ฮับเบิลสำรวจลูกไฟในห้วงอวกาศเวิ้งว้าง

 

ภาพแสดงหนึ่งในการระเบิดที่สว่างที่สุดในอวกาศที่เรียกว่า LFBOT มันสว่างอย่างรุนแรงในช่วงแสงสีฟ้า ซึ่งปรากฏเป็นก้อนสีขาวสว่างทางซ้ายของกลางภาพ ที่มีลำแสงสีฟ้าขาวและสีแดงลุกโชนออกมา ทางขวาของภาพเป็นกาแลคซีกังหันแห่งหนึ่ง ทางบนซ้ายเป็นกาแลคซีสีขาวอีกแห่งที่มีรูปร่างเหมือนซิการ์ LFBOT ดูจะไม่ได้เกี่ยวข้องกับกาแลคซีใดๆ เลย

     การปะทุแสงที่สว่างจ้ามากที่แสนประหลาดในเอกภพ ยิ่งดูประหลาดมากขึ้น ต้องขอบคุณสายตาอันคมกริบของกล้องฮับเบิล ปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า LFBOT(Luminous Fast Blue Optical Transient) โผล่ขึ้นมาให้เห็นในที่ๆ ไม่น่าจะพบ อยู่ห่างไกลจากกาแลคซีใดๆ มีแต่เพียงกล้องฮับเบิลที่สามารถระบุตำแหน่งของมัน และผลที่ได้ก็ทำให้นักดาราศาสตร์ยิ่งงงงันมากกว่าเดิม ในตอนแรก นักดาราศาสตร์ไม่รู้เลยว่า LFBOT เป็นอะไร การสำรวจจากฮับเบิลบอกว่าพวกเขารู้น้อยกว่าที่คิด โดยกำจัดทฤษฎีที่เป็นไปได้จำนวนหนึ่งทิ้งไป

     LFBOTs เป็นเหตุการณ์ในช่วงตาเห็นที่สว่างที่สุดชนิดหนึ่งในเอกภพ โดยโผล่มาแบบไม่คาดคิดเหมือนกับแสงไฟจากแฟลชกล้อง นับตั้งแต่ที่ถูกพบครั้งแรกในปี 2018 ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไกลออกไปราว 2 ร้อยล้านปีแสงซึ่งมีชื่อเล่นว่า The Cow(AT2018cow) ก็พบเพิ่มเติมอีกแค่จำนวนหนึ่ง โดยเฉลี่ยแล้วพบ LFBOTs ราวหนึ่งครั้งต่อปี

      หลังจากที่พบ LFBOT ล่าสุด มันก็ถูกสำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์มากมายตลอดช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีเอกซ์จนถึงคลื่นวิทยุ เหตุการณ์ที่เรียกว่า AT2023fhn(มีชื่อเล่นว่า Finch) แสดงคุณลักษณะทั้งหมดของ LFBOT กล่าวคือ มันสว่างอย่างรุนแรงในช่วงสีฟ้าและพัฒนาอย่างรวดเร็ว จนมีความสว่างสูงสุด และสลัวลงในเวลาเพียงไม่กี่วัน ซึ่งไม่เหมือนกับซุปเปอร์โนวาซึ่งใช้เวลาหลายสัปดาห์จนถึงหลายเดือนเพื่อสลัวลง

     แต่มันก็ไม่เหมือนกับ LFBOTs ใดๆ ที่เคยเห็นมา ฮับเบิลพบว่า เดอะฟินช์อยู่ระหว่างกาแลคซีสองแห่งที่อยู่ใกล้กัน คือ ราว 50,000 ปีแสงจากกาแลคซีกังหันขนาดใหญ่แห่งหนึ่ง และราว 15,000 ปีแสงจากกาแลคซีขนาดเล็กกว่าอีกแห่ง

