คู่เควซาร์ในกาแลคซีที่กำลังควบรวมกัน

      กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลกำลังโชคสองชั้นเมื่อมองย้อนเวลากลับไป 1 หมื่นล้านปี นักดาราศาสตร์ฮับเบิลได้พบเควซาร์คู่หนึ่งที่อยู่ใกล้กันอย่างมากจนปรากฏเป็นวัตถุเดี่ยวในภาพจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน แต่ก็หนีรอดจากสายตาที่คมกริบของกล้องฮับเบิลไม่ได้

ภาพจากศิลปินแสดงแสงจ้าจากเควซาร์สองแห่งที่อยู่ภายในแกนกลางของกาแลคซีสองแห่งที่กำลังอยู่ในกระบวนการควบรวมที่สับสนวุ่นวาย สงครามแรงโน้มถ่วงระหว่างกาแลคซีทั้งสองได้ยืดตัวกาแลคซีออก ก่อตัวเป็นหางไทดัล(tidal tails) ยาวและจุดประกายการก่อตัวดาวราวกับเป็นพายุไฟ 

     นักวิจัยเชื่อว่าเควซาร์(quasars) ที่อยู่ใกล้กันอย่างมากนี้ก็เป็นเพราะพวกมันอยู่ในแกนกลางของกาแลคซีสองแห่งที่กำลังควบรวมกัน ทีมยังโชคดีชั้นสองเมื่อได้พบเควซาร์อีกคู่หนึ่งในกาแลคซีอีกคู่ที่กำลังชนกันด้วย เควซาร์นั้นเป็นประภาคารสว่างเจิดจ้าจากใจกลางของกาแลคซีที่ห่างไกลแห่งหนึ่ง ซึ่งสว่างจนกลบแสงของกาแลคซีทั้งปวง เควซาร์ได้รับพลังจากหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ที่กำลังกลืนกินวัสดุสารอย่างตะกละตะกลาม สร้างรังสีรุนแรงจำนวนมาก

      เราประเมินว่าในเอกภพที่ห่างไกล สำหรับเควซาร์ทุกๆ 1 พันแห่ง จะมีเควซาร์คู่ 1 คู่ ดังนั้น การพบเควซาร์คู่เหล่านี้ก็เหมือนกับการงมเข็มในมหาสมุทร Yue Shen นักวิจัยนำจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ ที่เออร์บานา แชมเปญ กล่าว การค้นพบเควซาร์ทั้ง 4 แห่งเหล่านี้ยังให้หนทางใหม่ในการตรวจสอบการชนของกาแลคซีและการควบรวมของหลุมดำมวลมหาศาลในเอกภพยุคต้นด้วย นักวิจัยกล่าว

      เควซาร์อยู่กระจัดกระจายไปทั่วท้องฟ้า และจะพบได้มากที่สุดเมื่อ 1 หมื่นล้านปีก่อน เมื่อมีการควบรวมของกาแลคซีเกิดขึ้นจำนวนมากในช่วงนั้นซึ่งจะส่งวัสดุสารให้กับหลุมดำของพวกมัน ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงตั้งทฤษฎีว่าน่าจะมีเควซาร์คู่จำนวนมากในช่วงเวลาดังกล่าว แต่นี่ก็เป็นตัวอย่างเควซาร์คู่แรกจริงๆ ที่พบในช่วงเวลาที่มีการก่อตัวกาแลคซีสูงที่สุด ซึ่งเราสามารถใช้เพื่อตรวจสอบแนวคิดว่าหลุมดำมวลมหาศาลเข้ามาใกล้กันและสุดท้ายก็ก่อตัวเป็นระบบคู่ได้อย่างไร Nadia Zakamska สมาชิกทีมวิจัย จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ในบัลติมอร์ มารีแลนด์ กล่าว ผลสรุปของทีมเผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy ออนไลน์วันที่ 1 เมษายน

