อธิบายความประหลาดของ GW 190521

 

ภาพวาดแสดงฝูงหลุมดำขนาดเล็กในดิสก์ก๊าซวงหนึ่งที่โคจรรอบหลุมดำยักษ์แห่งหนึ่ง

     นักวิจัยได้ให้คำอธิบายที่สมเหตุสมผลเป็นครั้งแรกว่าเพราะเหตุใดหนึ่งในคู่หลุมดำมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยสำรวจพบโดยคลื่นความโน้มถ่วง ยังดูจะควบรวมในวงโคจรที่ไม่กลมด้วย คำตอบที่เสนอซึ่งเผยแพร่ใน Nature เกี่ยวข้องกับเรื่องวุ่นสามรอบภายในดิสก์ก๊าซขนาดยักษ์ที่ล้อมรอบหลุมดำมวลมหาศาลในกาแลคซีแห่งอื่น

     หลุมดำเป็นหนึ่งในวัตถุที่น่าทึ่งที่สุดในเอกภพ แต่ความรู้ของเราเกี่ยวกับพวกมันก็ยังคงจำกัด โดยเฉพาอย่างยิ่งเมื่อพวกมันไม่เปล่งแสงใดๆ ออกมา กระทั่งเมื่อไม่กี่ปีก่อนนี้เองเมื่อ LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ในปี 2015 ได้ทำการสำรวจครั้งบุกเบิกพบคลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมของหลุมดำสองแห่ง Johan Samsing ผู้ช่วยศาสตราจารย์จากสถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน ผู้เขียนนำรายงาน กล่าวว่า แต่หลุมดำเหล่านี้ก่อตัวและควบรวมได้อย่างไรและที่ใดในเอกภพ แล้วมันเกิดขึ้นจากเมื่อดาวใกล้เคียงยุบตัวลงและทั้งคู่เปลี่ยนเป็นหลุมดำ, หรือจากการผ่านเข้าใกล้กันในกระจุกดาว หรือเป็นสิ่งอื่น นี่เป็นคำถามหลักบางส่วนในยุคใหม่แห่งดาราศาสตร์ฟิสิกส์คลื่นความโน้มถ่วง

     เขาและเพื่อนร่วมงานอาจจะมีคำตอบบางส่วนให้กับปริศนาใหญ่เหล่านี้ ซึ่งน่าจะไขปัญหาส่วนหลังสุดของปริศนาที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์อับจนหนทางในช่วงไม่กี่ปีหลังนี้

     ปริศนานี้ย้อนกลับไปในปี 2019 เมื่อมีการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่ไม่คาดคิดจาก LIGO และ Virgo เข้าใจว่าเหตุการณ์ที่เรียกว่า GW 190521 เกิดขึ้นจากการควบรวมของหลุมดำ 2 แห่งที่ไม่เพียงมีมวลสูงกว่าที่เคยคิดไว้ในทางกายภาพ แต่ยังสร้างแสงออกมาด้วย ก็มีคำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับคุณลักษณะสำคัญทั้งสองนี้ แต่คลื่นความโน้มถ่วงยังเผยให้เห็นรายละเอียดที่สามในเหตุการณ์นี้ โดยบอกว่า หลุมดำไม่ได้โคจรรอบกันและกันในวงโคจรที่กลมก่อนที่จะควบรวม

     GW 190521 เป็นการค้นพบที่สร้างความประหลาดใจมากที่สุดเท่าที่เคยพบมา มวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำก็น่าประหลาดใจมากแล้ว แต่ที่ประหลาดใจยิ่งกว่าก็คือดูเหมือนพวกมันไม่ได้อยู่ในวงโคจรกลมที่นำไปสู่การควบรวม Imre Bartos ผู้เขียนร่วม ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา กล่าว

     แล้วเพราะเหตุใด วงโคจรที่ไม่กลมจึงเป็นสิ่งที่ผิดปกติและคาดไม่ถึง? Zoltan Haiman ผู้เขียนร่วม ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย อธิบายว่า นั้นเป็นเพราะธรรมชาติพื้นฐานของคลื่นความโน้มถ่วงที่เปล่งออกมา ซึ่งไม่เพียงทำให้หลุมดำคู่ขยับเข้าใกล้กันมากขึ้นจนสุดท้ายก็ควบรวมกัน แต่ยังทำหน้าที่แต่งวงโคจรของพวกมันให้กลมด้วย การสำรวจทำให้หลายๆ คนทั่วโลกรวมทั้ง Johan Samsing ฉงน นี่ทำให้ผมเริ่มคิดเกี่ยวกับการควบรวมที่เป็นวงรี(eccentric) ว่าสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยความเป็นไปได้ที่สูงตามที่การสำรวจบอกไว้

