หลุมดำขนาดปานกลางที่พบโดยเลนส์ความโน้มถ่วง

     หลุมดำแห่งใหม่ได้ทำลายสถิติ โดยไม่ได้เป็นหลุมดำที่มีขนาดเล็กที่สุดหรือใหญ่ที่สุด แต่มันแค่อยู่ตรงกลาง การค้นพบหลุมดำแห่งใหม่เป็นส่วนหนึ่งของส่วนเชื่อมที่หายไประหว่างประชากรหลุมดำ 2 กลุ่มคือ หลุมดำขนาดเล็กที่ก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์ และหลุมดำมวลสูงที่อยู่ในใจกลางของกาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง

ชนิดของหลุมดำแบ่งตามช่วงมวล

    เป็นที่ทราบกันดีว่ามีหลุมดำ 2 ขนาด ซึ่งอยู่ที่แต่ละปลายสุดช่วงมวล ด้านหนึ่งเป็นหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) ซึ่งโดยปกติจะมีมวลระหว่าง 3 ถึง 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์ และที่อีกด้าน เป็นหลุมดำมวลสูงมากที่เรียกว่า supermassive black holes ซึ่งพบได้ในใจกลางกาแลคซีเกือบทุกแห่งรวมทั้งทางช้างเผือกด้วย ซึ่งมีมวลตั้งแต่หลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งในความพยายามร่วมระหว่างนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเมลเบิร์น และมหาวิทยาลัยโมนาช ได้ค้นพบหลุมดำแห่งหนึ่งซึ่งมีมวลราว 55000 เท่ามวลดวงอาทิตย์ เป็นหลุมดำที่จัดอยู่ใน หลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black hole; มวลตั้งแต่ 100 ถึง 100,000 เท่าดวงอาทิตย์) ซึ่งมีการค้นพบหลุมดำปานกลางนี้เพียงไม่กี่แห่งเท่านั้น และนี่เป็นครั้งแรกที่พบหลุมดำในมวลระดับหลายหมื่นเท่า การค้นพบนี้เผยแพร่เป็นรายงาน Evidence for an intermediate mass black hole from a gravitationally lensed gamma-ray burst ในวารสาร Nature Astronomy

     James Paynter นักศึกษาปริญญาเอกมหาวิทยาลัยเมลเบิร์น ผู้เขียนนำ บอกว่าการค้นพบล่าสุดเปิดช่องทางใหม่สู่การก่อตัวของหลุมดำมวลมหาศาล ในขณะที่เราทราบว่าหลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้มีอยู่ในกาแลคซีเกือบทุกแห่ง แต่เรากลับไม่เข้าใจว่ายักษ์ใหญ่เหล่านี้เจริญอย่างรวดเร็วมากได้อย่างไรในช่วงชีวิตของเอกภพ เขากล่าว หลุมดำแห่งใหม่ถูกพบผ่านการตรวจจับการปะทุรังสีแกมมาที่ถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing)

ภาพจากศิลปินแสดงเลนส์ความโน้มถ่วงที่เกิดจากวัตถุที่มองไม่เห็นซึ่งมีมวลระดับห้าหมื่นเท่าดวงอาทิตย์ ขยายแสงจากการปะทุรังสีแกมมาเหตุการณ์หนึ่งในกาแลคซีที่ห่างออกไป 8 พันล้านปีแสง

     การปะทุรังสีแกมมา(gamma-ray burst) นี้เป็นการลุกจ้าพลังงานสูงที่เกิดขึ้นเพียงครึ่งวินาที เปล่งออกจากดาวฤกษ์คู่หนึ่งที่กำลังควบรวมกัน ถูกสำรวจพบว่ามีร่องรอยการสะท้อนซ้ำ ซึ่งการสะท้อนซ้ำนั้นเกิดขึ้นจากหลุมดำมวลปานกลางที่มาคั่นอยู่ตรงกลาง ซึ่งบิดเส้นทางแสงเมื่อมันเดินทางมายังโลก ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงได้เห็นแสงนี้สองครั้ง ซอฟท์แวร์ที่พัฒนาเพื่อตรวจจับหลุมดำจากคลื่นความโน้มถ่วง ถูกปรับเพื่อบอกได้ว่าการลุกจ้า 2 เหตุการณ์นี้เป็นภาพฉายของวัตถุเดียวกัน ซึ่งเกิดขึ้นห่างออกไป 8 พันล้านปีแสง

