EHT สำรวจกาแลคซี เซนทอรัส เอ

 

ขวา: ภาพความละเอียดสูงสุดแสดงเซนทอรัส เอ ที่ถ่ายโดย EHT ซ้าย: ภาพสีรวมประกอบกาแลคซี 

     ทีมนานาชาติที่อยู่ในกลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์(Event Horizon Telescope; EHT) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีเมื่อได้จับภาพหลุมดำในกาแลคซี M87 ได้เป็นครั้งแรก ขณะนี้ได้จับภาพใจกลางของกาแลคซีวิทยุที่อยู่ใกล้ที่สุด เซนทอรัส เอ
(Centaurus A) ด้วยรายละเอียดที่ไม่น่าเชื่อ นักดาราศาสตร์ได้ระบุตำแหน่งของหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ในใจกลางและเผยให้เห็นว่าไอพ่นลำยักษ์เริ่มต้นขึ้นได้อย่างไร แต่สิ่งที่น่าประทับใจที่สุดก็คือ มีแค่เพียงขอบของไอพ่นที่ดูเหมือนจะเปล่งแสง ซึ่งท้าทายแบบจำลองไอพ่นทางทฤษฎีทั้งปวง งานวิจัยนี้นำโดย Michael Janssen จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์วิทยุ ในบอนน์ และมหาวิทยาลัยรัดบาวด์ ไนจ์เมเกน เผยแพร่ใน Nature Astronomy วันที่ 19 กรกฎาคม

     ในช่วงความยาวคลื่นวิทยุ Centaurus A(เขียนสั้นๆ Cen A) ปรากฏเป็นวัตถุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดและสว่างที่สุดแห่งหนึ่งบนท้องฟ้า หลังจากมันถูกจำแนกว่าเป็นแหล่งวิทยุนอกทางช้างเผือกแห่งแรกๆ ในปี 1949 เซน เอ ก็ถูกศึกษาอย่างปรุโปร่งตลอดช่วงควมยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า โดยใช้หอสังเกตการณ์วิทยุ, อินฟราเรด, ช่วงตาเห็น, รังสีเอกซ์ และรังสีแกมมาต่างๆ นานา ที่ใจกลางของเซน เอ มีหลุมดำแห่งหนึ่งที่มีมวล 55 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งอยู่ตรงกลางระหว่างมวลของหลุมดำใน M87(6.5 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์) กับหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือก คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*; เขียนย่อๆ Sgr A*) ซึ่งมีมวลราว 4 ล้านเท่าดวงอาทิตย์  

การสำรวจ Centaurus A ในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ (ช่องเล็กด้านขวา) และนำมารวมเป็นพหุความยาวคลื่น(multi-wavelength)

     ในรายงานใหม่ใน Nature Astronomy ข้อมูลจากการสำรวจ EHT ในปี 2017 ซึ่งได้วิเคราะห์เพื่อสร้างภาพ เซน เอ ในรายละเอยดที่ไม่น่าเชื่อ นี่ช่วยให้เราได้เห็นและศึกษาไอพ่นวิทยุนอกทางช้างเผือกด้วยรายละเอียดที่เล็กกว่าระยะทางหนึ่งวันแสงได้เป็นครั้งแรก เราได้เห็นในระยะประชิดว่าไอพ่นลำเขื่องยักษ์ที่ถูกยิงออกจากหลุมดำมวลมหาศาล มีกำเนิดอย่างไร Janssen กล่าว เมื่อเปรียบเทียบกับการสำรวจความละเอียดสูงก่อนหน้านี้ทั้งหมด ไอพ่นที่ยิงออกจากเซน เอ ถ่ายภาพที่ความถี่สูงกว่า 10 เท่า และมีความละเอียดคมชัดมากกว่า 16 เท่า ด้วยพลังการไขรายละเอียดของ EHT ขณะนี้นักดาราศาสตร์ได้เชื่อมโยงขนาดที่ใหญ่โตของแหล่ง ซึ่งมีความกว้างเชิงมุมถึง 16 เท่าเส้นผ่าศูนย์กลางจันทร์เต็มดวง เข้ากับกำเนิดใกล้ๆ หลุมดำของพวกมัน ในพื้นที่แห่งหนึ่งที่มีความกว้าง เปรียบเทียบคือความกว้างของลูกแอปเปิ้ลบนดวงจันทร์ นี่เป็นพลังการขยายถึง 1 พันล้านเท่า

