ดาวฤกษ์ทารกในพื้นที่อันตราย

 

ภาพใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือกในช่วงอินฟราเรด

      ทีมนักวิจัยนานาชาติภายใต้การนำทีมโดย Florian Peißer จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยโคโลญน์ ได้พบดาวฤกษ์อายุน้อยมากๆ ดวงหนึ่งที่อยู่ในขั้นตอนการก่อตัวขึ้น ใกล้กับหลุมดำ คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*) ในใจกลางทางช้างเผือก

      ดาวฤกษ์นี้มีอายุเพียงไม่กี่หมื่นปีเท่านั้น ทำให้มันมีอายุน้อยกว่าเผ่าพันธุ์มนุษยชาติซะอีก สิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับดาวฤกษ์ทารก X3a ก็คือ ในทางทฤษฎีแล้ว มันไม่น่าจะสามารถอยู่ใกล้กับหลุมดำมวลมหาศาลแห่งนี้ได้ อย่างไรก็ตาม ทีมเชื่อว่ามันก่ตอัวในเมฆฝุ่นก้อนหนึ่งที่โคจรรอบหลุมดำยักษ์ และขยับสู่วงโคจรปัจจุบันของมันเมื่อก่อตัวขึ้นแล้ว การศึกษางานนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal

      ละแวกใกล้เคียงหลุมดำที่ในกลางกาแลคซีของเรา จัดได้ว่าโดยทั่วไปเป็นพื้นที่ที่มีพลวัตสูง และมีการแผ่รังสีเอกซ์พลังงานสูงและอุลตราไวโอเลตที่รุนแรง สภาวะเหล่านี้ทำหน้าที่ต่อต้านการก่อตัวของดาวอย่างดวงอาทิตย์ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงสันนิษฐานมานานแล้วว่า ตลอดหลายพันล้านปีที่ผ่านมามีแต่เพียงดาวอายุมากที่พัฒนาตัวแล้วเท่านั้นที่จะสามารถมาอยู่ในละแวกทุ่งสังหารใกล้หลุมดำได้ ผ่านปฏิสัมพันธ์แรงเสียดทานพลวัต

      อย่างไรก็ตาม ค่อนข้างน่าประหลาดใจเมื่อเพียง 20 ปีก่อนนี้เอง ที่ได้พบดาวอายุน้อยมากๆ ในละแวกประชิดกับ Sgr A* ซึ่งก็ยังคงไม่แน่ชัดว่าดาวเหล่านี้ไปอยู่ที่นั่นได้อย่างไรหรือพวกมันก่อตัวขึ้นที่ใด การปรากฏของดาวอายุน้อยมากๆ อยู่ใกล้กับหลุมดำมวลมหาศาลอย่างมาก จึงถูกเรียกว่า ปริทรรศน์แห่งความเยาว์วัย(paradox of youth)

ใจกลางกาแลคซีที่ระยะทางราว 3 หมื่นปีแสง ในใจกลางภาพเป็นหลุมดำมวลมหาศาล Sgr A*(มองไม่เห็น) ตำแหน่งของ Sgr A* ระบุได้จากการเคลื่อนท่ของดาว เนื่องจากเมฆฝุ่นและขนาดรอบๆ ดาวฤกษ์ทารก X3a จึงมองไม่เห็นดาวฤกษ์นี้ในภาพนี้ด้วย

      ดาวทารก X3a ซึ่งมีขนาด 10 เท่าและมวล 15 เท่าดวงอาทิตย์ น่าจะปิดช่องว่างระหว่างการก่อตัวดาว กับดาวอายุน้อยที่พบในระยะประชิดเพียง 2 ปีแสงจา Sgr A* เท่านั้น X3a ต้องการสภาวะพิเศษเพื่อก่อตัวขึ้นประชิดกับหลุมดำนี้ ดร Florian Peißer ผู้เขียนคนแรก อธิบายว่า กลับเป็นว่ามีพื้นที่แห่งหนึ่งในระยะทางไม่กี่ปีแสงจากหลุมดำ ซึ่งจะมีสภาวะพร้อมต่อการก่อตัวของดาว พื้นที่นี้ซึ่งเป็นวงแหวนก๊าซและฝุ่นมีอุณหภูมิต่ำพอและได้รับการปกป้องจากรังสีรุนแรง อุณหภูมิที่ต่ำและความหนาแน่น(ก๊าซฝุ่น) ที่สูงได้สร้างสภาพแวดล้อมที่เมฆก๊าซระดับหลายร้อยเท่ามวลดวงอาทิตย์จะก่อตัวขึ้นได้ เมฆเหล่านี้จะต้องพัฒนาเร็วมากๆ ก่อนที่จะวิ่งเข้าหาหลุมดำ เนื่องจากการชนของเมฆ-เมฆจะทำให้สูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมและจมเข้าหาหลุมดำในเวลาไม่กี่หมื่นปี

     นอกจากนี้ มีก้อนวัสดุสารร้อนจัดก่อตัวขึ้นในระยะใกล้กับดาวทารก ซึ่งหลังจากนั้นจะถูก X3a ดึงสะสมเข้าไป ก้อนเหล่านี้ยังน่าจะช่วยให้ X3a มีมวลสูงเช่นนี้ได้ตั้งแต่ต้นๆ อย่างไรก็ตาม ก้อนวัสดุสารเหล่านี้เป็นเพียงเสี้ยวหนึ่งในประวัติการก่อตัวของ X3a ซึ่งยังคงอธิบายที่มาของก้อนเหล่านี้ไม่ได้

