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