หลุมดำมวลปานกลางที่อยู่ใกล้โลกที่สุด

 

กล้องฮับเบิลถ่ายภาพกระจุกดาวทรงกลม Messier 4(M4) กระจุกแห่งนี้เป็นกลุ่มของดาวหลายแสนดวงที่อยู่กันอย่างหนาแน่น นักดาราศาสตร์สงสัยว่าจะมีหลุมดำมวลปานกลาง ที่มีมวลราว 800 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งมองไม่เห็นอยู่ในแกนกลางกระจุกแห่งนี้

     นักดาราศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้พบหลักฐานที่ดีที่สุดแสดงการมีอยู่ของหลุมดำขนาดปานกลางแห่งหนึ่ง โดยพบว่าที่หลุมดำชนิดที่หาได้ยากนี้อยู่ในใจกลางกระจุกดาวทรงกลมที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดที่ 6000 ปีแสง

      หลุมดำที่เหมือนเป็นรูความโน้มถ่วงบนผืนอวกาศ ดูเหมือนจะแบ่งได้เป็นสองขนาดคือ ขนาดเล็กกับขนาดมโหฬาร ประเมินกันว่ากาแลคซีของเรามีหลุมดำขนาดเล็ก(มวลเพียงไม่กี่เท่าดวงอาทิตย์เรียกว่า stellar-mass black holes) ราว 1 ร้อยล้านแห่งซึ่งเกิดขึ้นจากดาวฤกษ์ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ส่วนเอกภพที่กว้างใหญ่ก็เต็มไปด้วยหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ซึ่งมีมวลตั้งแต่หลายล้านเท่าจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์

     แต่ส่วนเชื่อมที่หายไปที่ค้นหามานานก็คือ หลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black holes) ซึ่งมีมวลระหว่าง 100 ถึง 100,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์ แต่พวกมันก่อตัวขึ้นได้อย่างไร, พวกมันไปอยู่ที่ไหน และเพราะเหตุใดจึงหาได้ยาก

     นักดาราศาสตร์ได้จำแนกสิ่งที่อาจเป็นหลุมดำมวลปานกลางแห่งอื่นๆ โดยใช้เทคนิคการสำรวจที่หลากหลาย ว่าที่หลุมดำมวลปานกลางที่ชัดเจนที่สุด 2 แห่ง คือ 3XMM J215022.4-055108 ซึ่งกล้องฮับเบิลได้ช่วยค้นหาในปี 2020 และ HLX-1 ซึ่งจำแนกได้ในปี 2009 ต่างก็พบที่ชายขอบกาแลคซีแห่งอื่น ว่าที่หลุมดำเหล่านี้มีมวลหลายหมื่นเท่าดวงอาทิตย์ และอาจจะเคยอยู่ในใจกลางกาแลคซีแคระมาก่อน

      ขยับเข้ามาใกล้บ้านมากขึ้น ก็พบว่าที่หลุมดำมวลปานกลางจำนวนหนึ่งในกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) ที่หนาแน่นหลายแห่งรอบทางช้างเผือก ยกตัวอย่างเช่น ในปี 2008 ฮับเบิลได้ประกาศการมีอยู่ของว่าที่หลุมดำมวลปานกลางในกระจุกทรงกลม โอเมกา เซนทอไร(Omega Centauri) แต่ด้วยเหตุผลต่างๆ นานา รวมทั้งความต้องการข้อมูลเพิ่มเติม การค้นพบว่าที่หลุมดำมวลปานกลางเหล่านี้และอื่นๆ จึงยังคงไม่ได้ข้อสรุปและไม่สามารถกำจัดคำอธิบายทางเลือกอื่นได้

       แต่ขณะนี้ ด้วยความสามารถอันเป็นอัตลักษณ์ของฮับเบิลได้ใช้เพื่อสำรวจแกนกลางของกระจุกทรงกลม M4 ว่าเป็นหลุมดำด้วยความแม่นยำที่สูงกว่างานสำรวจอื่นๆ ก่อนหน้านี้ คุณคงไม่สามารถทำงานวิทยาศาสตร์อย่างนี้ได้อีกถ้าไม่มีฮับเบิล Eduardo Vitral จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ ในบัลติมอร์ มารีแลนด์ ผู้เขียนหลักรายงานที่เผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society กล่าว

ชนิดของหลุมดำแบงตามมวล

     ทีมของ Vitral ได้ตรวจจับสิ่งที่อาจเป็นหลุมดำมวลปานกลางแห่งหนึ่งที่มีมวลราว 800 เท่าดวงอาทิตย์ วัตถุต้องสงสัยนี้มองไม่เห็น แต่สามารถคำนวณมวลของมันได้จากการศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวที่ได้รับอิทธิพลจากสนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ เหมือนกับฝูงผึ้งที่บินหึ่งอยู่รอบๆ รวงผึ้ง การตรวจสอบการเคลื่อนที่ต้องใช้เวลาและมีความแม่นยำไม่น้อย จึงเป็นจุดที่ฮับเบิลประสบความสำเร็จโดยไม่มีกล้องตัวใดในปัจจุบันทำได้ นักดาราศาสตร์พิจารณาการสำรวจ M4 จากฮับเบิลตลอดช่วง 12 ปีและตามรอยดาว

