ดาวที่โคจรรอบหลุมดำทางช้างเผือกในเวลาสั้นที่สุด

 

ภาพรวมประกอบจากอินฟราเรด และรังสีเอกซ์ แสดงรอบๆ หลุมดำในใจกลางทางช้างเผือก Sagittarius A* 

    นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยโคลน์และมหาวิทยาลัยมาซาริกในบรูโน สาธารณรัฐเชก ได้พบดาวฤกษ์ที่เคลื่อนที่เร็วมากซึ่งโคจรรอบหลุมดำแห่งหนึ่งครบรอบในเวลาเพียงสี่ปีเท่านั้น  

     ดาวฤกษ์ S4716 โคจรรอบหลุมดำคนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) หลุมดำในใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา ในวงโคจรที่รีในเวลาเพียง 4 ปีและมีความเร็วถึง 8000 กิโลเมตรต่อวินาทีเมื่อ S4716 อยู่ในช่วงเข้าใกล้มากที่สุดในระยะ 1.5 หมื่นล้านกิโลเมตร หรือเพียง 100 AU(astronomical unit; ระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์) จากหลุมดำ ซึ่งเป็นระยะทางที่สั้นมากตามมาตรฐานดาราศาสตร์ การศึกษานี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal

     ในละแวกใกล้หลุมดำที่ใจกลางกาแลคซีของเรา เป็นกระจุกของดาวที่อยู่กันอย่างหนาแน่นกระจุกหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า S cluster เป็นที่อยู่ของดาวกว่าร้อยดวงที่มีความแตกต่างทั้งความสว่างและมวล ดาวเอสเคลื่อนที่เร็วเป็นพิเศษ Florian Peißker ผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ จากมหาวิทยาลัยโคลน์ กล่าวว่า สมาชิกที่โดดเด่นดวงหนึ่ง S2 ทำตัวเหมือนคนตัวใหญ่ที่นั่งอยู่ด้านหน้าคุณในโรงหนัง มันบังคุณจนแทบไม่เห็นอะไรเลย มุมมองสู่ใจกลางของกาแลคซีของเรามักจะถูกบังไว้โดย S2 อย่างไรก็ตาม เราก็สามารถสำรวจสภาพแวดล้อมของหลุมดำในใจกลางได้ในช่วงเวลาสั้นมากๆ

     S2 มีวงโคจรเป็นวงรียาวมากรอบๆ Sgr A* โดยมีหลุมดำอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งของวงรียาว ที่ปลายดังกล่าว ในจุดที่ดาวเข้าใกล้หลุมดำมากที่สุด(periapse) และรูปแบบที่ดาวเปลี่ยนความเร็วเมื่อมันเคลื่อนเข้าสู่และออกจากจุดที่ใกล้หลุมดำมากที่สุด เป็นเครื่องมือชิ้นหนึ่งที่ช่วยให้เรา “ชั่งน้ำหนัก” หลุมดำนี้ได้ที่ 4 ล้านเท่าดวงอาทิตย์

ภาพใจกลางกาแลคซีในช่วง K-band ซึ่งสำรวจโดย NIRC2 บนกล้องเคกใน ภาพนี้ผ่านฟิลเตอร์หลายชนิดและแสดงตำแหน่งของดาวเอสหลายดวงที่อยู่ใกล้กับ Sgr A* ซึ่งระบุเป็นกากบาทสีดำ ดาวในวงกลมเส้นประสีขาว มีอันดับความสว่าง(magnitude) ในช่วง K-band ที่ 16.3 ในขณะที่ดาวในวงกลมสีฟ้ามีอันดับความสว่าง 17.0 อันดับความสว่างของดาวทั้งสองสอดคล้องกับระดับของ S62 ที่รายงานไว้โดย Peißker et al.(2020a) และสำหรับ S29 ที่รายงานโดย Gillesen et al(2017) และ Peißker et al.(2021b) ทิศเหนือคือด้านบนและทิศตะวันออกคือด้านซ้าย

     ด้วยกระบวนการวิเคราะห์ที่ปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง พร้อมกับการสำรวจที่ครอบคลุมเวลาเกือบ 20 ปี ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้จำแนกดาวดวงหนึ่งซึ่งเดินทางรอบหลุมดำยักษ์ในเวลาเพียง 4 ปีเท่านั้น การสำรวจดาวดวงนี้จากกล้องโทรทรรศน์รวมห้าแห่ง โดยสี่ในห้าตัวร่วมกันทำงานราวกับเป็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ตัวเดียว ซึ่งช่วยให้สำรวจได้อย่างเที่ยงตรงมากขึ้นและลงรายละเอียดได้มากขึ้น

     S4716 ไม่ใช่ดาวเอสที่อยู่ใกล้ที่สุดหรือเคลื่อนที่เร็วที่สุดในละแวกใจกลางกาแลคซี ผู้ครองสถิติเป็นของดาวฤกษ์ S4714 ซึ่งก็ถูกพบโดย Peißker และเพื่อนร่วมงานของเขา ซึ่งเข้าใกล้ Sgr A* ในระยะทางเพียง 1.9 พันล้านกิโลเมตร ซึ่งในช่วงดังกล่าวมีความเร็วสูงถึง 24000 กิโลเมตรต่อวินาที อย่างไรก็ตาม S 4714 มีคาบการโคจร 12 ปี แต่เทียบกับ S 4716 ซึ่งมีคาบ 4 ปี มีระยะทางเฉลี่ย(mean distance) ตลอดวงโคจรที่ใกล้หลุมดำมากที่สุดในบรรดาดาวเอสใดๆ ที่พบจนถึงบัดนี้

     เป็นเรื่องที่คาดไม่ถึงอย่างสิ้นเชิงเมื่อได้พบดาวที่จะอยู่ในวงโคจรเสถียรใกล้และเร็วรอบๆ หลุมดำมวลสูงแห่งหนึ่ง และน่าจะเป็นขีดจำกัดที่สามารถด้วยกล้องโทรทรรศน์แบบเดิม Peißker กล่าว ยิ่งกว่านั้น การค้นพบยังเปิดช่องทางใหม่สู่กำเนิดและวิวัฒนาการวงโคจรของดาวที่เคลื่อนที่เร็วในใจกลางทางช้างเผือก วงโคจรขนาดกะทัดรัดคาบสั้นของ S4716 เป็นเรื่องที่ค่อนข้างสร้างความมึนงง Michael Zajacek นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยมาซาริค ในบรูโน กล่าว

     ดาวไม่สามารถก่อตัวใกล้หลุมดำได้อย่างง่ายดาย S4716 จะต้องขยับเข้าข้างใน ยกตัวอย่างเช่น จากการผ่านเข้าใกล้ดาวฤกษ์อื่นหรือวัตถุอื่นใน S Cluster ซึ่งเป็นสาเหตุให้วงโคจรของมันหดตัวไปพอสมควร

    

แหล่งข่าว phys.org – 8000 kilometers per second: star with the shortest orbital period around black hole discovered
                sciencealert.com – we have a new record for the fastest star zooming around a supermassive black hole