ว่าที่หลุมดำที่อยู่ใกล้ที่สุด

 

หลุมดำส่วนใหญ่ถูกพบจากปฏิสัมพันธ์ที่หลุมดำมีต่อสิ่งแวดล้อม 

      ในปี 1916 Karl Schwarzchild ได้ตั้งทฤษฎีถึงการมีอยู่ของหลุมดำ ว่าเป็นผลที่เกิดขึ้นจากสมการสนาม(field equation) จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

     ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 นักดาราศาสตร์ก็เริ่มตรวจจับหลุมดำได้เป็นครั้งแรก โดยใช้วิธีการอ้อม ซึ่งประกอบด้วยการสำรวจผลของหลุมดำที่มีต่อวัตถุและอวกาศรอบข้าง นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole; SMBHs) ซึ่งมีอยู่ในใจกลางกาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่งในเอกภพ และในเดือนเมษายน 2019 กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์(Event Horizon Telescope) ก็เผยแพร่ภาพหลุมดำยักษ์เป็นครั้งแรก  

     การสำรวจเหล่านี้เป็นโอกาสอันดีในการทดสอบกฎทางฟิสิกส์ภายใต้สภาวะที่สุดขั้วที่สุด และได้ให้แง่มุมสู่แรงที่กำกับเอกภพ จากการศึกษางานหนึ่งเมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยนานาชาติที่พึ่งพาข้อมูลจากหอสังเกตการณ์ไกอา(Gaia) ขององค์กรอวกาศยุโรป ได้สำรวจดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ดวงหนึ่ง ที่มีคุณสมบัติการโคจรที่ประหลาด เนื่องจากธรรมชาติของการโคจรของดาว ทีมสรุปได้ว่าจะต้องเป็นระบบคู่ที่มีหลุมดำอยู่ด้วย

      ซึ่งนี่จะทำให้มันเป็นหลุมดำที่อยู่ใกล้ระบบสุริยะมากที่สุดที่ระยะทาง 1570 ปีแสง และส่งนัยยะต่อการมีอยู่ของหลุมดำที่จำศีล(dormant black holes) กลุ่มใหญ่ในกาแลคซีของเรา งานวิจัยซึ่งนำโดย Kareem El-Badry นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CfA) และสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์(MPIA) เขาร่วมมือกับนักวิจัยจาก CfA, MPIA, คาลเทค, ยูซีเบิร์กลีย์, ศูนย์เพื่อการคำนวณดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CCA) สถาบันฟลาติรอน, สถาบันวิทยาศาสตร์ไวซ์มันน์, หอสังเกตการณ์แห่งปารีส, สถาบันคัฟลี่เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์และการวิจัยอวกาศ เอ็มไอที และมหาวิทยาลัยอีกหลายแห่ง รายงานเผยแพร่การค้นพบใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

Gaia BH1 เป็นดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ที่โคจรร่วมกับหลุมดำที่มีมวลราว 10 เท่าดวงอาทิตย์

     ตามที่ Al-Badry อธิบายไว้ การสำรวจเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงงานสำรวจเพื่อจำแนกหลุมดำจำศีลที่อยู่คู่กับดาวฤกษ์ปกติในทางช้างเผือก ผมได้สำรวจหาหลุมดำจำศีลมาตลอดช่วงสี่ปีหลังโดยใช้ชุดข้อมูลและวิธีการที่หลากหลายมาก ความพยายามก่อนหน้านี้ให้ระบบคู่ที่มีความคล้ายว่าจะเป็นหลุมดำ แต่นี่เป็นครั้งแรกที่การสำรวจประสบความสำเร็จ

     El-Badry และเพื่อนร่วมงานพึ่งพาข้อมูลที่ได้จากหอสังเกตการณ์ไกอา ปฏิบัติการนี้ใช้เวลาเกือบหนึ่งทศวรรษ ตรวจสอบตำแหน่ง, ระยะทางและการเคลื่อนที่จำเพาะของวัตถุทางดาราศาสตร์เกือบ 1 พันล้านดวง ได้แก่ ดาวฤกษ์, ดาวเคราะห์, ดาวหาง, ดาวเคราะห์น้อย และกาแลคซี ด้วยการตามรอยการเคลื่อนที่ของวัตถุเมื่อพวกมันโคจรไปรอบๆ ใจกลางทางช้างเผือก(ในเทคนิคที่เรียกว่า การตรวจสอบตำแหน่ง; astrometry) ไกอาก็สร้างบัญชีรายชื่ออวกาศในห้วงสามมิติที่เที่ยงตรงที่สุดได้

