หลุมดำมวลปานกลางคายความลับ

     นักดาราศาสตร์ได้ใช้การตายของดาวฤกษ์ดวงหนึ่งเพื่อเปิดเผยรายละเอียดเกี่ยวกับหลุมดำมวลปานกลางแห่งหนึ่งที่ซ่อนตัวอยู่

     หลุมดำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในอวกาศไม่ได้โผล่ขึ้นมาก็เติบโตเต็มวัย พวกมันจะต้องเริ่มต้นจากขนาดเล็กกว่านี้เป็นเมล็ดพันธุ์ จากนั้นจากการชนและกลืนก๊าซอย่างตะกละตะกลามจึงเจริญเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็ว คำถามที่นักดาราศาสตร์เผชิญอยู่ก็คือ แล้วเมล็ดพันธุ์นั้นคืออะไร พวกมันก่อตัวได้อย่างไร ตอนเกิดเมล็ดพันธุ์มีขนาดใหญ่แค่ไหน และพวกมันเจริญเติบโตได้อย่างไร

     เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ นักดาราศาสตร์ต้องหาวัตถุที่คล้ายเมล็ดพันธุ์ ซึ่งเรียกว่า หลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black holes; IMBHs) วัตถุเหล่านี้น่าจะมีมวลตรงกลางระหว่างหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes) อย่าง หงส์ X-1(Cygnus X-1) และพวกยักษ์ใหญ่ที่อยู่ในใจกลางกาแลคซีขนาดใหญ่ อย่าง คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) ของทางช้างเผือกเอง ผู้สังเกตการณ์ได้พบว่าที่วัตถุเหล่านั้นหลายสิบแห่ง โดยมีมวลเทียบเท่าตั้งแต่หลายสิบจนถึงหลายแสนเท่ามวลดวงอาทิตย์ แต่เราแทบจะไม่ทราบอะไรเกี่ยวกับพวกมันเลย

     Sixiang Wen นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยอริโซนา และเพื่อนร่วมงาน ได้ตรวจสอบหนึ่งในว่าที่วัตถุเหล่านั้นใกล้ชิดมากขึ้น และสกัดข้อมูลที่ไม่เคยได้เกี่ยวกับ IMBHs มาก่อนเลย หลุมดำขนาดกลางแห่งนี้ดูเหมือนจะอยู่ในกระจุกดาวแห่งหนึ่งใกล้กาแลคซีแห่งหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 750 ล้านปีแสงในกลุ่มดาวคนแบกหม้อน้ำ(Aquarius) โดยปกติแล้ว จะมองไม่เห็นหลุมดำ แต่นักดาราศาสตร์ก็พบมันได้เมื่อหลุมดำฉีกและกลืนดาวฤกษ์ดวงหนึ่งลงไป เปิดโปงตัวเองขึ้นในเศษซากดาวที่เรืองสว่างในเหตุการณ์ที่เรียกว่า 3XMM J215022.4-055108(เรียกสั้นๆ ว่า J2150)

     เมื่อเกิดการลุกจ้าสว่างก่อนที่เศษซากดาวที่ถูกทำลายจะค่อยๆ หายลับไปในขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ของหลุมดำ เมื่อเศษซากดาวที่ถูกทำลายกลายเป็นกระแสก๊าซร้อนหมุนวนไปรอบๆ มันจะร้อนขึ้นเกิดการลุกจ้าสว่างจนเปล่งรังสีเอกซ์ ก่อนที่กระแสก๊าซจะค่อยๆ หายลับไปในขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ของหลุมดำ ทีมใช้การสำรวจที่กินเวลา 12 ปีจากดาวเทียม XMM-Newton และกล้องจันทราเพื่อเฝ้าดูหายนะนี้

     ความสว่างในช่วงรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานต่างกันและวิธีที่สเปคตรัมเปลี่ยนแปลงตามเวลา จะขึ้นอยู่กับมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำ เนื่องจากพวกมันกำกับกาลอวกาศที่ก๊าซกำลังเดินทางผ่านนี้ การเปล่งรังสีเอกซ์จากดิสก์ส่วนในที่ก่อตัวขึ้นจากเศษซากของดาวที่ตายทำให้เราสามารถบอกมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำแห่งนี้ได้ Wen กล่าว ด้วยการใช้ความพยายามซึ่งเดิมออกแบบมาใช้กับหลุมดำมวลดวงดาว ทีมก็สามารถคำนวณมวลและการหมุนรอบตัวโดยประมาณของหลุมดำมวลปานกลางนี้ คือ น้อยกว่า 22000 เท่าดวงอาทิตย์(อยู่ที่ราว 1 หมื่นเท่าดวงอาทิตย์) และหมุน 80% ของความเร็วสูงสุด การศึกษาเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 10 กันยายน

     ความจริงว่าเราสามารถพบหลุมดำนี้ได้ในขณะที่มันกำลังกลืนกินดาวดวงหนึ่งได้ให้โอกาสอันล้ำค่าในการสำรวจสิ่งที่ควรจะมองไม่เห็นนี้ Ann Zabludoff นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยอริโซนา กล่าว ไม่เพียงเท่านั้น ด้วยการวิเคราะห์การลุกจ้าที่เกิด เราก็สามารถเข้าใจหลุมดำชนิดที่ไม่เป็นที่รู้จักกัน

     นักดาราศาสตร์ได้ใช้หายนะการกลืนดาวซึ่งเรียกเหตุการณ์นี้ว่า tidal disruption event(TDEs) เพื่อตรวจสอบการหมุนรอบตัวของหลุมดำยักษ์มาก่อนแล้ว แต่ไม่เคยทำกับหลุมดำมวลปานกลางเลย การเพิ่มศักยภาพในการระบุการหมุนรอบตัว นอกเหนือจากมวลของหลุมดำเอง กลับเป็นเรื่องที่สร้างความตื่นเต้นอย่างแท้จริง Suvi Gezari ผู้เชี่ยวชาญ TDE จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ กล่าวถึงวิธีการใหม่นี้

