ไอพ่นจากหลุมดำที่สร้าง AT2022cmc

 

2

Tidal disruption graphic

     แสงที่เดินทางมานานกว่า 8.5 พันล้านปีได้มาถึงเรา เป็นลมหายใจเฮือกสุดท้ายจากดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่กำลังจะตายเมื่อหลุมดำค่อยๆ กลืนมันไป

      ทีมนักวิทยาศาสตร์สองทีมต่างก็ตรวจสอบพบแสงสว่างปริศนาที่ปรากฏบนท้องฟ้าในเดือนกุมภาพันธ์ 2022 ในเหตุการณ์ที่เรียกว่า AT2022cmc เป็นไอพ่นดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ปะทุออกจากหลุมดำขนาดใหญ่แห่งหนึ่ง เมื่อดาวที่ถูกฉีกหายไปหลังขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำ นี่เป็นโอกาสที่พบได้ยากมากๆ สำหรับเราที่จะได้เห็นอาหารกำลังถูกหลุมดำกลืน และขณะนี้ AT2022cmc ก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมา รายงานสองฉบับเผยแพร่ใน Nature และ Nature Astronomy

      ครั้งล่าสุดที่นักวิทยาศาสตร์ได้พบไอพ่นเหล่านี้ก็คือเมื่อสิบกว่าปีก่อน Michael Coughlin นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยมินเนโซตา ทวินซิตี้ กล่าว จากข้อมูลที่เรามีอยู่ เราสามารถตรวจสอบว่าไอพ่นสัมพัทธภาพ(relativistic jets) ถูกยิงออกมาเพียงหนึ่งในร้อยจากเหตุการณ์ทำลายล้างเหล่านี้ ทำให้ AT2022cmc เป็นเหตุการณ์ที่พบได้ยากมากๆ ในความเป็นจริง แสงที่สว่างจ้าจากเหตุการณ์นี้ยังเป็นแสงที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยพบด้วย

       มีเรื่องราวมากมายในเอกภพแสนดุดัน และมีการผ่านเข้าใกล้และเหตุการณ์เกิดขึ้นไม่น้อย ทั้งซุปเปอร์โนวา, การปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio bursts), การชนของดาว, ปฏิสัมพันธ์ในระบบคู่ขนาดกะทัดรัด และหลุมดำที่กลืนกินวัสดุสารอย่างตะกละตะกลาม เป็นสิ่งที่สร้างการลุกจ้าชั่วคราวและทำนายไม่ได้ พุ่งข้ามห้วงอวกาศอันเวิ้งว้างและจากนั้นก็สลัวหายไป

      มีแต่เพียงการจับจ้องพื้นที่ขนาดใหญ่บนท้องฟ้าอย่างใกล้ชิด ที่เราจะสามารถจับแสงจากเหตุการณ์รุนแรงที่เกิดขึ้นชั่วคราวนี้ได้เท่านั้น ในเดือนกุมภาพันธ์ Zwicky Transient Facility(ZTF) ได้พบการลุกจ้าเหตุการณ์หนึ่งในช่วงตาเห็น แทบจะในทันทีที่กล้องโทรทรรศน์ 20 กว่าตัวรอบโลกและในอวกาศในหลากหลายความยาวคลื่นตั้งแต่รังสีแกมมาจนถึงคลื่นวิทยุ ก็เริ่มทำงาน เก็บข้อมูลจำนวนมากจากการระเบิดแสงนี้ต่อมาอีกหลายวันจนถึงหลายสัปดาห์

 

ภาพจากศิลปิน AT2022cmc เป็น tidal disruption event ที่หลุมดำยิงไอพ่นมาทางโลกพอดี

      จากข้อมูลที่มีมากมาย ทีมนักวิจัยซึ่งมี Coughlin และ Igor Andreoni จากมหาวิทยาลัยมารีแลนด์เป็นผู้นำร่วม ได้ตรวจสอบพบว่าเหตุการณ์นี้เป็นผลจากการรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำ หรือ tidal disruption event ตัวการก็คือ หลุมดำมวลสูงราว 5 ร้อยล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์แห่งหนึ่งที่หมุนรอบตัวเร็วมาก กลืนวัสดุสารจากดาวด้วยอัตราสูงถึง0.5 เท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปี 

      Tidal disruption event พบได้ยากมากๆ เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ดวงหนึ่งผ่านเข้าไปใกล้หลุมดำแห่งหนึ่งมากเกินไป แรงโน้มถ่วงรุนแรงในสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำได้ยืดดาวออกจนฉีกเป็นชิ้น จากนั้น เศษซากก็ค่อยๆ ตกลงสู่หลุมดำ กระบวนการนี้จะสร้างการลุกจ้าของดาวที่สลัวลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่เรายังคงตรวจจับมันได้จากโลกถ้ามันสว่างมากพอ

      แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่นักดาราศาสตร์ได้เห็นจาก AT2022cmc Dheeraj Pasham จากเอ็มไอที ผู้นำทีมวิจัยทีมที่สองกล่าวว่า ทุกอย่างก็ดูค่อนข้างปกติในช่วงสามวันแรก จากนั้นเมื่อเราตรวจสอบมันด้วยกล้องรังสีเอกซ์ สิ่งที่ได้พบก็คือแหล่งแสงนี้สว่างเกินไป เหตุการณ์พิเศษนี้ทรงพลังกว่าแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากการปะทุรังสีแกมมาที่ทรงพลังที่สุดถึง 100 เท่า มันจึงเป็นอะไรที่พิเศษมากๆ

      การวิเคราะห์ได้เผยที่มาของแสงที่สว่างมากนั้นก็คือไอพ่นสัมพัทธภาพ เมื่อหลุมดำได้รับอาหาร บางครั้งอาหารทั้งหมดที่หมุนวนไปรอบๆ ก็จะพ้นขอบฟ้าสังเกตการณ์เข้าไป เส้นแรงสนามแม่เหล็กเลยจากขอบฟ้าสังเกตการณ์ออกมาเล็กน้อยจะทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งความเร็วให้กับอนุภาค วัสดุสารบางส่วนที่อยู่ใกล้หลุมดำถูกเหวี่ยงไปตามเส้นแรงเหล่านี้ จนมันถูกยิงออกจากขั้วหลุมดำด้วยความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง

      ในกรณีของ AT2022cmc หนึ่งในไอพ่นเหล่านั้นชี้มาที่โลกและเดินทางด้วยความเร็วถึง 99.99% ความเร็วแสง เมื่อวัสดุสารเคลื่อนมาหาเราด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง มันจะดูสว่างกว่าที่เป็น เนื่องจากการเคลื่อนที่สร้างการเปลี่ยนแปลงความถี่ของแสงช่วงความยาวคลื่น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า relativistic beaming หรือ Doppler boosting เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ที่เพิ่มเสียงจากไซเรนที่วิ่งเข้ามาให้ดังขึ้น

TDE emission

      AT2022cmc เป็น TDE ที่ถูกเร่งจากดอปเปลอร์เพียงเหตุการณ์ที่สี่ที่พบมาและยังเป็นเหตุการณ์ลักษณะนี้เหตุการณ์แรกที่พบตั้งแต่ปี 2011 นักวิทยาศาสตร์คาดว่าเราจะสามารถเรียนรู้ได้มากจากแสงนี้ที่เดินทางมาครึ่งเอกภพ ยกตัวอย่างเช่น ยังคงไม่ทราบเหตุผลว่าทำไม TDE บางเหตุการณ์จึงมีไอพ่นและบางเหตุการณ์กลับไม่มี การหมุนรอบตัวที่เร็วมากของหลุมดำอาจเป็นกุญแจในการสร้างไอพ่น ซึ่งเป็นแนวคิดที่น่าจะนำนักวิจัยเข้าใจการเข้าใจฟิสิกส์ของหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสงได้

      ยังคงไม่ชัดเจนว่าหลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวและเจริญอย่างไร อัตราการกลืนมวลสารที่สูงอย่างที่ปรากฏกับหลุมดำในเหตุการณ์ AT2022cmc อาจจะช่วยไขปริศนานี้ เหตุการณ์นี้ยังเป็น TDE ที่มีไอพ่นเหตุการณ์แรกที่สำรวจพบในช่วงตาเห็นจาก ZTF ด้วย ข้อมูลจำนวนมากที่รวบรวมได้น่าจะช่วยนักดาราศาสตร์ให้จำแนกเหตุการณ์คล้ายๆ กันได้มากขึ้นในอนาคต

      ดาราศาสตร์เปลี่ยนไปเร็วมาก Andreoni กล่าว มีการสำรวจทั่วท้องฟ้า(all-sky survey) ในช่วงตาเห็นและอินฟราเรดมากขึ้น นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ AT2022cmc เป็นแบบจำลองสิ่งที่จะมองหาและค้นหาการรบกวนจากหลุมดำไกลโพ้นให้ได้มากขึ้น นี่หมายความว่าจะต้องมีเครื่องมือขุดค้นข้อมูลขนาดใหญ่เพื่อพัฒนาความรู้ของเราเกี่ยวกับเอกภพ

แหล่งข่าว sciencealert.com : astronomers see a star’s final scream into a black hole halfway across the universe
               iflscience.com : super rare black hole event sees incredibly bright jet shooting right at Earth  
               sciencedaily.com : rare sighting of luminous jet spewed by supermassive black hole