     คำตอบที่เป็นไปได้พบได้ในสภาพแวดล้อมที่ทารุณในใจกลางกาแลคซีที่มีหลุมดำยักษ์มวลหลายล้านเท่าดวงอาทิตย์ และล้อมรอบด้วยดิสก์ก๊าซแบนที่หมุนไปรอบๆ Bence Kocsis จากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ผู้เขียนร่วม ชี้ว่า ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้ ความเร็วและความหนาแน่นทั่วไปของหลุมดำก็สูงมากด้วยจนหลุมดำขนาดเล็กกระดอนไปรอบๆ ราวกับอยู่ในเกมบิลเลียดยักษ์ และระบบคู่วงโคจรกลมในระยะห่างมากก็เกิดขึ้นไม่ได้ แต่เท่านี้ก็ยังไม่พอ

ลำดับเหตุการณ์เพื่ออธิบายการควบรวมของหลุมดำในวงโคจรที่รี นั้นคือ พวกมันถูกจำกัดไว้ในสภาพที่เหมือนเป็นสองมิติ ในดิสก์ก๊าซแบน รอบหลุมดำยักษ์ในใจกลางกาแลคซีอีกที นอกจากนี้ยังสามารถอธิบาย การเปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อันเป็นผลข้างเคียงได้ด้วย

     การศึกษาใหม่แสดงว่าดิสก์ก๊าซทำหน้าที่สำคัญในการจับหลุมดำขนาดเล็ก ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไปจะขยับเข้าใกล้ใจกลางมากขึ้นเรื่อยๆ และยังเข้าใกล้กันและกันมากขึ้นเรื่อยๆ ด้วย นี่ไม่เพียงแต่บอกว่าพวกมันจะเจอกันและจับคู่กัน แต่ยังบอกว่าคู่ลักษณะนี้อาจจะมีปฏิสัมพันธ์กับหลุมดำแห่งที่สามด้วย ซึ่งมักจะนำไปสู่การเต้นรำที่วุ่นวายโดยมีหลุมดำสามแห่งหมุนไปรอบๆ Hiromichi Tagawa นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยโทโฮกุ ผู้เขียนร่วม อธิบาย

     อย่างไรก็ตาม การศึกษาทั้งหมดก่อนหน้านี้กับการสำรวจ GW 190521 บ่งชี้ว่าการก่อตัวการควบรวมหลุมดำวงโคจรรีนั้นค่อนข้างยาก นี่ทำให้เราตั้งคำถามในใจว่า เพราะเหตุใดแหล่งคลื่นความโน้มถ่วง GW 190521 ที่ไม่ปกติ ก็ยังควบรวมในแบบวงโคจรรีได้ในที่สุด

      ทุกๆ สิ่งที่ได้คำนวณออกมา โดยรวมมีพื้นฐานมาจากความคิดที่ว่าปฏิสัมพันธ์ของหลุมดำกำลังเกิดขึ้นในแบบสามมิติ ตามที่คาดไว้กับวัตถุฟากฟ้าส่วนใหญ่ Samsing กล่าวว่า แต่เมื่อเราเริ่มคิดว่าน่าจะเกิดอะไรขึ้นถ้าปฏิสัมพันธ์หลุมดำกลับเกิดขึ้นในดิสก์แบนๆ แทน ซึ่งมีความใกล้เคียงกับสภาพแวดล้อมสองมิติมากกว่า ที่น่าประหลาดใจก็คือเราพบว่าภายใต้ข้อจำกัดนี้ ความน่าจะเป็นในการควบรวมแบบวงรีเพิ่มขึ้นได้มากถึง 100 เท่า ซึ่งนำไปสู่อัตราส่วนที่การควบรวมทั้งหมดในดิสก์ดังกล่าว ประมาณครึ่งหนึ่งอาจจะเป็นวงรี