     Shen และ Zakamska เป็นสมาชิกทีมที่กำลังใช้กล้องฮับเบิล, หอสังเกตการณ์อวกาศไกอาขององค์กรอวกาศยุโรป และโครงการ Sloan Digital Sky Surveys เช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินอีกหลายแห่ง เพื่อทำสำมะโนประชากรเควซาร์คู่ในเอกภพยุคต้น การสำรวจนี้มีความสำคัญเนื่องจากบทบาทของเควซาร์ในการผ่านเข้าใกล้กันของกาแลคซี มีส่วนสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อการก่อตัวกาแลคซี เมื่อกาแลคซีสองแห่งที่อยู่ใกล้กันเริ่มต้นรบกวนกันและกันด้วยแรงโน้มถ่วง ปฏิสัมพันธ์ของพวกมันจะไขวัสดุสารเข้าสู่หลุมดำของพวกมัน จุดระเบิดเควซาร์ขึ้นมา เมื่อเวลาผ่านไป การแผ่รังสีรุนแรงจาก “ดวงไฟ” ร้อนแรงสูงเหล่านี้ก็ส่งลมกาแลคซีที่ทรงพลัง ซึ่งจะกวาดก๊าซเกือบทั้งหมดออกจากกาแลคซีที่กำลังควบรวม เมื่อขาดแคลนก๊าซ การก่อตัวดาวก็ยุติลง และกาแลคซีก็พัฒนากลายเป็นกาแลคซีทรงรี(elliptical)

ภาพสองภาพจากกล้องฮับเบิลเผยให้เห็นเควซาร์ 2 คู่ที่มีอยู่เมื่อ 1 หมื่นล้านปีก่อนในใจกลางกาแลคซีที่กำลังควบรวมกัน เควซาร์ทั้งสี่แต่ละแห่งอยู่ในกาแลคซีต้นสังกัดซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้เนื่องจากพวกมันสลัวเกินไปแม้แต่มองด้วยกล้องฮับเบิล เควซาร์แต่ละคู่อยู่ห่างจากกันเพียง 1 หมื่นปีแสงเท่านั้น เควซาร์เป็นประภาคารเจิดจ้าสว่างจากใจกลางกาแลคซีที่อยู่ห่างไกล พวกมันได้รับพลังจากหลุมดำยักษ์ที่กลืนกินวัสดุสารที่ตกมาอย่างพรั่งพรู งานเลี้ยงนี้ได้สร้างรังสีจำนวนมหาศาลที่สว่างจนกลบแสงจากดาวหลายพันล้านดวงในกาแลคซีต้นสังกัดไปจนหมด เควซาร์คู่ซ้าย J0749+2255 ถ่ายภาพได้เมื่อวันที่ 5 มกราคม 2020 ส่วนเควซาร์คู่ขวา J0841+4825 ถ่ายเมื่อวันที่ 30 พฤศจิกายน 2019 ทั้งสองภาพถ่ายในช่วงแสงตาเห็นโดยกล้องมุมกว้าง 3(WFC3) ของฮับเบิล

     เควซาร์ส่งผลกระทบต่อการก่อตัวกาแลคซีในเอกภพ Zakamska กล่าว การพบเควซาร์คู่ในยุคต้นๆ นั้นสำคัญเนื่องจากขณะนี้เราสามารถทดสอบแนวคิดที่มีมานานเกี่ยวกับว่าหลุมดำและกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันพัฒนาไปด้วยกันได้อย่างไร โดยรวมแล้ว นักดาราศาสตร์ได้พบเควซาร์คู่มากกว่า 100 คู่ในกาแลคซีที่กำลังควบรวมกัน อย่างไรก็ตาม ไม่มีคู่ใดเลยที่มีอายุเก่าแก่เท่าๆ กับเควซาร์ทั้งสองคู่ในการศึกษานี้

