หลุมดำพเนจรจากการควบรวมที่เอียง

 

     นักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานที่ชัดเจนเป็นครั้งแรกว่าเหตุการณ์การควบรวมระหว่างหลุมดำ สามารถสร้างแรงผลักที่รุนแรงพอที่จะส่งหลุมดำที่ได้หมุนหลุดออกนอกกาแลคซีไป

     ทีมซึ่งมี Vijay Varma นักฟิสิกส์ที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์ความโน้มถ่วง, สถาบันอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในเจอรมนี ได้ตรวจสอบคลื่นความโน้มถ่วงจากเหตุการณ์การควบรวมที่เรียกว่า GW200129 ซึ่งรวบรวมโดยเครื่องตรวจจับ LIGO และ Virgo ในยุโรป จากการวิเคราะห์ นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าหลุมดำที่เกิดขึ้นในการชนและควบรวมนี้ ถูกส่งวิ่งผ่านอวกาศด้วยความเร็ว 4.8 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง

     สมาชิกทีมคนหนึ่งได้อธิบายการค้นพบนี้ว่า ทั้งน่าประหลาดใจและตกใจ เมื่อหลุมดำสองแห่งชนกัน พวกมันจะเหลือหลุมดำที่มีมวลสูงขึ้นทิ้งไว้เพียงหนึ่งเดียว กระบวนการนี้สามารถสร้างแรงดีดกลับ(recoil) ใหกับหลุมดำที่เกิดใหม่ Varma ผู้เขียนนำในรายงานที่อธิบายงานของทีม กล่าว   

     ถ้าหลุมดำโคจรรอบกันและกัน พวกมันจะเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงออกมา ซึ่งนำพาพลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมออกไปผ่านผืนอวกาศ การเปล่งคลื่นชนิดนี้เป็นสาเหตุให้วงโคจรหลุมดำหดสั้นลงเรื่อยๆ นำไปสู่การชนและควบรวมเพื่อก่อตัวหลุมดำมวลสูง ถ้าหลุมดำทั้งสองมีมวลหรืออัตราการหมุนรอบตัวไม่เท่าเทียมกัน นี่จะนำไปสู่ความไม่สมมาตรในการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วง โดยจะเปล่งออกมาหนักหน่วงในทิศทางเดียว

ลำดับเหตุการณ์เมื่อหลุมดำที่ได้จากการควบรวม กระดอนกลับ

     เนื่องจากกฎฟิสิกส์พื้นฐานต้องรักษาโมเมนตัมเชิงมุมไว้ ความไม่สมมาตรนี้จึงสร้างผลเป็นแรงผลักที่ทำให้หลุมดำที่ได้กระดอนถอยออกมาในทิศทางตรงกันข้าม การควบรวมของหลุมดำเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งคล้ายกับกระบวนการทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่เปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วย Varma กล่าวต่อ

     คาดว่าจะเกิดแรงผลักรุนแรงเหล่านี้เมื่อระนาบการโคจรในการควบรวมมีการควงส่าย(precesses/wobbles) การควงส่ายของวงโคจรสามารถสำรวจได้จากความสูง(amplitude) ขนาดเล็กที่ปรากฏในสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง Scott Field นักคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแมสซาชูเสตต์ ดาร์ทเมาธ์ กล่าวว่า ระบบหลุมดำคู่แห่งนี้ยังเป็นคู่แรกที่แสดงสัญญาณการควงส่ายของวงโคจร

     Varma กล่าวเสริมว่าด้วยการวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วง นักดาราศาสตร์และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ก็สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับการควบรวมของหลุมดำได้ นอกจากนี้ เนื่องจากหลุมดำส่งอิทธิพลต่อวิวัฒนาการของกาแลคซี การเรียนรู้เกี่ยวกับกระบวนการเหล่านี้ให้มากขึ้นก็น่าจะเผยให้เห็นว่ากลุ่มก้อนของดาวอย่างทางช้างเผือกพัฒนาได้อย่างไร นี่เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้รวบรวมหลักฐานที่ชัดเจนว่าการควบรวมลักษณะดังกล่าวสามารถผลักหลุมดำที่ได้ หนีออกจากกาแลคซีของมัน

