วงแหวนยักษ์รอบหลุมดำ V404 Cygni

 

     หอลังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราและหอสังเกตการณ์สวิฟท์ของนาซาได้จับภาพซึ่งมีรายละเอียดเป็นวงแหวนตระการตาชุดหนึ่งรอบหลุมดำแห่งหนึ่ง ภาพรังสีเอกซ์แสดงวงแหวนยักษ์ได้เผยให้เห็นข้อมูลเกี่ยวกับฝุ่นที่อยู่ในกาแลคซีของเรา ด้วยการใช้ทฤษฎีคล้ายกับที่ใช้รังสีเอกซ์ในทางการแพทย์และในสนามบิน

      หลุมดำแห่งนี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบคู่ที่เรียกว่า V404 Cygni ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 7800 ปีแสง หลุมดำกำลังดึงวัสดุสารจากดาวข้างเคียงซึ่งมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์อย่างละโมบ เข้าสู่ดิสก์รอบวัตถุที่มองไม่เห็นแห่งนี้ วัสดุสารนี้เรืองสว่างในช่วงรังสีเอกซ์ ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงจัดให้ระบบเหล่านี้เป็น ระบบคู่รังสีเอกซ์(x-ray binaries)

     ในวันที่ 5 มิถุนายน 2015 สวิฟท์ได้พบการปะทุรังสีเอกซ์เหตุการณ์หนึ่งจาก V404 Cygni การปะทุได้สร้างวงแหวนพลังงานสูงจากปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า รังสีเอกซ์สะท้อนกลับ(light echoes) แทนที่จะเป็นคลื่นเสียงที่สะท้อนออกจากกำแพงหุบผาลึก แสงที่สะท้อนกลับรอบๆ V404 Cygni เกิดขึ้นเมื่อการปะทุรังสีเอกซ์จากระบบหลุมดำ สะท้อนออกจากเมฆฝุ่นที่อยู่ระหว่าง V404 Cygni กับโลก ฝุ่นอวกาศไม่เหมือนกับฝุ่นในบ้านเรือน แต่กลับคล้ายกับควันมากกว่า และประกอบด้วยอนุภาคของแข็งขนาดจิ๋ว

     ปรากฏการณ์ประหลาดนี้เคยพบเห็นมาก่อนแต่ก็พบได้ยาก มีรังสีเอกซ์สะท้อนกลับสว่างเช่นนี้อีกเพียง 3 แห่งที่พบจากดาวที่เกิดการลุกจ้าในกาแลคซีของเรา ดังนั้นแล้ว นักดาราศาสตร์จึงใช้โอกาสเพื่อใช้แสงสะท้อนกลับจาก V404 Cygni เพื่อตรวจสอบ ไม่เพียงแต่พฤติกรรมการปะทุของหลุมดำ แต่ยังรวมถึงฝุ่นในอวกาศรอบๆ

วงแหวนรังสีเอกซ์ทั้งแปดวง ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลาง และความหนาแตกต่างกัน 

      ในภาพรวมประกอบนี้ รังสีเอกซ์จากจันทรา(สีฟ้า) รวมกับข้อมูลช่วงตาเห็ฯได้จากกล้องโทรทรรศน์ Pan-STARRS ในฮาวาย ซึ่งได้แสดงดาวในพื้นที่การสำรวจ ภาพประกอบด้วยวงแหวนซ้อนที่มีจุดศูนย์กลางร่วม 8 วง วงแหวนแต่ละวงเกิดขึ้นจากการลุกจ้ารังสีเอกซ์จาก V404 Cygni ที่สำรวจพบในปี 2015 ที่สะท้อนกลับออกจากเมฆฝุ่นที่แตกต่างกัน(ภาพจากศิลปินอธิบายว่าวงแหวนที่จันทราและสวิฟท์ได้เห็นเกิดขึ้นได้อย่างไร เพื่อให้เข้าใจง่ายจึงแสดงวงแหวนเพียง 4 จาก 8 วง

     ทีมนักวิจัยที่นำโดย Sebastian Heinz จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมดิสัน ได้วิเคราะห์การสำรวจจากสวิฟท์ 50 ครั้งที่ทำในปี 2015 ตั้งแต่วันที่ 30 มิถุนายนจนถึง 25 สิงหาคม กล้องจันทราได้สำรวจระบบแห่งนี้ในวันที่ 11 และ 25 กรกฎาคม มันเป็นเหตุการณ์ที่สว่างซึ่งผู้ควบคุมกล้องจันทราจึงต้องวาง V404 Cygni ไว้ระหว่างเครื่องตรวจจับเพื่อที่จะทำอันตรายเครื่องมือ

