คลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมของหลุมดำ-ดาวนิวตรอน

 

ภาพจากศิลปินแสดงเหตุการณ์การควบรวมหลุมดำ-ดาวนิวตรอน 

     นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบตัวอย่างการควบรวมของหลุมดำกับดาวนิวตรอนที่ชัดเจนสองเหตุการณ์แรก สมาชิกของกลุ่มความร่วมมือวิทยาศาสตร์ LIGO(LSC), กลุ่มความร่วมมือ Virgo และโครงการ KAGRA(Kamioka Gravitational Wave Detector) ได้รายงานการค้นพบใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 29 มิถุนายน

     คลื่นความโน้มถ่วงได้ช่วยให้เราได้ตรวจจับการชนของหลุมดำคู่ และดาวนิวตรอนคู่ แต่การชนผสมระหว่างหลุมดำกับดาวนิวตรอนนั้นเป็นชิ้นส่วนที่หายไปในภาพครอบครัวการควบรวมของวัตถุกะทัดรัด Chase Kimball สมาชิกทีมของมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น ผู้เขียนร่วมรายงาน กล่าว การเติมเต็มภาพนี้เป็นเรื่องจำเป็นเพื่อระบุแบบจำลองทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์แสดงการก่อตัววัตถุกะทัดรัดและวิวัฒนาการระบบคู่ สิ่งที่ได้จากแบบจำลองเหล่านี้ก็คือการทำนายอัตราที่หลุมดำและดาวนิวตรอนควบรวมด้วย ด้วยการตรวจจับเหล่านี้ สุดท้ายเราก็สามารถตรวจสอบอัตราการควบรวมของระบบคู่วัตถุกะทัดรัดทั้งสามแบบ

     นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจจับเหตุการณ์ทั้งสองได้ในครึ่งหลังของการเดินเครื่องครั้งที่สามของ LIGO และ Virgo(O3b) ซึ่งยังคงต้องรอการวิเคราะห์เต็มๆ O3b เดินเครื่องตั้งแต่เดือนพฤศจิกายน 2019 จนถึงปลายเดือนมีนาคม 2020 เหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วงทั้งสองซึ่งเรียกว่า GW200105 และ GW 200115 กระเพื่อมผ่านเครื่องตรวจจับห่างกันเพียง 10 วันเท่านั้น(วันที่ 5 มกราคม และวันที่ 15 มกราคม 2020 ตามลำดับ)

KAGRA(ขวาบน) เป็นอุปกรณ์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงแห่งที่สี่ ที่เข้าร่วมกับ LIGO แฝด(ซ้ายบนที่ฮันฟอร์ด ขวาล่างที่ลิฟวิงสตัน) และ Virgo(ซ้ายล่าง) ใกล้เมืองปิซา อิตาลี

     การควบรวมแต่ละเหตุการณ์เกี่ยวข้องกับหลุมดำขนาดค่อนข้างเล็ก(ใหญ่สุดไม่ถึง 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์) ที่จับคู่กับวัตถุที่มีมวลระหว่าง 1.5 ถึง 2 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ซึ่งก็อยู่ในช่วงมวลที่คาดไว้ของดาวนิวตรอน ผู้สังเกตการณ์ไม่พบการเรืองแสงจากการชน แต่จากที่การชนทั้งสองเกิดขึ้นห่างออกไปราว 9 ร้อยล้านปีแสง การสังเกตเห็นแสงวาบจึงไม่น่าเป็นไปได้ และแม้ว่าจะเกิดขึ้นก็ไม่น่าจะได้เห็นเมื่อ หลุมดำมีขนาดใหญ่มากพอที่จะเขมือบดาวนิวตรอนทั้งดวง แทนที่จะฉีกพวกมันออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย Susan Scott ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย ผู้เขียนร่วมรายงาน กล่าวว่า การชนแต่ละเหตุการณ์ไม่ใช่เพียงแต่วัตถุมวลสูงและหนาแน่นสูง 2 ดวงเข้ามาอยู่ใกล้กัน แต่มันเหมือนแพคแมน ซึ่งหลุมดำกลืนดาวนิวตรอนไปทั้งดวง เป็นเหตุการณ์ที่น่าประทับและเราก็รอคอยมานานแล้วที่จะได้เห็น ซึ่งสุดท้ายก็พบพวกมันอย่างไม่น่าเชื่อ

     สมาชิก LVK(LIGO/Virgo/KAGRA) ได้รายงานว่าที่เหตุการณ์การชนหลุมดำ-ดาวนิวตรอน ก่อนหน้านี้ แต่ก็ยังคงไม่ชัดเจนว่ามันเป็นสัญญาณกวนในข้อมูลหรือไม่ และเมื่อฤดูร้อนที่ผ่านมาในเดือนสิงหาคม พวกเขาก็ยังได้ประกาศการชนครั้งปริศนาที่เกี่ยวข้องกับ สิ่งที่อาจเป็นดาวนิวตรอนที่มีมวลสูงที่สุด หรือไม่ก็หลุมดำที่มีมวลต่ำที่สุดเท่าที่เคยพบ(ลูกขุนยังไม่ตัดสินแต่นักดาราศาสตร์บางส่วนก็เอียงไปทางด้านหลุมดำ) แต่ในแง่ระดับความเชื่อมั่น เหตุการณ์ใหม่ทั้งสองได้เป็นเหตุการณ์(การชนของหลุมดำกับดาวนิวตรอน) แรกๆ ในการศึกษาด้วยคลื่นความโน้มถ่วง

