หลุมดำทางช้างเผือกเป่าฟองยักษ์

 

ฟองเฟอร์มี(สีแดง) และฟองอีโรสิตา(สีฟ้า)

     ฟองขนาดยักษ์ 2 ชุดที่แผ่ออกไปหลายพันปีแสงเหนือและใต้ระนาบทางช้างเผือก น่าจะเกิดขึ้นจากเหตุการณ์เดียวกัน แม้ว่าจะมีความแตกต่างในเรื่องขนาดของพวกมันก็ตาม

      ฟองทั้งสองถูกเรียกว่า ฟองเฟอร์มี(Fermi Bubble) และ ฟองอีโรสิตา(e ROSITA bubble) และนักดาราศาสตร์เชื่อว่าพวกมันเป็นผลจากกิจกรรมของคนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) มวล 4.3 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ในใจกลางทางช้างเผือกแต่เนื่องจากฟองชุดหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกแห่งอย่างมาก จึงยังไม่แน่ชัดว่าพวกมันถูกสร้างขึ้นในเวลาเดียวกัน หรือจากเหตุการณ์ที่แตกต่างกัน

     ฟองเฟอร์มี ซึ่งตรวจพบในปี 2010 และอุดมไปด้วยก๊าซร้อนและสนามแม่เหล็กที่เปล่งรังสีแกมมา แผ่ออกไป 9 กิโลพาร์เซค(29354 ปีแสง) เหนือและใต้ระนาบกาแลคซี โดยมีขนาดรวมที่ 18 กิโลพาร์เซค พวกมันยังมีการแผ่รังสีไมโครเวฟคู่เคียง(microwave counterpart) ด้วย ซึ่งเรียกว่า หมอกไมโครเวฟ(microwave haze)

     ในขณะที่ฟองอีโรสิตา ซึ่งเปล่งรังสีเอกซ์ แผ่ออกไปราว 14 กิโลพาร์เซค(45661 ปีแสง) ในแต่ละทิศทางจากใจกลางกาแลคซี โดยมีขนาดรวม 28 กิโลพาร์เซค ด้วยขนาดใหญ่แบบนี้ พวกมันจึงครอบคลุมฟองเฟอร์มีไว้ได้จนหมดสิ้น ก่อนที่จะทราบขนาดที่แท้จริงของฟองอีโรสิตา รายงานในปี 2020 นักวิทยาศาสตร์ก็คิดแล้วว่ามันน่าจะถูกสร้างจากการปะทุเดียวกัน ฟองทั้งสองชุดมีรูปร่างใกล้เคียงกัน ซึ่งบอกว่าพวกมันเชื่อมโยงกันในบางประการ

e ROSITA bubbles

     เนื่องจากฟองผุดขึ้นมาจากใจกลางกาแลคซี และเนื่องจากก็พบเห็นฟองลักษณะคล้ายๆ กันนี้ในกาแลคซีอื่นด้วย จึงดูเป็นไปได้ที่ฟองเฟอร์มีและฟองอีโรสิตา มีความเชื่อมโยงกับหลุมดำของทางช้างเผือก แทนที่จะเกิดจากกิจกรรมการก่อตัวดาวที่คึกคักมาก(starburst) แล้วเกิดซุปเปอร์โนวาชุดใหญ่

     ทีมนักดาราศาสตร์ที่นำโดย Hsiang-Yi Karen Yang จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติซิงฮวาในไต้หวัน ได้ใช้แบบจำลองเสมือนจริงหลายอันเพื่อระบุกิจกรรมของหลุมดำยักษ์ซึ่งอาจจะสร้างฟองอย่างที่เราเห็น ด้วยการสร้างปรากฏการณ์ประหลาดที่เป็นไปได้ 2 อย่าง คือ ลมยักษ์ที่พัดพาออกจาก Sgr A*หรือไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์ นักวิจัยได้พบว่าไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์น่าจะสมเหตุสมผลกว่า

     ก่อนการตรวจพบฟองอีโรสิตา กำเนิดทางกายภาพของฟองเฟอร์มีและหมอกไมโครเวฟเป็นที่ถกเถียงกันอย่างเผ็ดร้อน นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน เราได้แสดงว่าข้อมูลอีโรสิตาใหม่ได้ให้รายละเอียดที่สำคัญที่ช่วยให้เราได้ปะติดปะต่อเรื่องราวเพิ่มเติมให้กับลำดับเหตุการณ์ทั้งสองนี้ และการรวมภาพรังสีแกมมา, รังสีเอกซ์ และไมโครเวฟ และสเปคตรัม ก็บอกอย่างชัดเจนว่ากิจกรรมไอพ่นในอดีตจากหลุมดำในใจกลางกาแลคซี น่าจะเป็นตัวการ

    ขณะนี้ Sgr A* ค่อนข้างเงียบเชียบ โดยเปล่งเฉพาะการปะทุเป็นครั้งคราวเท่านั้น นี่ไม่ใช่สิ่งที่เราเรียกว่า นิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์(active galactic nucleus) ซึ่งเป็นหลุมดำยักษ์ใจกลางกาแลคซีที่กลืนกินวัสดุสารจากเมฆรอบๆ มันอย่างกระตือรือร้น นั้นเป็นกระบวนการที่ยุ่งเหยิง ซึ่งมีการทะลักออก(outflow) ในรูปแบบที่แตกต่างกันไป