      ภาพจากกล้องฮับเบิลแสดงเควซาร์ในแต่ละคู่อยู่ห่างกันเพียงประมาณ 1 หมื่นปีแสงเท่านั้น เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ดวงอาทิตย์ของเราอยู่ห่างจากหลุมดำที่ใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือก 26000 ปีแสง กาแลคซีต้นสังกัดของทั้งสองคู่จะควบรวมกันในที่สุด และจากนั้น เควซาร์ก็จะควบรวมกันตามมา เป็นผลให้เกิดหลุมดำเดี่ยวๆ ที่มีมวลสูงขึ้นไปอีก

     การค้นพบพวกมันไม่ใช่เรื่องง่าย ฮับเบิลเป็นกล้องโทรทรรศน์เพียงตัวเดียวที่มีสายตาที่คมชัดมากพอที่จะย้อนเวลากลับไปในเอกภพยุคต้นและแยกแยะเควซาร์ทั้งสองที่อยู่ใกล้ชิดกันมาก แต่อยู่ไกลจากโลกอย่างมากได้ อย่างไรก็ตาม ความละเอียดที่สูงของฮับเบิลก็ไม่ได้มากพอที่จะค้นหาดวงไฟคู่เหล่านี้ได้ เริ่มต้นด้วยนักดาราศาสตร์ต้องระบุให้ได้ว่าจะหันกล้องฮับเบิลเพื่อศึกษาพวกมันที่ไหน ความท้าทายก็คือท้องฟ้านั้นปกคลุมไปด้วยเควซาร์โบราณเป็นเทือกซึ่งเปล่งประกายมีชีวิตชีวาเมื่อ 1 หมื่นล้านปีก่อน แต่มีเพียงไม่กี่แห่งที่เป็นคู่ ต้องใช้เทคนิคที่เหนือชั้นและก้าวหน้าซึ่งต้องการการช่วยเหลือจากดาวเทียมไกอา และ SDSS เพื่อรวบรวมรายชื่อว่าที่เควซาร์คู่ให้ฮับเบิลได้สำรวจ

     กล้องโทรทรรศน์สโลน ซึ่งอยู่ที่หอสังเกตการณ์ อาปาเช่พอยท์ ในนิวเมกซิโก สร้างแผนที่วัตถุทั่วท้องฟ้าในแบบสามมิติ ทีมกรองผ่านการสำรวจสโลนเพื่อจำแนกเควซาร์เพื่อศึกษาในรายละเอียด จากนั้น นักวิจัยก็ยื่นรายชื่อให้กับไกอาเพื่อช่วยระบุว่าที่เควซาร์คู่ที่เป็นไปได้ ไกอาตรวจสอบตำแหน่ง, ระยะทาง และการเคลื่อนที่ของวัตถุใกล้ๆ ได้แม่นยำมากๆ แต่ทีมก็ปรับใช้ไกอาเพื่อศึกษาเอกภพอันห่างไกล พวกเขาใช้ฐานข้อมูลของไกอาเพื่อสำรวจหาเควซาร์ที่ทำตัวเลียนแบบการเคลื่อนที่ปรากฏของดาวฤกษ์ใกล้เคียง เควซาร์จะปรากฏเป็นวัตถุเดี่ยวๆ ในข้อมูลไกอา อย่างไรก็ตาม ไกอาสามารถตรวจการส่ายเล็กน้อยที่คาดไม่ถึงในตำแหน่งปรากฏของเควซาร์ได้

     เควซาร์ไม่ได้เคลื่อนที่ผ่านอวกาศในแบบที่ตรวจสอบได้ แต่การส่ายนั้นกลับเป็นหลักฐานการแปรแสงที่เกิดอย่างสุ่ม เมื่อสมาชิกแต่ละแห่งในคู่เควซาร์มีความสว่างที่แปรผัน เควซาร์มีความสว่างที่วูบวาบในเวลาไม่กี่วันจนถึงไม่กี่เดือน ขึ้นอยู่กับตารางการกินของหลุมดำเอง ความสว่างที่ถูกกวนระหว่างคู่เควซาร์นี้ก็คล้ายกับการเฝ้าดูสัญญาณจุดตัดรางรถไฟจากระยะไกล เมื่อแสงจากด้านทั้งสองของสัญญาณที่สถิตเกิดกระพริบ สัญญาณจะลวงตาเหมือนมีการส่าย