     ด้วยการใช้เทคนิคที่บุกเบิกโดย Rachel Webster นักดาราศาสตร์ได้วิเคราะห์การปะทุรังสีแกมมาหลายพันเหตุการณ์เพื่อมองหาสัญญาณของเลนส์ความโน้มถ่วง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อวัตถุที่มีมวล ในกรณีนี้ก็คือหลุมดำมวลปานกลาง ทำหน้าที่เป็นเลนส์ขยายและบิดเบนลำแสง

     Eric Thrane ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยโมนาช วิทยาลัยฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และผู้นำทีมวิจัย OzGrav(ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery) ผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าวว่า หลุมดำที่เพิ่งค้นพบใหม่น่าจะเป็นซากเก่าแก่ เป็นหลุมดำดึกดำบรรพ์(primordial black hole) ซึ่งถูกสร้างขึ้นในเอกภพยุคต้นก่อนที่ดาวฤกษ์และกาแลคซีแห่งแรกๆ จะก่อตัวขึ้น หลุมดำยุคต้นเหล่านี้อาจจะเป็นเมล็ดพันธุ์ของหลุมดำมวลมหาศาลที่มีอยู่ในใจกลางกาแลคซีในปัจจุบัน

     Rachel Webster ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยโมนาช ผู้บุกเบิกเลนส์ความโน้มถ่วง ผู้เขียนร่วมการศึกษาบอกว่า โดยทั่วไป มีความเป็นไปได้สามทางที่จะสร้างหลุมดำมวลปานกลางขึ้นมา ทางแรกคือมันหลอมขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำขนาดเล็กกว่า 2 แห่งอย่างที่พบในกรณีหลุมดำมวลปานกลางที่พบในเดือนพฤษภาคม 2019 ซึ่งหลุมดำนี้มีขนาดเล็กกว่ามาก

     อีกทางก็คือ มันอาจจะก่อตัวขึ้นมาในเป็นหลุมดำมวลดวงดาวและค่อยๆ สะสมมวลเพื่อมันดึงวัสดุสารเข้ามา แต่ก็เป็นกระบวนการที่ช้า ซึ่งยากที่จะสร้างหลุมดำมวลมหาศาลขึ้นจากหลุมดำมวลดวงดาวได้ตลอดความเป็นมาของเอกภพ ทางที่เป็นไปได้มากที่สุดก็คือ มันก่อตัวขึ้นมาเป็นแบบนี้เลย

     Webster กล่าวว่า การค้นพบนี้มีศักยภาพที่จะช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้ค้นพบได้มากขึ้น ด้วยการใช้ว่าที่หลุมดำแห่งใหม่ เราสามารถประเมินจำนวนรวมของวัตถุเหล่านี้ในเอกภพได้ เราทำนายสิ่งนี้ตั้งแต่เมื่อ 30 ปีก่อนได้ และมันก็น่าตื่นเต้นที่จะได้ค้นพบตัวอย่างที่ค่อนข้างเด่นชัด นักวิจัยประเมินว่ามีหลุมดำมวลปานกลางราว 46000 แห่งในละแวกใกล้เคียงของทางช้างเผือก

 

แหล่งข่าว phys.org : black hole seeds key to galaxies behemoths
                sciencealert.com : a gamma-ray burst just revealed a “goldilocks” black hole in the early universe
                 sciencedaily.com : early universe explosion sheds light on elusive black hole