หลุมดำมวลปานกลางในกาแลคซีเพื่อนบ้าน

 

     นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำแห่งหนึ่งซึ่งไม่เหมือนกับหลุมดำใดๆ ด้วยมวลราว 1 แสนเท่ามวลดวงอาทิตย์ มันมีขนาดเล็กกว่าหลุมดำที่เราได้พบในใจกลางกาแลคซี แต่ก็ยังใหญ่กว่าหลุมดำที่ก่อตัวขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ระเบิด นี่ทำให้มันเป็นหนึ่งในหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black hole) ที่เพิ่งยืนยันแล้ว ซึ่งเป็นวัตถุที่นักดาราศาสตร์ค้นหามานาน

     Anil Seth รองศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ และผู้เขียนร่วมในการศึกษานี้ กล่าวว่า เราทั้งตรวจพบหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) ที่ใหญ่ที่สุดด้วยมวลระดับร้อยเท่าดวงอาทิตย์ กับหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ที่ใจกลางกาแลคซีซึ่งมีมวลหลายล้านเท่าดวงอิทตย์ แต่ไม่ค่อยได้พบหลุมดำที่มีมวลระหว่างนั้นมากนัก นี่เป็นช่องว่างขนาดใหญ่ การค้นพบนี้ช่วยเติมช่องว่าง

      หลุมดำแห่งนี้ซ่อนอยู่ใน B023-G078 ซึ่งเป็นกระจุกดาวขนาดมหึมาใน อันโดรเมดา(Andromeda) กาแลคซีที่อยู่ใกล้เรามากที่สุดเพียง 2 ล้านปีแสงเท่านั้น ที่เคยคิดว่าเป็นกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) แต่นักวิจัยแย้งว่า B023-G078 น่าจะเป็นนิวเคลียสกาแลคซีที่ถูกเปลือยออก(stripped nucleus) นิวเคลียสเป็นซากของกาแลคซีขนาดเล็กที่ตกเข้าหากาแลคซีขนาดใหญ่กว่า และถูกฉีกดาวรอบนอกๆ ออกไปโดยแรงโน้มถ่วง สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือ นิวเคลียสขนาดจิ๋วที่หนาแน่นสูงโคจรรอบกาแลคซีขนาดใหญ่ และที่ใจกลางของนิวเคลียสก็เป็นหลุมดำ

     ก่อนหน้านี้ เราได้พบหลุมดำใหญ่ในนิวเคลียสเปลือยขนาดใหญ่ที่มีมวลสูงกว่า B023-G078 มาก เราทราบว่าจะต้องมีหลุมดำขนาดเล็กกว่าในนิวเคลียสเปลือยที่มีมวลต่ำกว่า แต่ก็ไม่เคยได้พบหลักฐานโดยตรงมาก่อนเลย Renuka Pechetti ผู้เขียนนำจากมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูล จอห์น มัวร์ ซึ่งเริ่มต้นงานวิจัยที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ กล่าว ฉันคิดว่านี่เป็นกรณีที่ค่อนข้างชัดเจนว่า เราได้พบวัตถุ(หลุมดำมวลปานกลาง-ผู้แปล) แล้วในที่สุด การศึกษาเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 11 มกราคม

ช่องซ้ายแสดง M31 ในมุมกว้าง โดยช่องสีแดงและภาพเล็กแสดงตำแหน่งและภาพของ B023-G78 ที่พบหลุมดำ

    B023-G078 เป็นที่รู้จักในฐานะกระจุกทรงกลมขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นดาวรวมกลุ่มจนมีรูปร่างกลมเกาะกันอย่างแนบแน่นด้วยแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม มีการสำรวจวัตถุนี้เพียงครั้งเดียวที่บอกมวลโดยรวมของมัน ที่ 6.2 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ เป็นเวลาหลายปีที่ Seth รู้สึกว่ามีอะไรแปลกๆ ผมคิดว่า B023-G078 เป็นหนึ่งในวัตถุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในอันโดรเมดา และคิดว่ามันน่าจะเป็นนิวเคลียสที่เปลือย แต่เราต้องการข้อมูลเพื่อพิสูจน์ เราขอใช้เวลาสำรวจกล้องโทรทรรศน์หลายตัวเป็นเวลาหลายปี แต่ก็ล้มเหลวมาตลอด เมื่อเราได้พบหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งในนิวเคลียสเปลือยแห่งหนึ่งในปี 2014 หอสังเกตการณ์เจมิไนก็ให้โอกาสพวกเราได้ตรวจสอบ

     ด้วยข้อมูลการสำรวจใหม่จากเจมิไนและภาพจากกล้องฮับเบิล Pechetti, Seth และทีมได้คำนวณว่าภายในวัตถุมีการกระจายมวลอย่างไรจากคุณสมบัติแสงของมัน กระจุกทรงกลมจะมีคุณสมบัติแสงเป็นเอกลักษณ์ ซึ่งไม่ว่าที่ใจกลางหรือที่พื้นที่ส่วนนอกก็มีรูปร่างเดียวกัน แต่ B023-G078 แตกต่างออกไป แสงที่ใจกลางของมันนั้นกลมและจากนั้นก็แบนราบมากขึ้นเมื่อขยับออกข้างนอก องค์ประกอบเคมีของดาวก็เปลี่ยนแปลงไปด้วยเช่นกัน โดยดาวในใจกลางจะมีธาตุหนักอยู่มากกว่าในดาวที่อยู่ใกล้ขอบ