     ไม่เหมือนกับเหตุการณ์การควบรวของหลุมดำที่สำรวจพบก่อนหน้านี้ นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้หลักฐานชัดเจนแสดงความเร็วการกระดอนกลับที่มาก ในความเป็นจริงแล้ว มากพอที่หลุมดำที่ได้ น่าจะหนีออกจากสภาพแวดล้อมของมันได้ Field กล่าว ในขณะที่เราทราบว่าสัมพัทธภาพทั่วไปอนุญาตให้เกิดความเป็นไปได้ที่สุดขั้วเช่นนี้ในทางทฤษฎี แต่เราไม่เคยทราบว่าเอกภพจะสร้างขึ้นมาได้ ความเร็วของหลุมดำผลผลิตนั้นสูงมากพอที่น่าจะเกินความเร็วหลุดพ้น(escape velocity) ของกาแลคซีต้นสังกัดของมัน

     Field ยังกล่าวเสริมว่าผลสรุปนี้จะมีนัยสำคัญต่อลำดับเหตุการณ์การก่อตัวหลุมดำคู่ด้วยเช่นกัน นั้นเป็นเพราะหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) อย่าง คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) ที่ใจกลางทางช้างเผือกนั้น ก่อตัวขึ้นจากการชนชุดหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า การควบรวมเป็นลำดับขั้น(hierarchical mergers) หลุมดำที่ถูกผลักออกจากกาแลคซีก็ไม่อาจมีส่วนร่วมในกระบวนการนี้ได้

      การค้นพบจากการควบรวมแบบเอียง(lopsided merger) ที่ทำให้หลุมดำถูกผลักอย่างรุนแรง เป็นไปได้ก็ต้องขอบคุณเทคโนโลจีที่ช่วยให้ทำการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้แม่นยำมากขึ้น การควบรวมของหลุมดำไม่เปล่งแสงใดๆ ออกมา ดังนั้นคลื่นความโน้มถ่วงจึงเป็นหนทางเดียวที่จะสำรวจและเรียนรู้ เราคงไม่รู้เกี่ยวกับหลุมดำที่ถูกผลักให้พเนจรแห่งนี้ ถ้าไม่มีหอสำรวจคลื่นความโน้มถ่วง Field กล่าว

      นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่าเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GW 200129 เกิดขึ้นที่ใด ดังนั้น Field จึงระบุว่าทีมยังไม่แน่ใจเต็มที่ว่าหลุมดำถูกผลักออกจากกาแลคซีต้นสังกัดของมันจริงหรือไม่ แต่นี่เป็นเพียงผลที่เป็นไปได้จากที่ว่ามันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงเช่นนี้ ถ้าเป็นแบบนั้นจริง ขณะนี้มันคงเพ่นพล่านไปทั่วเอกภพเป็นหลุมดำพเนจร Varma กล่าว

ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำยักษ์ที่กระดอนกลับด้วยความเร็วสูงจนอาจจะหลุดออกจากกาแลคซีต้นสังกัดไปกลายเป็นหลุมดำพเนจร 

     การควบรวมที่เกิดขึ้นอาจจะเป็นเวอร์ชั่นขนาดเล็กของเหตุการณ์ที่รุนแรงมากขึ้นไปอีก Varma กล่าว ปรากฏการณ์ประหลาดคล้ายๆ กันนี้เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำมวลมหาศาลควบรวมกัน ซึ่งจะเกิดขึ้นหลังจากที่กาแลคซีควบรวมกันแล้ว หลุมดำมวลมหาศาลสุดท้ายอาจจะเอียงหลุดออกจากใจกลางกาแลคซีที่ควบรวมได้ หรือกระทั่งถูกผลักออกมา เหลือทิ้งไว้แค่กาแลคซีที่ปราศจากหลุมดำในใจกลาง

     แม้ว่าเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่มีอยู่ จะไม่ได้มีพลังมากพอที่จะสำรวจการควบรวมของหลุมดำมวลมหาศาลได้ แต่ผู้เขียนบอกว่าเครื่องตรวจจับในอวกาศในอนาคตอย่าง LISA(Laser Interferometer Space Antenna) ก็น่าจะทำได้

     ดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วงได้สร้างการค้นพบที่น่าประทับใจและส่งผลอย่างรุนแรงมากมาย ในช่วงห้าหรือหกปีที่ผ่านมานี้ Field กล่าว ก่อนการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรก มนต์เสน่ห์ในสาขาของเราก็คือคลื่นความโน้มถ่วงจะเปิดหน้าต่างบานใหม่สู่เอกภพ และนี่ก็พิสูจน์ว่าเป็นจริงในทุกๆ ครั้งที่ LIGO เดินเครื่องสำรวจครั้งใหม่ งานวิจัยอธิบายเป็นรายงานเผยแพร่วันที่ 12 พฤษภาคมในวารสาร Physical Review Letters

 

แหล่งข่าว space.com : a black hole formed by a lopsided merger may have gone rogue