     แต่นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าน่าจะเกิดลำดับเหตุการณ์ต่อไปนี้ เมื่อได้รับการปกป้องจากอิทธิพลและการแผ่รังสีรุนแรงจาก Sgr A* ก็จะมีเมฆที่มีความหนาแน่นสูงพอก้อนหนึ่ง ก่อตัวขึ้นในวงแหวนก๊าซฝุ่นส่วนนอกรอบๆ ใจกลางกาแลคซี เมฆนี้มีมวลราว 100 เท่าดวงอาทิตย์ และยุบตัวลงโดยตรงภายใต้แรงโน้มถ่วงเพื่อสร้างดาวฤกษ์ทารกขึ้น ในขณะเดียวกับที่ขยับเข้าหาหลุมดำด้วย  

     Peißer กล่าวเสริมว่า สิ่งที่เรียกว่า เวลาที่ใช้ตก(fall time) ใกล้เคียงกับอายุของ X3a ลำดับเหตุการณ์นี้ยังน่าจะสอดคล้องกับสถานะการพัฒนาวิวัฒนาการของ X3a ด้วย ซึ่งขณะนี้กำลังพัฒนาเพื่อเป็นดาวฤกษ์เต็มวัย

      การค้นพบเริ่มต้นจากก้อนวัสดุสารที่เรียกว่า X3 ซึ่งดึงความสนใจของนักดาราศาสตร์ ก่อนที่จะพบ X3a อยู่ภายใน การสำรวจจากเครื่องมืออินฟราเรดได้พบแสงของดาวทารกในอินฟราเรดใกล้ที่ทะลุผ่านเมฆก๊าซฝุ่นหนาที่ล้อมรอบมันอยู่ การวิเคราะห์สเปคตรัมนี้เองที่เผยให้เห็นองค์ประกอบเคมีที่สอดคล้องกับดาวฤกษ์ทารก

     Michal Zajacek จากมหาวิทยาลัยมาซาริก ในเบรอโน สาธารณรัฐเชค ผู้เขียนร่วมการศึกษานี้ กล่าวสรุป ด้วยมวลที่สูงราวสิบกว่าเท่าดวงอาทิตย์ X3a จัดเป็นดาวยักษ์ และยักษ์เหล่านี้ก็พัฒนาตัวเพื่อเป็นตัวเต็มวัยได้เร็วกว่ามาก เราโชคดีที่ได้พบดาวมวลสูงฝังตัวอยู่ในเปลือกก๊าซฝุ่นรูปร่างคล้ายดาวหาง ซึ่งช่วยให้จำแนกรายละเอียดที่บอกอายุที่น้อยได้ เช่น เปลือกก๊าซฝุ่นล้อมรอบดาวที่กำลังหมุนไปรอบๆ มัน

      อาจมีดาวขนาดเล็กกว่าในพื้นที่เดียวกันนี้ ซึ่งสลัวเกินกว่าจะสำรวจได้ เนื่องจากดาวที่มีมวลต่ำจะพัฒนาตัวช้ากว่ามาก พวกมันก็อาจจะไปไม่ถึงช่วงเต็มวัยก่อนที่จะถูกหลุมดำกลืนไป  

การค้นหาระบบ X3 ช่องสีเขียวอ่อนทางซ้ายแสดงภาพ K- และ L-band ซ้อนกันโดยสีฟ้าแสดงฝุ่นของคลื่นกระแทกรูปโบว์ และสีแดงเกี่ยวข้องกับการแผ่ความร้อน X3a ระบุโดย YSO ส่วน X3b, X3c เป็นก้อนความร้อน ยังระบุตำแหน่งดาวที่ใกล้ที่สุดและสว่างที่สุดสามดวง S3-373, S3-374 และ S3-375 กล่องทางขวาแสดงการเปล่งคลื่นจาก CO ที่ 343 Hz ภาพพื้นหลังสำรวจโดย NACO ในช่วงอินฟราเรดกลาง(L band, 3.8 ไมครอน) พร้อมระบุกระจุกดาวที่โดดเด่น IRS 16 IRS 13 และดาวอื่นๆ 

     ในกาแลคซีแห่งอื่น ก็พบวงแหวนฝุ่นและก๊าซลักษณะคล้ายๆ กันนี้ซึ่งก็ใช้กลไกเดียวกันเพื่ออธิบายได้เช่นกัน กาแลคซีหลายๆ แห่งมีดาวอายุน้อยมากๆ ในพื้นที่ใจกลาง มีการวางแผนการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์(JWST) หรือ กล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(ELT) ในชิลีซึ่งจะเผยว่า X3a เป็นพวกตัวประหลาด หรือเป็นตัวแทนของดาวอายุน้อยมากที่เผอิญก่อตัวขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายมากรอบหลุมดำ และเพื่อทดสอบแบบจำลองการก่อตัวดาวนี้ในทางช้างเผือก และในกาแลคซีอื่นๆ

แหล่งข่าว spaceref.com - baby star near the black hole in the middle of our Milky Way: it exists after all  
               iflscience.com – a giant baby star is forming in the galaxy’s most dangerous location
               sciencealert.com – somehow, a star is being born in the extremes around our galaxy’s black hole  