      แต่สิ่งที่สร้างความประหลาดอย่างแท้จริงในผลสรุปนี้ก็คือ ระดับการหมุนรอบตัว หลุมดำอาจมีระดับการหมุนตั้งแต่ 0 จนถึง 1 ซึ่ง 1 ก็คือความเร็วสูงสุดที่มวลหลุมดำยอม ระดับการหมุนสามารถบอกเราว่าหลุมดำเจริญได้อย่างไร แต่ก็ไม่มีคำอธิบายถึงค่า 0.8 มันค่อนข้างสูงเกินกว่าจะเป็นหลุมดำที่เกิดขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำขนาดเล็กกว่า ซึ่งการตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วง มักจะแสดงการหมุนกระจุกที่ราว 0.7 มันยังมีค่าสูงมากเกินกว่าที่จะเจริญโดยการกลืนกินก๊าซรอบๆ จากทุกทิศทางอย่างช้าๆ แต่ก็ยังต่ำเกินกว่าจะเจริญโดยการกลืนกินกระแสธารก๊าซคงที่เส้นหนึ่งอย่างรวดเร็ว เพราะหลุมดำแห่งนั้นควรจะหมุนรอบตัวใกล้เคียงอัตราสูงสุด

     แล้วหลุมดำในเหตุการณ์ J2150 ก่อตัวและเจริญขึ้นมาได้อย่างไรจึงยังเป็นปริศนา ตัว Wen เองชอบแนวคิดการชนของดาวแบบกู่ไม่กลับ หรือกระทั่งการยุบตัวลงโดยรวมซึ่งเมฆก๊าซโบราณขนาดใหญ่ก้อนหนึ่งเกาะกลุ่มและเริ่มยุบตัวลงเองสร้างหลุมดำขึ้นมา หลุมดำนี้ยังมีมวลสอดคล้องกับลำดับเหตุการณ์การยุบตัวโดยตรง ซึ่งยังมีอีกหลายคู่ที่น่าจะมีกำเนิดกลายเป็นเมล็ดพันธุ์ในเอกภพยุคต้น

     นอกจากนี้ การตรวจสอบการหมุนรอบตัวของหลุมดำยังช่วยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ให้ทดสอบสมมุติฐานเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารมืด ซึ่งคิดกันว่าเป็นองค์ประกอบสสารส่วนใหญ่ในเอกภพ นักวิจัยอธิบายว่า ถ้าอนุภาคเหล่านี้มีอยู่จริงและมีมวลในระดับที่แน่ชัด พวกมันจะป้องกันไม่ให้หลุมดำมวลปานกลางหมุนรอบตัวเร็ว แต่หลุมดำของ J2150 ก็ยังหมุนรอบตัวเร็วมาก ดังนั้น การตรวจสอบการหมุนจึงช่วยกำจัดทฤษฎีโบซอนเบามาก(ultralight boson theory) ออกได้จำนวนมาก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณค่าของหลุมดำในฐานะห้องทดลองฟิสิกส์อนุภาคนอกโลก

      ที่หนึ่งที่เราอาจจะพบพวกมันก็คือในใจกลางกาแลคซีแคระ เราทราบว่าในใจกลางกาแลคซีเกือบทุกอย่างที่มีมวลใกล้เคียงกับทางช้างเผือก หรือใหญ่กว่า ต่างก็มีหลุมดำมวลมหาศาล และมวลของหลุมดำเหล่านั้นก็เป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของดาวที่กระจุกอยู่ในใจกลางกาแลคซีที่เรียกว่า ส่วนป่องกาแลคซี(bulge) ก็มีเหตุมีผลที่กาแลคซีขนาดเล็กกว่าก็น่าจะมีหลุมดำขนาดเล็กตามไปด้วย แต่จริงๆ แล้วการสำรวจพวกมันก็ท้าทาย แต่ถ้ากาแลคซีแคระเกือบทุกแห่งมีหลุมดำมวลปานกลางอยู่จริง เราก็น่าจะสามารถตรวจจับพวกมันได้จากการลุกจ้า TDEs

      แน่นอนว่าขั้นตอนต่อไปจะต้องรวบรวม TDEs ที่มีความเกี่ยวข้องกับหลุมดำมวลปานกลางให้มากขึ้น กล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอกซ์ e ROSITA จะเป็นตัวละครสำคัญซึ่งมันก็ได้พบ TDEs หลายสิบเหตุการณ์แล้วตั้งแต่ถูกส่งออกในปี 2019 และนักดาราศาสตร์ก็คาดว่ามันจะพบ TDEs เพิ่มอีกมาก อย่างไรก็ตาม Wen บอกว่าเขาและเพื่อนร่วมงานยังไม่สามารถใช้วิธีการของพวกเขากับการค้นพบของ e ROSITA ได้ เนื่องจากมีข้อมูลไม่เพียงพอ กล่าวคือ กล้องสแกนท้องฟ้าในรูปแบบการทำงานสแกนสำรวจ และพวกเขาต้องการการสำรวจระยะยาวจากเป้าหมาย ซึ่งจะเกิดขึ้นในภายหลัง

 

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : shredded star reveals elusive middle-mass black hole
                sciencealert.com : an elusive “missing link” mass black hole has been caught devouring a star   
                phys.org : this is what it looks like when a black hole snacks on a star

ปริศนา "ดาวผู้มาเยือน" ในปี 1181

 

