วัตถุตั้งต้นเควซาร์ในเอกภพยุคต้น

 

ทฤษฎีปัจจุบันได้ทำนายว่าหลุมดำมวลมหาศาลเริ่มต้นชีวิตในแกนกลางที่ปกคลุมด้วยฝุ่นของกาแลคซีที่ก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst galaxies) ก่อนที่มันจะเจริญเติบโตและขับฝุ่นและก๊าซรอบๆ กลายเป็นเควซาร์ที่สว่างรุนแรง ในขณะที่พบได้ยากมากๆ แต่ก็พบทั้งกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคักที่มีฝุ่นจัด และเควซาร์ที่สว่างไสว ในเอกภพยุคต้นแล้ว ทีมเชื่อว่า GNz7q น่าจะเป็นส่วนเชื่อมที่หายไป ของวัตถุทั้งสองกลุ่ม

   นักดาราศาสตร์ได้พบวัตถุตั้งต้นของเควซาร์ ซึ่งเป็นประภาคารสว่างเจิดจ้ามากที่ได้รับพลังจากหลุมดำยักษ์ที่กลืนก๊าซอย่างตะกละตะกลาม หลุมดำยักษ์ซึ่งมีมวลระดับล้านเท่าจนถึงหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ การค้นพบนี้ได้เปิดช่องสู่ปริศนาว่าเควซาร์เจริญเติบโตรวดเร็วมากๆ ได้อย่างไร

     การสำรวจเบื้องลึกได้แสดงว่า มีเควซาร์(quasar) โตเต็มวัยโผล่มาตั้งแต่ไม่ถึงหนึ่งพันล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง เพื่อค้นหาว่าเควซาร์เจริญมีขนาดใหญ่โตมากๆ รวดเร็วมากได้อย่างไร นักดาราศาสตร์ต้องค้นหาเควซาร์ก่อนที่พวกมันจะสว่างสาดแสงที่เจิดจ้าจนกลบกาแลคซีต้นสังกัดของมันไปหมด แต่การค้นหาสภาพก่อนเกิดเหตุ ก็เป็นสิ่งที่ยาก ส่วนหนึ่งเนื่องจากเส้นทางการเติบโตของเควซาร์เอง

     กล่าวคือ คิดกันว่ากาแลคซีที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่เอี่ยมสองแห่งในเอกภพยุคต้นมาเจอกัน แต่ละแห่งก็อาจมีหลุมดำในใจกลางที่เดิมก็มีขนาดใหญ่อยู่แล้ว(แต่หลุมดำจะใหญ่โตได้อย่างไรก็เป็นอีกเรื่อง) ในช่วงการชน หลุมดำของแต่ละกาแลคซีจะควบรวมกลายเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้นเพียงแห่งเดียว ก๊าซที่หมุนวนเข้าหาใจกลาง ก็มีแต่จะยิ่งเพิ่มมวลให้กับหลุมดำปีศาจยักษ์ที่เพิ่งเกิดใหม่นี้

     หนึ่งในหนทางที่ดีที่สุดที่จะทราบว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลกำลังกลืนกินวัสดุสารอย่างกระตือรือร้นหรือไม่ ก็โดยรังสีเอกซ์ที่เปล่งออกจากวัสดุสารที่อยู่ใกล้ขอบของหลุมดำมากที่สุด แต่การชนของกาแลคซีก็ยังเหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวดาวอย่างรุนแรง ทำให้ทั้งกาแลคซีสว่างขึ้นในขณะที่ใจกลางยังถูกปกคลุมด้วยฝุ่น และจะซ่อนรังสีเอกซ์เหล่านั้นไว้ มีแต่เพียงเมื่อหลุมดำมีลมหรือไอพ่นที่รุนแรงที่อาจจะหยุดการก่อตัวดาว ที่จะทำให้เควซาร์ในใจกลางกาแลคซีส่องสว่างได้โดยไม่ถูกปิดกั้น

ภาพจากศิลปินแสดง Compton-thick active galactic nuclei แม้จะเปล่งรังสีเอกซ์พลังงานสูงแต่ก็ถูกฝุ่นรอบข้างปิดกั้นไว้อย่างรุนแรง จนซ่อนรังสีไว้

     วัตถุตั้งต้นของเควซาร์(ซึ่งเรียกแบบภาษาเทคนิคว่า Compton-thick active galactic nuclei) ถูกพบเห็นมาก่อนในเอกภพที่อยู่ไม่ไกลมาก่อน แต่ถ้ามีเควซาร์อยู่ในช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกของเอกภพจริง ก็ควรจะมีวัตถุตั้งต้นนั้นอยู่ด้วย

