สนามแม่เหล็กรอบๆ หลุมดำยักษ์ในใจกลาง M87

M87 ในช่วงตาเห็น ซึ่งจะเห็นรายละเอียดไอพ่นพาดยาวออกจากใจกลางกาแลคซี

      กลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์ –Event Horizon Telescope(EHT) collaboration ซึ่งได้สร้างภาพหลุมดำแห่งหนึ่งเป็นครั้งแรก ได้เผยให้เห็นวัตถุมวลสูงที่ใจกลางกาแลคซี M87 ในมุมมองใหม่ว่า มันมีสภาพอย่างไรในแสงโพลาไรซ์(polarized light) นี่เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์สามารถตรวจสอบการเกิดโพลาไรซ์ (polarization) ซึ่งเป็นสัญญาณของสนามแม่เหล็ก ที่อยู่ใกล้กับขอบหลุมดำได้มากอย่างนี้ การสำรวจเป็นกุญแจสู่การอธิบายว่ากาแลคซี M87 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 55 ล้านปีแสง สามารถยิงไอพ่นพลังงานสูงออกจากแกนกลางของมันได้อย่างไร

หมายเหตุ คลื่นแสงที่ถูกปล่อยออกมามาจากแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่จะเป็นคลื่นที่มีระนาบการสั่นของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าหลายระนาบ จึงเป็นแสงที่ไม่โพลาไรซ์ ถ้าเราเอาฟิลเตอร์โพลารอยด์ไปกั้น แสงที่ผ่านฟิลเตอร์มาจะเป็นแสงที่มีระนาบการสั่นเพียงระนาบเดียวตามแกนของแผ่นฟิลเตอร์ แสงที่ผ่านมานี้เรียกว่าแสงโพลาไรซ์

     Monika Moscribrodzka ผู้ประสานงาน กลุ่มทำงานการตรวจสอบโพลาไรซ์ EHT และผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยรัดบาวด์ ในเนเธอร์แลนด์ส กล่าวว่า ภาพบอกเราว่าการเปล่งแสงในวงแหวนแน่นอนว่าเกิดขึ้นเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่อยู่ใกล้กับขอบฟ้าสังเกตการณ์อย่างมาก ขณะนี้เรากำลังได้เห็นหลักฐานชิ้นใหม่ที่สำคัญอีกชิ้นในการเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กมีพฤติกรรมอย่างไรรอบๆ หลุมดำ และกิจกรรมในพื้นที่อวกาศขนาดกะทัดรัดมากนี้สามารถผลักดันไอพ่นทรงพลังที่พาดยาวออกไปไกลจากกาแลคซีได้อย่างไร

     ภาพใหม่ยังเผยให้เห็นรายละเอียดใหม่ๆ เกี่ยวกับไอพ่นทรงพลังที่ยิงออกจาก M87 ในภาพแรกๆ เราแสดงแค่ความแรงเท่านั้น Moscibrodzka กล่าวถึงภาพแรกที่เผยแพร่ออกมา ขณะนี้เราเพิ่มข้อมูลโพลาไรซ์ไว้เหนือภาพเดิม

กลุ่มความร่วมมือ EHT(Event Horizon Telescope collaboration) ซึ่งสร้างภาพหลุมดำภาพแรกที่เผยแพร่ในปี 2019 ได้ปล่อยภาพวัตถุเดิมที่ใจกลางกาแลคซี M87 ในแสงโพลาไรซ์ นี่เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์สามารถตรวจสอบระดับการเกิดโพลาไรซ์(polarization) ซึ่งเป็นสัญญาณของสนามแม่เหล็กที่อยู่ใกล้ขอบของหลุมดำมากขนาดนี้ เส้นขีดแสดงการเรียงตัวของโพลาไรซ์ซึ่งมีความเชื่อมโยงกับสนามแม่เหล็กรอบเงาหลุมดำ

     หนึ่งในตัวผลักดันทางวิทยาศาสตร์หลักของ EHT ก็คือการแยกแยะรูปแบบสนามแม่เหล็กที่แตกต่างรอบๆ หลุมดำ Angelo Ricarte ผู้เขียนร่วมและนักวิจัยที่ศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CfA) กล่าว การเกิดโพลาไรซ์ก็เป็นหนึ่งในเครื่องพิสูจน์สนามแม่เหล็กที่ตรงไปตรงมาที่สุดอย่างหนึ่งที่ธรรมชาติจะให้ได้

