หลุมดำพิฆาตกาแลคซี

     ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติใช้ชุดข้อมูลที่รวมการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์ที่ดีที่สุดบนโลก ซึ่งรวมทั้งกล้องซูบารุ เพื่อตรวจจับสัญญาณจากหลุมดำมวลมหาศาลที่มีกิจกรรมสูงในกาแลคซีที่ตายแล้วในเอกภพยุคต้น ลักษณะปรากฏของหลุมดำมวลมหาศาลที่มีกิจกรรมสูงเหล่านี้ มีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในกาแลคซีต้นสังกัด โดยบอกว่าหลุมดำอาจจะมีผลกระทบยาวไกลต่อวิวัฒนาการของกาแลคซีต้นสังกัดของมัน

     กาแลคซีทางช้างเผือกมีดาวที่มีหลากหลายช่วงอายุ รวมทั้งก็ยังก่อตัวดาวอยู่ แต่ในกาแลคซีที่เรียกว่า กาแลคซีทรงรี(elliptical galaxies) ดาวทั้งหมดของมันมีอายุมากและมีอายุใกล้เคียงกันหมด นี่บ่งชี้ว่าในช่วงต้นของความเป็นมาของพวกมัน กาแลคซีทรงรีมีช่วงเวลาที่มีการก่อตัวดาวอย่างคึกคักแล้วก็หยุดลงอย่างฉับพลัน เพราะเหตุใด การก่อตัวดาวนี้จึงหยุดลงในกาแลคซีบางแห่ง แต่บางแห่งก็ไม่เป็น ความเป็นไปได้ทางหนึ่งก็คือ หลุมดำมวลมหาศาลได้รบกวนก๊าซในกาแลคซีบางแห่ง สร้างสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมต่อการก่อตัวของดาว

      เพื่อทดสอบทฤษฎีนี้ นักดาราศาสตร์ได้พิจารณาไปที่กาแลคซีที่ห่างไกล อันเนื่องจากความเร็วของแสงที่จำกัด แสงต้องใช้เวลาเพื่อเดินทางข้ามห้วงอวกาศ แสงที่เราเห็นจากวัตถุแห่งหนึ่งที่อยู่ห่างออกไป 10 พันล้านปีแสง ก็ต้องเดินทางมา 1 หมื่นล้านปีเพื่อมาถึงโลก ดังนั้น แสงที่เราเห็นทุกวันนี้จึงแสดงสิ่งที่กาแลคซีเป็นเมื่อแสงออกจากกาแลคซาเมื่อ 1 หมื่นล้านปีก่อน ดังนั้น การมองกาแลคซีที่ห่างไกลก็เหมือนการมองย้อนเวลา แต่ระยะทางที่คั่นกลางก็ยังหมายถึงว่ากาแลคซีห่างไกลจะดูสลัวลง ทำให้การศึกษาเป็นไปได้ยาก

     เพื่อเอาชนะความยากลำบากเหล่านี้ ทีมนานาชาติที่นำโดย Kei Ito ที่บัณฑิตมหาวิทยาลัยเพื่อการศึกษาชั้นสูง SOKENDAI ในญี่ปุ่น ได้ใช้ COSMOS(Cosmic Evolution Survey) เพื่อเก็บตัวอย่างกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไป 9.5 ถึง 12.5 พันล้านปีแสง COSMOS รวมข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ชั้นนำบนโลก ซึ่งรวมถึง ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) และกล้องซูบารุ COSMOS ยังรวมข้อมูลคลื่นวิทยุ, แสงอินฟราเรด, แสงที่ตาเห็นได้ และรังสีเอกซ์

     ตอนแรก ทีมใช้ข้อมูลช่วงตาเห็นและอินฟราเรดเพื่อจำแนกกาแลคซี 2 กลุ่ม คือ พวกที่มีการก่อตัวดาวอยู่ กับพวกที่หยุดก่อตัวดาวแล้ว ก้าวต่อไปจึงใช้ข้อมูลรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุเพื่อจำแนกกิจกรรมของหลุมดำ เมื่อหลุมดำมวลมหาศาลแอคทิฟ มันจะกลืนกินวัสดุสารจำนวนมหาศาลจากอวกาศรอบข้าง กระบวนการนี้เป็นไปอย่างวุ่นวายและรุนแรง