ภาพจากฮับเบิลแสดงกาแลคซีสามแห่งบนพื้นที่ดำม่วงเข้มของอวกาศ กาแลคซีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นกังหันสีขาวฟ้าที่ใจกลางภาพ กาแลคซีขนาดเล็กกว่าอีกสองแห่งเป็นปื้นสีขาวทางซ้าย จุดสีขาวที่เป็นปริศนาโผล่ขึ้นใกล้ส่วนบนของภาพเป็นการเรืองสว่างเจิดจ้าจากวัตถุที่ไม่ทราบชนิดได้ระเบิด แต่ไม่ได้สังกัดอยู่กับกาแลคซีใดๆ เลย

      การสำรวจของฮับเบิลเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งยวด ทำให้เราตระหนักว่ามันเป็นเหตุการณ์ที่ไม่ปกติเมื่อเทียบกับเหตุการณ์อื่นๆ ที่คล้ายกัน เนื่องจากถ้าไม่มีฮับเบิล เราก็ไม่น่าจะทราบความต่าง Ashley Chrimes ผู้เขียนนำรายงานการค้นพบใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society เธอยังเป็นนักวิจัยจากองค์กรอวกาศยุโรป เดิมอยู่ที่มหาวิทยาลัยรัดบาวด์ เนเธอร์แลนด์ส

      ในขณะที่สันนิษฐานว่าการระเบิดที่น่าสนเท่ห์เหล่านี้เป็นซุปเปอร์โนวาชนิดที่พบได้ยากที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวาแบบแกนกลางยุบตัว(core-collapse supernova) เมื่อดาวขนาดยักษ์ที่เป็นซุปเปอร์โนวา มีอายุที่สั้นเพียงไม่กี่ล้านปีเท่านั้น ดังนั้นแล้ว ดาวต้นกำเนิดมวลสูงก็ไม่น่าจะมีเวลามากพอที่จะเดินทางออกไปไกลจากแหล่งที่กำเนิดหรือกระจุกดาวที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ ก่อนที่จะระเบิด LFBOTs ทั้งหมดที่พบก่อนหน้านี้ถูกพบในแขนกังหันของกาแลคซีที่กำลังมีการก่อตัวดาวเกิดขึ้น แต่ฟินช์กลับไม่ได้อยู่ในกาแลคซีใดๆ เลย

      ยิ่งเราได้เรียนรู้เกี่ยวกับ LFBOTs มากเท่าใด พวกมันก็ยิ่งสร้างความประหลาดใจให้เรามากขึ้นเท่านั้น Chrimes กล่าว ขณะนี้ เราได้แสดงว่า LFBOTs สามารถเกิดขึ้นในระยะทางที่ไกลจากใจกลางกาแลคซีที่อยู่ใกล้ที่สุด และตำแหน่งของฟินช์ก็ไม่ใช่ที่ที่เราคาดว่าจะพบซุปเปอร์โนวาชนิดใดๆ เลย

     โครงการ ZTF ซึ่งเป็นกล้องภาคพื้นดินที่มีมุมกว้างมาก ซึ่งสำรวจทั่วฟ้าซีกเหนือทุกๆ สองวัน ในวันที่ 10 เมษายน 2023 เป็นอุปกรณ์แรกที่เตือนนักดาราศาสตร์ และเมื่อพบฟินช์แล้ว นักวิจัยก็เริ่มเดินโครงการเพื่อสำรวจติดตามผลตามที่ได้วางแผนไว้ก่อนแล้ว ก็หันไปที่ว่าที่ LFBOT ที่เกิดขึ้น การสำรวจสเปคตรัมโดยกล้องเจมิไนใต้ในชิลี ได้พบว่าฟินช์มีอุณหภูมิสูงถึง 20,000 องศาเซลเซียส เจมิไนยังช่วยระบุระยะทางได้เพื่อที่จะคำนวณกำลังสว่างของมันได้ เมื่อรวมกับข้อมูลจากหอสังเกตการณ์อื่นๆ รวมทั้งกล้องรังสีเอกซ์จันทรา และเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ VLA การค้นพบก็ยืนยันว่าการระเบิดนี้แท้จริงแล้วเป็น LFBOT