มวลของดาวนิวตรอนและหลุมดำที่ตรวจสอบผ่านคลื่นความโน้มถ่วง(สีฟ้าและส้ม) และการสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า(สีเหลืองและม่วง) GW 200105 และ GW 200115 ที่เน้นในภาพเมื่อเป็นการควบรวมของหลุมดำ-ดาวนิวตรอน

พวกมันก่อตัวได้อย่างไร

     ในเหตุการณ์แรก GW 2000105 ดาวนิวตรอนมวล 1.9 เท่ามวลดวงอาทิตย์ชนกับหลุมดำที่มีมวลประมาณ 9 เท่าดวงอาทิตย์ และดูเหมือนจะหมุนรอบตัวอย่างช้าๆ หรืออาจจะไม่หมุนเลยด้วยซ้ำ และยังมีข้อบ่งชี้ว่ามันเป็นซากแกนกลางของดาวฤกษ์ที่ยุบตัวลง แม้ว่าการสำรวจรังสีเอกซ์ของหลุมดำในระบบดาวคู่จะยังเป็นที่สงสัย โชคร้ายที่ เนื่องจากพวกมันมีมวลสูงกว่าดาวนิวตรอนสี่ถึงห้าเท่า หลุมดำในการควบรวมทั้งสองจึงกลืนข้อมูลเกี่ยวกับการหมุนรอบตัวของวัตถุข้างเคียงของพวกมันไปด้วย คลื่นความโน้มถ่วงเหตุการณ์นี้ถูกพบโดยเครื่องตรวจจับเพียงแห่งเดียวในขณะที่อีกแห่งออฟไลน์ชั่วคราว ในขณะที่ Virgo ก็ยังสำรวจอยู่ แต่สัญญาณเบาเกินกว่าจะตรวจจับได้ เนื่องจากมีเครื่องตรวจจับเพียงแห่งเดียวที่จับสัญญาณแรงได้ นักดาราศาสตร์จึงไม่สามารถตรวจสอบทิศทางกำเนิดคลื่นได้ แม้ว่า Virgo จะไม่พบแต่ก็ช่วยระบุพื้นที่ของสัญญาณให้แคบลงเหลือประมาณ 17% ของท้องฟ้าทั้งหมด หรือ 34000 เท่าจันทร์เต็มดวง

ภาพจากแบบจำลองสัมพัทธภาพแสดงการควบรวมระบบคู่ดาวนิวตรอน-หลุมดำ(NSBH) ที่สอดคล้องกับ GW200105 คลื่นความโน้มถ่วงที่เปล่งจากคู่ที่คล้ายกับที่สร้าง GW200105 โดยหลุมดำมีขนาด 4.7 เท่ามวลดาวข้างเคียง และวัตถุทั้งสองไม่มีดวงใดเลยที่หมุนรอบตัวอยู่ เนื่องจากความแตกต่างในมวลอย่างมีนัยสำคัญนี้ ดาวนิวตรอนจึงแทบไม่พบกับการรบกวนใดๆ จนกระทั่งวาระสุดท้าย ซึ่งถูกกลืนโดยหลุมดำไปทั้งดวง credit:https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20210629c

     ส่วน GW 200115 เครื่องตรวจจับทั้งสาม(LIGO 2 และ Virgo 1) ได้รับสัญญาณซึ่งเป็นผลจากการควบรวมของดาวนิวตรอนมวลประมาณ 1.5 เท่าดวงอาทิตย์กับหลุมดำมวล 6 เท่าดวงอาทิตย์ อยู่ห่างออกไปราว 1 พันล้านปีแสง ทิศทางกำเนิดคลื่นครอบคลุมท้องฟ้าเพียงส่วนเล็กๆ เทียบเท่ากับ 2900 เท่าจันทร์เต็มดวง ที่น่าสนเท่ห์ก็คือหลุมดำของ GW200115 ที่หมุนกลับด้านกับวงโคจรของมัน วัตถุที่ก่อตัวในระบบคู่(binary) มักจะหมุนรอบตัวเอียงจากวงโคจรรอบกันและกันไม่เกิน 30 องศา ดังนั้น มุมที่กลับหัวกลับหางของหลุมดำอาจจะหมายความว่ามันมาจับคู่กับดาวนิวตรอน หลังจากที่ก่อตัวขึ้นมา อย่างไรตาม ไม่มีทางทราบแน่นอน Kimball กล่าว การหมุนรอบตัวที่เอียงผิดไปเกิดขึ้นได้จากหลายทาง เขาอธิบาย ก็จริงที่วัตถุอาจจะหากันจนเจอในช่วงปลายชีวิต ก็น่าจะเอียงไปได้ในทุกทิศทาง บางทีอาจจะเปลี่ยนคู่ไปได้หลายครั้งเมื่อดาวและซากดาวเต้นรำเป็นกลุ่มไปทั่วกระจุกดาว แต่ดาวดวงหนึ่งก็ยังอาจผลักออกจากเพื่อนที่เกิดมาพร้อมกันออกไปเมื่อมันกลายเป็นซุปเปอร์โนวาหรือมีก๊าซถล่มให้มัน ผมไม่คิดว่าข้อมูลเพียงชิ้นเดียวจะช่วยให้เราบอกได้แน่ชัดว่าการควบรวมของหลุมดำ-ดาวนิวตรอนเหตุการณ์หนึ่งๆ มาจากช่องทางไหนกันแน่

