไอพ่นทรงพลัง ตั้งฉากกับระนาบดิสก์สะสมมวลสาร เครื่องยนต์เปี่ยมประสิทธิภาพใกล้ใจกลางดิสก์ พ่นอนุภาคเสี้ยวอะตอมพลังงานสูงออกมา

      ไม่ถึงหกเดือนถัดมา ในวันที่ 1 ตุลาคม 2019 เครื่องตรวจจับนิวตริโน IceCube ที่สถาบันขั้วโลกใต้อะมุนด์เซน-สก๊อตในแอนตาร์กติกาก็ตรวจจับนิวตริโนพลังงานสูงมากครั้งหนึ่งเท่าที่เคยพบมา ซึ่งมีชื่อว่า IC191001A Anna Franckowiak นักดาราศาสตร์ที่ DESY(Deutsches Elektronen-Synchrotron) และมหาวิทยาลัยโบคุม ในเจอรมนี กล่าวว่า มันชนกับน้ำแข็งของแอนตาร์กติกาด้วยพลังงานที่สูงมากกว่า 200 เทร่าอิเลคตรอนโวลต์(tera-electronvolts) เมื่อเทียบแล้ว นิวตริโนนี้มีพลังงานสูงกว่าอนุภาคพลังงานสูงที่สุดที่เครื่องเร่งความเร็วอนุภาคบนโลกที่ทรงพลังที่สุดคือ Large Hadron Collider ที่ CERN เคยสร้างได้อย่างน้อย 10 เท่า และมันก็มาจากทิศทางกลุ่มดาวโลมา(Delphinus) ภายในพื้นที่ขนาดราว 10 ตารางองศาซึ่งเป็นทิศทางของ AT2019dsg  

     เมื่อมีนิวตริโนสักอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กับน้ำแข็ง และสร้างแสงวาบขึ้น ให้ตรวจพบด้วยเครื่องตรวจจับที่ฝังอยู่ลึกภายใต้ความมืดมิดในน้ำแข็งของแอนตาร์กติกาของไอซ์คิวป์ แสงวาบเหล่านั้นก็เห็นได้ชัดเจน จากคุณลักษณะเช่น แสงเดินทางอย่างไร และมันสว่างแค่ไหน นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถคำนวณได้ว่านิวตริโนนี้มีพลังงานสูงแค่ไหน และทิศทางที่มันจากมา ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ตามรอยนิวตริโนพลังงานสูงจากนอกกาแลคซีเหตุการณ์หนึ่งย้อนกลับไปถึงบลาซาร์(blazar) แห่งหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไป 4 พันล้านปีแสง

     เมื่อนักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์ IC191001A พวกเขาก็พบว่ามีโอกาสเพียง 0.2% เท่านั้นที่มันจะไม่เกี่ยวข้องกับ AT2019dsg นี่เป็นนิวตริโนเหตุการณ์แรกที่เชื่อมโยงไปได้ถึงการรบกวนจากหลุมดำ และมันก็ให้หลักฐานที่มีค่าแก่เรา Robert Stein จาก DESY กล่าว การรบกวนของหลุมดำนี้ไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้นัก การตรวจจับนิวตริโนชี้ไปถึงการมีอยู่ของเครื่องยนต์ทรงพลังในใจกลางดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disc) ซึ่งยิงอนุภาคออกมาด้วยความเร็วสูง และจากการวิเคราะห์รวมทั้งข้อมูลคลื่นวิทยุ, ช่วงตาเห็นและอุลตราไวโอเลต ก็ช่วยให้เรามีหลักฐานเพิ่มเติมว่า การรบกวนของหลุมดำทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งความเร็วอนุภาคขนาดยักษ์

ภาพของดิสก์สะสมมวลสารรอบหลุมดำมวลมหาศาลที่มีโครงสร้างคล้ายไอพ่นวิ่งออกจากดิสก์ มวลมหาศาลของหลุมดำได้บิดกาลอวกาศ ทำให้เห็นด้านไกลของดิสก์สะสมมวลสารเป็นภาพที่ฉายอยู่เหนือและใต้หลุมดำ

     รายงานฉบับที่สองกับการตรวจจับนิวตริโนนี้ซึ่งก็เผยแพร่ใน Nature Astronomy ให้รายละเอียดแบบจำลองทางทฤษฎีเพื่ออธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น ก็คือ ไอพ่นสัมพัทธภาพที่เป็นก๊าซมีประจุ(หรือพลาสมา) ที่ถูกยิงออกจากพื้นที่ขั้วของหลุมดำที่กำลังสะสมมวลสารอย่างกระตือรือร้น สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไรนั้นก็ยังคงไม่ชัดแจ้ง แต่นักดาราศาสตร์คิดว่าวัสดุสารจากพื้นที่ส่วนในของดิสก์สะสมมวลสาร(แต่ก็ยังอยู่นอกขอบฟ้าสังเกตการณ์) ถูกลำเลียงเข้ามาและยิงออกจากขั้วผ่านเส้นแรงสนามแม่เหล็กรอบๆ ภายนอกของหลุมดำนี้