ภาพสีเพี้ยนแสดงดาวของพาร์คเกอร์(Parker’s Star) และเนบิวลา Pa30 ในช่วงอินฟราเรดจาก WISE ซึ่งขณะนี้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่ามีความเชื่อมโยงกับรายงานการพบเห็นซุปเปอร์โนวาในปี 1181 ซ้าย: สีฟ้าเขียวแสดงการเปล่งคลื่นที่ 11 ไมครอน และ 22 ไมครอน ภาพขวา: เขียวที่ 11 ไมครอนและแดง 22 ไมครอน ในขณะที่เหลืองแสดงการเปล่งคลื่นอุลตราไวโอเลตที่บันทึกโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Galex และเส้นความแรงเสมอ(contour) แสดงการเปล่งรังสีเอกซ์ ยูวีและรังสีเอกซ์ส่วนใหญ่มาจากแกนกลางของเนบิวลาที่ดาวของพาร์คเกอร์เผาไหม้ลุกโชนสว่าง 

     ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติบอกว่า ปริศนาบนฟากฟ้าอายุเก้าร้อยปีเศษเกี่ยวกับกำเนิดของซุปเปอร์โนวาที่โด่งดังเหตุการณ์หนึ่งซึ่งถูกพบเป็นครั้งแรกเหนือแผ่นดินจีนในปี 1181 กระจ่างแล้วในที่สุด

     งานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่วันที่ 15 กันยายน ในวารสาร Astrophysical Journal Letters บอกว่าเนบิวลาหรือเมฆก๊าซบางๆ ก้อนหนึ่งที่เรียกว่า Pa30 ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็ว ล้อมรอบดาวที่ร้อนมากที่สุดดวงหนึ่งในทางช้างเผือกที่เรียกว่า ดาวของพาร์คเกอร์
(Parker’s Star) มีคุณลักษณะ, ตำแหน่ง และอายุสอดคล้องกับซุปเปอร์โนวาครั้งประวัติศาสตร์ดังกล่าว

     ในทางช้างเผือกเกิดซุปเปอร์โนวาที่สว่างเพียง 5 เหตุการณ์เท่านั้นในช่วงสหัสวรรษหลังนี้(เริ่มต้นในปี 1006) ในกลุ่มนี้มีเพียงซุปเปอร์โนวาของคนจีนซึ่งก็รู้จักกันอีกชื่อว่า ดาวผู้มาเยือนของจีน(Chinese Guest Star) ของปี ค ศ 1181 ที่ยังคงเป็นปริศนา มันถูกพบเห็นและบันทึกเป็นหลักฐานโดยนักดาราศาสตร์จีนและญี่ปุ่นในศตวรรษที่ 12 ซึ่งบอกว่ามันมีความสว่างพอๆ กับดาวเสาร์ และปรากฏให้เห็นไป 6 เดือน(ตั้งแต่วันที่ 6 สิงหาคม 1181 จนถึง 6 กุมภาพันธ์ 1182) พวกเขายังบันทึกตำแหน่งคร่าวๆ บนท้องฟ้าที่สังเกตเห็นเหตุการณ์ แต่ก็ไม่เคยมีการยืนยันซากการระเบิดครั้งนี้โดยนักดาราศาสตร์สมัยใหม่ วิทยาศาสตร์สมัยใหม่รู้จักซุปเปอร์โนวาอีกสี่แห่งที่เหลือเป็นอย่างดี ซึ่งรวมถึงซุปเปอร์โนวาที่ระเบิดในปี 1054 ซึ่งสร้างเนบิวลาปู(Crab Nebula) ที่โด่งดังด้วย

     แหล่งการระเบิดในศตวรรษที่ 12 เป็นปริศนาจนกระทั่งการค้นพบล่าสุดที่ทำโดยทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติจากฮ่องกง, สหราชอาณาจักร, สเปน, ฮังการี และฝรั่งเศส ในรายงานฉบับใหม่ นักดาราศาสตร์ได้พบว่า เนบิวลา Pa30 กำลังขยายตัวด้วยความเร็วที่สูงมากกว่า 1100 กิโลเมตรต่อวินาที(ด้วยความเร็วนี้ การเดินทางจากโลกไปดวงจันทร์ใช้เวลาเพียง 5 นาทีเท่านั้น) พวกเขาใช้ค่าความเร็วนี้เพื่อหาอายุของมันได้ที่ราว 1000 ปี ซึ่งสอดคล้องกับเหตุการณ์ในปี 1181

      Albert Zijlstra ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร อธิบายว่า รายงานทางประวัติศาสตร์ระบุ “ดาวผู้มาเยือน” อยู่ระหว่างกลุ่มดาวของจีน 2 แห่ง(ฉวนเช่อ; Chuanshe และ ฮวาไก้; Huagai ใกล้กลุ่มดาวคาสสิโอเปียในสมัยใหม่) ก็ตรงกับตำแหน่งของดาวของพาร์คเกอร์ นี่หมายความว่าทั้งอายุและตำแหน่งนั้นสอดคล้องกับซุปเปอร์โนวาปี 1181

     Pa30 และดาวของพาร์คเกอร์น่าจะเป็นผลจากการควบรวมของดาวแคระขาว(white dwarfs) สองดวง คิดกันว่าเหตุการณ์ดังกล่าวนำไปสู่ซุปเปอร์โนวาชนิดที่พบได้ยากและค่อนข้างสลัวที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอเอกซ์(Type Iax supernova) แต่ Zijlstra กล่าวเสริมว่า มีซุปเปอร์โนวาเพียง 10% เท่านั้นที่เป็นชนิดนี้ และก็ยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก ความจริงที่ว่า SN 1181 สลัวแต่ก็จางแสงลงช้ามากๆ ก็สอดคล้องกับ(ซุปเปอร์โนวา) ชนิดนี้ มันเป็นเหตุการณ์เพียงหนึ่งเดียวในลักษณะนี้ที่เราจะสามารถศึกษาทั้งเนบิวลาซากซุปเปอร์โนวาและซากดาวที่เหลือ และยังมีคำอธิบายถึงการระเบิดในตัวมันเองด้วย