     และการค้นพบนี้ก็สอดคล้องอย่างดีเยี่ยมจนไม่น่าเชื่อกับการสำรวจในปี 2019 ซึ่งทั้งหมดทั้งมวลชี้ไปในทิศทางว่าคุณสมบัติที่น่าตกตะลึงของแหล่งนี้ จริงๆ แล้วก็ไม่ได้แปลกประหลาดอีกต่อไป ถ้ามันเกิดขึ้นในดิสก์ก๊าซแบนที่ล้อมรอบหลุมดำมวลมหาศาลในนิวเคลียสกาแลคซี

นักวิทยาศาสตร์คิดว่ามวลที่สูงผิดปกติของหลุมดำที่เกี่ยวข้องใน GW 190521 เป็นผลจากการควบรวมก่อนหน้านี้ ซึ่งเกิดในสภาพแวดล้อมที่มีหลุมดำอยู่กันหนาแน่น เกิดการควบรวมเป็นลำดับขั้น 

     สิ่งที่อาจเป็นคำตอบนี้ยังตอบปัญหาด้านกลศาสตร์ที่มีมาถึงร้อยปีด้วย ปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุ 3 แหล่งเป็นหนึ่งในปัญหาที่เก่าแก่ที่สุดในทางฟิสิกส์ ซึ่งทั้ง นิวตัน ก็ศึกษาอย่างเข้มข้น ซึ่งสิ่งนี้ดูเหมือนจะแสดงบทบาทสำคัญอย่างยิ่งที่หลุมดำจะควบรวมกันในสถานที่ที่สุดขั้วที่สุดบางส่วนในเอกภพของเรา จึงเป็นเรื่องที่น่าทึ่งอย่างมาก Nathan W. Leigh ผู้เขียนร่วม ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยกองเซปชั่น ชิลี กล่าว

     ทฤษฎีดิสก์ก๊าซยังสอดคล้องกับคำอธิบายของนักวิจัยคนอื่นๆ กับคุณสมบัติที่น่าฉงนอีกสองประการของ GW 190521 มวลที่สูงของหลุมดำ สามารถไต่ไปถึงได้โดยการควบรวมที่เกิดขึ้นภายในดิสก์เป็นทอดๆ ในขณะที่การเปล่งแสงก็น่าจะมีกำเนิดจากก๊าซในพื้นที่รอบข้าง

     ขณะนี้เราได้แสดงว่ามีความแตกต่างอย่างมากมายในสัญญาณที่เปล่งจากหลุมดำที่ควบรวมในดิสก์แบนสองมิติ เทียบกับการควบรวมอื่นๆ ที่พบในระบบดาวสามมิติ ซึ่งบอกเราว่าขณะนี้เรามีเครื่องมือพิเศษที่จะสามารถใช้เพื่อเรียนรู้ว่าหลุมดำถูกสร้างและควบรวมในเอกภพได้อย่างไร Samsing กล่าว แต่การศึกษานี้ก็ยังเป็นเพียงการเริ่มต้น

     ผู้คนได้ทำงานเพื่อเข้าใจโครงสร้างของดิสก์ก๊าซลักษณะนี้มาหลายปี แต่ปัญหาก็ยังยากที่จะไข ผลสรุปของเรานั้นขึ้นอยู่กับว่าดิสก์แบนแค่ไหน และหลุมดำเคลื่อนไปรอบๆ ดิสก์อย่างไร เวลาจะเป็นตัวบอกว่าเราจะต้องเรียนรู้ได้มากขึ้นเกี่ยวกับดิสก์เหล่านี้หรือไม่ เมื่อเรามีประชากรการควบรวมของหลุมดำมากขึ้น ซึ่งรวมถึงกรณีพิเศษที่คล้าย GW 190521 มากขึ้น เพื่อให้เป็นไปได้ เราจะต้องต่อยอดจากการค้นพบนี้ และดูว่ามันจะนำเราไปส่วนใดในพื้นที่ใหม่ๆ นี้ Zoltan Haiman ผู้เขียนร่วม กล่าวสรุป

แหล่งข่าว phys.org : black hole billiards in the centers of galaxies may explain black hole mergers
                iflscience.com : orbits around supermassive black holes might be like a “giant game of billiards”