GW 190521 หลุมดำที่ชนกันโดยบังเอิญ

  

เหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GW 190521 เป็นการควบรวมของหลุมดำที่มีมวลสูงสุด

   ระลอกในผืนกาลอวกาศที่เกิดจากหลุมดำชนกันได้สอนเราเกี่ยวกับวัตถุที่น่าพิศวงเหล่านี้ได้มากมาย คลื่นความโน้มถ่วงเก็บงำข้อมูลเกี่ยวกับหลุมดำเช่น มวล, รูปร่างวงโคจรที่พวกมันหมุนวนเข้าหากันและกัน, การหมุนรอบตัวของพวกมัน และการเรียงตัว

      จากสิ่งเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จึงมั่นใจว่าการชนเกือบทั้งหมดที่เราได้เห็น(จากคลื่นความโน้มถ่วง) เกิดจากหลุมดำในระบบคู่ หลุมดำสองแห่งเริ่มต้นขึ้นจากดาวมวลสูงคู่หนึ่งซึ่งเปลี่ยนเป็นหลุมดำด้วยกัน จากนั้นก็หมุนวนเข้าหากันและควบรวมกัน

     อย่างไรก็ตาม ในบรรดาการควบรวมที่พบราว 90 เหตุการณ์ มีเหตุการณ์หนึ่งที่ดูแปลกประหลาดอย่างมาก ซึ่งเกิดขึ้นในวันที่ 21 พฤษภาคม 2019 สร้างระลอกในผืนกาลอวกาศอย่างที่ไม่มีใครเหมือน Rossella Gamba นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเยนา ในเจอรมนี กล่าวว่า สัณฐานและโครงสร้างที่คล้ายการระเบิดของมันนั้น แตกต่างอย่างมากกับเหตุการณ์ที่สำรวจพบก่อนหน้านี้

     เดิมเคยวิเคราะห์ว่า GW 190521 เป็นการควบรวมของหลุมดำมวลสูงที่หมุนรอบตัวเร็วมาก 2 แห่งเข้าใกล้กันและกันในแนววงโคจรที่เกือบกลมพอดี แต่รายละเอียดพิเศษทำให้เราต้องเสนอการแปลผลที่เป็นไปได้อื่นๆ ด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นสั้น ท้าทายการหาคำอธิบาย

     คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการควบรวมของหลุมดำสองแห่ง เหมือนกับระลอกคลื่นเมื่อหย่อนก้อนหินลงในสระน้ำ แต่ก็ยังถูกสร้างขึ้นเมื่อวัตถุคู่เริ่มหมุนวนเข้าหากัน และปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงที่รุนแรงจะส่งสัญญาณระลอกที่อ่อนลงเมื่อหลุมดำสองแห่งเข้ามาใกล้กันมากขึ้น

แบบจำลองเสมือนจริงแสดงความโค้งของกาลอวกาศ ระหว่างการควบรวมของหลุมดำที่สร้าง GW 190521 ขึ้นมา

     รูปร่างและระยะเวลา(ไม่ถึง 0.1 วินาที) ของสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์นี้ทำให้เราตั้งสมมุติฐานว่าเป็นการควบรวมของหลุมดำสองแห่งโดยฉับพลัน ซึ่งเกิดขึ้นโดยไม่มีช่วงหมุนวนเข้าหากันและกันเลย Alessandro Nagar นักดาราศาสตร์ที่ สถาบันเพื่อฟิสิกส์นิวเคลียร์แห่งชาติ อิตาลี กล่าว

      ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงระหว่างหลุมดำคู่หนึ่งเกิดขึ้นได้มากกว่าแบบเดียว แบบแรกก็คือ หลุมดำทั้งคู่อยู่ด้วยกันมาเนิ่นนาน บางทีอาจจะนานตั้งแต่ก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ทารกจากเมฆโมเลกุลก้อนเดียวกัน อีกทางคือเมื่อวัตถุ 2 แห่งเคลื่อนที่ในอวกาศเข้าใกล้กันและกันมากพอที่จะดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วง ในสิ่งที่เรียกว่า dynamical encounter นี่เป็นสิ่งที่ Gamba และทีมของเธอคิดว่าเกิดขึ้นกับ GW 190521 ดังนั้นพวกเขาจึงออกแบบแบบจำลองเพื่อทดสอบสมมุติฐาน

      พวกเขาสร้างแบบจำลองเสมือนจริงให้หลุมดำคู่ชนกัน โดยปรับเปลี่ยนตัวแปรเช่น เส้นทาง, การหมุนรอบตัว และมวล เพื่อสร้างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงประหลาดอย่างที่พบในเดือนพฤษภาคม 2019 ขึ้นอีกครั้ง ผลที่ได้บอกว่าหลุมดำสองแห่งไม่ได้เริ่มเป็นระบบคู่ ต่างๆ เคลื่อนที่อย่างเป็นอิสระแต่ถูกดักจับไว้ด้วยตาข่ายแรงโน้มถ่วงของกันและกัน มันก็อาจจะนำไปสู่การก่อตัวของหลุมดำคู่ได้แต่ในที่นี้หลุมดำทั้งสองไม่ได้โคจรรอบกันและกันเป็นวงกลม แต่จะทำให้ทั้งสองวิ่งผ่านกันและกันในเส้นทางที่เรียวยาว ก่อนที่จะชนกันก่อตัวเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้นที่ราว 150 เท่าดวงอาทิตย์ และหลุมดำทั้งสองไม่มีแห่งใดเลยที่หมุนรอบตัว