เข้าใจไอพ่น

     หลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ในใจกลางของกาแลคซีอย่าง เซน เอ กำลังกลืนกินก๊าซและฝุ่นที่ถูกดึงเข้ามาโดยแรงโน้มถ่วงที่สุดขั้วของพวกมัน กระบวนการนี้สร้างพลังงานจำนวนมหาศาลและกาแลคซีเหล่านั้น จะเรียกว่า กัมมันต์(active) วัสดุสารเกือบทั้งหมดที่อยู่ใกล้กับขอบของหลุมดำจะตกลงไปในหลุม อย่างไรก็ตาม มีอนุภาครอบๆ บางส่วนที่หนีออกมาในชั่วขณะก่อนที่จะถูกจับไว้และถูกเปล่งออกสู่อวกาศ กลายเป็นไอพ่น

ภาพซ้ายบนแสดงว่าไอพ่นกระจายในเมฆก๊าซที่เปล่งคลื่นวิทยุได้อย่างไรซึ่งจับภาพโดยกล้อง ATCA และปาร์กส์ แถบบนขวาแสดงภาพรวมประกอบสี โดยมีซูม 40 เท่าเทียบกับช่องแรกเพื่อให้สอดคล้องกับขนาดของกาแลคซีเอง การเปล่งคลื่นช่วงเสี้ยวมิลลิเมตรจากไอพ่นและฝุ่นในกาแลคซีที่ตรวจสอบโดยเครื่องมือ LABOCA/APEX แสดงเป็นสีส้ม การเปล่งรังสีเอกซ์จากไอพ่นตรวจสอบโดยจันทราแสดงเป็นสีฟ้า แสงช่วงตาเห็นสีขาวมาจากดาวในกาแลคซีนี้จับภาพโดยกล้องขนาด 2.2 เมตรที่ MPG/ESO ช่องต่อไปแสดงภาพซูม 165,000 เท่าแสดงไอพ่นวิทยุส่วนในที่ได้จากกล้อง TANAMI

แถบด้านขวาแสดงภาพพื้นที่ยิงไอพ่นในความละเอียดสูงสุดโดย EHT ในช่วงความยาวคลื่นมิลลิเมตรด้วยความละเอียดเหมือนการซูม 60 ล้านเท่า แถบขนาดระบุเป็นปีแสงและวันแสง 

     นักดาราศาสตร์ได้พึ่งพาแบบจำลองต่างๆ เพื่อบอกว่าสสารมีพฤติกรรมใกล้หลุมดำอย่างไร เพื่อให้เข้าใจกระบวนการนี้ได้ดีขึ้น แต่พวกเขาก็ยังคงไม่ทราบแน่ชัดว่าไอพ่นถูกยิงออกจากพื้นที่ใจกลางนี้ได้อย่างไร และไอพ่นสามารถวิ่งไปได้ไกลจนมีระยะทางมากกว่ากาแลคซีต้นสังกัดของมันได้อย่างไร โดยไม่แตกกระจายออก EHT มุ่งเป้าเพื่อไขปริศนานี้ ภาพใหม่ได้แสดงว่า ไอพ่นที่เซน เอ ยิงออกมามีความสว่างที่ขอบมากกว่าเมื่อเทียบกับใจกลาง ปรากฏการณ์ประหลาดนี้ก็พบในไอพ่นอื่นๆ แต่ไม่เคยได้เห็นอย่างละเอียดแบบนี้มาก่อน

     เราพบว่ามันท้าทายที่จะอธิบายด้วยแบบจำลองเดียวกับที่เราใช้กับ M87 จะต้องมีบางสิ่งที่แตกต่างออกไปเกิดขึ้นอยู่ อย่างเช่น สนามแม่เหล็กที่บิดเป็นเกลียววน ซึ่งให้เงื่อนงำใหม่แก่เราว่าบีบเค้นไอพ่นได้อย่างไร Sera Markoff รองประธาน สภาวิทยาศาสตร์ EHT และศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์พลังงานสูงทางทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม กล่าว