WR 124 โหมโรงก่อนระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา

 

WR124 ภาพรวมประกอบใหม่จาก NIRCam และ MIRI บนกล้องเวบบ์

     ในภาพใหม่จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ เป็นการแสดงแสงสีในช่วงสุดท้ายของดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่ใกล้ถึงจุดจบชีวิตด้วยรายละเอียดที่ไม่น่าเชื่อ

      ดาวฤกษ์ WR 124 อยู่ใกล้ออกไป 15000 ปีแสงในกลุ่มดาวลูกธนู(Sagitta) เป็นดาวชนิดที่เรียกว่า โวล์ฟ-ราเยท์(Wolf-Rayet star) ซึ่งพบเห็นได้ยาก นั้นเป็นเพราะมีดาวมวลสูงเพียงไม่กี่ดวงที่จะเปลี่ยนเป็นโวล์ฟ-ราเยท์ และช่วงเวลาในสถานะนี้ก็สั้นมากๆ เพียงไม่กี่แสนปีเท่านั้น WR 124 กำลังใกล้จะระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาเต็มทีแล้ว

      ดาวโวล์ฟ-ราเยท์ เป็นดาวที่ตระการตาที่สุดชนิดหนึ่งในกาแลคซี พวกมันเป็นดาวที่ร้อนจัดมาก, สว่างมาก และสาดแสงจ้าในช่วงปลายของวิถีหลัก(main-sequence) เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่จะใช้หลอมเริ่มร่อยหรอลง ณ จุดนี้ พวกมันจะขาดแคลนไฮโดรเจน แต่ก็อุดมไปด้วยไนโตรเจนหรือคาร์บอน และยังมีการสูญเสียมวลในอัตราที่สูงมากๆ มวลที่สูญเสียออกมายังอุดมไปด้วยคาร์บอน ซึ่งจะดูดกลืนแสงและเปล่งกลับออกมาในช่วงอินฟราเรด จึงทำให้พวกมันเป็นเป้าหมายที่ดึงดูดใจสำหรับกล้องเวบบ์ ซึ่งไม่เพียงแต่เป็นกล้องอวกาศที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยมีมา แต่ยังให้ภาพอินฟราเรดและอินฟราเรดใกล้ด้วยความละเอียดสูงสุดด้วย

      WR 124 ซึ่งขณะนี้มีมวล 30 เท่ามวลดวงอาทิตย์และได้สูญเสียมวลไปประมาณ 10 เท่าดวงอาทิตย์แล้ว มันถูกล้อมด้วยเมฆวัสดุสารที่ดาวผลักออกมาเอง แต่งแต้มด้วยเส้นใยและปมฝุ่นเมื่อเมฆวัสดุสารขยายตัวออกสู่อวกาศ เรืองในช่วงอินฟราเรดเมื่อเมฆเย็นตัวลงจะสร้างฝุ่นขึ้น เราทราบจากการสำรวจก่อนหน้านี้ว่าเมฆนี้มีรูปร่างที่ซับซ้อน แต่โดยรวมแล้ว ก็ยังไม่มีรายละเอียดมากพอที่จะเข้าใจสิ่งปลีกย่อย ยกตัวอย่างเช่น WR 124 เมื่อระเบิดแล้ว เม็ดฝุ่นในเนบิวลาของมันจะมีขนาดใหญ่มากพอที่จะอยู่รอดจากซุปเปอร์โนวาหรือไม่

      การได้เรียนรู้สิ่งเหล่านี้น่าจะให้แง่มุมสำคัญแก่นักดาราศาสตร์สู่ความสำคัญของโวล์ฟ-ราเยท์ ที่มีต่อการสร้างฝุ่นในอวกาศ ซึ่งเป็นวัสดุสารที่หลังจากนั้นจะไปรวมกับดาวฤกษ์และดาวเคราะห์อื่นๆ เมื่อก่อตัวขึ้น

ภาพ WR124 จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเผยแพร่เมื่อปี 2015

       การสำรวจยังช่วยจำแนกซากซุปเปอร์โนวาที่ดาวโวล์ฟ-ราเยท์ดวงอื่นๆ ทิ้งไว้ ซึ่งจะบอกเราว่าพวกมันระเบิดได้อย่างไร นักดาราศาสตร์คิดว่าโวล์ฟ-ราเยท์เป็นดาวต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งบี และหนึ่งซี(Type Ib, Type Ic supernovae) แต่ก็ยังขาดแคลนหลักฐานยืนยัน การเข้าใจฝุ่นที่ดาวโวล์ฟ-ราเยท์ปล่อยออกมาก่อนการระเบิดซึ่งน่าจะช่วยเชื่อมโยงดาวเข้ากับเมฆเศษซากที่ดาวเหลือทิ้งไว้

      ที่น่าสนใจคือ WR124 จัดอยู่ในดาวโวล์ฟ-ราเยท์ชนิดพิเศษที่วิ่งผ่านห้วงอวกาศด้วยความเร็วที่สูงมากเมื่อเทียบกับความเร็วการหมุนรอบตัวของดิสก์ทางช้างเผือกเอง กล่าวคือ WR124 เป็นหนึ่งในดาววิ่งหนี(runaway star) ที่มีความเร็วสูงสุดในทางช้างเผือก เดินทางด้วยความเร็ว 190 กิโลเมตรต่อวินาที