    กลุ่มความร่วมมือ EHT ได้ศึกษาวัตถุมวลสูงมากที่ใจกลาง M87 มากว่าทศวรรษ และในวันที่ 10 เมษายน 2019 การทำงานอย่างหนักของกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ได้ให้ผลเป็นภาพหลุมดำภาพแรกสุดที่เคยทำมา โดยเผยให้เห็นโครงสร้างคล้ายวงแหวนสว่างวงหนึ่งซึ่งมีพื้นที่ใจกลางที่มืดเป็นเงาของหลุมดำนี้ นับแต่นั้นมา กลุ่มความร่วมมือ EHT ก็ขุดข้อมูลวัตถุนี้ลึกเข้าไปอีกจากข้อมูลที่รวบรวมได้ในปี 2017 พวกเขาได้พบว่ามีแสงในสัดส่วนพอประมาณรอบๆ หลุมดำของ M87 ที่เกิดโพลาไรซ์

     Ivan Marti-Vidal ซึ่งก็ประสานงานทีมทำงานการตรวจสอบโพลาไรซ์ เช่นกัน และนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยบาเลนเซีย สเปน อธิบายว่า งานนี้เป็นหลักชัยอันใหญ่ เมื่อแสงที่เกิดการบิดระนาบได้นำข้อมูลที่ช่วยให้เราได้เข้าใจฟิสิกส์เบื้องหลังภาพที่เราเห็นในเดือนเมษายน 2019 ได้ดีขึ้น ซึ่งก่อนหน้านี้เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ การเผยให้เห็นภาพแสงโพลาไรซ์ภาพใหม่นี้ต้องใช้เวลาทำงานหลายปีอันเนื่องจากเทคนิคที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการได้ข้อมูลและวิเคราะห์ข้อมูล

polarization

     แสงจะเกิดโพลาไรซ์ไปเมื่อมันผ่านฟิลเตอร์ที่จำเพาะ เหมือนกับเลนส์ของแว่นกันแดดโพลาไรซ์ หรือเมื่อแสงเปล่งออกจากพื้นที่ในอวกาศที่ร้อนที่มีสนามแม่เหล็กปรากฏอยู่ด้วย ในแบบเดียวกันที่แว่นโพลาไรซ์ช่วยเราให้มองเห็นได้ดีขึ้นโดยการลดการสะท้อนและแสงจ้าของพื้นผิวที่สว่าง นักดาราศาสตร์ก็เห็นพื้นที่รอบหลุมดำได้ชัดเจนมากขึ้น โดยการพิจารณาว่า แสงที่มีกำเนิดจากพื้นที่นั้นเกิดโพลาไรซ์ไปอย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การเกิดโพลาไรซ์ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ทำแผนที่เส้นแรงสนามแม่เหล็กที่มีอยู่ที่ขอบในของหลุมดำ เพื่อที่จะให้มั่นใจในการวิเคราะห์ของเรา เราใช้วิธีการที่แตกต่างกันถึง 5 วิธีเพื่อเทียบมาตรฐาน(calibrate) ข้อมูลและสร้างภาพจากการตรวจสอบโพลาไรซ์ขึ้นมาใหม่ Maciek Wielgus นักวิจัยที่ CfA กล่าว ความพยายามอย่างมหาศาลของทีมให้ผลอย่างดีเมื่อเราพบว่าผลสรุปที่ได้จากเทคนิคที่แตกต่างกันเหล่านี้ให้ผลที่สอดคล้องกันอย่างมาก

     Colin Lonsdale ผู้อำนวยการหอสังเกตการณ์เฮย์สแตก เอ็มไอที และประธานทีมงาน EHT กล่าวว่า กระบวนการโพลาไรซ์เป็นเครื่องมือที่ทรงพลังที่ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบสภาพทางกายภาพในสภาพแวดล้อมที่สุดขั้วที่สุดแห่งหนึ่งในเอกภพ มันให้เงื่อนงำไม่เพียงแต่สู่ความแรงและการเรียงตัวของสนามแม่เหล็ก แต่ยังบอกได้ว่าสนามเหล่านี้เรียงตัวดีแค่ไหน และบางทีอาจจะบอกกระทั่งถึงบางสิ่งเกี่ยวกับวัสดุสารที่น่าจะมองไม่เห็นซึ่งอยู่ระหว่างเรากับวัสดุสารที่กำลังเปล่งคลื่นวิทยุออกมา

     ภาพโพลาไรซ์ที่เพิ่งเผยแพร่ใหม่นี้เป็นกุญแจสู่ความเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กช่วยให้หลุมดำกลืนสสารและส่งไอพ่นพลังงานสูงออกมาได้อย่างไร Andrew Chael สมาชิกทีมกลุ่มความร่วมมือ EHT นักวิจัยที่ศูนย์เพื่อวิทยาศาสตร์ทางทฤษฎีพรินซตัน และ Princeton Gravity Initiative ในสหรัฐฯ ไอพ่นพลังงานและสสารที่สว่างผุดออกจากแกนกลางของ M87 และพุ่งทะยานไปไกลอย่างน้อยหนึ่งแสนปีแสงจากใจกลางของกาแลคซี เป็นหนึ่งในรายละเอียดที่เป็นปริศนาที่สุดและเปี่ยมด้วยพลังที่สุดของกาแลคซี สสารเกือบทั้งหมดที่อยู่ใกล้กับขอบของหลุมดำจะตกลงมา อย่างไรก็ตาม มีอนุภาคล้อมรอบหลุมดำในวงใกล้มากบางส่วน ที่หนีออกมาได้ในช่วงเวลาก่อนที่จะถูกดึงเข้าสู่หลุม และถูกเป่าออกสู่อวกาศในรูปแบบของไอพ่น