     โดยทั่วไปแล้ว กระจุกดาวทรงกลมก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน เมื่อเทียบแล้ว นิวเคลียสที่เปลือยเหล่านี้จะมีการก่อตัวดาวหลายช่วงเวลา เมื่อมีก๊าซตกลงสู่ใจกลางกาแลคซีและสร้างดาวขึ้นมา และกระจุกดาวอื่นๆ ก็อาจถูกลากเข้าหาใจกลางโดยแรงโน้มถ่วงของกาแลคซี Seth กล่าว นี่เหมือนกับเป็นที่ทิ้งขยะที่แตกต่างกันใส่เข้าไป ดังนั้น ดาวในนิวเคลียสที่เปลือย จะมีความซับซ้อนสูงกว่าในกระจุกทรงกลม และนั้นคือสิ่งที่เราได้เห็นที่ B023-G078

     นักวิจัยใช้การกระจายมวลของวัตถุเพื่อทำนายว่าดาวที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในกระจุกน่าจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน และเปรียบเทียบมันกับข้อมูลจริง ดาวที่มีความเร็วสูงสุดจะโคจรรอบใจกลาง เมื่อพวกเขาสร้างแบบจำลองที่ไม่ได้รวมหลุมดำเข้าไปด้วย ดาวที่ใจกลางก็ยังเคลื่อนที่ช้าเกินกว่าที่สำรวจพบ เมื่อเพิ่มหลุมดำเข้าไป ก็จะได้ความเร็วสอดคล้องกับข้อมูล หลุมดำที่เพิ่มเข้าไปเป็นหลักฐานว่าวัตถุนี้เป็นนิวเคลียสเปลือย

ภาพจาก GALEX แสดงกาแลคซีอันโดรเมดา(M31) เป็นกาแลคซีเพื่อนบ้านขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้ทางช้างเผือกมากที่สุด

     ความเร็วของดาวที่เราได้เป็นหลักฐานโดยตรงว่ามีมวลมืดบางอย่างอยู่ในใจกลาง Pechetti กล่าว เป็นเรื่องยากมากๆ สำหรับกระจุกทรงกลมที่จะก่อตัวหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้น แต่ถ้ามันเป็นนิวเคลียสที่เปลือย ก็จะมีหลุมดำอยู่ด้วยแล้ว หลงเหลือเป็นซากของกาแลคซีขนาดเล็กที่ตกลงสู่กาแลคซีขนาดใหญ่กว่า

     นี่เป็นหลักฐานที่น่าประทับใจและหนักแน่น Peter Jonker นักวิจัยหลุมดำจากมหาวิทยาลัยรัดบาวด์ เนเธอร์แลนด์ส ให้ความเห็น แน่นอนว่ามันจะถูกใส่เข้าไปในหลักฐานที่มากขึ้นเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำมวลปานกลาง แม้ว่าจะยังไม่ใช่ข้อพิสูจน์สุดท้ายที่หามานาน จริงๆ แล้ว นักวิจัยเองก็ยอมรับว่า พวกเขาไม่สามารถตัดทางเลือกว่า เป็นหลุมดำมวลดวงดาวกลุ่มหนึ่ง ที่เป็นสาเหตุได้ เช่นเดียวกับในกรณีการโต้แย้งของ โอเมกา เซนทอไร(Omega Centauri) กระจุกทรงกลมขนาดยักษ์ในทางช้างเผือกของเราซึ่งมันอาจจะเป็นนิวเคลียสที่ถูกเปลือยออก ซึ่งในปี 2008 นักดาราศาสตร์อ้างว่าพบหลุมดำมวล 4 หมื่นเท่าในแกนกลาง แม้ผลสรุปนี้ในภายหลังจะตกไป แต่ Jonker ก็บอกว่าโอเมกา เซนทอไร อาจจะมีหลุมดำขนาดเล็กระดับหนึ่งพันเท่าดวงอาทิตย์ หรือกระทั่งประชากรหลุมดำมวลดวงดาวกลุ่มหนึ่งอยู่

     นักวิทยาศาสตร์รอคอยการสำรวจสเปคตรัมด้วยความละเอียดที่สูงขึ้น ซึ่งน่าจะสามารถให้ภาพการเคลื่อนที่ของดาวในระบบแห่งนี้ที่ชัดเจนมากขึ้น และน่าจะบอกได้ว่าวัตถุนี้เป็นหลุมดำมวลปานกลางเดี่ยวแห่งเดียว แทนที่จะเป็นกลุ่มของหลุมดำมวลเบากว่า แทน

     นักวิจัยหวังว่าจะได้สำรวจนิวเคลียสเปลือยให้มากขึ้นซึ่งอาจจะมีหลุมดำมวลปานกลางเพิ่มขึ้นอีก นี่เป็นโอกาสที่จะได้เรียนรู้ให้มากขึ้นเกี่ยวกับประชากรหลุมดำในใจกลางกาแลคซีมวลต่ำ และได้เรียนรู้ว่ากาแลคซีก่อตัวขึ้นจากกาแลคซีขนาดเล็กกว่าได้อย่างไร เรารู้ว่ากาแลคซีขนาดใหญ่โดยทั่วไปก่อตัวขึ้นจากการควบรวมของกาแลคซีขนาดเล็กกว่า แต่นิวเคลียสเปลือยเหล่านี้ช่วยให้เราได้ระบุรายละเอียดปฏิสัมพันธ์ในอดีตที่ผ่านมาเหล่านั้นได้ Seth กล่าว

แหล่งข่าว phys.org : extraordinary black hole found in neighboring galaxy
                iflscience.com : extremely rare “intermediate” black hole found orbiting nearby Andromeda
                skyandtelescope.com : does the Andromeda galaxy harbor a mid-weight black hole?