พื้นที่สำรวจ COSMOS ล้อมรอบด้วยภาพของกาแลคซีที่ใช้ในการศึกษานี้ ในกาแลคซีเหล่านี้ การก่อตัวดาวได้หยุดลงเมื่อราว 10 พันล้านปีก่อน(ภาพรวมประกอบสีเพี้ยนสามสี รวมข้อมูลจากกล้องซูบารุและ VISTA

     เราทั้งหมดทราบกันดีว่าไม่มีสิ่งใดที่หนีออกจากขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำได้ แต่ห้วงอวกาศรอบๆ มันก็เป็นคนละเรื่องกัน เมื่อวัสดุสารหมุนวนไปรอบๆ หลุมดำเหมือนกับน้ำที่ไหลลงสู่ท่อน้ำทิ้ง แรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทานสร้างการแผ่รังสีที่เข้มข้นที่สาดไปทั่วเอกภพ กระบวนการนี้จะสร้างสิ่งที่เรียกว่า กลไกย้อนกลับ(feedback) อีกกลไกย้อนกลับเกิดในรูปของไอพ่นที่ยิงออกจากพื้นที่ขั้วหลุมดำ วัสดุสารนอกขอบฟ้าสังเกตการณ์ถูกเร่งความเร็วตามสนามแม่เหล็กไปรวมศูนย์ที่ขั้ว สร้างไอพ่นพลาสมาลำแคบที่เดินทางด้วยความเร็วที่เป็นสัดส่วนความเร็วแสง

     และสุดท้าย อีกกลไกย้อนกลับหนึ่งจะสร้างลมที่รุนแรงที่กวาดออกจากกาแลคซี กลไกย้อนกลับทั้งสามรูปแบบ(การแผ่รังสี, ไอพ่น และลม) จะทำให้โมเลกุลก๊าซเย็นที่ต้องใช้เพื่อการก่อตัวดาวใหม่ๆ ร้อนขึ้นและถูกผลักหายไป

     ข้อมูลรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุนั้นมีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณกวน(signal-to-noise ratio) ที่อ่อนเกินกว่าจะใช้จำแนกกาแลคซีแต่ละแห่งได้ ดังนั้นทีมจึงรวมข้อมูลจากกาแลคซีแต่ละแห่งเพื่อสร้างภาพ “กาแลคซีโดยเฉลี่ย” ที่มีอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณกวนที่สูงขึ้น ในภาพเฉลี่ย ทีมได้ยืนยันการเปล่งรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุจากกาแลคซีที่หยุดก่อตัวดาวแล้ว ในกาแลคซีที่กำลังมีการก่อตัวดาวจะมีสัญญาณจากกิจกรรมของหลุมดำที่อ่อนกว่า

     นี่เป็นครั้งแรกที่มีการตรวจสอบการเปล่งคลื่นเหล่านั้นจากกาแลคซีที่ห่างไกลมากกว่า 10 ล้านปีแสง ยิ่งกว่านั้น ผลสรุปได้แสดงว่าการเปล่งรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุนั้นรุนแรงเกินกว่าจะอธิบายได้ด้วยดาวฤกษ์ในกาแลคซีเพียงอย่างเดียว ซึ่งบ่งชี้ว่าการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลที่เปี่ยมด้วยกิจกรรม

ผลจากกิจกรรมของหลุมดำ ได้สร้างไอพ่น, การแผ่รังสีพลังงานสูง และลม ซึ่งกลายเป็นกลไกย้อนกลับ

     ผลสรุปเผยแพร่ใน Astrophysical Journal แสดงถึงการหยุดก่อตัวดาวลงอย่างฉับพลันในเอกภพยุคต้นนั้นมีความเกี่ยวข้องกับกิจกรรมหลุมดำมวลมหาศาลที่เพิ่มสูงขึ้น ยังคงต้องการงานวิจัยเพิ่มเติมขึ้นเพื่อตรวจสอบรายละเอียดความสัมพันธ์ดังกล่าว

 

แหล่งข่าว phys.org : supermassive black holes inside dying galaxies detected in early universe
                sciencealert.com : dying early universe galaxies could be killed by their supermassive black holes