     วงแหวนได้บอกนักดาราศาสตร์ไม่เพียงแค่พฤติกรรมของหลุมดำ แต่ยังบอกเกี่ยวกับภูมิประเทศระหว่าง V404 Cygni กับโลกด้วย ยกตัวอย่างเช่น แสงที่สะท้อนกลับออกมาเป็นวงแหวนแคบๆ แทนที่จะเป็นวงแหวนกว้าง ก็เพราะการปะทุรังสีเอกซ์คงอยู่เพียงชั่วเวลาสั้นๆ เท่านั้น นอกจากนี้เส้นผ่าศูนย์กลางของวงแหวนในช่วงรังสีเอกซ์ ได้เผยให้เห็นระยะทางสู่เมฆฝุ่นที่คั่นอยู่ตรงกลางที่แสงสะท้อนกลับออกมา ถ้าเมฆอยู่ใกล้โลก วงแหวนก็จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ วงแหวนที่อยู่ไกลออกไปก็จะเล็กลง เหมือนกับการมองลงไปในท่อเล็กๆ มุมมองที่เกิดขึ้นทำให้ปลายด้านที่ใกล้ดูใหญ่กว่าปลายด้านไกล

     ดังนั้น วงแหวนทั้งแปด จึงเป็นเมฆฝุ่นเอกเทศ 8 ก้อน ที่แสง(จากหลุมดำ) วิ่งเข้าหาเมื่อมันเดินทางในอวกาศ จากสิ่งนี้ เราทราบว่าวงแหวนที่ใหญ่ที่สุดซึ่งก็ใกล้ที่สุด เกิดขึ้นจากเมฆฝุ่นที่อยู่ห่างออกไปราว 3363 ปีแสง และวงแหวนที่ไกลที่สุดก็ที่ 6934 ปีแสง

 ภาพจากศิลปินแสดงรายละเอียดว่าโครงสร้างวงแหวนที่จันทราและสวิฟท์ได้เห็นถูกสร้างได้อย่างไร วงแหวนแต่ละวงเกิดขึ้นจากรังสีเอกซืที่สะท้อนกลับออกจากเมฆฝุ่นแต่ละก้อน ถ้าเมฆนั้นอยู่ใกล้เรามากกว่า วงแหวนจะมีขนาดใหญ่กว่า สิ่งที่ได้จึงเป็นวงแหวนซ้อนชุดหนึ่งที่มีขนาดปรากฏที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับระยะทางสู่เมฆฝุ่นที่คั่นกลางระหว่างเรากับระบบ V404 Cygni

     สุดท้าย แสงที่สะท้อนกลับจากฝุ่นยังสามารถใช้เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างและองค์ประกอบฝุ่นในอวกาศได้ ธาตุหนึ่งๆ จะดูดกลืนแสงในช่วงรังสีเอกซ์ที่ความยาวคลื่นที่จำเพาะ ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาสเปคตรัมรังสีเอกซ์ที่มาถึงเราเพื่อดูว่าฝุ่นอวกาศมีองค์ประกอบอย่างไร พวกเขาพบว่าฝุ่นนั้นเป็นซิลิเกตกับกราไฟต์เป็นหลัก และยังพบว่าพวกมันมีความหนาแน่นไม่เป็นเนื้อเดียวกันในทุกทิศทางด้วย

     การศึกษาพิเศษชิ้นหนึ่งเผยแพร่เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม 2016 ในวารสาร Astrophysical Journal และยังคงสำรวจแสงที่สะท้อนกลับออกมาได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้มากขึ้นเกี่ยวกับฝุ่นที่อยู่ระหว่างดวงดาวที่ปกติแล้วจะมองไม่เห็น นอกจากนี้ V404 Cygni ยัง โดยมีการปะทุราวทุกๆ สองหรือสามทศวรรษ ก่อนหน้านี้บันทึกได้ในปี 1938, 1956 และ 1989 ดังนั้น เราจึงสามารถคาดการณ์ว่าการลุกจ้าในอนาคตจะช่วยเราให้เข้าใจว่าฝุ่นในห้วงอวกาศอาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลงตามเวลาได้อย่างไร

      ยังมีอีกหลายอย่างที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากการปะทุเหล่านั้น ยกตัวอย่างเช่น การปะทุในปี 2015 ได้แสดงว่าสนามแม่เหล็กของหลุมดำในระบบ V404 Cygni นั้นอ่อนแอกว่าที่เราคาดไว้ และหลุมดำแห่งนี้ก็ยังหมุนรอบตัวแบบส่าย ในความเป็นจริงแล้ว มีรายงานจำนวนค่อนข้างมากที่เผยแพร่เกี่ยวกับการปะทุในปี 2015 ของ V404 Cygni นี่เป็นหลุมดำที่มีแต่ให้ และน่าจะเป็นเช่นนั้นต่อไป

แหล่งข่าว spaceref.com : huge rings around a black hole
             sciencealert.com : huge x-ray rings around a black hole reveal the hidden dust between stars     
               phys.org – V404 Cygni: huge rings around a black hole