      นอกจากนี้ ยังใช้ดาวเทียมไกอาซึ่งสแกนตำแหน่งดาวกว่า 6000 ดวงเพื่อระบุรูปร่างกระจุกและมวลของมัน ข้อมูลฮับเบิลดูเหมือนจะสามารถกำจัดทฤษฎีทางเลือกสำหรับวัตถุนี้ เช่น กระจุกของซากดาวหนาแน่นสูงอย่างดาวนิวตรอน หรือหลุมดำขนาดเล็กที่โคจรรอบกันและกัน ออกไปได้ ด้วยการใช้ข้อมูลล่าสุดจากฮับเบิลและไกอา ก็สามารถแยกแยะระหว่างซากดาวมืดๆ กลุ่มหนึ่งกับวัตถุเดี่ยวที่มีมวลสูงกว่าได้

     เรามีความเชื่อมั่นว่าเรามีพื้นที่ขนาดเล็กมากๆ ที่มีมวลกระจุกตัวสูงมาก มันมีขนาดเล็กกว่ามวลมืด(dark mass) ที่เคยพบก่อนหน้านี้ในกระจุกทรงกลมอื่นๆ 3 เท่า Vitral กล่าว พื้นที่มีขนาดกะทัดรัดกว่าที่เราสร้างจากแบบจำลองกลุ่มของหลุมดำ, ดาวนิวตรอนและดาวแคระขาวที่จมลงสู่ใจกลางกระจุก แบบจำลองไม่สามารถสร้างการกระจุกมวลที่มีขนาดเล็กมากอย่างนั้นได้

     กลุ่มของวัตถุขนาดเล็กที่อยู่กันอย่างแออัดก็น่าจะไร้เสถียรภาพพลวัตด้วย ถ้าวัตถุไม่ใช่หลุมดำมวลปานกลางเดี่ยวๆ มันก็ต้องมีหลุมดำขนาดเล็กราว 40 แห่งที่แออัดกันอยู่ในห้วงอวกาศที่มีความกว้างเพียง 0.1 ปีแสง เพื่อที่จะสร้างการเคลื่อนที่ดาวอย่างที่สำรวจพบ ผลที่ตามมาก็คือหลุมดำขนาดเล็กเหล่านี้ก็น่าจะควบรวม และ/หรือถูกผลักในเกมพินบอลอวกาศนี้

      เราตรวจสอบการเคลื่อนที่ของดาวและตำแหน่งของพวกมัน และเราก็ปรับใช้แบบจำลองกายภาพที่พยายามสร้างการเคลื่อนที่ของพวกมันขึ้นมาใหม่ และเราก็ตรวจสอบอิทธิพลของมวลมืดในใจกลางกระจุก ซึ่งพบว่ายิ่งอยู่ใกล้มวลนี้ ดาวก็จะยิ่งเคลื่อนที่แบบสุ่มมากขึ้น และยิ่งมวลสูงขึ้นเท่าใด ความเร็วของดาวก็จะมากขึ้นตามไปด้วย

ตำแหน่งของหลุมดำที่พบโดยดาวเทียมไกอา

     แต่ Vitral ก็กล่าวเตือนว่า เนื่องจากหลุมดำมวลปานกลางในกระจุกทรงกลมนั้นมองไม่เห็น ในขณะที่เราไม่สามารถเชื่อมั่นเต็มที่ว่ามันเป็นจุดศูนย์กลางแรงโน้มถ่วง แต่เราได้แสดงว่ามันมีขนาดเล็กมาๆ มันมีขนาดจิ๋วเกินกว่าที่จะสามารถอธิบายเป็นอื่นได้นอกจากเป็นหลุมดำโดดๆ หรืออาจจะมีกลไกดาวบางอย่างที่เราไม่ทราบอย่างน้อยก็ด้วยฟิสิกส์ปัจจุบัน

      Timo Prusti นักวิทยาศาสตร์ปฏิบัติการไกอา อธิบายว่า ในทางวิทยาศาสตร์แล้วเป็นเรื่องยากที่จะพบอะไรที่ใหม่ในตูมเดียว มันจะเป็นแบบค่อยๆ แน่ชัดมากขึ้นไปทีละก้าว และนี่ก็อาจเป็นอีกก้าวสู่การให้แน่ใจว่าหลุมดำมวลปานกลางนั้นมีอยู่จริงๆ การเผยแพร่ข้อมูลไกอารอบ 3(Gaia Data Release 3; DR3) เกี่ยวกับการเคลื่อนที่เฉพาะ(proper motion) ของดาวในทางช้างเผือกมีความจำเป็นในการศึกษานี้

     การเผยแพร่ข้อมูลไกอาครั้งต่อๆ ไปเช่นเดียวกับการศึกษาติดตามผลจากฮับเบิลและกล้องเวบบ์ก็น่าจะให้แง่มุมเพิ่มเติมอีก  ไกอาเองก็เพิ่งได้พบหลุมดำสองแห่ง(Gaia BH1, BH2) ที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดเมื่อไม่กี่เดือนก่อนนี้เอง

แหล่งข่าว phys.org : Hubble hunts for intermediate-mass black holes close to home
                iflscience.com : we may have just found the closest of the most elusive type of black hole