       ยังคงไม่ทราบแน่ชัดว่าเพราะเหตุใดมันจึงกำลังวิ่งฉิวในห้วงอวกาศด้วยความเร็วสูงเช่นนี้ แต่งานวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้ได้บอกว่า มันเคยอยู่ในระบบดาวคู่(binary system) กับดาวที่ตายแล้วอีกดวง ซึ่งระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาและดีด WR 124 ออกจากตำแหน่งในดิสก์กาแลคซี ข้อมูลจากกล้องเวบบ์อาจจะไม่ได้ช่วยไขปริศนานี้ เมื่อมันไม่ใช่จุดประสงค์หลักในการสำรวจ

      กล้องเวบบ์ศึกษารายละเอียดฝุ่นในอวกาศรอบๆ WR124 โดยกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ปรับสมดุลความสว่างของแกนดาว WR124 กับรายละเอียดปมตะปุ่มตะป่ำในกลุ่มก๊าซรอบๆ ที่สลัวกว่า เครื่องมืออินฟราเรดกลาง(MIRI) ของเวบบ์ เผยให้เห็นโครงสร้างก๊าซและฝุ่นที่เกาะเป็นก้อนล้อมรอบดาวไว้

แหล่งข่าว sciencealert.com : JWST catches sight of a rare star on the brink of going supernova
                esa_webb.org : Webb captures rarely seen prelude to a supernova  

เมฆฝุ่นที่กำลังจะถูกหลุมดำทางช้างเผือกทำลาย

 

    หลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางทางช้างเผือกของเรากำลังฉีกเมฆฝุ่นประหลาดก้อนหนึ่งออกเป็นชิ้น และนักดาราศาสตร์ก็กำลังสำรวจดูสิ่งที่เกิดขึ้นอย่างน่าสนใจ

     เมฆฝุ่นซึ่งมีชื่อว่า X7 มีมวลราว 50 เท่ามวลโลก กำลังโคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาล คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*; Sgr A*) ซึ่งมีมวล 4.6 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ได้สำรวจการเดินทางของเมฆนี้โดยใช้หอสังเกตการณ์เคก บนยอดเมานาคี ในฮาวาย ซึ่งเป็นหนึ่งในกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุดบนโลก การสำรวจได้เผยให้เห็นว่ามีเส้นใยที่ค่อยๆ ยืดยาวออกมา(spaghettified) จนมันพันไปรอบๆ หลุมดำนี้ และยืดออกเป็นสองเท่าของความยาวเดิม ซึ่งขณะนี้ก็ยาว 3000 เท่าระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์

      โครงงานสำรวจเริ่มต้นขึ้นในปี 2002 ได้ให้แง่มุมสู่กระบวนการที่กำกับโดยแรงโน้มถ่วงที่ทรงพลังจากหลุมดำ Sgr A* ที่มีต่อสภาพรอบข้างของมัน Anna Ciurlo ผู้ช่วยนักวิจัยที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย แอลเอ และผู้เขียนนำการศึกษานี้ กล่าวในแถลงการณ์ว่า นี่เป็นโอกาสอันเป็นอัตลักษณ์ในการสำรวจผลของ tidal forces จากหลุมดำซึ่งดึงด้านที่ใกล้รุนแรงกว่าที่ด้านไกลและยืดออกด้วยความละเอียดที่สูง ซึ่งช่วยให้เรามีแง่มุมสู่ฟิสิกส์ของสภาพแวดล้อมที่สุดขั้วในใจกลางกาแลคซี

     นักดาราศาสตร์สำรวจ X7 โดยใช้เครื่องมือ NIRC2 บนเคก ได้เผยให้เห็นเอกภพในช่วงอินฟราเรดใกล้ เป้นความยาวคลื่นเดียวกับที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์มีความเชี่ยวชาญ ต้องขอบคุณความสามารถในช่วงอินฟราเรดที่สามารถเจาะทะลุผ่านฝุ่น นักดาราศาสตร์จึงสามารถสำรวจการเคลื่อนที่ของเส้นใยในรายละเอียดสูงสุดได้ พวกเขาพบว่าขณะนี้ เส้นใยใช้เวลา 170 ปีโคจรรอบใจกลางกาแลคซี และคำนวณได้ว่าในปี 2036 เส้นใยนี้จะเข้าใกล้หลุมดำมากที่สุดที่ระยะทาง 18 วันแสง(light-days) ซึ่งในช่วงเวลาดังกล่าว เมฆนี้ก็จะกระจายหายไปเป็นอาหารของหลุมดำ

ภาพจากเครื่องมือ NIRC2 บนกล้องเคกแสดงวิวัฒนาการของ X7 ตั้งแต่ปี 2002 ถึง 2021

      มันน่าตื่นเต้นที่ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงในรูปร่างและพลวัตของ X7 ในรายละเอียดที่สูงอย่างนั้นในช่วงเวลาอันสั้น เมื่อแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางทางช้างเผือกส่งอิทธิพลต่อวัตถุนี้ Randy Campbell ผู้นำทีมวิทยาศาสตร์ ที่หอสังเกตการณ์เคก และผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าวในแถลงการณ์