     แบบจำลองเสมือนจริงล่าสุดได้บอกว่า เมื่อสนามแม่เหล็กในไอพ่นเหล่านี้เริ่มบิดตัว จะสร้างสนามไฟฟ้าที่สามารถเร่งความเร็วอนุภาคจนถึงระดับสัมพัทธภาพ(relativistic) ใกล้เคียงกับความเร็วแสง ไอพ่นเหล่านี้คงอยู่ได้หลายร้อยวัน เพื่อสร้างนิวตริโน โปรตอนพลังงานสูงอนุภาคหนึ่งจะต้องชนกับโปรตอนอื่น หรือกับโฟตอน(photon) อุลตราไวโอเลต ถ้าอนุภาคถูกเร่งความเร็วในช่วงเวลาที่ยาวนาน ก็มีโอกาสที่จะสร้างนิวตริโนในขั้นตอนสุดท้ายขึ้นมา ซึ่งช่วยอธิบายว่าเพราะเหตุใด นิวตริโนจึงมาถึงโลก 6 เดือนภายหลังการตรวจจับแสงเริ่มแรกได้

     เครื่องเร่งความเร็วอนุภาคในอวกาศสามารถสร้างอนุภาคได้หลายชนิด นอกเหนือจากนิวตริโนและโฟตอน อนุภาคเหล่านั้นมีประจุไฟฟ้าและจึงสะท้อนไปมาโดยสนามแม่เหล็กท่ามกลางกาแลคซีในระหว่างเดินทาง มีเพียงนิวตริโนซึ่งเป็นกลางทางไฟฟ้าที่สามารถเดินทางด้วยเส้นทางตรงเหมือนกับโฟตอนแสงจากแหล่งมายังโลก และจึงเป็นผู้นำสารที่มีประโยชน์จากระบบเหล่านั้นได้   

กลไกหนึ่งที่เสนอการสร้างนิวตริโนบอกได้ว่า เศษซากวัสดุสารจากดาวที่ถูกหลุมดำฉีก ประมาณครึ่งหนึ่งถูกดึงเข้าสู่ดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) และยิงไอพ่นอนุภาคออกมาด้วยความเร็วสูง ภายในไอพ่นก็มีสนามแม่เหล็กและอนุภาคอื่น ซึ่งจะสะท้อนไปมาจนอนุภาคมีความเร็วสูงมากในระดับเกือบเท่าแสง จนสร้างนิวตริโนได้ในที่สุด

     นี่เป็นผลสรุปที่ยิ่งใหญ่ และเป็นผลสรุปที่แสดงให้เห็นอย่างงดงามว่าเราจะสามารถค้นพบอะไรได้บ้างเมื่อเรารวมหนทางต่างๆ ที่พิจารณาอวกาศได้ เมื่อรวมการสำรวจได้แสดงถึงพลังในการสำรวจอวกาศผ่าน “ผู้นำสาร” ที่แตกต่างกันเช่น โฟตอน และนิวตริโน กลายเป็นดาราศาสตร์ผู้นำสารหลายทาง(multi-messenger astronomy) Marek Kowalski นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ DESY และมหาวิทยาลัยอุมโบลท์ในเจอรมนี กล่าว ถ้าไม่มีการตรวจจับ TDE นิวตริโนนี้ก็คงเป็นแค่หนึ่งในจำนวนมากมาย และถ้าไม่มีนิวตริโน การสำรวจ TDE นี้ก็คงเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ลักษณะคล้ายกันอีกมากมาย มีเพียงผ่านการรวมพลังนี้จะช่วยให้เราได้พบเครื่องเร่งความเร็วและเรียนรู้สิ่งใหม่ๆ เกี่ยวกับกระบวนการที่อยู่ภายในได้

     เราอาจจะเพิ่งได้เห็นเพียงยอดของภูเขาน้ำแข็งเท่านั้น ในอนาคต เราคาดว่าจะได้พบความเกี่ยวโยงที่มากขึ้นระหว่างนิวตริโนพลังงานสูงและแหล่งที่มาของพวกมัน Francis Halzen ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมดิสัน และผู้นำไอซ์คิวป์ แต่ไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการศึกษานี้ กล่าว มีกล้องโทรทรรศน์รุ่นใหม่ๆ ที่กำลังสร้างอยู่ซึ่งจะมีความไวต่อ TDEs และแหล่งนิวตริโนที่คาดการณ์ไว้อื่นๆ เพิ่มขขึ้นอย่างมาก และที่น่าสนใจมากกว่าก็คือ แผนการขยายเครื่องตรวจจับไอซ์คิวป์ ซึ่งจะเพิ่มจำนวนเครื่องตรวจจับนิวตริโนอีกอย่างน้อย 10 เท่า TDE เหตุการณ์นี้เป็นเพียงครั้งที่สองซึ่งตามรอยนิวตริโนอวกาศพลังงานสูงย้อนกลับไปที่แหล่งของมันได้ ในปี 2018 โครงงานผู้นำสารหลายทางได้รายงานว่า บลาซาร์ TXS 0506+056 เป็นแหล่งนิวตริโนพลังงานสูงแห่งแรกที่ได้พบ ซึ่งก็บันทึกไว้ได้โดยไอซ์คิวป์ในปี 2017 รายงานสองฉบับเกี่ยวกับนิวตริโนเผยแพร่ใน Nature Astronomy

แหล่งข่าว sciencealert.com : for the first time, we’ve detected a “ghost particle” coming from a shredded star  
                skyandtelescope.com : star-shredding black hole makes ghostlike particle
                 sciencedaily.com : scientists link star-shredding event to origins of universe’s highest-energy particles
                 phys.org : ghost particle from shredded star reveals cosmic particle accelerator