หลุมดำที่เกื้อหนุนการก่อตัวดาว

 

กาแลคซีแคระที่ก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst) Henize 2-10 วิบวับไปด้วยดาวอายุน้อยมากมายในภาพช่วงตาเห็นจากกล้องฮับเบิลนี้ พื้นที่สว่างที่ใจกลางซึ่งล้อมรอบด้วยเมฆสีชมพูและแถบฝุ่นมืด บ่งชี้ถึงตำแหน่งของหลุมดำขนาดใหญ่ในกาแลคซีและแหล่งเพาะฟักดาวอย่างคึกคัก

     โดยปกติ เป็นที่ทราบกันว่าหลุมดำยักษ์ที่อยู่ในใจกลางกาแลคซีมักจะมีบทบาทในการหยุดการก่อตัวดาว(quenching) ตัดความสามารถของกาแลคซีต้นสังกัดในการสร้างดาวฤกษ์ใหม่ๆ แต่หลุมดำในใจกลางกาแลคซีแคระ Henize 2-10 กลับทำในสิ่งตรงกันข้าม มันกำลังป้อนก๊าซให้กับแหล่งอนุบาลดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ๆ แห่งหนึ่ง งานวิจัยใหม่นี้เผยแพร่ใน Nature วันที่ 19 มกราคม

     ตั้งแต่เริ่มต้น ฉันก็รู้ว่ามีบางสิ่งที่ไม่ปกติและพิเศษกำลังเกิดขึ้นใน Henize 2-10 แล้ว Amy Reines ผู้นำทีมสำรวจโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล กล่าวในการแถลงข่าว และขณะนี้ ฮับเบิลก็ได้ให้ภาพที่ชัดเจนมากถึงความเชื่อมโยงระหว่างหลุมดำกับพื้นที่ก่อตัวดาวใกล้ๆ ที่อยู่ห่างออกไป 230 ปีแสงจากหลุมดำ หลุมดำใน Henize 2-10 ที่มีมวลราว 1 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ กำลังเป่าก๊าซใหม่ๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วราว 1.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง เข้าสู่พื้นที่แห่งนี้ เหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์ใหม่ๆ กาแลคซีแคระแห่งนี้อยู่ห่างออกไป 30 ล้านปีแสง ในกลุ่มดาวซีกฟ้าใต้ เข็มทิศ(Pyxis)  

     กระแสก๊าซที่ไหลออกจากหลุมดำเป็นเสมือนสายสะดือเชื่อมกับแหล่งอนุบาลดาวใหม่ๆ พื้นที่แห่งนี้เป็นที่อยู่ของรังฝุ่นหนาทึบ การตรวจสอบสเปคตรัมจากฮับเบิลแสดงว่ากระแสไหลออกกำลังชนกับก้อนก๊าซทึบเหมือนกับ หัวฉีดน้ำในสวนปะทะกับก้อนหินและกระจายไปทั่ว มีกระจุกดาวที่เพิ่งเกิดขึ้นอยู่ตามแนวที่กระแสก๊าซกระจายออก กล้องฮับเบิลยังได้คำนวณอายุของพวกมัน

     ส่วนที่ว่าสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไรก็ยังไม่แน่ใจ เมื่อกระแสก๊าซที่ไหลออกจากหลุมดำยักษ์โดยปกติ จะทำให้เมฆก๊าซที่อยู่ใกล้ๆ ร้อนขึ้นมากจนพวกมันไม่สามารถเย็นตัวลงเพื่อก่อตัวดาวใหม่ๆ ได้ แต่ด้วยหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่าใน Henize 2-10 และกระแสไหลออกที่ช้ากว่า ก๊าซก็น่าจะถูกบีบอัดเพียงพอที่จะทำให้เกิดการก่อตัวดาวใหม่ๆ ได้ Zachary Schuttle นักศึกษาของ Reines และผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ กล่าวว่า ด้วยระยะห่างเพียง 30 ล้านปีแสง Henize 2-10 อยู่ใกล้มากพอที่ฮับเบิลจะจับทั้งภาพและตรวจสอบสเปคตรัมกระแสไหลออกจากหลุมดำได้ชัดเจนมาก สิ่งที่น่าประหลาดใจเพิ่มเติมก็คือ แทนที่จะหยุดยั้งการก่อตัวดาว กระแสไหลออกนี้กำลังทำให้เกิดการก่อตัวดาวใหม่ๆ