ภาพจากฮับเบิลแสดงกาแลคซีสามแห่งบนพื้นที่ดำม่วงเข้มของอวกาศ กาแลคซีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นกังหันสีขาวฟ้าที่ใจกลางภาพ กาแลคซีขนาดเล็กกว่าอีกสองแห่งเป็นปื้นสีขาวทางซ้าย จุดสีขาวที่เป็นปริศนาโผล่ขึ้นใกล้ส่วนบนของภาพเป็นการเรืองสว่างเจิดจ้าจากวัตถุที่ไม่ทราบชนิดได้ระเบิด แต่ไม่ได้สังกัดอยู่กับกาแลคซีใดๆ เลย

      LFBOTs ยังอาจเป็นผลจากที่ดาวถูกหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black hole; มีมวลระหว่าง 100 ถึง 100,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์) ฉีกทึ้ง ด้วยความละเอียดที่สูงและความไวในช่วงอินฟราเรดจากกล้องเวบบ์ก็ใช้เพื่อค้นพบว่า ฟินช์ระเบิดอยู่ภายในกระจุกดาวทรงกลมแห่งหนึ่งที่กลด(halo) ส่วนนอกของหนึ่งในกาแลคซีใกล้ๆ สองแห่ง กระจุกดาวทรงกลมเป็นที่ที่น่าจะพบหลุมดำมวลปานกลางได้มากที่สุด

      ก็ยังมีความเป็นไปได้ที่มันจะเป็นผลจากการชนของดาวนิวตรอนสองดวง ซึ่งเดินทางออกไปไกลจากกาแลคซีต้นสังกัด พวกมันจะหมุนวนเข้าหากันและกันในระยะเวลาหลายพันล้านปีมีเวลาเหลือเฟือที่จะถูกดีดออกจากกาแลคซีต้นสังกัดอาจจะโดยซุปเปอร์โนวาที่ให้กำเนิดดาวนิวตรอน การชนลักษณะนี้จะสร้างกิโลโนวา(kilonova) ซึ่งเป็นการระเบิดที่ทรงพลังมากกว่าซุปเปอร์โนวาทั่วไปราว 1 พันเท่า อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีทางเลือกหนึ่งได้บอกว่า ถ้าหนึ่งในดาวนิวตรอนนั้นมีความเป็นแม่เหล็กรุนแรงมากที่เรียกว่า ดาวแม่เหล็ก(magnetar) ก็อาจจะเร่งพลังการระเบิดขึ้นไปอีก 100 เท่า

     การค้นพบนี้ได้สร้างคำถามมากกว่าที่มันตอบ Chrimes กล่าว ยังคงต้องทำงานอีกมากเพื่อระบุว่าคำอธิบายที่เป็นไปได้อันใดที่ถูกต้อง เนื่องจากเหตุการณ์ชั่วคราวทางดาราศาสตร์(astronomical transients) สามารถโผล่มาได้ทุกที่ทุกเวลา และหายไปในเวลาแทบจะพริบตา นักวิจัยจึงต้องพึ่งพาการสำรวจพื้นที่กว้างซึ่งสามารถจับตาดูพื้นที่ขนาดใหญ่บนท้องฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง เพื่อค้นหาพวกมันและส่งสัญญาณเตือนหอสังเกตการณ์แห่งอื่นๆ เพื่อสำรวจติดตามผล

     ยังคงต้องการตัวอย่างอีกมากเพื่อที่จะเข้าใจปรากฏการณ์ประหลาดนี้ให้ดีขึ้น กล้องโทรทรรศน์สำรวจทั่วฟ้าที่จะเกิดขึ้นอย่าง หอสังเกตการณ์รูบิน(Vera C. Rubin Observatory) อาจจะตรวจพบเพิ่มเติมอีก

แหล่งข่าว hubblesite.org : NASA’s Hubble finds bizarre explosion in unexpected place   
                iflscience.com : strange rare star explosion spied by Hubble where it shouldn’t be

กล้องเวบบ์สำรวจดาวที่หายไปในปี 2009

 

การสำรวจดาวต้นกำเนิด N6946-BH1 จากกล้องฮับเบิลก่อน(ซ็าย) และหลัง(ขวา) จากดาวหายไป 