     ทีมใช้การสำรวจที่ทำจากพื้นที่ 7 แห่งที่กระจายทั่วซีกโลกตะวันตก ในระหว่างโครงงานสำรวจ EHT ในเดือนเมษายน 2017 เหมือนกับที่ทีมได้สร้างภาพหลุมดำของ M87 ซึ่งกลายเป็นไอคอนไปแล้ว ทีมใช้วิธีแบ่งกันตี โดยมีทีมย่อยสิบสองทีมที่ทำงานอย่างเป็นอิสระต่อกันและกันในการสร้างภาพ 12 ภาพที่แตกต่างกันจากข้อมูล EHT ด้วยการใช้วิธีการต่างๆ นานา จากนั้นทีมก็เปรียบเทียบผลสรุป คัดส่วนที่แย่ที่สุดออกไป และทำงานด้วยกันในการสร้างภาพสุดท้าย ภาพนั้นดูแปลกประหลาดเมื่อมองในคราแรก ที่หายไปจากภาพก็คือหลุมดำ ทีมคิดว่ามันคงจะอยู่ตรงไหนสักที่ในวงกลมสีขาว จากจุดดังกล่าว บางทีคุณอาจจะลืมไปจนคิดว่าหลุมดำกำลังยิงไอพ่นออกมา 4 ลำ แต่นั้นไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้น แท้ที่จริงแล้ว เรากำลังได้เห็นขอบของไอพ่น 2 ลำ ขอบด้านหนึ่งชี้มาทางเรา(ซ้าย) และอีกด้านชี้หนีจากเรา(ขวา)

      จากแบบจำลองเสมือนจริงรายละเอียดที่ทำมาหลายปี นักดาราศาสตร์คิดว่าใจกลางของไอพ่นของหลุมดำ(สันหลัง) นั้นเป็นช่องว่างซะส่วนใหญ่ จริงๆ แล้วมันเป็นสนามแม่เหล็กที่หมุนวนเป็นเกลียวยักษ์ ซึ่งมีอิเลคตรอนและอนุภาคอื่นๆ ที่วิ่งไปรอบๆ ไม่เยอะนัก Michael Janssen สมาชิกทีม จากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์วิทยุ เจอรมนี กล่าว แต่ที่ประกบสันหลังของไอพ่น เป็นอนุภาคจำนวนมากซึ่งอาจจะถูกเป่าออกจากดิสก์ก๊าซที่ปุกปุยมากของหลุมดำ หรือไม่ก็มาจากกาแลคซีรอบๆ เนื่องจากไอพ่นไม่ได้ชี้มาที่เราโดยตรง เราจึงมองไม่เห็นการเรืองสว่างจากสันหลังที่เคลื่อนที่เร็ว เหมือนกับแสงไฟฉายที่หันเหออกจากตาของเรา แต่ก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนตามแนวขอบของไอพ่นกำลังเคลื่อนที่ไปรอบๆ ด้วยเส้นทางที่ช้ากว่า และอิเลคตรอนของมันก็กำลังหมุนรอบไปตามเกลียวในไอพ่น อิเลคตรอนเหล่านี้เปล่งโฟตอนไปทั่วทุกทิศทาง และเรขาคณิตของมันก็ทำราวกับว่าเราจะเห็นขอบได้ค่อนข้างดี

     ที่น่าสนใจเป็นพิเศษก็คือ โครงสร้างไอพ่นที่มีขอบสว่างยังปรากฏในกาแลคซีกัมมันต์ M87, Markarian 501 และ 3C84 ด้วย หลุมดำของกาแลคซีเหล่านี้ทั้งหมดกลืนก๊าซด้วยอัตราที่ค่อนข้างต่ำ เช่นเดียวกับหลุมดำของ Cen A แนวโน้มนี้อาจจะบ่งชี้ว่ามีบางสิ่งที่เป็นสากลเกิดขึ้นในระบบเหล่านี้ การค้นพบสนับสนุนแนวคิดที่ว่าหลุมดำมวลสูงเป็นเวอร์ชั่นที่ใหญ่ขึ้นจากหลุมดำมวลเบากว่า

