ระบบคู่สัมผัสมวลสูงสุด

 

ดาวดวงเล็กกว่า, สว่างกว่าและร้อนแรงกว่า(ดวงซ้าย) มีมวล 32 เท่าดวงอาทิตย์ กำลังสูญเสียมวลให้กับดาวข้างเคียงขนาดใหญ่(ขวา) ซึ่งมีมวล 55 เท่าดวงอาทิตย์ ดาวที่ร้อนจัดจะมีสีขาวและฟ้า ที่อุณหภูมิ 43000 และ 38000 เคลวิน ตามลำดับ

     การศึกษาใหม่บอกว่า ดาวมวลสูงสองดวงที่กำลังสัมผัสกันและกันอยู่ในกาแลคซีใกล้ๆ แห่งหนึ่งกำลังอยู่ในขั้นตอนเพื่อกลายเป็นหลุมดำ ซึ่งสุดท้ายจะชนกัน สร้างคลื่นในผืนกาลอวกาศ

      การศึกษาโดยนักวิจัยที่ University College London และมหาวิทยาลัยพอทชดัม เผยแพร่ในวารสาร Astronomy & Astrophysics ได้พิจารณาระบบดาวคู่แห่งหนึ่งซึ่งพบมานานแล้ว และวิเคราะห์แสงดาวจากกล้องโทรทรรศน์ในอวกาศและบนภาคพื้นดิน นักวิจัยได้พบว่าดาวคู่นี้ซึ่งอยู่ในกาแลคซีแคระเพื่อนบ้านที่เรียกว่า เมฆมาเจลลันเล็ก(Small Magellanic Cloud) มีการสัมผัสกันและกันบางส่วนและแลกเปลี่ยนวัสดุสารซึ่งกันและกัน โดยดาวดวงหนึ่งกำลังป้อนมวลสารให้กับอีกดาว พวกมันโคจรรอบกันและกันในเวลาทุกๆ 3 วันเท่านั้นและเป็นดาวที่สัมผัสกัน(contact binaries) ซึ่งมีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยสำรวจมา

     ในการศึกษา นักวิจัยตรวจสอบสเปคตรัมแสงช่วงต่างๆ ที่ได้จากระบบดาวคู่แห่งนี้ในการวิเคราะห์สเปคตรัม โดยใช้ข้อมูลที่ได้จากกล้องฮับเบิลและอุปกรณ์ MUSE บน VLT ในชิลี ในหลายช่วงเวลา ในช่วงความยาวคลื่นตั้งแต่อุลตราไวโอเลตจนถึงช่วงตาเห็นและอินฟราเรดใกล้ ด้วยข้อมูลนี้ ทีมก็สามารถคำนวณความเร็วแนวสายตา(radial velocity) ของดาวได้ ซึ่งบอกถึงการขยับเข้าออกจากโลก และได้ค่ามวล, ความสว่าง, อุณหภูมิและวงโคจร จากนั้นก็นำตัวแปรเหล่านี้มาหาแบบจำลองที่สอดคล้องที่สุด

     การเปรียบเทียบผลการสำรวจนี้กับแบบจำลองทฤษฎีว่าด้วยวิวัฒนาการดาวในระบบคู่ นักวิจัยก็พบว่าให้ผลสอดคล้องมากที่สุดกับแบบจำลองที่บอกว่า ดาวที่กำลังได้รับมวลสารกำลังจะกลายเป็นหลุมดำ และจะป้อนวัสดุสารให้กับดาวข้างเคียง ดาวที่อยู่รอดก็จะกลายเป็นหลุมดำไม่นานหลังจากนั้นด้วย หลุมดำเหล่านี้จะก่อตัวในเวลาเพียงไม่กี่ล้านปีเท่านั้น แต่หลังจากนั้น พวกมันจะโคจรอบกันและกันไปอีกหลายพันล้านปีก่อนที่จะชนกัน ซึ่งจะสร้างคลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) เป็นระลอกในผืนกาลอวกาศออกมา ซึ่งน่าจะตรวจจับโดยอุปกรณ์บนโลกได้

     Matthew Rickard นักศึกษาปริญญาเอกที่ UCL ผู้เขียนนำการศึกษา กล่าวว่า ต้องขอบคุณเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง LIGO และ Virgo จึงมีการตรวจจับการควบรวมของหลุมดำหลายสิบคู่ในช่วงไม่กี่ปีหลังนี้ แต่โดยรวมแล้ว เราก็ยังสำรวจไม่พบดาวที่ถูกทำนายว่าจะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำในขนาดนี้ และควบรวมในช่วงเวลาที่สั้นกว่าอายุของเอกภพ

