หลุมดำยักษ์เล็กในกาแลคซีแคระ

 

ภาพจากศิลปินแสดงกระแสไหลออก(outflow) จากหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่ง นักดาราศาสตร์สามารถค้นหาหลุมดำยักษ์เหล่านี้ได้แม้แต่ในกาแลคซีแคระ โดยการมองหาการเปล่งคลื่นที่เกี่ยวข้องกับกระแสไหลออก

     นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำมวลมหาศาลที่มีขนาดเล็กที่สุดที่ใจกลางของกาแลคซีแคระ Markarian 462 มันมีมวลราว 2 แสนเท่ามวลดวงอาทิตย์ แน่นอนว่าอาจดูเยอะในสายตามนุษย์แต่กลับน้อยมากๆ เมื่อเรานึกถึงหลุมดำมวลมหาศาลที่มักมีมวลระดับหลายล้านเท่า ไม่ต้องเอ่ยถึงหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ การค้นพบนี้นำเสนอในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 239 แบบเสมือนจริงที่ซอลต์เลคซิตี้

     ความจริงที่ว่ามันมีขนาดเล็กมากน่าจะเปิดช่องทางสู่หลุมดำชนิดเดียวกันแต่เจริญจนใหญ่โตได้อย่างไร และในบางกรณีก็เจริญอย่างรวดเร็วมาก หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ที่มีมวลระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์นั้นมีอยู่แล้วตั้งแต่ช่วงเวลาเพียง 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง และเราก็ไม่แน่ใจว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร การสำรวจที่นำไปสู่การค้นพบใหม่นี้อาจจะขยายขอบเขตความเข้าใจนี้ได้

     Jack Parker จากวิทยาลัยดาร์ทเมาท์ ในนิวแฮมเชียร์ ซึ่งนำการศึกษา กล่าวในแถลงการณ์ว่า เราไม่สามารถสรุปได้อย่างแข็งขันจากเพียงตัวอย่างเดียว แต่ผลสรุปนี้น่าจะกระตุ้นให้เกิดการสำรวจหาหลุมดำที่ซ่อนอยู่ในกาแลคซีแคระได้มากขึ้น

     ทีมนักวิจัยมุ่งเป้าไปที่กาแลคซีแคระ 8 แห่งชุดหนึ่งซึ่งนักดาราศาสตร์สงสัยว่าน่าจะมีหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังเจริญเติบโตอยู่ในใจกลาง ซึ่งมีพื้นฐานจากการสำรวจที่ทำในช่วงตาเห็นโดย Sloan Digital Sky Survey แต่ร่องรอยหลุมดำที่กำลังเจริญเติบโตจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นในช่วงอื่นที่ไม่ใช่ช่วงตาเห็น เหตุผลก็คือ หลุมดำเป็นตัวกินดุ เมื่อพวกมันกลืนกินมวลสารอย่างกระตือรือร้น จะปล่อยอนุภาคและแสงพลังงานสูงออกมา และสามารถตรวจจับกระบวนการนี้ได้ด้วยเครื่องตรวจจับในช่วงรังสีเอกซ์

     กล้องจันทราของนาซาได้รับมอบหมายภารกิจนี้ ในบรรดาแคระ 8 แห่งที่ต้องสงสัยว่าจะเป็นหลุมดำที่กำลังเจริญเติบโตอยู่ พบหลักฐานที่แน่ชัดเพียงแห่งเดียวเท่านั้นที่ Markarian 462(Mrk 462) และมันก็เป็นหลุมดำที่แปลกประหลาดด้วย หลุมดำใน Mrk 462 นั้นเป็นพวกที่มีขนาดเล็กที่สุดในบรรดา(หลุมดำ) ปีศาจหรือพวกมวลมหาศาล Parker อธิบาย หลุมดำอย่างนี้พบได้ยากมาก

Mrk 462 เป็นกาแลคซีแคระแห่งหนึ่งในกลุ่มดาวสุนัขล่าเนื้อ(Canes Venatici) อยู่ทางขวาของกลุ่ม HCG 68 ซึ่งเป็นกลุ่มของกาแลคซีขนาดกะทัดรัดในภาพนี้ รังสีเอกซ์จากหลุมดำยักษ์ในแคระแห่งนี้แสดงในภาพเล็ก

     กาแลคซีต้นสังกัด Mrk 462 มีดาวฤกษ์เพียงไม่กี่ร้อยล้านดวง ในขณะที่ดูเหมือนจะมากแต่เมื่อเทียบกับกาแลคซีทางช้างเผือกซึ่งมีดาว หลายแสนล้านดวง ตัวเลขเหล่านี้เป็นตัวจำแนกว่า Mrk 462 เป็นกาแลคซีแคระ ในกาแลคซีขนาดใหญ่กว่า นักดาราศาสตร์อาจจะสามารถค้นหาหลุมดำได้โดยการสำรวจดาวที่เคลื่อนที่เร็วมากไปรอบๆ ใจกลางกาแลคซี(สัญญาณของอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ) แต่กลับทำไม่ได้ในกาแลคซีขนาดเล็กเช่นนี้ ทีมจึงใช้จันทราตรวจสอบการเรืองรังสีเอกซ์จากก๊าซที่ถูกดึงเข้าสู่หลุมดำแทน