     ในปี 2009 ดาวฤกษ์ยักษ์ที่มีมวล 25 เท่าดวงอาทิตย์หายวับไป แน่นอนว่ามันไม่ได้หายไปเฉยๆ มันเคยผ่านช่วงเวลาที่สว่างขึ้น มีกำลังสว่างเพิ่มขึ้นถึง 1 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ ราวกับว่ามันพร้อมที่จะระเบิดกลายเป็นซุปเปอร์โนวาแล้ว จากนั้นมันก็สลัวลงแทนที่จะระเบิด และเมื่อนักดาราศาสตร์พยายามหาดาวโดยใช้ LBT(Large Binocular Telescope), กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและสปิตเซอร์ ก็มองไม่เห็นอะไรเลย

     ขณะนี้คิดกันว่าดาวซึ่งเรียกกันในชื่อว่า N6946-BH1 เป็นซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลว(failed supernova) BH1 ในชื่อของมันก็เป็นเพราะความจริงที่ว่านักดาราศาสตร์คิดว่าดาวได้ยุบตัวกลายเป็นหลุมดำโดยตรง แทนที่จะเกิดซุปเปอร์โนวา สิ่งที่เรารู้แน่ๆ ก็คือ มันสว่างขึ้นเป็นช่วงเวลาหนึ่ง จากนั้นก็สลัวเกินกว่าที่กล้องของเราจะสำรวจมันได้ แต่ตอนนี้ได้เปลี่ยนไปแล้วต้องขอบคุณกล้องเวบบ์

     การศึกษาใหม่ซึ่งเผยแพร่บนเวบ arXiv วิเคราะห์ข้อมูลจากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) และเครื่องมืออินฟราเรดกลาง(MIRI) ของเวบบ์ ได้แสดงแหล่งอินฟราเรดที่สว่างแห่งหนึ่ง ซึ่งดูเหมือนจะเป็นซากเปลือกฝุ่นที่ล้อมรอบตำแหน่งของดาวฤกษ์ต้นกำเนิด นี่อาจจะสอดคล้องกับแนวคิดว่าวัสดุสารถูกดาวผลักออกมาเมื่อมันสว่างขึ้นอย่างรวดเร็ว มันยังอาจจะเป็นแสงเรืองอินฟราเรดจากวัสดุสารที่กำลังตกลงสู่หลุมดำก็ได้ ซึ่งเป็นไปได้น้อยกว่า

ภาพแสดงว่าซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลวเหตุการณ์หนึ่งจะกลายเป็นหลุมดำได้อย่างไร

      ที่น่าประหลาดใจก็คือ ทีมยังพบวัตถุไม่ใช่แค่หนึ่งแต่ถึงสาม ซึ่งทำให้แบบจำลองซุปเปอร์โนวาเป็นไปได้น้อยลงไปอีก การสำรวจ N6946-BH1 ก่อนหน้านี้ พบการเกลี่ยรวมแหล่งทั้งสามเนื่องจากความละเอียดไม่สูงพอที่จะแยกแยะพวกมันออกจากกัน ดังนั้น แบบจำลองที่เป็นไปได้มากกว่าก็คือ สภาพที่ดาวสว่างขึ้นในปี 2009 เกิดขึ้นจากการควบรวมของดาว สิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นดาวมวลสูงที่สว่างดวงหนึ่ง แท้จริงแล้วเป็นระบบดาวที่สว่างขึ้นเมื่อดาว 2 ดวงควบรวมกัน จากนั้นก็สลัวลง

     ในขณะที่ข้อมูลโน้มเอียงไปทางแบบจำลองการควบรวม แต่ก็ยังกำจัดแบบจำลองซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลวทิ้งไม่ได้ และนี่ก็ทำให้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับซุปเปอร์โนวาและหลุมดำมวลดวงดาว(stellar mass black holes) ยิ่งซับซ้อนมากขึ้น เราทราบจากการควบรวมของหลุมดำที่สำรวจโดย LIGO และหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงแห่งอื่นๆ ว่า หลุมดำมวลดวงดาวนั้นมีอยู่จริง และพบได้ค่อนข้างทั่วไป