     ในขณะที่ตรวจสอบข้อมูลจากภาพห้วงลึกของกล้องฮับเบิลภาพหนึ่งที่เรียกว่า Great Observatories Origins Deep Survey(GOODS)-North Seijo Fujimoto จากศูนย์อรุณรุ่งแห่งเอกภพ มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน เดนมาร์ก และเพื่อนร่วมงานได้พบว่าที่วัตถุตั้งต้นของเควซาร์ในเอกภพยุคต้น รายงานการค้นพบใน Nature วันที่ 13 เมษายน การค้นพบเป็นครั้งแรกที่พบหลุมดำที่กำลังเจริญอย่างรวดเร็วในเอกภพยุคต้น คิดกันว่าหลุมดำที่เจริญอย่างรวดเร็วมากเป็นส่วนเชื่อมที่หายไประหว่างหลุมดำมวลมหาศาลที่พบในกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคักที่มีฝุ่นจัด กับเควซาร์ที่เจิดจ้ามาก  

     วัตถุที่เรียกว่า GNz7q เป็นกาแลคซีที่ปรากฏอยู่เมื่อ 750 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ในยุคที่เรียกว่า อรุณรุ่งแห่งเอกภพ(cosmic dawn) และกาแลคซีต้นสังกัดของมันก็กำลังมีการก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst) โดยให้กำเนิดดาว 1600 มวลดวงอาทิตย์ต่อปี(เทียบกับทางช้างเผือก ซึ่งผลิตดาวเพียงไม่กี่เท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปีเท่านั้น) เส้นเปล่งคลื่นที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวดาวอย่างคึกคักของมัน(อุลตราไวโอเลต) ได้ยืนยันระยะทางที่ไกลโพ้นจากโลก

     ความสว่างที่สำรวจได้ของ GNz7q ในช่วงอินฟราเรด ได้แสดงให้เห็นรูปแบบที่คล้ายกับเควซาร์ที่อยู่ใกล้กว่า แต่ก็มีสีแดงมากกว่าเนื่องจากฝุ่น ภาพรังสีเอกซ์จากจันทราในพื้นที่เดียวกัน ได้แสดงว่ากาแลคซีเปล่งรังสีเอกซ์น้อยมากๆ หรือแทบไม่มีเลย ซึ่งเป็นข้อบ่งชี้อีกอย่างว่าฝุ่นกำลังปิดบังกิจกรรมในแกนกลางกาแลคซีนี้ แต่ส่วนนอกๆ ของกาแลคซีก็เพิ่งเริ่มปลอดฝุ่นจนเผยตัวออกมา

ไทม์ไลน์ความเป็นมาของเอกภพ 

     ถ้ามีหลุมดำมวลมหาศาลที่มีกิจกรรมชุกชุมในกาแลคซีนี้ ก็เข้าทางพอดี ด้วยมวลราว 10 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ และกลืนกินวัสดุสารในอัตราที่สูงสุดขั้วมาก จนในอีกไม่ช้ามันน่าจะผลักก๊าซออกมามากกว่าที่ดึงเข้าไป และกลายเป็นเควซาร์ ซึ่งก็มีโอกาสที่ แทนที่จะเป็นหลุมดำที่กลืนกินก๊าซอย่างตะกละตะกลาม มันจะเป็นแกนกลางของการก่อตัวดาวที่รุนแรงสุดขั้ว แต่ทีมบอกว่าไม่น่าเป็นไปได้เนื่องจากแสงอุลตราไวโอเลตน่าจะต้องมาจากพื้นที่ขนาดกะทัดรัด ซึ่งต้องการก่อตัวดาวที่สุดขั้วมาก ด้วยอัตราเกิน 5000 เท่าดวงอาทิตย์ต่อปี

    Gabriel Brammer รองศาสตราจารย์ จากสถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน อธิบายว่า การเข้าใจว่าหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวและเจริญอย่างไรในเอกภพยุคต้น เป็นปริศนาข้อใหญ่ นักทฤษฎีเคยทำนายว่าหลุมดำยักษ์เหล่านั้นจะมีสถานะช่วงต้นที่เจริญอย่างรวดเร็ว เป็นวัตถุกะทัดรัดสีแดงจากฝุ่น โผล่ขึ้นมาจากกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างคึกคักที่มีฝุ่นปกคลุมอย่างหนักหน่วง จากนั้นก็เกิดการเปลี่ยนสภาพสู่วัตถุกะทัดรัดที่สว่างเจิดจ้าไร้การปิดกั้น(จากฝุ่น) โดยการผลักก๊าซและฝุ่นรอบๆ ออกไป