     นี่จึงเป็นครั้งแรกที่สำรวจพบหลุมดำที่ถูกปกปิดโดยก๊าซและฝุ่นในกาแลคซีแคระ Ryan Hickox ผู้นำทีมร่วม จากดาร์ทเมาธ์ เช่นกัน กล่าวว่า เนื่องจากหลุมดำที่ฝังตัวอยู่นั้นตรวจจับได้ยากกว่าที่เผยตัวออกมา การค้นพบตัวอย่างนี้จึงอาจจะหมายความว่ายังมีแคระอีกมากมายข้างนอกนั้นที่มีหลุมดำคล้ายๆ กันอยู่

     มีลำดับเหตุการณ์ทางทฤษฎีสองสามอย่างที่น่าจะอธิบายการก่อตัวและการเจริญที่รวดเร็วของปีศาจตัวเล็กเหล่านี้ โดยเมล็ดพันธุ์หลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้เกิดขึ้นจากดาวฤกษ์รุ่นแรก(Population III stars) ซึ่งมีมวลสูงมากๆ เมื่อพวกมันจบชีวิต ก็น่าจะทิ้งหลุมดำขนาดใหญ่ ที่ต่อมาจะควบรวมกับวัตถุมวลใกล้เคียงกัน เจริญกลายเป็นมวลมหาศาล ความเป็นไปได้อีกทางก็คือ การยุบตัวลงโดยตรงของกลุ่มก๊าซขนาดมหึมา ก่อตัวหลุมดำขึ้นในทันทีจากการวุ่นวายภายหลังบิ๊กแบง หลุมดำบรรพกาล(primordial black holes) เหล่านี้น่าจะมีจำนวนมากและมีมวลสูงพอที่จะนำไปสู่การก่อตัวของกลุ่มมวลมหาศาลได้(และยังอาจอธิบายที่มาของสสารมืดได้) กล้องเวบบ์จะทดสอบลำดับเหตุการณ์ทั้งสองแบบได้

     ในการประชุมเดียวกัน ทีมที่นำโดย Molina และ Amy Reine จากมหาวิทยาลัยมอนทานาสเตท ได้นำเสนอหลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลในแคระ 81 แห่งที่กำลังก่อตัวดาว การศึกษาก่อนหน้านี้พลาดหลุมดำเหล่านี้ไปเนื่องจากการเปล่งคลื่นช่วงตาเห็นที่กว้างของหลุมดำถูกการเรืองสว่างกว่าจากพื้นที่ก่อตัวดาวกลบไว้ เพื่อมองข้ามแสงจากดาวที่เพิ่งก่อตัวใหม่ นักดาราศาสตร์ได้มองหาเส้นเปล่งคลื่นสีแดงจากอะตอมเหล็กที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างรุนแรง ในข้อมูลสเปคตรัมกาแลคซีแคระหลายหมื่นแห่ง เมื่อแสงดาวไม่ได้ทรงพลังมากพอที่จะสร้างการแตกตัวเป็นไอออน(ionization) อย่างรุนแรงสุดขั้วแบบนี้ แต่รังสีเอกซ์จากก๊าซร้อนที่หลุมดำเป่าออกมา จะสร้างเหล็กไอออนได้

     กาแลคซีขนาดใหญ่อย่างทางช้างเผือกมักเป็นผลจากการควบรวม แต่กาแลคซีแคระยังคงสภาพเดิมมาตั้งแต่ก่อตัวขึ้นเมื่อนานมาแล้ว ดังนั้นถ้าแคระมีหลุมดำขนาดใหญ่อยู่ นี่ก็จะเป็นหน้าต่างสู่หลุมดำมวลมหาศาลในเอกภพยุคต้นด้วย 

ภาพโมเสอิคแสดงกาแลคซีแคระที่เป็นส่วนหนึ่งในตัวอย่างของทีมมอนทานาสเตท

     การสำรวจของทีมมอนทานาสเตท จะเผยให้เห็นเฉพาะหลุมดำที่มีกิจกรรม ดังนั้นจึงยังไม่ทราบเปอร์เซนต์โดยรวมของแคระที่มีหลุมดำมวลมหาศาล Molina กล่าวว่า สิ่งที่เราพบเป็นเพียงแต่ยอดของภูเขาน้ำแข็ง Hickox เองก็อธิบายว่า สำหรับพื้นที่ขนาดเล็กในกาแลคซีแคระนั้น ยากที่จะบีบอัดก๊าซจำนวนมหาศาลให้กลายเป็นหลุมดำโดยตรง ดังนั้น ถ้าเรายิ่งพบหลุมดำใหญ่ในแคระมากขึ้นเท่าใด ก็เป็นไปได้มากขึ้นว่าหลุมดำจะเกิดขึ้นจากเมล็ดพันธุ์ ไม่ใช่การยุบตัวโดยตรง

     โชคร้ายที่การสำรวจกาแลคซีแคระในเอกภพท้องถิ่นไม่ได้ตอบคำถามทั้งหมดเกี่ยวกับกำเนิดของหลุมดำมวลมหาศาล แม้ว่าลำดับเหตุการณ์การสร้างหลุมดำมวลมหาศาลดูจะโน้มเอียงไปทางเมล็ดพันธุ์ขนาดเล็กกว่า แต่สิ่งที่เราต้องการจะเห็นจริงๆ ก็คือการก่อตัวของพวกมันในเอกภพยุคต้น ซึ่งสุดท้าย กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์อาจจะบอกได้ในที่สุด

แหล่งข่าว iflscience.com : not so massive supermassive black hole is among smallest ever found
                space.com : “mini” monster black hole discovered hiding in a dwarf galaxy
                skyandtelescope.com : dwarf galaxies shed light on black hole origins