หลุมดำขนาดใหญ่อาจเป็นผลจากการขยายตัวของเอกภพ

 

ภาพจากศิลปินแสดงการควบรวมของหลุมดำสองแห่งซึ่งสร้างคลื่นความโน้มถ่วงให้ LIGO และ Virgo ได้ตรวจพบ 

     ตลอดหกปีที่ผ่านมา หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงได้ตรวจพบการควบรวมของหลุมดำ เป็นการยืนยันการทำนายจากทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ แต่ก็ยังมีปัญหาหนึ่งคือ หลุมดำเหล่านี้มีหลายแห่งที่มีขนาดใหญ่อย่างคาดไม่ถึง ขณะนี้ นักวิจัยทีมหนึ่งจากมหาวิทยาลัยฮาวาย ที่มาเนา, มหาวิทยาลัยชิคาโก และมหาวิทยาลัยมิชิกัน แอนน์ อาร์เบอร์ ได้เสนอทางออกที่ล้ำหน้าให้กับปัญหานี้ กล่าวคือ หลุมดำเจริญขึ้นตามการขยายตัวของเอกภพ

      นับตั้งแต่การสำรวจพบหลุมดำที่ควบรวมกันครั้งแรกโดย LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ในปี 2015 นักดาราศาสตร์ก็ต้องประหลาดใจซ้ำแล้วซ้ำอีกกับมวลที่สูงของพวกมัน แม้ว่าหลุมดำจะไม่เปล่งแสงใดๆ แต่การควบรวมของหลุมดำก็สำรวจได้ ผ่านการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเป็นระลอกในผืนกาลอวกาศ ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ นักฟิสิกส์เคยคาดว่าหลุมดำน่าจะมีมีมวลไม่ถึง 40 มวลดวงอาทิตย์ เนื่องจากหลุมดำที่ควบรวมกันก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์มวลสูงที่ไม่สามารถดำรงตัวเองไปได้เมื่อพวกมันมีขนาดใหญ่เกินไป

     อย่างไรก็ตาม หอสังเกตการณ์ LIGO และ Virgo ได้พบหลุมดำหลายแห่งที่มีมวลมากกว่า 50 เท่าดวงอาทิตย์ โดยบางแห่งก็มวลสูงถึงระดับร้อยเท่าเลยทีเดียว ได้มีการเสนอลำดับเหตุการณ์การก่อตัวเพื่อสร้างหลุมดำที่ใหญ่ขนาดนั้น แต่ก็ไม่มีลำดับเหตุการณ์ใดเลยที่สามารถอธิบายความหลากหลายของการควบรวมหลุมดำที่สำรวจพบได้โดยรวม และยังมีความเห็นแย้งว่าลำดับเหตุการณ์ก่อตัวแบบผสมผสานเกิดขึ้นได้จริง การศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters เป็นงานแรกที่แสดงว่าหลุมดำทั้งที่มวลต่ำและมวลสูง อาจเป็นผลจากเส้นทางเดียวกัน เมื่อหลุมดำได้มวลเพิ่มจากการขยายตัวของเอกภพนั้นเอง

ข้อมูลเชิงสถิติล่าสุด ซึ่งรวมการเดินเครื่องตรวจจับสัญญาณล่าสุด แสดงมวลของระบบคู่กะทัดรัดที่ปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมา จะพบหลุมดำซึ่งมีขนาดใหญ่กว่า 50 เท่าดวงอาทิตย์ ได้บ่อย 

      นักดาราศาสตร์มักจะจำลองหลุมดำในเอกภพที่ไม่ขยายตัว Kevin Croker ศาสตราจารย์ที่แผนกฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวาย มาเนา กล่าว มันเป็นการสันนิษฐานที่ทำให้สมการของไอน์สไตน์เรียบง่ายไม่ซับซ้อน เนื่องจากเอกภพที่ไม่เจริญเติบโต ทำให้ไม่มีอะไรต้องจับตาดูมากนัก และยังมีจารีตที่ว่าการทำนายจะสมเหตุสมผลก็ต่อเมื่อทำในช่วงเวลาที่จำกัดช่วงหนึ่งเท่านั้น

      แต่เนื่องจากแต่ละเหตุการณ์ที่ LIGO-Virgo ได้ตรวจพบนั้นเกิดขึ้นยาวนานเพียงไม่กี่วินาทีเท่านั้น เมื่อทำการวิเคราะห์แต่ละเหตุการณ์แล้ว ความเรียบง่ายก็สมเหตุสมผล แต่การควบรวมเดียวกันเองเหล่านั้นก็อาจจะใช้เวลาหลายพันล้านปีในการสร้างขึ้นมา ในระหว่างช่วงเวลาตั้งแต่การก่อตัวของหลุมดำคู่ จนสุดท้ายพวกมันควบรวมกัน เอกภพได้ขยายตัวไปมากแล้ว ถ้าค่อยๆ เอาทฤษฎีไอน์สไตน์มาใช้ร่วมด้วยอย่างระมัดระวัง ก็จะเกิดความน่าจะเป็นขึ้นมาเมื่อมวลของหลุมดำน่าจะเจริญขึ้นเป็นสัดส่วนตามเอกภพ เป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่ Croker และทีมเรียกว่า cosmological coupling