     จากการสำรวจการควบรวมผสมสองเหตุการณ์ในเดือนมกราคม ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ทำนายว่าจะมีการควบรวมของหลุมดำ-ดาวนิวตรอน เกิดขึ้นหนึ่งครั้งในแต่ละเดือน ภายในระยะทาง 1 พันล้านปีแสงจากโลก แต่เพียงแค่สองเหตุการณ์นี้ยังไม่พอที่จะตรวจสอบสิ่งที่เกิดขึ้น Maya Fishbach นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น ในอิลลินอยส์ ผู้เขียนร่วม กล่าวว่า เรายังคงไม่ทราบอีกมากเกี่ยวกับดาวนิวตรอนและหลุมดำ พวกมันจะมีขนาดใหญ่และเล็กได้แค่ไหน, พวกมันหมุนรอบตัวเร็วแค่ไหน และพวกมันมาจับเป็นคู่ที่ควบรวมได้อย่างไร

      แต่การรวบรวมข้อมูลก็ให้ผล เมื่อสะสมการตรวจสอบการชนของหลุมดำ-ดาวนิวตรอนได้มากพอ และนักดาราศาสตร์ก็จะสามารถมองหารูปแบบได้ ถ้ามีหลายแห่งที่หมุนรอบตัวเอียงจากระนาบโคจร มันก็อาจจะเอียงไปทางที่เพิ่งมาจับคู่กันทีหลัง นักวิจัย LVK ได้ทำการวิเคราะห์เบื้องต้นลักษณะนี้เรียบร้อยแล้ว กับหลุมดำจากบัญชีรายชื่อล่าสุด และพบร่องรอยว่ามีหลุมดำราวหนึ่งในสามที่พบจากการชนว่า เพิ่งมาจับคู่กันภายหลัง

      การรวบรวมข้อมูลจากการควบรวมทั้งสองชนิดคือ ดาวนิวตรอนคู่, หลุมดำคู่ และหลุมดำ-ดาวนิวตรอน ก็มีความสำคัญ ไม่ว่ากระบวนการก่อตัวแบบใดจะสร้างระบบคู่ชนิดหนึ่งขึ้นมากที่สุด ก็ยังน่าจะสร้างระบบคู่ในแบบอื่นได้พอสมควรด้วย ดังนั้นเมื่อนักดาราศาสตร์สามารถเก็บสถิติว่าการควบรวมชนิดต่างๆ แบบไหนเกิดขึ้นถี่แค่ไหน พวกเขาก็จะสามารถตีวงว่ากระบวนการใดที่น่าจะสร้างระบบคู่แต่ละชนิดขึ้นมาได้ด้วยอัตราที่สำรวจพบ และวาดภาพว่าระบบน่าจะเริ่มต้นอย่างไรในทีแรกได้

     เครื่องตรวจจับ LIGO แฝด, Virgo และ KAGRA ทั้งหมดกำลังอยูในระหว่างเตรียมการเพื่อการเดินเครื่องสำรวจครั้งที่ 4 ของกลุ่มพันธมิตรนี้ ซึ่งมีกำหนดในฤดูร้อนปีหน้า นักวิทยาศาสตร์บอกว่าเครือข่ายทั้งสี่น่าจะตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงได้ 1 เหตุการณ์ต่อวัน Patrick Brady โฆษกกลุ่มความร่วมมือทางวิทยาศาสตร์ LIGO กล่าวว่า ด้วยความไวที่เพิ่มขึ้น เราหวังว่าจะตรวจจับคลื่นจากการควบรวมได้ถึงวันละครั้ง และจะตรวจสอบคุณสมบัติของหลุมดำและสสารหนาแน่นสูงยิ่งยวดที่ประกอบเป็นดาวนิวตรอน ได้ดีขึ้น

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : gravitational waves reveal black hole-neutron star mergers
                sciencealert.com : scientists confirm black hole and neutron star collisions in world-first discovery
                 phys.org : astrophysicists detect first black hole-neutron star mergers
                 space.com : scientists catch 1^st glimpse of a black hole swallowing a neutron star
                 iflscience.com : black holes swallowing neutron stars whole seen for the first time