     จากการเผยแพร่ข้อมูลครั้งที่สามของไกอา(Gaia Data Release 3; GDR3) ทีมได้ตรวจสอบดาวทั้งหมด 168,065 ดวง ที่มีการส่ายดูคล้ายเป็นวงโคจรของวัตถุคู่ การวิเคราะห์ได้พบว่าที่ที่น่าสนใจเป็นพิเศษ เป็นดาวฤกษ์สีเหลือง(G-type) ที่มีชื่อว่า Gaia DR3 4373465352415301632 ซึ่งทีมตั้งชื่อว่า Gaia BH1 จากข้อมูลการโคจรที่สำรวจพบ ทีมบอกว่าดาวดวงนี้จะต้องมีหลุมดำเป็นวัตถุข้างเคียงในระบบคู่

      ข้อมูลจากไกอาบอกว่าดาวเคลื่อนที่บนท้องฟ้าอย่างไร โดยวิ่งเป็นวงรีเมื่อมันโคจรรอบหลุมดำ ขนาดของวงโคจรและคาบการโคจรช่วยให้ข้อมูลมวลของวัตถุที่มองไม่เห็นนี้ว่าอยู่ที่ 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์ คู่โคจรรอบกันและกันราวครึ่งปี เพื่อที่จะยืนยันว่าคำตอบจากไกอาถูกต้อง และกำจัดคำอธิบายทางเลือกที่ไม่ใช่หลุมดำออกไป เราได้ตรวจสอบสเปคตรัมของดาวจากกล้องโทรทรรศน์หลายตัว ซึ่งช่วยสนับสนุนมวลของวัตถุข้างเคียง และบอกได้ว่ามัน “มืด” จริงๆ

      เพื่อยืนยันการสำรวจ ทีมวิเคราะห์การรตรวจสอบความเร็วแนวสายตา(radial velocity) ของ Gaia BH1 จากกล้องหลายตัว เช่นเดียวกับวิธีการที่ใช้ในการตามล่าดาวเคราะห์นอกระบบ จากการตรวจสอบสเปคตรัมที่เกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์
(Doppler effect) สเปคตรัมที่ได้จะช่วยให้ทีมได้สำรวจและตรวจสอบแรงโน้มถ่วงที่ส่งผลต่อวงโคจร การสำรวจติดตามผลได้ยืนยันคำตอบวงโคจรของ Gaia BH1 และบอกว่ามีวัตถุข้างเคียงมีมวลราว 10 เท่าดวงอาทิตย์ โคจรอยู่รอบๆ

กราฟแสดงการเคลื่อนที่ของดาวใน Gaia BH1 ที่ได้ทำนายไว้ตลอดคาบ 6 ปี เส้นสีดำในช่องด้านซ้ายแสดงการเคลื่อนที่ของดาวบนท้องฟ้าระบุเป็น RA และ Dec วงรีที่ยืดออกเนื่องจากทั้งระบบ Gaia BH1(หลุมดำและดาว) เคลื่อนที่ไปบนท้องฟ้าด้วย ช่องด้านขวาเมื่อกำจัดการเคลื่อนที่เฉพาะ(proper motion) ออกไป เพื่อแสดงให้เห็นวงโคจรรีของดาวเพียงอย่างเดียว

     El-Badry บ่งชี้ว่าการค้นพบนี้น่าจะเป็นหลุมดำแห่งแรกในกาแลคซีที่ไม่ได้ถูกพบจากการสำรวจการเปล่งรังสีเอกซ์หรือการปล่อยพลังงานอื่นๆ แบบจำลองได้ทำนายว่าทางช้างเผือกจะมีหลุมดำราว 1 ร้อยล้านแห่ง แต่เราสำรวจพบเพียง 20 แห่งเท่านั้น ทั้งหมดที่พบก่อนหน้านี้เราพบในระบบคู่รังสีเอกซ์(x-ray binaries) เมื่อหลุมดำกลืนวัสดุสารจากดาวข้างเคียงและสว่างเจิดจ้าในช่วงรังสีเอกซ์เมื่อพลังงานศักย์แรงโน้มถ่วงของวัตถุถูกเปลี่ยนเป็นแสง