     การควบรวมของซากดาว ไม่ว่าจะเป็นดาวแคระขาวและดาวนิวตรอน(neutron stars) ได้สร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่สุดขั้วและก่อตัวธาตุหนักที่อุดมด้วยนิวตรอนอย่างมาก เช่น ทองคำและพลาทินัม Zijlstra กล่าวว่า เมื่อรวมข้อมูลทั้งหมดนี้เช่น อายุ, ตำแหน่ง, ความสว่างของเหตุการณ์ และบันทึกทางประวัติศาสตร์ตลอดช่วง 185 วัน ได้บ่งชี้ว่าดาวของพาร์คเกอร์และ Pa30 เป็นผลจาก SN 1181 นี่เป็นซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอเอกซ์ เพียงเหตุการณ์เดียวที่มีการศึกษาซากดาวและเนบิวลาในรายละเอียดที่เคยทำมา เป็นเรื่องดีที่สามารถไขปริศนาทั้งทางประวัติศาสตร์และดาราศาสตร์ได้ในคราเดียว

แหล่งข่าว phys.org : astronomer solve 900-year-old cosmic mystery surrounding Chinese supernova of 1181AD   
               space.com : 900-year-old Chinese supernova mystery points to strange nebula
              skyandtelescope.com : 60-second astro news: solving supernova mysteries

ธรรมชาติสองหน้าของ AG Carinae

 

AG Carinae

     การแตกดับของดาวฤกษ์มวลสูงดวงหนึ่งเป็นการจบชีวิตที่สวยงามที่สุดแบบหนึ่งในเอกภพอย่างไม่ต้องสงสัย พวกมันจะผลักมวลสารปริมาณมหาศาลออกสู่ห้วงอวกาศรอบๆ จากนั้น คลื่นกระแทกและลมดวงดาวได้แผ้วถางห้วงอวกาศ และแสงจากดาวก็อาบไล้มวลสารเหล่านี้ นั้นเป็นสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นกับดาวฤกษ์ AG Carinae ดาวมวลสูงที่กำลังจะตายดวงหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไป 15000 ปีแสง ตามที่ได้ปรากฏในภาพฮับเบิลนี้

     ภาพใหม่จากฮับเบิลแสดงธรรมชาติทั้งสองด้านของ AG Carinae ซึ่งเป็นเป้าหมายการสำรวจภาพครบปีที่ 31 ของกล้องฮับเบิลในเดือนเมษายน 2021 มุมมองใหม่เกิดขึ้นต้องขอบคุณการสำรวจดาวของฮับเบิลในปี 2020 และ 2014 พร้อมกับภาพอื่นๆ จากเครื่องมือ WFPC2 ของกล้องในปี 1994

     ภาพแรกแสดงรายละเอียดการเปล่งคลื่นจากไฮโดรเจนไอออนไนซ์และไนโตรเจนไอออนไนซ์จากเนบิวลา(เห็นเป็นสีแดง) ในภาพที่สอง สีฟ้าแสดงลักษณะเปรียบต่างการกระจายของฝุ่นที่ส่องขึ้นจากการสะท้อนแสงของดาว

      ในความเป็นจริงแล้ว การจบชีวิตของ AG Carinae กลับวูบวาบกว่าดาวดวงอื่นๆ นั้นทำให้เราจำแนกมันเป็นดาวแปรแสงสีฟ้าเจิดจ้า(luminous blue variable; LBV) ซึ่งเป็นดาวมวลสูงสุดและสว่างที่สุดบางส่วนที่พบในทางช้างเผือก ดาวที่หาได้ยากมากๆ เหล่านี้เผาไหม้อย่างร้อนแรงและสว่างเจิดจ้ามาก(เป็นสีฟ้า) และวงจรชีวิตของพวกมันสั้นกว่าดาวที่เหลืออื่นๆ อีกมาก โดยดำรงอยู่เพียงไม่กี่ล้านปีเท่านั้น

     AG Carinae ซึ่งมีมวลระหว่าง 55 ถึง 70 เท่าดวงอาทิตย์ มีอายุไม่กี่ล้านปีเท่านั้นและไม่เสถียร ความสว่างของมันแปรปรวนค่อนข้างพอประมาณ อันเนื่องจากพลังสองอย่างที่สู้รบกันอยู่ คือ แรงดันการแผ่รังสี(radiation pressure) ซึ่งผลักออก และแรงโน้มถ่วงที่ต้องการจะทำให้ดาวยุบตัวลง

     ในช่วงจบชีวิต เมื่อมันเริ่มหมดเชื้อเพลิงไฮโดรเจน แรงดันการแผ่รังสีจะเริ่มลดลง นี่เป็นเหตุให้ดาวหดตัวลง โดยวัสดุสารจะร้อนขึ้นเมื่อขยับเข้าใกล้แกนดาวมากขึ้น สภาพที่ร้อนขึ้นจะทำให้ดาวถูกรบกวน ผลักมวลสารออกมา สำหรับ AG Carinae เปลือกวัสดุสารรอบๆ มันซึ่งปรากฏในภาพเป็นเหมือนม่านตา(iris) รอบๆ รูม่านตา(pupil) นี้ เป็นผลผลิตจากการปะทุมวลสารแค่เพียงเหตุการณ์เดียวซึ่งเกิดขึ้นเมื่อราว 1 หมื่นปีก่อน และมีมวลสารราวๆ 15 เท่ามวลดวงอาทิตย์