     ด้วยการพัฒนาแบบจำลองที่แม่นยำโดยใช้วิธีการวิเคราะห์ชั้นสูงกับแบบจำลองเสมือนจริงจำนวนมาก เราได้พบว่าการควบรวมแบบความรีสูงในกรณีนี้สามารถอธิบายสัญญาณที่พบได้ดีกว่าสมมุติฐานอื่นๆ Matteo Breschi นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยนา กล่าว ความน่าจะเป็นอยู่ที่ 1: 4300

กระจุกดาว NGC 346 ในเมฆมาเจลลันเล็ก(Small Magellanic Cloud) เป็นกระจุกที่เต็มไปด้วยดาวฤกษ์มวลสูง ก็อาจจะอุดมไปด้วยหลุมดำได้เช่นกัน ซึ่งอาจจะอธิบายคลื่นความโน้มถ่วงที่แปลกประหลาดที่สุดเท่าที่เคยพบมา

      จากลำดับเหตุการณ์นี้ ทีมบอกว่าเป็นไปได้มากที่จะเกิดในพื้นที่ที่มีประชากรอยู่อย่างหนาแน่นเช่น ในกระจุกดาว ซึ่งมีปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงลักษณะนี้เกิดขึ้นได้บ่อยกว่า ซึ่งก็สอดคล้องกับการค้นพบก่อนหน้านี้จาก GW 190521 เมื่อหลุมดำหนึ่งในสองแห่งในการควบรวมนี้ มีมวลราว 85 เท่ามวลดวงอาทิตย์

      จากแบบจำลองการก่อตัวหลุมดำ หลุมดำที่มีมวลสูงกว่า 65 เท่าดวงอาทิตย์ไม่สามารถก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์เดี่ยวๆ ได้ หนทางเดียวที่เรารู้ที่จะก่อตัวหลุมดำมวลระดับนี้ได้ก็คือ ผ่านการควบรวมระหว่างวัตถุที่มีมวลต่ำกว่า 2 แห่ง งานของ Gamba และทีมได้พบว่ามวลของหลุมดำทั้งสองในการควบรวมนี้อยู่ที่ราว 81 และ 52 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งต่ำกว่าที่เคยประเมินไว้ก่อนหน้านี้เล็กน้อย แต่หนึ่งในหลุมดำก็ยังอยู่นอกเส้นทางการก่อตัวจากดาวฤกษ์เดี่ยวยุบตัวลงอยู่ดี

      ยังคงไม่แน่ใจว่าแบบจำลองนี้จะผิดหรือไม่ แต่การควบรวมแบบลำดับขั้น(hierarchical merger) ซึ่งโครงสร้างขนาดใหญ่ก่อตัวขึ้นผ่านการควบรวมของวัตถุขนาดเล็กอย่างต่อเนื่อง ก็น่าจะเกิดขึ้นได้บ่อยกว่าในสภาพแวดล้อมในกระจุกซึ่งมีประชากรวัตถุเหล่านี้จำนวนมาก

     Dynamical encounter ระหว่างหลุมดำจัดว่าเกิดขึ้นได้ยาก และข้อมูลคลื่นความโน้มถ่วงที่รวบรวมโดย LIGO และ Virgo จนถึงตอนนี้ก็ดูจะสนับสนุนแบบนั้น อย่างไรก็ตาม เกิดขึ้นได้ยากไม่ได้แปลว่าไม่มีทางเกิดขึ้นได้ และงานใหม่ก็บอกว่า GW 190521 อาจจะเป็นการตรวจจับครั้งแรกของเรา และครั้งแรกก็หมายความว่า อาจจะพบเพิ่มเติมอีกในอนาคต

     หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงต่างๆ ซึ่งขณะนี้กำลังอัพเกรดและบำรุงรักษา จะพร้อมออนไลน์อีกครั้งในเดือนมีนาคม 2023 เพื่อรอบการสำรวจครั้งใหม่ ครั้งนี้ เครื่องตรวจจับสองตัวของ LIGO(ที่แฮนฟอร์ดและลิฟวิงสตัน สหรัฐฯ ) และเครื่องตรวจสอบ Virgo ในอิตาลี จะทำงานร่วมกับ KAGRA ในญี่ปุ่น ให้พลังการสำรวจที่เพิ่มขึ้นไปอีก งานวิจัยเผยแพร่ใน Nature Astronomy

แหล่งข่าว sciencealert.com : two black holes met by chance, and it created something never seen before
                phys.org : black holes in eccentric orbit
                iflscience.com : crowded star cluster explain the strangest gravitational wave yet found