ภาพแสดงไอพ่นจาก M87 ในแสงโพลาไรซ์ถ่ายโดย ALMA แสดงส่วนหนึ่งของไอพ่นซึ่งมีขนาด 6000 ปีแสงในส่วนที่ใกล้กับใจกลางกาแลคซีมากกว่า เส้นขีดบอกถึงการเรียงตัวของโพลาไรซ์ซึ่งเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กในพื้นที่ถ่ายภาพ ภาพจาก ALMA จึงบอกว่าโครงสร้างสนามแม่เหล็กตามแนวไอพ่นมีสภาพอย่างไร

     นักดาราศาสตร์ต้องพึ่งพาแบบจำลองต่างๆ ที่อธิบายว่าสสารมีพฤติกรรมใกล้หลุมดำอย่างไรเพื่อให้เข้าใจกระบวนการนี้ได้ดีขึ้น แต่พวกเขาก็ยังคงไม่ทราบแน่ชัดว่าไอพ่นที่มีขนาดใหญ่กว่ากาแลคซีถูกยิงออกจากพื้นที่ใจกลางซึ่งมีขนาดเล็กพอๆ กับระบบสุริยะได้อย่างไร หรือกระทั่งว่าอธิบายอย่างกระจ่างแจ้งว่าสสารตกลงสู่หลุมดำได้อย่างไร ด้วยภาพหลุมดำและเงาของมันในแสงโพลาไรซ์ภาพใหม่จาก EHT ก็เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้มองไปในพื้นที่ที่อยู่เลยหลุมดำออกมาเล็กน้อย ซึ่งเป็นส่วนที่สสารมีความขัดแย้งระหว่างจะตกลงสู่หลุมดำ และถูกยิงออกมา

      การสำรวจได้ให้ข้อมูลใหม่ๆ เกี่ยวกับโครงสร้างของสนามแม่เหล็กที่อยู่เลยหลุมดำออกมาเล็กน้อย ทีมพบว่ามีเพียงแบบจำลองทางทฤษฎีที่รวมก๊าซเป็นแม่เหล็กรุนแรงเท่านั้น ที่จะสามารถอธิบายสิ่งที่พวกเขากำลังได้เห็นที่ขอบฟ้าสังเกตการณ์ Jason Dexter ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ และผู้ประสานงาน EHT อธิบายว่า การสำรวจบอกว่าสนามแม่เหล็กที่ขอบของหลุมดำนั้นรุนแรงมากพอที่จะผลักก๊าซร้อนให้ถอยออกไป และช่วยมันต้านแรงดึงโน้มถ่วงมหาศาลไว้และก่อตัวไอพ่นขึ้นมา มีเพียงก๊าซที่ลอดผ่านสนามนี้ที่จะสามารถหมุนวนเข้าสู่ขอบฟ้าสังเกตการณ์ได้

     เพื่อสำรวจใจกลางของกาแลคซี M87 กลุ่มความร่วมมือได้เชื่อมต่อกล้องโทรทรรศน์ 8 ตัวทั่วโลกซึ่งรวมถึง ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) และ APEX(Atacama Pathfinder Experiment) ในทางเหนือของชิลี เพื่อสร้างกล้องโทรทรรศน์เสมือนขนาดเท่าโลกหรือ EHT ขึ้นมา ความละเอียดที่น่าประทับใจที่ได้จาก EHT นั้นเทียบเท่ากับที่ต้องการใช้เพื่อตรวจสอบความยาวของบัตรเครดิตบนพื้นผิวดวงจันทร์