     ในภาพฮับเบิล สีเป็นตัวแทนชนิดของวัสดุสาร สีแดงคือก๊าซที่แตกตัวเป็นไอออนที่ถูกผลักออกจากดาว ซึ่งเป็นไฮโดรเจนและไนโตรเจนเป็นส่วนใหญ่ สีฟ้าเป็นฝุ่นรอบๆ ดาว ซึ่งอาบไส้ด้วยแสงของดาวเอง รูปร่างและช่องว่างในฝุ่นคิดกันว่าถูกถากออกโดยลมจากดาว ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่พัดด้วยความเร็วสูงได้ถึง 1 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ลมนี้พัดเร็วกว่าที่กลุ่มก๊าซหรือเนบิวลากำลังขยายตัว ที่ประมาณ 250000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง จนมีความกว้างราว 5 ปีแสง เมื่อลมวิ่งตามทันมันจะชนกับก๊าซ ผลักก๊าซออกและเปิดช่องว่างรอบๆ ดาว ลมดวงดาวยังถางเป็นฟอง(bubbles) และเส้นใย(filaments) ที่พบเห็นในฝุ่นด้วย

     AG Carinae ยังไม่เสถียรต่อไปและน่าจะขาดแคลนไฮโดรเจนในที่สุดจากการปะทุก๊าซออกมาซ้ำๆ จนมันพัฒนาเป็นดาวโวล์ฟ-ราเยท์(Wolf-Rayet star) ซึ่งกระบวนการนี้ได้เกิดขึ้นแล้ว และเมื่อสถานะวิวัฒนาการนี้หมดเชื้อเพลิงลง AG Carinae ก็น่าจะจบชีวิตวิถีหลัก(main sequence) ของมัน กลายเป็นซุปเปอร์โนวา แต่ในระหว่างกระบวนการนี้ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าแกนกลางของมันจะยุบตัวลง เหลือเป็นหลุมดำทิ้งไว้

     นักวิทยาศาสตร์ซึ่งสำรวจดาวดวงนี้และเนบิวลาที่ล้อมรอบมัน บอกว่าเนบิวลาไม่ได้มีรูปร่างที่กลมสมบูรณ์แบบ แต่มันก็ปรากฏสภาพสมมาตรแบบสองขั้ว(bipolar symmetry) ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกที่สร้างการปะทุอาจจะเกิดขึ้นจากการมีดิสก์ในใจกลาง หรือดาวอาจจะไม่ได้อยู่เพียงลำพังแต่มีดาวข้างเคียง ทฤษฎีอื่นๆ ก็มีเช่น ดาวอาจจะหมุนรอบตัวเร็วมากๆ อย่างที่ดาวมวลสูงหลายๆ ดวงเป็น

 

แหล่งข่าว sciencealert.com : Hubble has captured the startling “eye” of a massive stellar explosion  
                spacetelescope.org : a closer look at Hubble’s 31 anniversary snapshot

ทางช้างเผือกที่ไม่ได้คลุกเคล้าทั่วถึง

      การศึกษาใหม่บอกว่ากาแลคซีทางช้างเผือกของเราไม่ได้ผสมจนเป็นเนื้อเดียวกันอย่างที่นักวิทยาศาสตร์เคยสันนิษฐานไว้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง งานวิจัยใหม่ได้เน้นไปที่การกระจายของโลหะ(metals; นักดาราศาสตร์ใช้เรียกธาตุที่นอกเหนือจากไฮโดรเจนและฮีเลียม) แม้ว่าธาตุเหล่านี้จะเป็นก๊าซก็ตาม

     ในงานศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) ในชิลี เพื่อทำแผนที่โลหะในฝุ่นทั่วทางช้างเผือก ด้วยความหวังที่จะพัฒนาแบบจำลองเพื่ออธิบายประวัติความเป็นมาของทางช้างเผือก

     กาแลคซีทางช้างเผือกของเราซึ่งเป็นกาแลคซีกังหันขนาดใหญ่แห่งหนึ่ง ธรรมชาติที่หมุนวนของมันได้ให้ความรู้สึกว่าจะมีการกวนผสมได้เป็นอย่างดีเมื่อผ่านไประยะหนึ่ง แต่กลับเป็นว่าตัวการในอวกาศระหว่างดวงดาว(interstellar medium) ซึ่งเป็นก๊าซที่พบระหว่างดาวแต่ละดวงนั้นมีลักษณะที่เป็นเนื้อเดียวกัน(homogenous) น้อยกว่าที่นักดาราศาสตร์เคยคิดไว้

     Annalisa De Cia นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเจนีวา สวิตเซอร์แลนด์ และผู้เขียนนำงานวิจัยใหม่ กล่าวในแถลงการณ์ว่า ตั้งแต่ต้นมาเมื่อทางช้างเผือกเริ่มก่อตัวขึ้นเมื่อกว่า 1 หมื่นล้านปีก่อน มันก็ไม่มีโลหะอยู่เลย ดาวฤกษ์ก็ค่อยๆ เติมโลหะที่พวกมันผลิตขึ้นให้กับสภาพแวดล้อม การเติมโลหะนี้เกิดขึ้นเนื่องจาก ลึกลงไปในแกนกลางของดาวฤกษ์ อะตอมจะชนเข้าด้วยกันค่อยๆ ก่อตัวเป็นสสารที่หนักขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งได้เหล็กออกมา แต่ก็ไม่ใช่ว่าดาวทุกดวงจะระเบิดเมื่อพวกมันหมดเชื้อเพลิงสำหรับกระบวนการนี้ แต่ดาวที่ระเบิดจะสาดโลหะทั้งหมดเหล่านี้ออกสู่สภาพแวดล้อมละแวกข้างเคียงของพวกมัน ซึ่งในทางทฤษฎีนี้ โลหะก็อาจผสมเข้ากับทางช้างเผือกส่วนที่เหลือ

