โครงสร้างวิทยุขนาดมหึมารอบเควซาร์ที่สว่างที่สุด

 

ภาพจากศิลปินแสดงกาแลคซียักษ์แห่งหนึ่งที่มีไอพ่นพลังงานสูง

     นักดาราศาสตร์ได้พบวัตถุปริศนาขนาดใหญ่ 2 อย่างที่พุ่งออกจากหลุมดำที่สว่างที่สุดในเอกภพเท่าที่เคยรู้จักมา หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ของ 3C 273 ถูกพบในการสำรวจแหล่งคลื่นวิทยุเมื่อปี 1959 มันเป็นเควซาร์(quasar) ย่อมาจาก quasi-stellar object เนื่องจากแสงที่เปล่งออกจากหลุมดำยักษ์เหล่านี้สว่างมากพอที่จะเข้าใจผิดว่าเป็นแสงดาวฤกษ์ได้

     ในขณะที่ โดยตัวหลุมดำเองไม่เปล่งแสงใดๆ แต่หลุมดำขนาดมโหฬารก็จะมีกลุ่มก๊าซก้อนมหึมาหมุนวนรอบๆ ซึ่งเรียกว่า ดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) เมื่อก๊าซตกลงสู่หลุมดำด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ความร้อนจากแรงเสียดทานจะทำให้วัสดุสารในดิสก์ร้อนขึ้นและเปล่งรังสี ซึ่งโดยปกติจะตรวจจับได้เป็นคลื่นวิทยุ

     เควซาร์ 3C 273 เป็นเควซาร์แห่งแรกที่เคยพบมา และมันยังเป็นเควซาร์ที่สว่างที่สุด โดยเจิดจ้ามากกว่า 4 ล้านล้านเท่าดวงอาทิตย์ และยังเป็นเควซาร์ที่อยู่ใกล้ทางช้างเผือกมากที่สุดอยู่ห่างออกไปมากกว่า 2.4 พันล้านปีแสง ตลอดหลายทศวรรษ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษานิวเคลียสหลุมดำที่เจิดจ้านี้อย่างเข้มข้น

     อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเควซาร์นี้สว่างมาก การศึกษากาแลคซีรอบข้างที่เป็นต้นสังกัดของมันจึงแทบจะเป็นไปไม่ได้ ความสว่างเช่นนี้จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์พบกับความมืดมนว่าเควซาร์ส่งผลกระทบต่อกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันอย่างไรบ้าง แต่การศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 28 เมษายน ก็อาจจะจบความมืดมนนั้นในที่สุด

     ในการศึกษา ทีมนักวิจัยได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA ในชิลี เพื่อแยกแสงเรืองรองจากเควซาร์ 3C 273 ออกจากแสงที่กาแลคซีต้นสังกัดเปล่งออกมา โดนใช้เทคนิคใหม่ที่เรียกว่า self-calibration โดยการลดแสงจ้าจากเควซาร์โดยใช้ตัวเควซาร์เองเพื่อปรับความปั่นป่วนจากชั้นบรรยากาศของโลกซึ่งอาจส่งผลต่อการตรวจจับคลื่นวิทยุของ ALMA ซึ่งจะทำให้ความเปรียบต่าง(contrast) เพิ่มสูงขึ้น เมื่อเหลือเพียงแต่แหล่งวิทยุที่กาแลคซีเปล่งออกมา ก็เผยให้เห็นโครงสร้างวิทยุปริศนาขนาดใหญ่ 2 แหล่งที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อน

     โครงสร้างหนึ่งดูจะเป็นก้อนแสงวิทยุขุ่นมัวขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบกาแลคซีทั้งหมดไว้ จากนั้นก็แผ่ยืดออกไปหลายหมื่นปีแสงในทิศทางตะวันตกเฉียงใต้ กลุ่มหมอกวิทยุนี้ซ้อนทับกับโครงสร้างที่สอง ซึ่งเป็นไอพ่นพลังงานลำเขื่อง ที่เรียกว่า ไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์(astrophysical jets) ซึ่งก็พาดยาวหลายหมื่นปีแสงด้วยเช่นกัน

image credit: hubblesite.org 

     นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่าไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์ก่อตัวได้อย่างไรหรือเพราะอะไร อย่างไรก็ตาม พวกเขาทราบว่าไอพ่นนั้นพบได้ทั่วไปรอบๆ เควซาร์และหลุมดำมวลมหาศาลอื่นๆ และน่าจะเกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างหลุมดำกับดิสก์สะสมมวลสารของมัน ไอพ่นมักจะประกอบด้วยสสารที่มีประจุไฟฟ้า(หรือไอออน) และเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง

     คลื่นวิทยุที่ไอพ่นเหล่านี้เปล่งออกมาอาจปรากฏสว่างขึ้นหรือมืดลงได้ ขึ้นอยู่กับความถี่คลื่นวิทยุที่พวกเขาใช้ตรวจสอบ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างวิทยุขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบ 3C 273 ได้แสดงความสว่างที่สม่ำเสมอ ไม่ว่าจะสำรวจในช่วงความถี่ใด นักวิจัยบอกว่า นี่บอกว่าโครงสร้างวิทยุทั้งสองถูกสร้างขึ้นโดยปรากฏการณ์ประหลาดที่ไม่เกี่ยวข้องกันและเป็นอิสระต่อกัน

     หลังจากทดสอบทฤษฎีมากมาย ทีมก็สรุปว่ากลุ่มหมอกวิทยุสลัวขนาดใหญ่รอบๆ กาแลคซีเกิดขึ้นจากก๊าซไฮโดรเจนมวลหลายหมื่นจนถึงหลายแสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ที่กำลังก่อตัวดาวฤกษ์ ได้แตกตัวเป็นไอออนจากอุลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์จากเควซาร์โดยตรง

     นี่เป็นครั้งแรกที่พบเห็นก๊าซมีประจุแผ่ออกไปหลายหมื่นปีแสงรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่ง การค้นพบยังเกี่ยวข้องกับปริศนาอีกข้อที่มีมานานในทางดาราศาสตร์ ก็คือ เควซาร์จะทำให้ก๊าซในกาแลคซีต้นสังกัดของมัน แตกตัวเป็นไอออนได้มากมายจนป้องกันการก่อตัวดาวใหม่ๆ หรือไม่

เควซาร์ 3C 273 สำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล(ซ้าย) ความสว่างที่จ้าเกินเป็นผลจากแสงที่เล็ดลอดตามแนวรัศมีซึ่งเกิดจากแสงกระเจิงออกจากกล้องโทรทรรศน์ ทางขวาล่างเป็นไอพ่นพลังงานสูงที่ก๊าซรอบหลุมดำในใจกลางกาแลคซีปล่อยออกมา ภาพวิทยุสำรวจโดย ALMA ได้แสดงการเปล่งวิทยุสลัวๆ แผ่ออกมา(สีขาว-ฟ้า) รอบๆ นิวเคลียส(ด้านขวา) แหล่งใจกลางที่สว่างถูกลบออกจากภาพนี้ ไอพ่นเดียวกันในภาพซ้ายจะเห็นเป็นสีส้ม

     เพื่อตอบคำถามนี้ นักวิจัยจึงเปรียบเทียบมวลก๊าซที่ประเมินไว้ของกาแลคซีแห่งนี้ กับกาแลคซีแห่งอื่นๆ ที่เป็นชนิดและขนาดใกล้เคียงกัน พวกเขาพบว่า ในขณะที่เควซาร์ได้ทำให้ก๊าซจำนวนมากมหาศาลแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจะทำให้ไอออนเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างดาวใหม่ๆ ไม่ได้ แต่เท่าที่เห็นก็ไม่ได้หยุดการก่อตัวดาวในกาแลคซีโดยรวม ดูเหมือนจะยังเหลือก๊าซไฮโดรเจนที่เย็นจำนวนมาก นี่บอกว่า กาแลคซียังคงอยู่รอดและเติบโตได้แม้จะมีเควซาร์ที่เปล่งแสงเจิดจ้าอยู่ในใจกลาง

     การค้นพบนี้เป็นหนทางใหม่ในการศึกษาปัญหาที่เคยฟาดเราเมื่อทำการสำรวจในช่วงตาเห็น Shinya Komugi ผู้เขียนนำการศึกษา รองศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยโคกาคุอิน ในโตเกียว กล่าวในแถลงการณ์ ด้วยการปรับใช้เทคนิคเดียวกันนี้กับเควซาร์อื่น เราคาดว่าจะเข้าใจว่ากาแลคซีพัฒนาผ่านปฏิสัมพันธ์กับนิวเคลียสในใจกลางของมันอย่างไร

แหล่งข่าว sciencealert.com : mysterious radio structures discovered around the brightest quasar ever found   
                 space.com : strange “unknown structure,” a faint radio glow thousands of light-years wide, found around closest quasar