หลุมดำที่ซ่อนในกระจุกดาวนอกทางช้างเผือก

 

ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำในกระจุกดาว NGC 1850 กำลังรบกวนดาวข้างเคียงของมัน

     ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำขนาดเล็กแห่งหนึ่งนอกทางช้างเผือก โดยการตรวจสอบว่ามันส่งอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของดาวดวงหนึ่งที่อยู่ใกล้ๆ อย่างไร นี่เป็นครั้งแรกที่วิธีการตรวจจับนี้ถูกใช้เพื่อเผยตัวตนของหลุมดำแห่งหนึ่งนอกกาแลคซีของเรา วิธีการนี้น่าจะเป็นกุญแจสู่การเปิดเผยหลุมดำที่ซ่อนอยู่ในทางช้างเผือกและกาแลคซีใกล้ๆ และเพื่อช่วยเปิดช่องว่าวัตถุปริศนาเหล่านี้ก่อตัวและพัฒนาตัวอย่างไร

     หลุมดำที่เพิ่งพบใหม่ใน NGC 1850 ซึ่งเป็นกระจุกของดาวนับพันดวงที่อยู่ห่างออกไปราว 160,000 ปีแสงในเมฆมาเจลลันใหญ่(Large Magellanic Cloud) ซึ่งเป็นกาแลคซีเพื่อนบ้านของทางช้างเผือก ก็คล้ายกับเชอร์ล๊อค โฮล์ม ตามรอยแกงค์อาชญกรรมจากรอยเท้า เราก็กำลังตรวจสอบดาวทุกดวงทีละดวงในกระจุกแห่งนี้ด้วยแว่นขยายเพื่อหาหลักฐานบางอย่างของการมีอยู่ของหลุมดำ โดยที่มองไม่เห็นโดยตรง Sara Saracino จากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์ฟิสิกส์ แห่งมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูล จอห์น มัวร์ ในสหราชอาณาจักร ผู้นำทีมวิจัยซึ่งจะเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ผลสรุปที่แสดงนี้เป็นเพียงแต่หนึ่งในผู้ร้าย แต่เมื่อเราได้พบซักคน(แห่ง) คุณก็กำลังอยู่ในหนทางที่จะได้พบแห่งอื่นๆ ในกระจุกอื่นอีก

     ผู้ร้ายคนแรกที่ทีมตามรอยพบดูจะมีมวลราว 11 เท่ามวลดวงอาทิตย์(ขอบฟ้าสังเกตการณ์ของมันน่าจะมีความกว้างเพียง 65 กิโลเมตรเท่านั้น) ร่องรอยที่ทำให้นักดาราศาสตร์ตามไปถึงหลุมดำแห่งนี้ได้ก็คืออิทธิพลแรงโน้มถ่วงของมันที่มีต่อดาวฤกษ์ในช่วงปลายวิธีหลัก(main-sequence) มวล 5 เท่าดวงอาทิตย์ดวงหนึ่ง ที่กำลังโคจรใกล้หลุมดำมากโดยมีคาบเพียง 5 วันเท่านั้น ซึ่งใกล้มากจนนักวิจัยคิดว่าเมื่อดาวพองตัวออกเมื่อถึงจุดจบชีวิต วัสดุสารของดาวก็น่าจะถูกดึงเข้าสู่หลุมดำได้  

NGC 1850 ตามที่เห็นโดย VLT และกล้องฮับเบิล ล้อมรอบกระจุกเป็นเส้นใยสีแดงซึ่งเป็นก๊าซไฮโดรเจน น่าจะเป็นซากจากการระเบิดซุปเปอร์โนวา

     นักดาราศาสตร์เคยได้พบหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes) ขนาดเล็กเช่นนี้มาก่อนแล้วในกาแลคซีอื่น โดยการสังเกตการเรืองรังสีเอกซ์เมื่อหลุมดำกลืนกินวัสดุสาร, หรือจากคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำชนกันและกัน หรือชนกับดาวนิวตรอน

     อย่างไรก็ตาม หลุมดำมวลดวงดาวเกือบทั้งหมดไม่เผยตัวตนผ่านรังสีเอกซ์หรือคลื่นความโน้มถ่วง Stefan Dreizler สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยเกิททิงเง่น ในเจอรมนี กล่าวว่า ส่วนใหญ่จะถูกเปิดโปงจากพลวัต เมื่อพวกมันก่อตัวในระบบคู่กับดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง จะส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของดาวเล็กๆ น้อยๆ แต่ก็ตรวจจับได้ ดังนั้นเราจึงสามารถค้นหาพวกมันได้โดยเครื่องมือที่ละเอียดอ่อน

     วิธีการพลวัตที่ใช้โดย Saracino และทีมนี้น่าจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำอื่นๆ อีกมากและช่วยไขปริศนา Mark Gieles ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากมหาวิทยาลัยบาร์เซโลนา ในสเปน กล่าวว่า การตรวจจับทุกๆ ครั้งที่เราทำนั้นมีความสำคัญต่อความเข้าใจกระจุกดาวและหลุมดำภายในนั้น