เมฆและกระแสธารก๊าซดั่งเดิม(สีบานเย็น) ที่สะสมเข้าสู่ทางช้างเผือก แต่ก๊าซนี้ไม่ได้ผสมอย่างมีประสิทธิภาพในดิสก์กาแลคซีตามที่ได้เน้นในละแวกรอบๆ ดวงอาทิตย์(ภาพซูม)

     ในแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ได้สันนิษฐานว่ากระบวนการผสมนี้เป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ แต่การสำรวจใหม่ซึ่งมุ่งเป้าไปที่ฝุ่นใกล้ๆ ดาวฤกษ์สว่างที่แตกต่างกัน 25 ดวง ได้บอกว่าอาจจะไม่เป็นอย่างนั้น และกลับเป็นว่าในละแวกท้องถิ่นจำเพาะเหล่านั้นมีระดับโลหะที่แตกต่างกันไป สำหรับพื้นที่รอบๆ ดวงอาทิตย์ของเราซึ่งสันนิษฐานว่าจะมีการเติมโลหะในระดับใกล้เคียงกัน ซึ่งเรียกว่า ความเป็นโลหะของดวงอาทิตย์(solar metallicity) การสำรวจได้แสดงว่าในส่วนอื่นๆ มีความเป็นโลหะเพียงหนึ่งในสิบของที่เราพบในดวงอาทิตย์เท่านั้น  

     ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์อาจจะต้องกลับไปประเมินความเข้าใจความเป็นมาของทางช้างเผือกเสียใหม่ การค้นพบนี้มีบทบาทสำคัญในการออกแบบแบบจำลองทางทฤษฎีเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการกาแลคซี Jens-Kristian Krogager จากมหาวิทยาลัยเจนีวา เช่นกัน กล่าวเสริม จากงานนี้ เราน่าจะต้องปรับแต่งแบบจำลองเสมือนจริงโดยการเพิ่มความละเอียด เพื่อที่เราจะรวมการเปลี่ยนแปลงความเป็นโลหะในตำแหน่งที่แตกต่างกันในทางช้างเผือก งานวิจัยเผยแพร่เป็นรายงานในวารสาร Nature

แหล่งข่าว space.com : our Milky Way galaxy isn’t very well mixed, study suggests  
                iflscience.com : despite its swirly nature, the Milky Way is not well mixed at all 

รีรันภาพซุปเปอร์โนวา

 

     เป็นเรื่องท้าทายที่จะทำนาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำนายในทางดาราศาสตร์ อย่างไรก็ตาม มีการพยากรณ์ไม่กี่อย่างที่นักดาราศาสตร์จะทำได้ เช่น ช่วงเวลาที่จะเกิดสุริยุปราคาและจันทรุปราคา และการกลับมาของดาวหางบางดวงที่ตรงตามเวลา

     ในตอนนี้ เมื่อมองออกไปไกลกว่าระบบสุริยะ นักดาราศาสตร์ได้เพิ่มการทำนายเหตุการณ์หนึ่งอย่างหนักแน่น ซึ่งจะเกิดขึ้นลึกในห้วงอวกาศ เป็นภาพของดาวที่กำลังระเบิดดวงหนึ่งที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวาเรคเควียม(Supernova Requiem) ว่าจะเกิดขึ้นราวปี 2037 แม้ว่าการปรากฏซ้ำนี้ไม่สามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า แต่กล้องโทรทรรศน์ในอนาคตบางตัวก็น่าจะพบมันได้

     กลับเป็นว่าภาพในอนาคตนี้จะเป็นภาพของซุปเปอร์โนวาเดียวกันที่เห็นเป็นครั้งที่สี่ ซึ่งถูกขยายแสงจนสว่างขึ้นและแยกเป็นแต่ละภาพโดยกระจุกกาแลคซีแห่งหนึ่งที่พื้นหน้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นเลนส์ซูมในอวกาศ ภาพซุปเปอร์โนวาสามภาพแรกถูกพบเป็นครั้งแรกจากข้อมูลในคลังที่ถ่ายในปี 2016 โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของนาซา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ทำนายว่า วัตถุมวลสูงทำให้กาลอวกาศรอบๆ มันบิดโค้ง ทำให้แสงที่เดินทางเข้าใกล้ห้วงกาลอวกาศดังกล่าว เดินทางไม่เป็นเส้นตรง 

     พหุภาพ(multiple images) ถูกสร้างโดยแรงโน้มถ่วงที่ทรงพลังของกระจุกกาแลคซีขนาดมหึมาแห่งนี้ ซึ่งรบกวนและขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาที่อยู่เบื้องหลังกระจุก เป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ซึ่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นคนแรกที่ได้ทำนายไว้ ปรากฏการณ์นี้ก็คล้ายกับเลนส์แว่นที่บิดแสงเพื่อขยายภาพจากวัตถุไกลโพ้นแห่งหนึ่ง

     ภาพซุปเปอร์โนวาจากเลนส์ 3 ภาพที่เห็นเป็นจุดขนาดจิ๋วในภาพฮับเบิลภาพเดียวนี้ เป็นแสงจากการระเบิด จุดเหล่านี้มีความสว่างและสีที่แปรเปลี่ยนไป ซึ่งเน้นย้ำถึงการระเบิดในสถานะที่แตกต่างกัน ซึ่งกำลังสลัวลงเมื่อมันเย็นตัวลงตามเวลา Steve Rodney นักวิจัยนำจากมหาวิทยาลัยเซาธ์คาโรไลนา ในโคลัมเบีย อธิบายว่า การค้นพบใหม่นี้เป็นเพียงตัวอย่างภาพซุปเปอร์โนวาที่ฉายซ้ำเหตุการณ์ที่สามเท่านั้น ซึ่งเราสามารถตรวจสอบความล่าช้าการปรากฏของภาพได้จริง และมันยังอยู่ไกลที่สุดในบรรดาสามเหตุการณ์ และการล่าช้าที่ทำนายไว้ก็น่าจะนานมาก เราจะสามารถย้อนกลับมาและเห็นภาพสุดท้ายนี้ได้ซึ่งเราทำนายว่าจะเกิดในปี 2037 บวกหรือลบไม่กี่ปี