     ด้วยการสำรวจไอพ่น เซน เอ ครั้งใหม่จาก EHT ซึ่งสามารถเจาะลงไปเล็กได้ถึงระดับความละเอียดถึง 0.6 วันแสง ได้จำแนกพื้นที่รอบหลุมดำที่น่าจะเป็นจุดยิงไอพ่นออกมา จากตำแหน่งนี้ น่าเสียดายที่ EHT ไม่สามารถกระชาก “เงา” ของหลุมดำ Cen A ออกจากที่ซ่อนได้ ด้วยมวล 55 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ อยู่ตรงกลางระหว่างหลุมดำยักษ์ใน M87(มวล 6.5 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์) และคนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) หลุมดำยักษ์ในใจกลางทางช้างเผือกซึ่งมีมวลราว 4 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ หลุมดำแห่งนี้ก็ยังเล็กเกินกว่าจะเผยรายละเอียดจากระยะทางเช่นนี้ นักดาราศาสตร์ต้องขยับไปที่ความถี่วิทยุที่สูงขึ้น สูงกว่าที่ EHT ใช้สำรวจหนึ่งร้อยเท่า และความละเอียดที่สูงขึ้น น่าจะสามารถถ่ายภาพหลุมดำในใจกลาง เซน เอ ได้ นี่น่าจะต้องใช้หอสังเกตการณ์ในอวกาศ

ช่องซ้าย: ก่อนการสำรวจของ EHT นี่เป็นภาพความละเอียดสูงสุดของไอพ่น Cen A ที่ถ่ายโดยเครือข่าย TANAMI VLBI ในช่วงความยาวคลื่นเซนติเมตร ช่องกลาง: เมื่อเทียบกัน ภาพใหม่จาก EHT ซูมเข้าไป 16 เท่า ส่วนที่เบลอสอดคล้องกับความละเอียดของข้อมูล ช่องขวา: ไอพ่นของ M87 ก็มีโครงสร้างที่สว่างในส่วนขอบเช่นเดียวกับไอพ่นของ เซน เอ ที่แสดงนี้มีขนาดใกล้เคียงกัน แต่เป็นสัดส่วนกับมวลของหลุมดำยักษ์ในกาแลคซีต้นสังกัด   

     Heino Falcke สมาชิกคณะกรรมการ EHT และศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ มหาวิทยาลัยรัดบาวด์ กล่าวว่า ข้อมูลเหล่านี้มาจากโครงงานสำรวจเดียวกันกับที่ช่วยให้ได้ภาพหลุมดำใน M87 ที่โด่งดัง ผลสรุปใหม่ได้แสดงว่า EHT ได้ให้ขุมทรัพย์ข้อมูลกับหลุมดำที่หลากหลาย และยังมีอีกมากที่จะตามมา   

     เพื่อที่จะสำรวจกาแลคซี เซน เอ ด้วยความละเอียดที่คมชัดมากๆ ที่ความยาวคลื่น 1.3 มิลลิเมตร กลุ่ม EHT ใช้การตรวจสอบด้วยมาตรแทรกสอดเส้นฐานยาวมาก(Very Long Baseline Interferometry; VLBI) ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวกับที่สร้างภาพหลุมดำของ M87 ที่โด่งดังขึ้น พันธมิตรจากกล้องโทรทรรศน์ 8 ตัวรอบโลกได้ร่วมมือกันเพื่อสร้างกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์เสมือนมีขนาดเท่ากับโลก กลุ่มความร่วมมือ EHT ยังรวมนักวิจัยมากกว่า 300 คนจากอาฟริกา, เอเชีย, ยูโรป อเมริกาเหนือและใต้

     TANAMI(Tracking Active Galactic Nuclei with Austral Milliarcsecond Interferometry) เป็นโครงการพหุความยาวคลื่นที่จับตาดูไอพ่นสัมพัทธภาพในนิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์(active galactic nuclei) ในซีกฟ้าใต้ โครงการนี้จับตาดู เซน เอ ด้วย VLBI ในช่วงความยาวคลื่นเซนติเมตรมาตั้งแต่กลางทศวรรษ 2000 เครือข่าย TANAMI ประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 9 ตัวใน 4 ทวีปสำรวจที่ความยาวคลื่น 4 เซนติเมตรและ 1.3 เซนติเมตร

แหล่งข่าว phys.org :  EHT pinpoints dark heart of the nearest radio galaxy
               skyandtelescope.com : Event Horizon Telescope reveals curious jet structure from black hole
               sciencealert.com : we just got an image of a plasma jet from another supermassive black hole, and whoa
               iflscience.com : unprecedented detail of nearest “loud” radio galaxy black hole revealed