     การตรวจจับในกระจุก NGC 1850 เป็นครั้งแรกที่พบหลุมดำในกระจุกดาวอายุน้อยแห่งหนึ่ง กระจุกซึ่งมีอายุเพียงราว 1 ร้อยล้านปี นักดาราศาสตร์บอกว่าไม่เคยพบหลุมดำในกระจุกที่มีอายุน้อยขนาดนี้ ด้วยการใช้วิธีการพลวัตในกระจุกดาวที่คล้ายๆ กันก็น่าจะพบหลุมดำอายุน้อยได้มากขึ้น และเปิดช่องทางใหม่สู่วิวัฒนาการของพวกมัน ด้วยการเปรียบเทียบหลุมดำเหล่านี้กับญาติที่มีขนาดใหญ่กว่า, อายุมากกว่าในกระจุกที่เก่าแก่กว่า นักดาราศาสตร์ก็น่าจะสามารถเข้าใจว่าวัตถุเหล่านี้เจริญอย่างไร จากการกลืนดาวหรือควบรวมกับหลุมดำแห่งอื่น ยิ่งกว่านั้น การตามรอยอัตราการเจริญของหลุมดำในกระจุกดาว จะพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกำเนิดของแหล่งคลื่นความโน้มถ่วงได้

เมฆมาเจลลันใหญ่(Large Magellanic Cloud) จาก VISTA

     เพื่อทำการสำรวจ ทีมใช้ข้อมูลที่รวบรวมตลอดสองปีโดย MUSE(Multi Unit Spectroscopic Explorer) ที่ติดตั้งบน VLT ในทะเลทรายอะตาคามาของชิลี Sebastian Kamann ผู้เขียนร่วม ผู้เชี่ยวชาญ MUSE มายาวนานที่สถาบันวิจัยดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ของลิเวอร์พูล กล่าวว่า MUSE ช่วยให้เราได้สำรวจพื้นที่ที่แออัดอย่างมาก อย่างเช่นในพื้นที่ส่วนในสุดของกระจุกดาว โดยการวิเคราะห์แสงจากดาวฤกษ์แต่ละดวงที่อยู่ใกล้ๆ ผลสรุปโดยรวมก็คือข้อมูลของดาวนับพันดวงในคราวเดียว ทำได้เยอะกว่าเครื่องมืออื่นๆ อย่างน้อยสิบเท่า นี่ช่วยให้ทีมได้พบดาวประหลาดซึ่งมีการเคลื่อนที่ที่แปลกเป็นสัญญาณการมีอยู่ของหลุมดำ ข้อมูลจากก OGLE(Optical Gravitational Lensing Experiment) ของมหาวิทยาลัยวอร์ซอว์ และจากกล้องฮับเบิล ช่วยให้นักวิจัยได้ตรวจสอบมวลของหลุมดำและยืนยันการค้นพบ

     กล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope) ในชิลี ซึ่งจะเริ่มปฏิบัติการในอีกไม่นานนี้ จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำที่ซ่อนตัวอยู่มากขึ้นไปอีก ELT จะปฏิวัติแขนงนี้อย่างแน่นอน Saracino กล่าว มันจะช่วยให้เราได้สำรวจดาวที่ยิ่งสลัวลงไปอีกในพื้นที่สำรวจเดียวกัน นอกเหนือจากมองหาหลุมดำในกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) ซึ่งอยู่ไกลออกไปมากขึ้น

ตำแหน่งของกระจุกดาว NGC 1850 อยู่ในกลุ่มดาว Dorado 

     และทีมที่นำโดยนักวิจัยจากลิเวอร์พูลนี้ ยังได้พบหลุมดำชนิดที่พบได้ยากในกระจุกดาวแห่งหนึ่งในกาแลคซีเพื่อนบ้าน อันโดรเมดา ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 2.5 ล้านปีแสง โดยนักดาราศาสตร์ที่นำโดย Renuka Pechetti ได้ใช้แบบจำลองมวลและจลนศาสตร์ความละเอียดสูงเพื่อนำเสนอการตรวจจับหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black hole) แห่งหนึ่งที่มีมวลราว 1 แสนเท่าดวงอาทิตย์ ด้วยนัยสำคัญมากกว่า 3 ซิกมา งานวิจัยนี้โพสในเวบ arXiv และจะเผยแพร่ในสื่อของสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันต่อไป

     หลุมดำเกือบทั้งหมดที่เราได้พบโดยใช้วิธีการต่างๆ มากมาย แบ่งเป็นช่วงมวลได้ 2 ช่วง คือ มวลดวงดาว ซึ่งอาจมีมวลสูงได้ราว 100 เท่าดวงอาทิตย์ และมวลมหาศาล(supermassive black holes) ซึ่งมีมวลขั้นต่ำที่ราวหนึ่งล้านเท่าดวงอาทิตย์หรืออาจใหญ่โตกว่านั้นได้ ส่วนช่วงมวลตรงกลางถูกจำแนกเป็น มวลปานกลาง ซึ่งการตรวจจับหลุมดำเหล่านี้พบได้ยาก จนถึงบัดนี้ จำนวนของ IMBH ที่พบก็ยังคงต่ำ นักวิทยาศาสตร์จึงอับจนปัญญาที่จะไขปริศนาว่าหลุมดำทั้งสองปลายช่วงมวล จะต่อยอดกันได้อย่างไร การพบหลุมดำในช่วงมวลปานกลางจึงน่าจะช่วยเราให้ประสานช่องว่าง