ภาพรวมประกอบแสดงพื้นที่ใจกลางกาแลคซี M87 ในมุมมอง 3 แบบในแสงโพลาไรซ์ กาแลคซีมีหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ที่ใจกลาง และเป็นที่รู้จักกันว่ามีไอพ่น(jets) ที่ทะยานออกมาไกลจากกาแลคซี หนึ่งในภาพโพลาไรซ์ถ่ายโดย ALMA แสดงส่วนหนึ่งของไอพ่นในแสงโพลาไรซ์ ภาพนี้จับส่วนของไอพ่นที่มีขนาด 6000 ปีแสงในส่วนที่ใกล้กับใจกลางกาแลคซีมากกว่า ภาพโพลาไรซ์อีกภาพซูมเข้าไปใกล้หลุมดำมากขึ้นเป็นภาพกลางซึ่งเผยให้เห็นพื้นที่ที่มีความกว้างประมาณ 1 ปีแสงโดย VLBA และภาพซูมที่สุดที่ได้จากการเชื่อมต่อกล้องโทรทรรศน์ 8 ตัวรอบโลกเพื่อสร้าง EHT เส้นขีดแสดงการเรียงตัวของการเกิดโพลาไรซ์(polarization) ซึ่งเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กในพื้นที่ที่ถ่ายภาพนี้ ข้อมูล ALMA ยังอธิบายโครงสร้างสนามแม่เหล็กตามแนวไอพ่น เมื่อรวมข้อมูลจาก EHT กับ ALMA ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้สำรวจบทบาทของสนามแม่เหล็กในระยะรอบๆ ขอบฟ้าสังเกตการณ์

     ด้วย ALMA และ APEX ซึ่งมีตำแหน่งสำรวจในซีกโลกใต้ ได้ช่วยเพิ่มคุณภาพของภาพโดยการเพิ่มขยายเครือข่าย EHT ในทางภูมิศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์ยุโรปจึงมีบทบาทหลักในงานวิจัยนี้ Ciska Kemper นักวิทยาศาสตร์โครงการ ALMA ยุโรปที่ ESO กล่าวว่า ด้วยจานรับสัญญาณ 66 จาน ALMA โดดเด่นในการรวบรวมสัญญาณแสงโพลาไรซ์โดยรวม ในขณะที่ APEX ก็มีส่วนสำคัญในการเทียบมาตรฐาน(calibrate) ภาพนี้

      ข้อมูลจาก ALMA ยังมีส่วนสำคัญในการเทียบมาตรฐาน, ถ่ายภาพและแปลผลการสำรวจ EHT ซึ่งชี้ไปถึงแบบจำลองทางทฤษฎีอย่างเข้มงวดที่อธิบายว่าสสารมีพฤติกรรมใกล้ขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำอย่างไร Ciriaco Goddi นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยรัดบาวด์ และหอสังเกตการณ์ไลเดน เนเธอร์แลนด์ส ซึ่งนำทีมการศึกษาข้างเคียงที่ใช้เฉพาะการสำรวจของ ALMA กล่าว

ภาพแสดงการมีส่วนร่วมของ ALMA และ APEX ใน EHT ภาพซ้ายมือแสดงภาพหลุมดำที่สร้างขึ้นใหม่โดยใช้เครือข่าย EHT แบบเต็ม(ซึ่งมี ALMA และ APEX ด้วย) ภาพขวามือแสดงภาพหลุมดำอย่างที่น่าจะเป็นเมื่อปราศจากข้อมูลจาก ALMA และ APEX ความแตกต่างเห็นได้อย่างชัดเจนถึงบทบาทที่สำคัญที่ ALMA และ APEX มีต่อการสำรวจนี้

     EHT ช่วยให้ทีมได้สำรวจเงาหลุมดำและวงแหวนแสงรอบๆ มันได้โดยตรง โดยภาพโพลาไรซ์ภาพใหม่ได้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าวงแหวนนี้ก็เป็นแม่เหล็ก ผลสรุปเผยแพร่เป็นรายงาน 2 ฉบับใน Astrophysical Journal Letters โดยกลุ่มความร่วมมือ EHT งานวิจัยนี้มีนักวิจัยเกี่ยวข้องมากกว่า 300 คนจากองค์กรและมหาวิทยาลัยทั่วโลกหลายแห่ง EHT กำลังพัฒนาได้อย่างรวดเร็ว โดยมีการอัพเกรดทางเทคโนโลจีให้กับเครือข่าย และเพิ่มหอสังเกตการณ์ใหม่ๆ เข้ามา เราคาดว่าการสำรวจ EHT ในอนาคตจะเผยให้เห็นโครงสร้างสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำที่เที่ยงตรงมากขึ้น และบอกเราได้มากขึ้นเกี่ยวกับฟิสิกส์ของก๊าซร้อนในพื้นที่นี้ Jongho Park สมาชิกทีมกลุ่มความร่วมมือ EHT นักวิจัยหอสังเกตการณ์เอเชียตะวันออก ที่สถาบันดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Academia Sinica ในไทเป ไต้หวัน กล่าว

แหล่งข่าว eso.org : astronomers image magnetic fields at the edge of M87’s black hole
                space.com : first image of a black hole gets a polarizing update that sheds light on magnetic fields     
                Harvard.edu : for the first time, images capture black hole’s magnetic fields
                mit.edu : astronomers image magnetic fields at the edge of M87’s black hole