     ห้วงอวกาศรอบๆ หลุมดำนั้นมีความซับซ้อนอย่างมาก วัสดุสารที่ป้อนลงสู่หลุมดำจากดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ที่หมุนวนรอบๆ หลุมดำก็ไม่ต่างจากน้ำที่หมุนไปรอบๆ ท่อระบายน้ำทิ้ง คิดกันว่าไอพ่นเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นจากวัสดุสารส่วนน้อยๆ ที่ถูกไขเข้ามาตามแนวเส้นแรงสนามแม่เหล็กนอกขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) จากพื้นที่ส่วนในของดิสก์สะสมมวลสาร

โครงสร้างฟองเฟอร์มีและฟองอีโรสิตา

     เส้นแรงสนามแม่เหล็กทำหน้าที่เป็นซิงโครตรอน(synchrotron) ที่เร่งความเร็ววัสดุสารนี้ไปถึงพื้นที่ขั้วของหลุมดำ ซึ่งเป็นตำแหน่งที่วัสดุสารถูกยิงออกสู่อวกาศในรูปของไอพ่นก๊าซที่แตกตัวเป็นประจุ(plasma) ความเร็วสูง ไอพ่นเหล่านี้สามารถเป่าห้วงอวกาศไปได้ไกลทั้งเหนือและใต้ระนาบกาแลคซี

     แบบจำลองเสมือนจริงของ Yang และทีมของเธอสันนิษฐานว่า Sgr A* เคยมีกิจกรรมที่คึกคักเมื่อ 2.6 ล้านปีก่อน บริโภควัสดุสารประมาณ 1000 ถึง 10000 เท่าดวงอาทิตย์ภายในช่วง 1 แสนปี และได้ยิงวัสดุสารบางส่วนออกมาเป็นไอพ่นออกสู่อวกาศ ถางเข้าสู่ตัวกลางในอวกาศระหว่างดวงดาว(interstellar medium) ในฮาโล(halo) ของทางช้างเผือก การสันนิษฐานเหล่านี้ได้สร้างชุดฟองที่คล้ายกับที่สำรวจพบฟองเฟอร์มีและฟองอีโรสิตาขึ้นใหม่อย่างแนบเนียน

     ความต่างอย่างมากระหว่างแรงดันในไอพ่นกับก๊าซในตัวกลางในอวกาศ เป็นสาเหตุให้ไอพ่นขยายออกเป็นฟองหรือโคคูน(cocoon) คู่หนึ่ง ที่คล้ายกับฟองวิทยุ(radio bubbles) ที่สำรวจพบในกระจุกกาแลคซี ในตอนนี้ โคคูนเจริญและไปถึงระดับความสูงราว 7.5 กิโลพาร์เซคจากระนาบกาแลคซี อิเลคตรอนในรังสีคอสมิคภายในโคคูนที่ถูกเคลื่อนย้ายจากใจกลางกาแลคซีมีปฏิสัมพันธ์กับสนามรังสีในอวกาศ และเปล่งคลื่นในช่วงรังสีแกมมาออกมาตามที่สำรวจพบในฟองเฟอร์มี นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน

     การอัดฉีดพลังงานเดียวกันนี้จากหลุมดำและการขยายตัวของโคคูนที่เกิดขึ้นตามมา ได้ผลักก๊าซภายในฮาโลกาแลคซีออกจากฮาโลไปด้วยความเร็วเหนือเสียง สร้างเป็นการกระแทกที่เคลื่อนที่ออกนอก ที่หน้าคลื่นกระแทก การบีบอัดของก๊าซเป็นสาเหตุให้ความหนาแน่นก๊าซในท้องถิ่นเพิ่มสูงขึ้น สร้าง การเปล่งคลื่นเบรมชตราลุง(Bremsstrahlung; จากความเร่งของประจุในสนามไฟฟ้า) ความร้อนในแถบรังสีเอกซ์ปรากฏเป็นฟองอีโรสิตา

     ใจกลางกาแลคซีนั้นยากที่จะเห็นได้อันเนื่องจากฝุ่นที่ปกคลุมหนาแน่นมาก ถ้าฟองเหล่านี้ถูกสร้างโดยไอพ่นเมื่อราว 2.6 ล้านปีก่อน ก็น่าจะให้เงื่อนงำบางอย่างเกี่ยวกับความเป็นมาของมัน แบบจำลองของทีมบอกว่าสนามแม่เหล็กและสนามรังสีถูกกดไว้ในช่วงเวลาที่ยิงไอพ่นออกมา การสำรวจกลไกว่าเกิดขึ้นที่ใดอาจจะเป็นหัวข้อการวิเคราะห์ในอนาคต การสำรวจในอนาคตจะยิ่งเผยให้เห็นผลกระทบต่อกลไกย้อนกลับ(feedback) ต่อประวัติวิวัฒนาการของทางช้างเผือก นักวิจัยเขียนไว้ และบอกว่าเหตุการณ์นี้สอดคล้องกับภาพกว้างๆ ในวิวัฒนาการร่วมระหว่างหลุมดำมวลมหาศาล-กาแลคซี ในเอกภพอย่างไร งานวิจัยเผยแพร่ใน Nature Astronomy

แหล่งข่าว sciencealert.com : giant bubbles expanding from the Milky Way could be explained by a single event
                live-sci.com : gargantuan “Fermi bubbles” are the result of a 100,000-year-long black hole explosion, study suggests