     ดังนั้นแล้ว ดาวมวลสูงบางดวงก็กลายเป็นหลุมดำ แต่ว่าพวกมันจะระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาก่อนหรือไม่ก็ยังคงเป็นคำถามอยู่ ซุปเปอร์โนวาปกติอาจมีมวลเศษซากมากพอที่จะกลายเป็นหลุมดำได้ แต่มันยากที่จะจินตนาการว่าหลุมดำมวลดวงดาวที่มีขนาดใหญ่ที่สุดจะสามารถก่อตัวขึ้นหลังจากเกิดซุปเปอร์โนวา ได้อย่างไร

ภาพ BH1 จากกล้องเวบบ์ที่แสดงแหล่งแสง 3 แห่ง

     N6946-BH1 อยู่ในกาแลคซีแห่งหนึ่งที่อยู่ห่างออกไป 22 ล้านปีแสง ดังนั้น ความจริงที่กล้องเวบบ์สามารถแยกแยะแหล่งแสงหลายแห่งออกจากกันได้จึงเป็นสิ่งที่น่าประทับใจ มันยังให้ความหวังแก่นักดาราศาสตร์ว่าจะสามารถสำรวจดาวลักษณะคล้ายๆ กันในเวลาจริงได้ เมื่อมีข้อมูลมากขึ้น เราก็น่าจะสามารถแยกแยะระหว่างแบบจำลองการควบรวมดาวและซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลวได้ ซึ่งจะช่วยให้เราเข้าใจสถานะสุดท้ายของดาวเมื่อพวกมันใกล้จะกลายเป็นหลุมดำมวลดวงดาว

แหล่งข่าว phys.org : astronomers watched a massive star disappear. JWST might have some answers
                sciencealert.com : in 2009, a massive star vanished. JWST might have figured out what happened.

ทางช้างเผือกมีมวลรวมสองแสนล้านเท่าดวงอาทิตย์

 

ดาวเทียมไกอาทำแผนที่ตำแหน่งในแบบสามมิติและความเร็วของดาวฤกษ์หลายล้านดวงในทางช้างเผือก

      ต้องขอบคุณบัญชีรายชื่อล่าสุดจากดาวเทียมไกอาขององค์กรอวกาศยุโรป ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติที่นำโดยหอสังเกตการณ์ปารีส ได้บรรลุถึงการตรวจสอบมวลทางช้างเผือกที่เที่ยงตรงที่สุดเท่าที่เคยทำมา การศึกษาเปิดคำถามใหม่ๆ ในทางเอกภพวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณของสสารมืดที่มีในทางช้างเผือกของเรา

     มวลรวมของทางช้างเผือกนั้นประเมินว่ามีเพียง 2 แสนล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์(2.06 *10^11 มวลดวงอาทิตย์) การตรวจสอบใหม่ทำให้ประเมินการก่อนหน้านี้ลดลงอย่างมากราว 4 ถึง 5 เท่า ค่าใหม่ที่ได้มาจากการเผยแพร่ข้อมูลบัญชีรายชื่อไกอาในปี 2022 ซึ่งให้ข้อมูลดาวราว 1.8 พันล้านดวงอย่างครบถ้วน ทั้งตำแหน่งแบบสามมิติและความเร็วแบบสามมิติ

      ด้วยการใช้ข้อมูลจากไกอา นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถสร้างกราฟการหมุนรอบตัว(rotation curve) ที่เที่ยงตรงที่สุดเท่าที่ทำได้กับกาแลคซีกังหันแห่งหนึ่ง ในกรณีนี้เป็นกาแลคซีของเราเอง กราฟซึ่งตรวจสอบความเร็วของดาวในกาแลคซีเทียบกับระยะทางจากใจกลางกาแลคซี ความเร็วที่ดาวโคจรจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณมวลภายในวงโคจรของดาว จากกราฟการโคจร ก็ทำแผนที่สัดส่วนมวลเทียบกับรัศมี และระบุมวลของมันได้