     หลังจากการสิ้นสูญของเส้นใย วัสดุสารในเส้นใยก็จะถูกหลุมดำกลืนไป กระบวนการนี้อาจจะสร้าง “ดอกไม้ไฟ” เมื่อฝุ่นมีความเร็วสูงขึ้นและร้อนขึ้นก่อนจะข้ามขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ไป ในขณะที่นักวิจัยได้ทำนายอนาคตของเส้นใยด้วยความน่าเชื่อถือในระดับสูง แต่พวกเขากลับรู้เกี่ยวกับอดีตของมันน้อยกว่า พวกเขาคิดว่าเมฆนี้อาจจะก่อตัวขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ 2 ดวงควบรวมกันและผลักเปลือกก๊าซฝุ่นออกมาห่อหุ้มรอบๆ มันไว้

      ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งก็คือ ก๊าซและฝุ่นของ X7 ถูกผลักออกในช่วงเวลาเมื่อดาวสองดวงควบรวมกัน Ciurlo กล่าว ในกระบวนการนี้ ดาวที่ควบรวมได้จะถูกซ่อนไว้ภายในเปลือกก๊าซและฝุ่น และก๊าซถูกผลักออกมาก็อาจจะสร้างวัตถุที่คล้าย X7 ขึ้น X7 เป็นหนึ่งในเส้นใยมากมายที่พบในใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือก เส้นใยเหล่านี้ซึ่งเรียกว่า G objects โคจรในระยะประชิดหลุมดำเร็วมากๆ ด้วยมีความเร็วถึง 790 กิโลเมตรต่อวินาที แง่มุมที่รวบรวมได้จาก X7 อาจจะช่วยนักดาราศาสตร์ทำนายชีวิตของเส้นใยอื่นๆ ได้

ภาพจากศิลปินแสดงสิ่งที่น่าจะเกิดขึ้นในราวปี 2036 เมื่อ X7 เส้นใยฝุ่นก๊าซที่เรียวยาวเดินทางเข้าใกล้หลุมดำทางช้างเผือกมากที่สุด

https://www.youtube.com/watch?v=px8CxEScmMg

     G objects ถูกพบเมื่อราว 20 ปีก่อน และมีความประหลาดในตัว กล่าวคือ พวกมันมีลักษณะคล้ายเมฆก๊าซ แต่กลับมีพฤติกรรมเหมือนกับดาวฤกษ์ โดยเมื่อเข้าใกล้หลุมดำมากที่สุดจะถูกยืดออกแต่ก็ยังคงเกาะกุมกัน และหดตัวกลับเป็นรูปร่างที่มีความกะทัดรัดมากกว่าเดิม นักดาราศาสตร์ตั้งสมมุติฐานว่า G objects เป็นดาวที่ควบรวมกัน สร้างเมฆฝุ่นก๊าซก้อนมหึมาปกปิดดาวภายในไว้ ซึ่งการศึกษาในปี 2021 ได้พบว่า G2 เป็นเมฆโมเลกุลที่ดาวทารก 3 ดวงซ่อนอยู่ภายใน แต่ยังคงไม่ทราบตัวตนของ G objects อื่น

     แต่เนื่องจาก X7 เป็นก๊าซที่หลุดออกมา จึงไม่มีมวลดาวอยู่ภายในเพื่อยึดก๊าซฝุ่นไว้ มันจึงมีอายุที่สั้นกว่า G objects ในขณะที่ดาวที่ควบรวมที่สร้าง X7 ออกมาก็ยังคงเพ่นพล่านอยู่ในใจกลางกาแลคซีในวงโคจรของมันต่างหาก นักวิจัยบอกว่าวงโคจรของมันคล้ายกับ G3 อย่างมาก และเสนอว่า G3 อาจเป็นวัตถุต้นกำเนิด

     เนื่องจาก X7 ยังมีชีวิตเหลืออีกสิบกว่าปี นักดาราศาสตร์จะยังคงจับตาดูการเดินทางของมันด้วยกล้องเคกต่อไป เมื่อมันหมุนวนเข้าสู่ความตาย จะให้แน่ใจเราจะต้องดูว่า X7 จะถูกหลุมดำฉีกอย่างไร Ciurlo กล่าว หลังจากนั้นเหรอ ใครจะรู้ล่ะ เราแค่เฝ้าดู การศึกษาเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 22 กุมภาพันธ์

ภาพแสดงตำแหน่งของ X7 เปรียบเทียบกับหลุมดำ Sagittarius A* และวัตถุอื่นๆ ในใจกลางกาแลคซี

แหล่งข่าว space.com : the Milky Way’s monster black hole is destroying a mysterious dust cloud
                sciencealert.com : a mystery object is being dragged into the black hole at the center of our galaxy
                scitechdaily.com : mysterious object is being dragged into the Milky Way’s supermassive black hole
                skyandtelescope.com : watch the Milky Way’s black hole spaghettify a cloud

ซุปเปอร์โนวาที่ฟื้นคืนชีวิต

 

ภาพจากศิลปินแสดงการสว่างขึ้นอีกครั้งของ SN 2018ivc เมื่อเศษซากจากการระเบิด ชนเข้ากับเปลือกตัวกลางรอบดาวที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งดาวต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวาได้ผลักทิ้งออกมาในวิวัฒนาการช่วงท้ายก่อนระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา

     นักดาราศาสตร์ได้พบซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์หนึ่งซึ่งแสดงการสว่างขึ้นในช่วงมิลลิเมตร กลายเป็นกรณีศึกษาเชื่อมต่อระหว่างซุปเปอร์โนวาสองชนิด จากดาวที่อยู่โดดเดี่ยว กับที่อยู่ในระบบดาวคู่(binary) ที่ใกล้ชิดกัน

      ดาวมวลสูงหลายดวงจบชีวิตของมันในการระเบิดที่รุนแรงซึ่งเรียกว่า ซุปเปอร์โนวา ซุปเปอร์โนวาจะมีความสว่างเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และจากนั้นก็สลัวลงในเวลาไม่กี่เดือนต่อมา นักดาราศาสตร์ทราบมานานแล้วว่า การมี/ไม่มีของดาวข้างเคียงในระบบคู่ที่อยู่ประชิดกัน สามารถส่งผลต่อวิวัฒนาการของดวงมวลสูงได้

     ในระบบคู่ที่ประชิดกัน ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับดาวในคู่จะเปลือยดึงวัสดุสารจำนวนมากออกจากดาวต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวา ก่อนที่จะเกิดการระเบิด ในกรณีเหล่านี้ ดาวต้นกำเนิดจะอยู่อย่างเงียบๆ จนกว่าจะถึงเวลาที่ระเบิดจริง ในททางตรงกันข้าม ในกรณีดาวต้นกำเนิดที่ไม่มีดาวข้างเคียง หรือมีดาวข้างเคียงแต่อยู่ห่างไกล จะนำไปสู่การระเบิดซุปเปอร์โนวาที่จะรักษามวลดั้งเดิมเกือบทั้งหมดของมันไว้ได้

     นักดาราศาสตร์ต้องการจะทราบว่าเกิดอะไรขึ้นถ้าระบบคู่ไม่ได้อยู่ใกล้เกินไปและไม่ไกลเกินไป เมื่อทีมวิจัยนานาชาติที่นำโดย Keichi Maeda ศาสตราจารย์ที่วิทยาลัยบัณฑิตวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกียวโต และ Tomonari Michiyama นักวิจัยหลังปริญญาเอก            ALMA ที่มหาวิทยาลัยโอซากา ใช้ ALMA เพื่อจับตาดูซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์หนึ่งที่เรียกกันว่า SN 2018ivc ในกาแลคซีกังหัน M77 เมื่อมันมืดลงราว 200 วันหลังจากการระเบิดเริ่มขึ้น

ภาพพื้นที่ใจกลาง M77 โดยกล้องฮับเบิล(ซ้าย) ระบุตำแหน่ง SN 2018ivc ช่องขวาแสดงภาพขยายรอบซุปเปอร์โนวาอ้างอิงจากข้อมูล ALMA ที่ประมาณ 200 วัน(บนขวา) และที่ 1000 วัน(ล่างขวา) ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าพื้นที่สว่วางขึ้นประมาณหนึ่งปีหลังการระเบิด

       ผลที่ได้แสดงว่า SN 2018ivc เป็นวัตถุที่ไม่ปกติ ดังนั้นทีมจึงตัดสินใจตรวจสอบมันอีกครั้ง ในอีกราว 1000 วันหลังการระเบิด พวกเขาพบว่าจริงๆ แล้ววัตถุนี้สว่างขึ้นอีกครั้ง ซึ่งเป็นครั้งแรกที่สำรวจพบปรากฏการณ์ประหลาดนี้ในการเปล่งรังสีช่วงมิลลิเมตร(คลื่นวิทยุ) เมื่อเปรียบเทียบกับแบบจำลองมากมาย ได้บอกถึงปฏิสัมพันธ์กับดาวข้างเคียงในระบบคู่ที่อยู่ไกลปานกลาง เมื่อราว 1500 ปีก่อนระเบิด ซึ่งได้สร้างเปลือกตัวกลางที่ล้อมรอบดาวขนาดใหญ่มากในอวกาศที่ระยะทางราว 0.1 ปีแสง

      ที่ราว 200 วันหลังการระเบิด วัสดุสารที่ระเบิดออกมา(ejecta) ก็ยังไปไม่ถึงเปลือกก๊าซนี้ จากนั้นราว 200 ถึง 1000 วัน วัสดุสารก็ชนเข้ากับเปลือกตัวกลางนี้สร้างการเปล่งคลื่นวิทยุซิงโครตรอนออกมา ด้วยการศึกษาคุณสมบัติของการเปลี่ยนคลื่นซิงโครตรอน รวมถึงความเข้มและวิวัฒนาการตามเวลา ก็สามารถตรวจสอบการกระจายตัวของเปลือกก๊าซนี้ได้ ช่วยให้ทราบว่าดาวต้นกำเนิดก่อนจะระเบิดได้ทิ้งมวลออกมามากแค่ไหน  

     ผลสรุปเหล่านี้เผยแพร่เป็น Resurrection of Type IIL Supernova 2018ivc: Implications for a Binary Evolution Sequence Connecting Hydrogen-rich and Hydrogen-poor Progenitors ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 1 มีนาคม 2023

แหล่งข่าว phys.org : resurrected supernova provides missing link between two types
                alma-telescope.jp : resurrected supernova provides missing-link in stellar evolution  