     แบบจำลองที่สอดคล้องที่สุดบอกว่าดาวเหล่านี้จะควบรวมกลายเป็นหลุมดำในอีก 1.8 หมื่นล้านปีข้างหน้า การพบดาวที่อยู่ในกระบวนการวิวัฒนาการเช่นนี้ใกล้กับทางช้างเผือกอย่างมาก ได้ให้โอกาสอันล้ำค่าแก่เราในการเรียนรู้เพิ่มเติมว่าระบบหลุมดำคู่ก่อตัวได้อย่างไร Daniel Pauli นักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยพอทชดัม ผู้เขียนร่วม กล่าวว่า ดาวคู่นี้เป็นระบบคู่สัมผัสที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยสำรวจพบมา ดาวที่เล็กกว่า, สว่างกว่าและร้อนกว่า มีมวล 32 เท่า กำลังสูญเสียมวลให้กับดาวข้างเคียงขนาดใหญ่กว่าที่มีมวล 55 เท่าดวงอาทิตย์

     จากการวิเคราะห์สเปคตรัมบอกว่า เปลือกชั้นนอกๆ ของดาวดวงเล็กกว่าได้ถูกฉีกออกโดยดาวข้างเคียงดวงใหญ่ และยังพบว่ารัศมีของดาวทั้งสองเกินจาก Roche Lobe ซึ่งเป็นพื้นที่รอบๆ ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่วัสดุสารจะยึดเหนี่ยวกับดาวฤกษ์ไว้โดยแรงโน้มถ่วง ซึ่งยืนยันว่าวัสดุสารบางส่วนของดาวดวงเล็กกว่ากำลังหลั่งไหลและขนถ่ายเข้าสู่ดาวข้างเคียง

      เมื่อพูดถึงวิวัฒนาการในอนาคตของดาว Rickard อธิบายว่า ดาวดวงเล็กกว่าจะกลายเป็นหลุมดำก่อนในเวลาไม่ถึง 7 แสนปี ซึ่งอาจจะเกิดจากกการระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา หรือไม่มันก็อาจจะมีมวลสูงเกินจนสามารถยุบตัวกลายเป็นหลุมดำได้โดยตรง และสำหรับดาวข้างเคียงก็น่าจะมีชีวิตอย่างสุขสบายไปราว 3 ล้านปีก่อนที่หลุมดำแรกจะเริ่มสะสมมวลสารจากดาวข้างเคียงเป็นการแก้แค้น

     Pauli ซึ่งทำแบบจำลองกล่าวเสริมว่า หลังจากนั้นประมาณ 2 แสนปีเท่านั้น ดาวข้างเคียงก็จะยุบตัวเป็นหลุมดำตามไปด้วย ดาวมวลสูงทั้งสองจะยังคงโคจรรอบกันและกันต่อไป ไปอีกหลายพันล้านปี

     หลุมดำที่นักดาราศาสตร์ได้พบเห็นการควบรวมในทุกวันนี้ก่อตัวขึ้นเมื่อหลายพันล้านปีก่อน เมื่อเอกภพมีปริมาณเหล็กและธาตุหนักอื่นๆ ต่ำกว่านี้ สัดส่วนของธาตุหนักเหล่านี้ได้เพิ่มขึ้นเมื่อเอกภพมีอายุมากขึ้น และทำให้การควบรวมของหลุมดำเกิดขึ้นได้น้อยลง นั้นเป็นเพราะดาวที่มีสัดส่วนธาตุหนักในระดับที่มาก จะมีลมดวงดาวที่รุนแรงมากและจะฉีกตัวมันเองเป็นชิ้นๆ ในไม่ช้า

      เมฆมาเจลลันเล็ก(SMC) ซึ่งถูกศึกษาเป็นอย่างดี อยู่ไกลออกไป 210,000 ปีแสงจากโลก มีธรรมชาติที่ดั้งเดิมโดยมีปริมาณเหล็กและธาตุหนักอื่นๆ เพียงหนึ่งในเจ็ดของทางช้างเผือก ด้วยลักษณะนี้ มันจึงเลียนแบบสภาวะของเอกภพในอดีตอันไกลโพ้น แต่ก็ไม่เหมือนกับกาแลคซีที่ห่างไกลมากซึ่งเก่าแก่มาก เมื่อพวกมันอยู่ใกล้มากพอที่นักดาราศาสตร์จะตรวจสอบคุณสมบัติของดาวและระบบดาวคู่ทีละแห่งได้  

แหล่งข่าว phys.org - two of most massive touching stars ever found will eventually collide as black holes, finds study
                scitechdaily.com – star-crossed black holes: the cosmic collision that will shake the universe