     แสงที่ฮับเบิลได้จับไว้จากกระจุก MACS J0138.0-2155 ใช้เวลาประมาณ 4 พันล้านปีเพื่อมาถึงโลก แสงจากซุปเปอร์โนวาเรคเควียมใช้เวลาราว 1 หมื่นล้านปีเพื่อเดินทางมายืนตามระยะทางถึงกาแลคซีต้นสังกัดการระเบิด

     การทำนายเวลาปรากฏของซุปเปอร์โนวาของทีมมีพื้นฐานจากแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของกระจุกแห่งนี้ ซึ่งอธิบายถึงเส้นทางต่างๆ ที่แสงจากซุปเปอร์โนวาใช้เดินทางผ่านเขาวงกตแห่งสสารมืดที่กระจุกเป็นก้อนในกลุ่มของกาแลคซีแห่งนี้ สสารมืดเป็นสสารที่มองไม่เห็นที่เป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของสสารในเอกภพ และเป็นโครงสร้างให้กาแลคซีและกระจุกกาแลคซีได้ก่อตัวขึ้น

ภาพซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์เดียวกันปรากฏขึ้น 3 ครั้งในภาพทางซ้ายซึ่งถ่ายในปี 2016 โดยกล้องฮับเบิล แต่พวกมันหายไปในภาพปี 2019 ซุปเปอร์โนวาที่ไกลโพ้นซึ่งเรียกว่า เรคเควียม(Requiem) นั้นฝังตัวอยู่ในกระจุกกาแลคซี MACJ J0138.0-2155 กระจุกมีมวลสูงมากจนแรงโน้มถ่วงมหาศาลของมันบิดเบนและขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาซึ่งอยู่ในกาแลคซีที่ห่างไกลออกไปเบื้องหลังมัน ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ปรากฏการณ์ประหลาดนี้ยังแยกแสงจากซุปเปอร์โนวาออกเป็นภาพซ้ำหลายภาพ เน้นโดยวงกลมสีขาวในภาพ 2016 ในภาพปี 2019 พหุภาพเหล่านั้นหายไป นักวิจัยทำนายว่าซุปเปอร์โนวาเดียวกันจะปรากฏซ้ำในปี 2037 วงกลมสีเหลืองทางบนซ้ายเน้นตำแหน่งที่ทำนายไว้ของภาพที่สี่

     ภาพที่ถูกขยายแต่ละภาพจะใช้เส้นทางผ่านกระจุกแห่งนี้ที่แตกต่างกัน และมาถึงโลกในช่วงเวลาที่แตกต่างกัน ส่วนหนึ่งก็เนื่องจากความแตกต่างของระยะทางที่แสงจากซุปเปอร์โนวาเดินทาง Rodney กล่าวว่า เมื่อใดก็ตาม ที่แสงบางส่วนผ่านเข้าใกล้วัตถุที่มีมวลสูงมากๆ อย่างกาแลคซีหรือกระจุก การบิดโค้งของห้วงกาลอวกาศตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ก็เกิดขึ้นจากมวลใดๆ นี้ ทำให้การเดินทางของแสงรอบมวลนั้นๆ ล่าช้าไป

     เขาเปรียบเทียบเส้นทางเดินทางต่างๆ ของแสงซุปเปอร์โนวา กับขบวนรถไฟที่ออกจากสถานีต้นทางในเวลาเดียวกัน ทั้งหมดเดินทางด้วยความเร็วเท่ากันและมีจุดหมายปลายทางที่เดียวกัน อย่างไรก็ตาม รถไฟแต่ละขบวนใช้เส้นทางที่แตกต่างกัน และแต่ละเส้นทางก็มีระยะทางที่แตกต่างกันด้วย เนื่องจากรถไฟเดินทางบนเส้นทางที่มีความยาวต่างกันผ่านภูมิประเทศที่แตกต่างกัน พวกมันจึงไม่ได้มาถึงปลายทางในเวลาพร้อมกัน

     นอกจากนี้ ภาพซุปเปอร์โนวาที่ผ่านเลนส์ซึ่งทำนายว่าจะมาในปี 2037 ล้าหลังภาพซุปเปอร์โนวาอื่นๆ เนื่องจากแสงของมันเดินทางผ่านทะลุใจกลางกระจุกโดยรวม ซึ่งมีสสารมืดหนาแน่นที่สุดอยู่ภายในนั้น มวลที่สูงมากของกระจุกบิดเบนแสงจนทำให้เกิดการล่าช้านาน Rodney อธิบายว่า นี่เป็นภาพสุดท้ายที่จะมาถึงเนื่องจากมันก็เหมือนกับรถไฟที่ต้องขับลงไปในหุบเขาและค่อยไต่ขึ้นมา นี่เป็นการเดินทางที่ช้าที่สุดของแสง