หลุมดำยักษ์ที่วิ่งหนี

 

ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำมวลดวงดาว(stellar mass black holes) คู่หนึ่งที่ฝังตัวอยู่ในดิสก์ก๊าซรอบหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) แห่งหนึ่ง รายละเอียดที่คล้ายเงาสีเทารอบๆ หลุมดำเล็กแสดงภาพกาแลคซีที่ถูกบิดเบนผ่านเลนส์ความโน้มถ่วงบนดิสก์ ถ้าคุณพิจารณาที่หลุมดำโดยตรง จะเห็นแสงที่มาจากแสงดาวที่อยู่เหนือมัน

     นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำมวลมหาศาลที่วิ่งหนีออกมาแห่งหนึ่ง ซึ่งดูเหมือนจะถูกผลักออกจากกาแลคซีบ้านเกิดของมัน และกำลังวิ่งผ่านห้วงอวกาศโดยมีสายโซ่ดาวห้อยท้ายตามมาด้วย

      จากงานวิจัยของทีมซึ่งเผยแพร่ในเวบก่อนตีพิมพ์ arXiv.org และเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters การค้นพบนี้เป็นครั้งแรกที่ให้หลักฐานจากการสำรวจว่าหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) อาจถูกผลักออกจากกาแลคซีบ้านเกิดของพวกมัน ออกมาเพ่นพล่านในห้วงอวกาศได้ นักวิจัยที่ค้นพบหลุมดำที่กำลังวิ่งหนีเป็นสายของแสงที่สว่าง ในขณะที่ใช้กล้องฮับเบิลเพื่อสำรวจกาแลคซีแคระ RCP 28 ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 7.5 พันล้านปีแสงจากโลก

      การสำรวจติดตามผลได้แสดงว่าสายแสงซึ่งมีความยาวมากกว่า 2 แสนปีแสง(ราวสองเท่าความกว้างของทางช้างเผือก) ซึ่งเคยคิดว่าเป็นก๊าซที่ถูกบีบอัดกำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคัก ก๊าซที่ห้อยตามหลังหลุมดำซึ่งมีมวล 20 ล้านเท่าดวงอาทิตย์แห่งนี้และกำลังหนีออกจากกาแลคซีบ้านเกิดของมันด้วยความเร็ว 5.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง หรือราว 4500 เท่าความเร็วเสียง

     นักวิจัยบอกว่าสายแสงนั้นชี้ตรงไปที่ใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่ง ซึ่งโดยปกติจะเป็นที่อยู่ของหลุมดำมวลมหาศาล Pieter van Dokkum ผู้เขียนหลักรายงาน ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเยล กล่าวว่า เราพบเส้นบางๆ ในภาพฮับเบิลที่กำลังชี้ไปที่ใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่ง ด้วยการใช้กล้องเคกในฮาวาย เราได้พบว่าเส้นบางกับกาแลคซีแห่งนี้มีความเชื่อมโยงกัน จากการวิเคราะห์รายละเอียดนี้แบบเจาะลึกไปอีก เราก็บอกได้ว่าเรากำลังได้เห็นหลุมดำที่มีมวลสูงแห่งหนึ่งซึ่งถูกผลักออกจากกาแลคซี ทิ้งรอยทางก๊าซและดาวที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ไว้

ภาพจากฮับเบิลแสดงกาแลคซีแห่งหนึ่ง(ก้อนแสงด้านบนขวา) และเส้นแสงที่โผล่มา(พาดมาทางล่างซ้าย) นักวิจัยสงสัยว่าหลุมดำที่วิ่งหนี ได้สร้างคลื่นกระแทกที่สร้างดาวฤกษ์ใหม่ๆ ก่อตัวขึ้นตามหลังมันมา

     กาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่งจะมีหลุมดำมวลมหาศาลในใจกลาง หลุมดำที่มีกิจกรรมสูงมักจะยิงไอพ่นวัสดุสารออกมาด้วยความเร็วสูง ซึ่งอาจเห็นเป็นเส้นแสงที่บางครั้งก็ดูคล้ายกับสิ่งที่นักวิจัยได้เห็นนี้ แต่นั่นจะเรียกว่า ไอพ่นทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์(astrophysical jets) เพื่อตรวจสอบว่าเส้นแสงที่เห็นไม่ใช่ไอพ่นทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ van Dokkum และทีมสำรวจเส้นแสงและพบว่ามันไม่ได้แสดงร่องรอยใดๆ ของไอพ่นทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์เลย

     ในขณะที่ไอพ่นทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์จะมีพลังอ่อนลงเมื่อเคลื่อนที่ออกห่างจากแหล่งที่เปล่งไอพ่นออกมา แต่เส้นแสงจากสิ่งที่อาจเป็นหลุมดำนี้ กลับมีพลังงานสูงขึ้นเมื่อมันเคลื่อนออกห่างจากสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นกาแลคซีต้นกำเนิดของมัน นอกจากนี้ ไอพ่นทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่หลุมดำยิงออกมาจะขยายบานออก ในขณะนี้เส้นแสงนี้กลับยังเป็นเส้นเรียวตรง