      ตัวอย่างที่เป็นที่รู้จักกันดีที่สุดของ cosmological coupling ก็คือ แสงนั้นเอง ซึ่งสูญเสียพลังงานเมื่อเอกภพขยายตัว เราคิดว่าเกิดผลในทางตรงกันข้าม Duncan Farrah ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ ที่มหาวิทยาลัยฮาวาย มาเนา ผู้เขียนร่วมการวิจัยกล่าว และถ้าสิ่งที่ LIGO-Virgo สำรวจพบก็อาจเป็นหลุมดำที่เกิด cosmological coupling และได้รับพลังงานโดยปราศจากการกลืนกินดาวหรือก๊าซใดๆ ล่ะ

     เพื่อศึกษาสมมติฐานนี้ นักวิจัยได้จำลองการเกิด, ชีวิตและการตายของดาวมวลสูงหลายล้านคู่ แต่ละคู่มีดาวทั้งสองดวงตายเพื่อก่อตัวหลุมดำ ซึ่งต่อมาจะเชื่อมโยงกับขนาดของเอกภพ เริ่มตั้งแต่ที่ดาวตายลง เมื่อเอกภพขยายตัวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ มวลของหลุมดำเหล่านี้ก็เพิ่มขึ้นเมื่อพวกมันหมุนวนเข้าหากันและกัน ผลที่ได้ไม่เพียงแค่เป็นหลุมดำที่มีมวลสูงขึ้นเมื่อพวกมันควบรวมกัน แต่ยังเกิดการควบรวมในอัตราที่สูงขึ้นด้วย เมื่อนักวิจัยเปรียบเทียบการทำนายกับข้อมูล LIGO-Virgo ก็เห็นถึงความสอดคล้อง Gregory Tarle ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยมิชิกัน และผู้เขียนร่วม กล่าวว่า ผมคงต้องกล่าวว่าผมไม่รู้เลยว่าจะได้อะไรออกมา มันก็เป็นแค่แนวคิดพื้นๆ แต่ก็ประหลาดใจที่มันใช้การได้ดี

cosmological coupling เมื่อหลุมดำเจริญขึ้นได้เองตามการขยายตัวของเอกภพ

      นักวิจัยบอกว่า แบบจำลองใหม่นี้มีความสำคัญเนื่องจากมันไม่ต้องการการเปลี่ยนแปลงใดๆ กับความเข้าใจปัจจุบันเกี่ยวกับการก่อตัว, วิวัฒนาการหรือการตายของดาวเลย ความสอดคล้องระหว่างแบบจำลองใหม่กับข้อมูลปัจจุบัน มาจากแค่ระลึกไว้ว่าหลุมดำของจริงนั้นไม่ได้อยู่ในเอกภพที่สถิต อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงกล่าวอย่างเคร่งเครียดว่า ปริศนาหลุมดำขนาดใหญ่จาก LIGO-Virgo ยังห่างไกลจากการคลี่คลาย

     ยังไม่ทราบรายละเอียดหลายอย่างเกี่ยวกับหลุมดำที่กำลังควบรวม เช่น สภาพแวดล้อมการก่อตัวหลักๆ และกระบวนการทางกายภาพที่แท้จริงที่เกิดขึ้นตลอดช่วงเวลาของพวกมัน Michael Zevin นักวิจัยและผู้เขียนร่วม กล่าว ในขณะที่เราใช้การจำลองประชากรดาวเพื่อสะท้อนข้อมูลที่เรามีอยู่ในตอนนนี้ แต่ก็ยังมีช่องว่างอีกกว้างใหญ่ เราจะเห็นว่า cosmological coupling เป็นแนวคิดที่มีประโยชน์ แต่เราก็ยังไม่สามารถตรวจสอบความแรงของการพ่วงนี้ได้

     Kurtis Nishimura ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ ที่มาเนา ผู้เขียนร่วมการวิจัยแสดงความเห็นถึงการทดสอบแนวคิดอันล้ำนี้ในอนาคตว่า เมื่อหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงยังคงปรับปรุงความไวเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ในช่วงทศวรรษหน้า ข้อมูลที่มีปริมาณและคุณภาพเพิ่มขึ้นจะช่วยให้เกิดเทคนิคการวิเคราะห์ใหม่ๆ ได้ การพ่วงนี้ก็จะได้รับการตรวจสอบในไม่ช้า

 

แหล่งข่าว phys.org : new study proposes expansion of the universe directly impacts black hole growth