      ความละเอียดที่น่าทึ่งของฮับเบิลได้แสดงอย่างชัดเจนถึงรูปแบบคล้ายเกลียวจุกขวดในความเร็วของก๊าซ ซึ่งสอดคล้องกับแบบจำลองว่ากระแสไหลออกจากหลุมดำมีการควงส่าย ซึ่งซากซุปเปอร์โนวาที่สามารถสร้างการแผ่รังสีคลื่นวิทยุและรังสีเอกซ์ที่พบในแคระแห่งนี้ก่อนหน้านี้ ไม่สามารถมีรูปแบบเกลียวจุกขวดได้ จึงเป็นข้อพิสูจน์ว่ามีหลุมดำอยู่  

ภาพขยายพื้นที่ส่วนใจกลางของ Henize 2-10 ตามรอยกระแสก๊าซที่ไหลออก(outflow) หรือสะพานก๊าซร้อนที่ยาว 230 ปีแสง เชื่อมโยงหลุมดำขนาดใหญ่ของกาแลคซี เข้ากับพื้นที่ก่อตัวดาวแห่งหนึ่ง ข้อมูลความเร็วกระแสไหลออกของฮับเบิล, อายุของดาวอายุน้อย ต่างก็บ่งชี้ถึงความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองส่วนอย่างแนบแน่น เมื่อไม่กี่ล้านปีก่อน กระแสไหลออกชนเข้ากับเมฆทึบของแหล่งอนุบาลดาวแห่งหนึ่ง และสาดกระจายออกเหมือนกับน้ำในท่อฉีดที่กระเซ็นออกจากหิน ขณะนี้กระจุกดาวอายุน้อยเรียงตามตั้งฉากกับกระแสไหลออก เผยให้เห็นเส้นทางการสาดกระเซ็นของมัน

     Reines คาดหวังว่าจะมีงานวิจัยที่มุ่งเป้าที่หลุมดำในกาแลคซีแคระโดยตรงเพิ่มเติมขึ้นในอนาคต ด้วยเป้าหมายที่จะใช้พวกมันเป็นประตูสู่ปริศนาว่าหลุมดำมวลมหาศาลเกิดขึ้นได้อย่างไรในเอกภพยุคต้น ความสัมพันธ์ระหว่างมวลของกาแลคซี กับหลุมดำของมันอาจจะให้เงื่อนงำ ยิ่งกาแลคซีต้นสังกัดมีขนาดใหญ่กว่าเท่าใด หลุมดำในใจกลางกาแลคซีก็ยิ่งมีมวลสูงตามไปด้วย

     ทฤษฎีปัจจุบันว่าด้วยกำเนิดของหลุมดำมวลมหาศาล แบ่งออกไปได้ 3 กรณี 1) พวกมันก่อตัวขึ้นแบบเดียวกับหลุมดำมวลดวงดาว จากการระเบิดของดาวและบางครั้งก็รวบรวมมวลสารได้มากพอที่จะเจริญเป็นมวลมหาศาล 2) สภาวะพิเศษในเอกภพยุคต้นที่ช่วยให้มีการก่อตัวดาวมวลสูงมหาศาล(supermassive stars) ซึ่งจะยุบตัวลงกลายเป็น “เมล็ดพันธุ์” หลุมดำมวลสูงโดยตรง หรือ 3) เมล็ดพันธุ์ของหลุมดำมวลมหาศาล ก่อตัวขึ้นในกระจุกดาวที่หนาแน่น ซึ่งมวลรวมของกระจุกสูงพอที่จะสร้างหลุมดำขึ้นจากการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วง

     โดยรวมแล้ว ไม่มีทฤษฎีเมล็ดพันธุ์หลุมดำอันใดที่มีคะแนนนำเลย กาแลคซีแคระอย่าง Henize 2-10 ได้ให้เงื่อนงำที่จำเป็นเนื่องจากพวกมันรักษาสภาพความเล็กไว้ตลอดความเป็นมาของเอกภพ แทนที่จะเจริญขึ้นและควบรวมกับกาแลคซีขนาดใหญ่กว่าอย่างทางช้างเผือก นักดาราศาสตร์คิดว่าหลุมดำในแคระ น่าจะเป็นตัวแทนของหลุมดำในเอกภพยุคต้นได้ เมื่อพวกมันเพิ่งเริ่มต้นก่อตัวและเจริญขึ้น

     เราไม่สามารถเข้าถึงยุคของหลุมดำแห่งแรกๆ ได้เลย ดังนั้นจึงมีคำถามใหญ่ว่า แล้วพวกมันมาจากไหน กาแลคซีแคระอาจจะเก็บงำความทรงจำบางส่วนของลำดับเหตุการณ์เมล็ดพันธุ์หลุมดำ ที่น่าจะสูญหายไปกับเวลาและอวกาศ Reine กล่าว

แหล่งข่าว astronomy.com – snapshot: Hubble catches a black hole creating new stars
                phys.org – Hubble finds a black hole igniting star formation in a dwarf galaxy