     ภาพซุปเปอร์โนวาที่มาจากเลนส์ถูกพบในปี  2019 โดย Gabe Brammer ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากศูนย์ดอว์น(Cosmic Dawn Center) ที่สถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน ในเดนมาร์ก Brammer สังเกตเห็นภาพซุปเปอร์โนวาที่เหมือนกัน ในขณะที่วิเคราะห์กาแลคซีไกลโพ้นที่ถูกขยายแสงโดยกระจุกกาแลคซีที่พื้นหน้า อันเป็นส่วนหนึ่งของโครงการสำรวจของฮับเบิลที่เรียกว่า REQUIEM(Resolved Quiescent Magnified Galaxies) เขากำลังเปรียบเทียบข้อมูลใหม่ของ REQUIEM จากปี 2019 กับภาพในคลังที่ถ่ายในปี 2016 จากโครงการสำรวจอีกงานของฮับเบิล วัตถุสีแดงขนาดจิ๋วในข้อมูล 2016 ได้ดึงดูดความสนใจ ซึ่งเดิมเขาคิดว่าเป็นกาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปมาก แต่มันกลับหายไปในภาพปี 2019

     แต่ตอนนั้น เมื่อผมตรวจสอบข้อมูลปี 2016 มากขึ้น ก็สังเกตว่าจริงๆ แล้วมีวัตถุที่ถูกขยายแสง 3 แห่ง แดงสองและม่วงหนึ่ง เขาอธิบาย วัตถุทั้งสามแต่ละแห่งอยู่คู่กับภาพของกาแลคซีมวลสูงไกลโพ้นแห่งหนึ่งที่ผ่านเลนส์ ในทันทีนั้นก็ไม่ใช่เป็นตัวกาแลคซีเอง แต่แท้จริงแล้วเป็นเหตุการณ์ชั่วคราว(transient) ในระบบแห่งนี้ ซึ่งได้จางหายไปในภาพปี 2019 เหมือนกับหลอดไฟที่ดับลง

     Brammer รวมตัวกับ Rodney เพื่อทำการวิเคราะห์ระบบแห่งนี้ให้มากขึ้น ภาพซุปเปอร์โนวาที่ผ่านเลนส์เรียงตัวเป็นวงโค้งรอบๆ แกนกลางกระจุก พวกมันปรากฏเป็นจุดขนาดเล็กใกล้กับรายละเอียดที่พร่าเลือนสีส้ม ซึ่งคิดกันว่าเป็นภาพกาแลคซีต้นสังกัดของซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายแสงขึ้นมา Johan Richard ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยลียง ฝรั่งเศส ได้สร้างแผนที่ปริมาณสสารมืดในกระจุกแห่งนี้ โดยมีพื้นฐานจากการเกิดเลนส์ที่กระจุกสร้างขึ้น แผนที่แสดงตำแหน่งวัตถุผ่านเลนส์ที่ทำนายไว้ มีการทำนายว่าซุปเปอร์โนวานี้จะปรากฏอีกครั้งในปี 2042 แต่มันจะสลัวอย่างมากจนทีมวิจัยคิดว่าไม่น่าจะมองเห็น

     จากการฉายภาพซุปเปอร์โนวาซ้ำๆ นี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบการล่าช้าระหว่างภาพซุปเปอร์โนวาทั้งสี่ ซึ่งจะให้เงื่อนงำสู่ชนิดของพื้นที่กาลอวกาศที่แสงของซุปเปอร์โนวาได้เดินทางผ่าน เมื่อมีการตรวจสอบเหล่านี้ นักวิจัยก็สามารถปรับรายละเอียดแบบจำลองแผนที่มวลของกระจุกได้ การพัฒนาแผนที่สสารมืดของกระจุกกาแลคซีขนาดใหญ่ที่แม่นยำจะเป็นอีกทางหนึ่งสำหรับนักดาราศาสตร์ที่จะตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพ และสำรวจธรรมชาติของพลังงานมืดซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบปริศนาที่ทำงานต้านกับแรงโน้มถ่วง และเป็นสาเหตุให้เอกภพขยายตัวด้วยอัตราที่สูงขึ้น

ภาพที่ผ่านการขยายและบิดเบนจากเลนส์ความโน้มถ่วง จะปรากฏด้วยเวลาที่ต่างกัน การสำรวจความล่าช้าที่แต่ละภาพปรากฏขึ้น ช่วยบอกสภาพ "ภูมิประเทศ" ในเส้นทางที่แสงใช้เดินทาง 

     วิธีการเวลาที่ล่าช้านั้นมีประโยชน์ เนื่องจากเป็นวิธีที่ตรงไปตรงมากว่าในการตรวจสอบอัตราการขยายตัวของเอกภพ Rodney อธิบาย การล่าช้าที่ยาวนานเหล่านี้มีประโยชน์เป็นพิเศษเนื่องจากคุณจะทำการตรวจสอบการล่าช้าได้ดีและแม่นยำ ถ้าคุณแค่อดทนรอเวลาหลายปีหน่อย ในกรณีนี้ก็ทศวรรษกว่าๆ ที่ภาพสุดท้ายจะโผล่มา มันเป็นเส้นทางที่เป็นอิสระอย่างแท้จริงในการคำนวณอัตราการขยายตัวของเอกภพ ประโยชน์ที่แท้จริงในอนาคตจะเป็นการใช้ตัวอย่างเหตุการณ์ลักษณะนี้กลุ่มใหญ่มากขึ้นเพื่อปรับปรุงความแม่นยำ

      การพบภาพซุปเปอร์โนวาที่เกิดจากเลนส์ความโน้มถ่วงจะเพิ่มขึ้นจนเป็นปกติในอีก 20 ปีข้างหน้าเมื่อมีการส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมัน(Nancy Grace Roman Space Telescope) และการเริ่มต้นดำเนินงานของกล้องรูบิน(Vera C. Rubin Observatory) กล้องทั้งสองจะสำรวจท้องฟ้าขนาดใหญ่ ซึ่งจะช่วยให้พวกมันได้พบพหุภาพจากซุปเปอร์โนวาได้อีกหลายสิบเหตุการณ์ ผลสรุปของทีมเผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy วันที่ 13 กันยายน 

แหล่งข่าว hubblesite.org : rerun of supernova blast is expected to appear in 2037