    แม้ว่าจะมีการค้นพบเควซาร์ที่สว่างเจิดจ้าแล้ว แม้แต่ในยุคแรกสุดของเอกภพ แต่ยังไม่เคยพบช่วงการเปลี่ยนสภาพการเจริญอย่างรวดเร็วจากทั้งหลุมดำและกาแลคซีต้นสังกัดที่ก่อตัวดาวอย่างคึกคักในยุคเดียวกันเลย ยิ่งกว่านั้น คุณสมบัติที่ตรวจพบก็สอดคล้องอย่างดียิ่งกับแบบจำลองเสมือนจริงทางทฤษฎี และบอกว่า GNz7q เป็นตัวอย่างแรกสุดของสถานะการเปลี่ยนผ่านอย่างรวดเร็วของหลุมดำในแกนกลางกาแลคซีที่มีฝุ่นจัด เป็นบรรพบุรุษของหลุมดำมวลมหาศาลในเวลาต่อมา

      GNz7q เป็นการค้นพบที่เป็นอัตลักษณ์ที่ได้พบอยู่แค่ในใจกลางพื้นที่สำรวจบนท้องฟ้าที่ถูกศึกษาเป็นอย่างดี มันได้แสดงว่าการค้นพบครั้งใหญ่บางคราวก็ซ่อนอยู่เบื้องหน้าเรานี่เอง Brammer กล่าว เป็นไปได้ยากที่การค้นพบ GNz7q ภายในพื้นที่สำรวจ GOODS-North ขนาดค่อนข้างเล็กนี้จะเป็นเรื่องของความโชคดีล้วนๆ แต่กลับเป็นเพราะแหล่งลักษณะนี้ในความเป็นจริงแล้วอาจจะชุกชุมมากกว่าที่เคยคิดไว้พอสมควร

วัตถุซึ่งเรียกว่า GNz7q ในภาพจากพื้นที่ GOODS-North ของฮับเบิล

     การค้นหา GNz7q ที่ซ่อนอยู่ในพื้นที่โล่งๆ เกิดขึ้นได้ก็เพราะชุดข้อมูลหลายช่วงความยาวคลื่นที่มีรายละเอียดอันเป็นอัตลักษณ์จาก GOODS-North ถ้าปราศจากความรุ่มรวยของข้อมูล GNz7q ก็น่าจะถูกมองข้ามได้ง่าย เมื่อมันขาดแคลนรายละเอียดที่โดดเด่นซึ่งมักจะใช้เพื่อจำแนกเควซาร์ในเอกภพยุคต้น    

     โดยปกติ ดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำขนาดใหญ่น่าจะปรากฏสว่างมากในทั้งยูวีและรังสีเอกซ์ แต่คราวนี้ แม้ว่าทีมจะตรวจสอบแสงยูวีด้วยฮับเบิล ก็ยังไม่พบรังสีเอกซ์ให้เห็นแม้แต่ในชุดข้อมูลรังสีเอกซ์ห้วงลึกที่สุด ผลสรุปเหล่านี้บอกว่าแกนกลางของดิสก์สะสมมวลสารซึ่งเป็นที่กำเนิดรังสีเอกซ์ยังคงถูกปิดกั้นไว้ ในขณะที่พื้นที่ส่วนนอกของดิสก์สะสมมวลสารซึ่งสร้างยูวี กำลังถูกสะสางออกมา การแปลผลก็คือ GNz7q เป็นหลุมดำที่เจริญอย่างรวดเร็วแต่ก็ยังถูกปกคลุมด้วยแกนอุดมด้วยฝุ่นของกาแลคซีที่กำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคัก

     การจำแนกธรรมชาติวัตถุเหล่านี้อย่างแตกฉานและตรวจสอบวิวัฒนาการและฟิสิกส์ที่ซ่อนอยู่ด้วยรายละเอียดที่สูงขึ้นจะเป็นไปได้ด้วยกล้องเวบบ์ Fujimoto กล่าวสรุป เมื่อเริ่มทำงาน กล้องเวบบ์จะมีพลังที่จะตรวจสอบได้อย่างแน่ชัดว่าหลุมดำที่โตเร็วเหล่านี้พบได้มากแค่ไหน

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : Hubble image reveals possible quasar forerunner
                phys.org : a dusty, compact object bridging galaxies and quasars at cosmic dawn
                astronomy.com : astronomers find “missing link” black hole in the early universe