     เมื่อกล้องฮับเบิลสำรวจเป้าหมาย 4 แห่งแรก สายตาที่คมกริบก็เผยให้เห็นว่าเป้าหมาย 2 แห่งแรกเป็นเควซาร์คู่ที่อยู่ใกล้กัน 2 คู่ นักวิจัยบอกว่ามันเป็นช่วงเวลาที่หลอดไฟสว่างขึ้น เมื่อวางแผนการใช้สโลน, ไกอา และฮับเบิล เพื่อตามล่าหาประภาคารคู่โบราณที่ล่องหน Xin Liu สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เรียกการยืนยันของกล้องฮับเบิลนี้ว่า เรื่องประหลาดใจที่มีความสุข เธอตามล่าหาเควซาร์คู่ที่อยู่ใกล้โลกมากกว่ามานาน โดยใช้เทคนิคที่ต่างออกไปด้วยกล้องภาคพื้น เทคนิคใหม่ไม่เพียงแต่ได้พบเควซาร์คู่ที่อยู่ห่างไกลออกไปมากกว่า แต่มันยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าวิธีการใดๆ ที่เราเคยใช้มาก่อน เธอกล่าว

     ทีมยังทำการสำรวจติดตามผลด้วย NOIRLab บนกล้องโทรทรรศน์เจมิไน Yu-Ching Chen สมาชิกทีม นักศึกษาที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ กล่าวว่า การตรวจสอบสเปคตรัมความละเอียดสูงด้วยเจมิไนสามารถขจัดตัวหลอกที่เกิดจากการเรียงตัวของระบบดาวฤกษ์-เควซาร์ที่ไม่เกี่ยวข้องโดยบังเอิญ เมื่อดาวในพื้นหน้าบังเอิญเรียงตัวพอดีกับเควซาร์ที่พื้นหลัง แม้ว่าทีมจะเชื่อมั่นในผลสรุป แต่พวกเขาก็บอกว่ามีโอกาสอีกเล็กน้อยที่กล้องฮับเบิลจะได้จับภาพ 2 ภาพที่มาจากเควซาร์แห่งเดียวกัน เป็นภาพลวงตาที่เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) อย่างไรก็ตาม นักวิจัยคิดว่าไม่น่าเกิดขึ้นได้เนื่องจากกล้องฮับเบิลตรวจไม่พบกาแลคซีที่พื้นหน้าใดๆ อยู่ใกล้เควซาร์คู่ทั้งสองคู่

     การควบรวมของกาแลคซีเกิดขึ้นถี่กว่านี้เมื่อหลายพันล้านปีก่อน แต่ก็เกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยในทุกวันนี้ ตัวอย่างก็คือ NGC 6240 ซึ่งเป็นระบบของกาแลคซีสองแห่งที่กำลังควบรวมกัน ซึ่งมีหลุมดำมวลมหาศาล 2 แห่งหรืออาจจะถึง 3 แห่ง การควบรวมของกาแลคซีที่เกิดขึ้นใกล้กว่ามากจะเกิดขึ้นในอีกไม่กี่พันล้านปีข้างหน้าเมื่อทางช้างเผือกของเราชนกับกาแลคซีอันโดรเมดา การปะทะกันนี้น่าจะป้อนวัสดุสารให้กับหลุมดำในใจกลางกาแลคซีแต่ละแห่ง จุดระเบิดให้พวกมันกลายเป็นเควซาร์ได้

     

แหล่งข่าว hubblesite.org : Hubble spots double quasars in merging galaxies
                spaceref.com : Hubble spots double quasars in merging galaxies