ชนิดของหลุมดำแบ่งตามมวล หลุมดำขนาดเล็กที่เรียกว่า หลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) เกิดจากดาวฤกษ์มวลสูงยุบตัวและระเบิด โดยปกติจะมีมวลไม่เกิน 100 เท่ามวลดวงอาทิตย์ และหลุมดำขนาดใหญ่ยักษ์ที่เรียกว่า หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ซึ่งมีมวลระดับหลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ พบได้ในใจกลางกาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง แล้วทั้งสองช่วงมวลไม่มีอะไรมาเชื่อมโยงหรือ 

      โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หลุมดำแห่งใหม่ที่พบในกระจุกดาวทรงกลมของอันโดรเมดา ที่เรียกว่า B023-G078 ซึ่งเป็นกระจุกทรงกลมที่มีมวลสูงที่สุดในอันโดรเมดา, มีรูปร่างกลมโดยคร่าวๆ และมีมวลดาวอยู่รวมสูงถึง 6.2 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ จากแบบจำลองทางหนึ่งที่กระจุกเหล่านี้จะก่อตัวขึ้นได้ ก็คือเมื่อกาแลคซีกลืนกินกาแลคซีอีกแห่ง ซึ่งเป็นเรื่องปกติในวิวัฒนาการกาแลคซี ซึ่งทางช้างเผือกเองก็ผ่านกระบวนการนี้มาแล้วหลายครั้งเช่นเดียวกับอันโดรเมดา กระจุกทรงกลมน่าจะเป็นสิ่งที่เหลืออยู่ของแกนกลางกาแลคซีขนาดเล็กที่ถูกกาแลคซีขนาดใหญ่กลืนไป เช่นเดียวกับหลุมดำ นั้นเป็นสิ่งที่ทีมคิดว่าน่าจะเป็นเรื่องราวกำเนิดของ B023-G078 ด้วย

     พวกเขาศึกษาองค์ประกอบโลหะในกระจุก จากสัญญาณแสงที่ดาวเปล่งออกมาและตรวจสอบพบว่ามันมีอายุ 10.5 พันล้านปี โดยมีระดับความเป็นโลหะ(metallicity) ที่คล้ายกับแกนกลางที่ถูกเปลือยส่วนนอกออกที่พบในทางช้างเผือก จากนั้น พวกเขาก็ศึกษารูปแบบการเคลื่อนที่ของดาวรอบๆ ใจกลางกระจุกเพื่อพยายามคำนวณมวลของหลุมดำที่น่าจะมีอยู่ ซึ่งให้ผลมาที่ราว 91,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์ เทียบเท่ากับราว 1.5% มวลของกระจุก

กาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda galaxy; M31) และภาพขยายแสดงกระจุกดาวทรงกลม B023-G078 ที่พบหลุมดำชนิดหาได้ยากแห่งใหม่

    นี่บอกว่ากาแลคซีต้นกำเนิดของ B023-G078 เป็นกาแลคซีแคระ(dwarf galaxy) ซึ่งมีมวลราว 1 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ เมื่อเทียบกับเมฆมาเจลลันใหญ่ซึ่งก็เป็นกาแลคซีแคระบริวารของทางช้างเผือก ซึ่งคำนวณมวลได้ที่ 1.88 แสนล้านเท่าดวงอาทิตย์ และอันโดรเมดา มีมวลถึงระดับ 1.5 ล้านล้านเท่าดวงอาทิตย์ ยังเป็นไปได้ที่จะมีคำอธิบายอื่น แต่ทีมบอกว่าไม่มีอันใดที่สอดคล้องกับข้อมูลได้ดีเหมือนกับหลุมดำมวลปานกลาง

     เราชอบที่อธิบายการมีอยู่ของ IMBH สักแห่งว่าเป็นตัวบ่งชี้อีกด้านว่า B023-G078 เป็นนิวเคลียส(กาแลคซี) ที่เปลือย เช่นเดียวกับลักษณะที่ดูกะทัดรัดจากองค์ประกอบมืด ข้อมูลความละเอียดสูงขึ้นน่าจะช่วยให้ระบุธรรมชาติของมวลมืดในใจกลางได้ และน่าจะเป็นเป้าหมายอันดับต้นสำหรับยุคของกล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว พวกเขาเขียนไว้ในรายงาน

แหล่งข่าว eso.int : black hole found hiding in star cluster outside our galaxy
                sciencealert.com : a black hole was found outside our galaxy for the first time with an ingenious method  
                iflscience.com : small young black hole discovered hiding in the galaxy next door