      แต่นี่เป็นเพียงยอดของภูเขาน้ำแข็งเท่านั้น ยังน่าจะมีประชากรหลุมดำจำศีลอีกจำนวนมากอยู่ข้างนอกนั้น ซ่อนตัวในระบบคู่ที่อยู่ห่างจากกันมาก การค้นพบ Gaia BH1 จึงเป็นหน้าต่างสู่ประชากรกลุ่มนี้ ถ้ายืนยันความถูกต้อง การค้นพบเหล่านี้ก็น่าจะหมายถึงประชากรหลุมดำจำศีลจำนวนมากมายในทางช้างเผือก ซึ่งเป็นหลุมดำที่ไม่พบดิสก์สว่าง, การปะทุหรือแผ่รังสีใดๆ หรือมีไอพ่นความเร็วสูงพุ่งออกจากขั้วหลุมดำ

     นักวิจัยค่อนข้างอธิบายการมีอยู่ของดาวฤกษ์ขนาดพอๆ กับดวงอาทิตย์ที่มาเกาะอยู่กับหลุมดำขนาดใหญ่ได้ยาก ดาวที่มีมวลต่ำจับอยู่กับหลุมดำ เป็นคู่วัตถุที่แปลกประหลาด และก็ไม่ชัดเจนว่าพวกมันก่อตัวได้อย่างไร แต่นักวิจัยคิดว่าระบบแห่งนี้ไม่ได้ก่อตัวขึ้นอย่างโดดเดี่ยว มีลำดับเหตุการณ์การกำเนิดหลายงาน ซึ่งรวมถึงแบบหนึ่งที่บอกว่าวัตถุมืดนั้น แท้จริงแล้วเป็นหลุมดำขนาดเล็กสองแห่งแทนที่จะเป็นแห่งเดียว

      ลำดับเหตุการณ์หลุมดำคู่กับดาวฤกษ์นี้น่าสนใจเนื่องจากมันสามารถทดสอบได้ ทีมกำลังวางแผนที่จะทำการสำรวจความเร็วแนวสายตาเพิ่มเติมให้แม่นยำมากๆ เพื่อหวังที่จะพบความผิดปกติในการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ซึ่งอาจจะบ่งชี้ถึงหลุมดำคู่ที่อยู่ใกล้ๆ

      ถ้าพบวัตถุเหล่านี้จำนวนมากในกาแลคซี ก็จะส่งนัยยะต่อวิวัฒนาการดาวและกาแลคซี อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่หลุมดำจำศีลนี้เป็นพวกนอกคอก และไม่ได้เป็นตัวบ่งชี้ถึงประชากรที่สงบนิ่งอยู่ เพื่อตอกย้ำการค้นพบ El-Badry และเพื่อนร่วมงานกำลังรอคอย DR 4 ซึ่งกำลังตรวจสอบข้อมูลอยู่ จะรวมข้อมูลทั้งหมดที่รวบรวมได้ในปฏิบัติการห้าปี การเผยแพร่ครั้งนี้จะรวมการตรวจสอบตำแหน่ง, ปริมาณแสง(photometry) และความเร็วแนวสายตาที่ทันสมัยที่สุด ของดาวฤกษ์, ระบบคู่, กาแลคซีและดาวเคราะห์นอกระบบที่สำรวจ

      ส่วนการเผยแพร่ข้อมูลครั้งที่ห้า(GDR 5) ครั้งสุดท้ายจะรวมข้อมูลจากปฏิบัติการหลัก และภาคขยาย(รวมสิบปีเต็ม) จากอัตราการปรากฏวัตถุข้างเคียงของหลุมดำตามที่ได้จาก Gaia BH1 เราประเมินว่าการเผยแพร่ข้อมูลครั้งต่อไปจากไกอา จะทำให้เกิดการค้นพบระบบที่คล้ายๆ กันอีกหลายสิบแห่ง El-Badry กล่าว

      ด้วยวัตถุที่มีเพียงแห่งเดียว ก็ยังยากที่จะทราบแน่นอนว่ามันจะบอกเกี่ยวกับประชากรได้อย่างไร(ว่ามันเป็นตัวประหลาดเรื่องบังเอิญหรือไม่) เราสนใจการศึกษาลักษณะประชากร(demographic) ที่เราจะได้จากตัวอย่างกลุ่มใหญ่ขึ้น ถ้าหลุมดำในระบบคู่มีเพียงสัดส่วนน้อยในประชากรหลุมดำจำศีลในทางช้างเผือก สัดส่วนใหญ่ก็น่าจะไปตกที่หลุมดำพเนจร ซึ่งจะมีความสำคัญต่อนักวิทยาศาสตร์เพื่อปรับปรุงสำมะโนประชากรหลุมดำในทางช้างเผือก

แหล่งข่าว sciencealert.com : the orbit of a sun-like star reveals the nearest black hole ever found
                phys.org : astronomers find a sun-like star orbiting a nearby black hole
                skyandtelescope.com : wobble star reveals the closest black hole yet