หลุมดำมวลปานกลางอาจก่อตัวในกระจุกดาวที่หนาแน่นสูง

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่ถูกฉีกยืดออกจนเป็นสปาเกตตี(spaghettified) โดยหลุมดำมวลปานกลางแห่งหนึ่ง

     ในส่วนที่อยู่กันอย่างแออัดที่สุดในเอกภพ หลุมดำอาจจะกำลังฉีกดาวนับพันดวงและใช้ซากที่เหลือเพื่อสั่งสมความใหญ่โตของพวกมัน การค้นพบซึ่งนำโดยหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราของนาซา น่าจะช่วยตอบคำถามหลักเกี่ยวกับหลุมดำชนิดที่พบได้ยากนี้

     ในขณะที่นักดาราศาสตร์เคยได้พบตัวอย่างหลุมดำที่กำลังฉีกดาวออกหลายกรณี แต่ก็พบหลักฐานการทำลายในโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นนั้นได้น้อย การทำลายลักษณะนี้น่าจะช่วยอธิบายว่าหลุมดำขนาดกลางนั้นถูกสร้างขึ้นผ่านการเจริญแบบกู่ไม่กลับจากหลุมดำขนาดเล็กกว่าอย่างมาก ได้อย่างไร

     นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาหลุมดำสองชนิดที่แตกต่างกันในรายละเอียด แบบที่มีขนาดเล็กเป็นหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes) ซึ่งโดยปกติมีมวล 5 ถึง 30 เท่ามวลดวงอาทิตย์ และที่อีกด้านของตาชั่งเป็นหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ซึ่งอาศัยในใจกลางกาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง โดยมีมวลหลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ก็ปรากฏหลักฐานหลุมดำชนิดที่อยู่ตรงกลางที่เรียกว่า หลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black holes)

     การศึกษาล่าสุดซึ่งทำโดยใช้ข้อมูลกระจุกดาวหนาแน่นในใจกลางกาแลคซีที่แตกต่างกัน 108 แห่งจากกล้องจันทรา พบสัญญาณรังสีเอกซ์รุนแรงจากกระจุกที่เรียกว่ากระจุกดาวนิวเคลียร์(nuclear star cluster) 29 แห่งซึ่งเป็นกระจุกที่แออัดอย่างมากที่ใจกลางกาแลคซีขนาดเล็กและขนาดกลางหลายแห่ง

ชนิดของหลุมดำแบ่งตามมวล

     การศึกษาได้ให้หลักฐานว่าหลุมดำขนาดกลางน่าจะก่อตัวขึ้นที่ใด และพวกมันเจริญเติบโตอย่างไร Vivienne Baldassare จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันสเตท ในพูลแมน วอชิงตัน ซึ่งนำการศึกษานี้ กล่าวว่า เมื่อดาวอยู่ใกล้ชิดกันอย่างมากอย่างที่เป็นที่กระจุกดาวที่หนาแน่นสูงสุดขั้วเหล่านั้น มันก็จะกลายเป็นพื้นที่ฟูมฟักสำหรับหลุมดำมวลปานกลาง และมันก็ดูเหมือนว่ายิ่งกระจุกมีความหนาแน่นสูงเท่าใด ก็มีโอกาสมากขึ้นที่จะมีหลุมดำที่กำลังเจริญอยู่

     งานทางทฤษฎีโดยทีมได้บอกว่าถ้าความหนาแน่นของดาวในกระจุกแห่งหนึ่ง(จำนวนดาวที่แออัดอยู่ในพื้นที่จำกัดใดๆ) นั้นอยู่เหนือระดับวิกฤติ หลุมดำมวลดวงดาวที่ใจกลางของกระจุกแห่งนี้ก็จะมีการเจริญที่รวดเร็วเมื่อมันดึง, ฉีกทึ้ง และกลืนดาวจำนวนมากในละแวกใกล้ๆ

     ในบรรดากระจุกในการศึกษาใหม่ของจันทรา กระจุกที่มีความหนาแน่นเหนือระดับวิกฤติมีโอกาสมากเป็นสองเท่าที่จะมีหลุมดำที่เจริญเติบโต เมื่อเทียบกับกระจุกที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าค่าวิกฤติ ค่าวิกฤตินี้ขึ้นอยู่กับว่าดาวในกระจุกกำลังเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน งานวิจัยนี้จึงเป็นหลักฐานจากการสำรวจครั้งแรกที่สนับสนุนทฤษฎีว่าหลุมดำมวลปานกลางสามารถก่อตัวในกระจุกดาวนิวเคลียร์ได้

     นี่เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่น่าตะลึงที่สุดที่เราได้เห็นจากธรรมชาติที่ไม่รู้จักอิ่มของหลุมดำ เนื่องจากมีดาวหลายพันหรือหลายหมื่นดวงที่อาจถูกกลืนในการเจริญของพวกมัน Nicholas C. Stone ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยฮิบรูแห่งเยรูซาเล็ม กล่าว การเจริญแบบกู่ไม่กลับจะเริ่มช้าลงก็เมื่อดาวที่ป้อนเข้ามาเริ่มขาดแคลน

ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลแสดงกาแลคซี 4 แห่งที่พบว่ามีหลุมดำมวลปานกลางที่กำลังเจริญอยู่ภายในกระจุกดาวนิวเคลียร์(ระบุอยู่ภายในสี่เหลี่ยม)

     หนทางอื่นๆ ที่นักวิทยาศาสตร์บอกว่าจะสร้างหลุมดำขนาดใหญ่ในใจกลางกาแลคซีได้ ยังรวมถึงการยุบตัวของเมฆก๊าซและฝุ่นก้อนมหึมา หรือการยุบตัวของดาวฤกษ์ที่อวบอ้วนมากๆ เป็นหลุมดำขนาดกลางโดยตรง แนวคิดทั้งสองนี้ต้องการสภาวะที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าจะมีแค่ในเอกภพยุคต้นเพียงไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น

     แต่กระบวนการที่การศึกษาจันทราล่าสุดได้บอกไว้สามารถเกิดขึ้นในช่วงเวลาใดๆ ก็ได้ในเอกภพ ซึ่งบอกว่าหลุมดำมวลปานกลางสามารถก่อตัวขึ้นหลังจากบิ๊กแบงหลายพันล้านปี กระทั่งถึงปัจจุบันนี้

     การเจริญของหลุมดำในกระจุกดาวที่หนาแน่นสูงยังอาจจะอธิบายการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) จากหลุมดำบางส่วนที่มีมวลระหว่าง 50 ถึง 100 เท่ามวลดวงอาทิตย์โดย LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) แบบจำลองการยุบตัวดาวมวลสูงเกือบทั้งหมดที่มีอยู่ไม่สามารถทำนายการมีอยู่ของหลุมดำขนาดดังกล่าวนั้นได้  

     งานของเราไม่ได้พิสูจน์ว่าการเจริญของหลุมดำแบบกู่ไม่กลับเกิดขึ้นในกระจุกดาว Adi Foord ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ในพาโล อัลโต คาลิฟอร์เนีย กล่าว แต่ด้วยการสำรวจรังสีเอกซ์เพิ่มเติมและการทำแบบจำลองทางทฤษฎีเพิ่มขึ้นมา เราก็น่าจะมีหลักฐานสนับสนุนที่แข็งแรงมากขึ้น รายงานอธิบายผลสรุปเผยแพร่ใน Astrophysical Journal ฉบับวันที่ 20 เมษายน

แหล่งข่าว phys.org : black holes raze thousands of stars to fuel growth
                phys.org : astronomers identify likely location of medium-sized black holes