     ทีมจึงสรุปว่าคำอธิบายที่สอดคล้องกับเส้นแสงนี้มากที่สุดก็คือ หลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งที่ถูกยิงทะลุผ่านก๊าซที่ล้อมรอบกาแลคซี ในขณะที่ก็กระแทกก๊าซบีบอัดตัวสูงพอที่จะเหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวดาวห้อยตามหลังมา van Dokkum กล่าวว่า ถ้ายืนยันจริง ก็น่าจะเป็นครั้งแรกที่เรามีหลักฐานอย่างชัดเจนว่าหลุมดำมวลมหาศาลก็หนีออกจากกาแลคซีได้

      และเมื่อยืนยันหลุมดำมวลมหาศาลที่วิ่งหนีออกมาได้ คำถามต่อไปที่นักดาราศาสตร์อยากจะตอบก็คือ แล้ววัตถุยักษ์อย่างนี้ถูกผลักออกจากกาแลคซีต้นสังกัดได้อย่างไร ลำดับเหตุการณ์ที่เป็นไปได้มากที่สุดที่อธิบายทุกๆ สิ่งที่เราเห็นในการดีดผลักแบบนี้ เกิดจากปฏิสัมพันธ์แบบวัตถุสามชิ้น(three-body interaction) van Dokkum กล่าว เมื่อวัตถุสามชิ้นที่มีมวลใกล้เคียงกัน มีปฏิสัมพันธ์ทางแรงโน้มถ่วง ปฏิสัมพันธ์จะไม่ทำให้เกิดความเสถียรแต่มักจะนำไปสู่การก่อตัวระบบคู่ และผลักวัตถุที่สามออกมา

     นี่อาจจะหมายความว่าหลุมดำที่วิ่งหนีนั้นครั้งหนึ่งเคยเป็นส่วนหนึ่งของระบบคู่หลุมดำมวลสูง และในระหว่างที่กาแลคซีกำลังควบรวมกัน ก็มีหลุมดำมวลสูงแห่งที่สามเข้ามาป้วนเปี้ยน จนเหวี่ยงหนึ่งในสอง(ซึ่งมักจะเป็นวัตถุที่มวลต่ำที่สุด) ออกไป นักดาราศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่าหลุมดำยักษ์ที่วิ่งหนีนี้พบได้ทั่วไปแค่ไหน มีการทำนายหลุมดำมวลมหาศาลที่ถูกผลักออกมาตั้งแต่เมื่อ 50 ปีก่อนแต่ไม่มีใครที่เคยได้เห็นจริงๆ van Dokkum กล่าว แต่นักทฤษฎีเกือบทุกคนก็คิดว่าน่าจะมีมากอยู่

ภาพแสดงลำดับเหตุการณ์กำเนิดหลุมดำยักษ์ที่วิ่งหนี เริ่มจากกาแลคซี 2 แห่งควบรวมกัน(1) และหลุมดำของพวกมันก็จมลงสู่ใจกลาง(2) มีกาแลคซีอีกแห่งที่นำหลุมดำแห่งที่สามเข้ามา(3) ปฏิสัมพันธ์ของหลุมดำ(4) ผลักหนึ่งในนั้นออกในทิศทางหนึ่งและอีกสองแห่งที่เหลือก็วิ่งในทิศตรงกันข้าม(5)

     ที่น่าสนใจมากคือเมื่อตรวจสอบพื้นที่แห่งหนึ่งอย่างระมัดระวัง จะเผยให้เห็นเส้นแสงที่สลัวกว่าเส้นที่สอง โผล่ออกในทิศตรงกันข้ามของกาแลคซี อีกครั้งที่ต้องนึกถึงไอพ่นสองขั้ว(bipolar jets) แต่หลักฐานก็ไม่ได้บอกอย่างนั้น Grant Tremblay จาก CfA กล่าวว่า เราถกเรื่องนี้กันไม่น้อย แต่ผมว่ามันไม่สมเหตุสมผล ทีมสงสัยว่ากาแลคซ๊ซึ่งมีรูปร่างไม่ปกติและมีการก่อตัวดาวอย่างคึกคักซึ่งบอกถึงการชนเมื่อเร็วๆ นี้ เมื่อหลุมดำที่เบาที่สุดถูกผลักออกและสร้างเส้นสายเส้นแรกแล้ว อีกสองแห่งที่เหลือก็กระดอนกลับในทิศทางตรงกันข้ามด้วยความเร็วที่ต่ำกว่า

      ยังคงต้องมีการสำรวจต่อไปด้วยกล้องโทรทรรศน์ตัวอื่นๆ เพื่อหาหลักฐานโดยตรงของหลุมดำที่ปลายเส้นแสงแห่งแรกนี้ van Dokkum กล่าวเพิ่ม การตรวจจับแหล่งรังสีเอกซ์ที่ปลายเส้นแสงนี้น่าจะเป็นตัวบ่งชี้สุดท้ายว่าหลุมดำกำลังสะสมมวลสาร Tremblay กล่าว ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า แน่นอนเลยว่าประชาคมดาราศาสตร์จะต้องสำรวจรายละเอียดนี้ด้วยหอสังเกตการณ์ต่างๆ นานาจากทั้งภาคพื้นและในอวกาศ

    

แหล่งข่าว space.com : “runaway” black hole the size of 20 million suns found speeding through space with a trail of newborn stars behind it
               skyandtelescope.com : have scientists found a rogue supermassive black hole?