     ก่อนการมีไกอา การหากราฟการหมุนรอบตัวของทางช้างเผือกเป็นเรื่องที่ท้าทาย ไม่เหมือนกับกรณีกังหันอื่นๆ เช่น กาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda galaxy) ความท้าทายนี้มาจากตำแหน่งของเราเองภายในทางช้างเผือก ซึ่งทำให้เป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกแยะการเคลื่อนที่และระยะทางของดาวในดิสก์กาแลคซี

ตัวอย่างกราฟการหมุนรอบตัว(rotation curve) ของกาแลคซีไทรแองกูลัม(Triangulum galaxy; M33) ซึ่งเป็นกาแลคซีกังหันที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นอันดับสามในกลุ่มท้องถิ่น(Local Group) รองจาก กาแลคซีอันโดรเมดา(Andromeda) และทางช้างเผือก 

      ในการศึกษาที่เผยแพร่วันที่ 27 กันยายน 2023 ในวารสาร Astronomy and Astrophysics นักวิทยาศาสตร์พบว่ากราฟการหมุนรอบตัวของทางช้างเผือกนั้นไม่เหมือนกราฟทั่วไป กล่าวคือ ไม่เหมือนกับกราฟที่ได้จากกาแลคซีกังหันขนาดใหญ่แห่งอื่นๆ เนื่องจากมันไม่ราบเรียบ เมื่อที่ชายขอบดิสก์ของกาแลคซี กราฟจะเริ่มดิ่งลงอย่างรวดเร็ว เป็นไปตามการทำนายที่เรียกว่าการถดถอยเคปเลอร์(Keplerian decline)

      เมื่อได้กราฟการหมุนรอบตัวของทางช้างเผือกที่แสดงการถดถอยเคปเลอร์ จะช่วยให้ทีมระบุมวลขั้นสูงของทางช้างเผือกได้(ที่ 5.4 แสนล้านเท่าดวงอาทิตย์) แต่ค่ามวลที่สอดคล้องกับข้อมูลที่สุดอยู่ที่ราว 2 แสนล้านเท่า มวลใหม่ก็สร้างปัญหาให้กับกรอบแนวคิดทางเอกภพวิทยา ในทางเป็นจริงแล้ว หนึ่งในการค้นพบครั้งใหญ่ของดาราศาสตร์สมัยใหม่ก็คือ เมื่อตระหนักได้ว่าความเร็วการหมุนรอบตัวของดิสก์ขนาดใหญ่ของกาแลคซีกังหันนั้น เร็วกว่าที่คาดไว้จากการถดถอยเคปเลอร์อย่างมาก

     ในทศวรรษ 1970 นักดาราศาสตร์ Vera Rubin ใช้การสำรวจก๊าซที่แตกตัวเป็นประจุ และ Albert Bosma ซึ่งศึกษาก๊าซเป็นกลาง ได้แสดงว่าความเร็วการหมุนรอบตัวของกังหันจะคงที่ แม้กระทั่งในส่วนที่เลยดิสก์ที่ตาเห็นได้ออกไป ผลที่ตามมาทันทีของการค้นพบครั้งนั้นก็คือ สัดส่วนการมีสสารมืดที่กระจายในกลดที่ล้อมรอบดิสก์ของกาแลคซีกังหันน่าจะมีมากกว่าสสารปกติที่ 5-6 เท่า ถ้าไม่มีสสารมืด กราฟการหมุนรอบตัวก็น่าจะมีการถดถอยเกิดขึ้น ซึ่งบอกถึงการขาดแคลนสสารจำนวนมากที่อยู่เลยดิสก์ที่ตามองเห็นได้ออกไป

Rotation curve ของทางช้างเผือกที่ได้จากข้อมูลไกอา แสดงกราฟที่มีการถดถอยเคปเลอร์(Keplerian decline)

      ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งก็คือ ต้องมีการประเมินการตรวจสอบกาแลคซีกังหันแห่งอื่นซะใหม่ โครงการไกอานั้นแตกต่างอย่างมากกับวิธีที่เราใช้ตรวจสอบกาแลคซีแห่งอื่นๆ อีกคำอธิบายก็คือ ทางช้างเผือกแค่มีสสารมืดน้อยกว่ากาแลคซีอื่นๆ กาแลคซีกังหันโดยเฉลี่ยแล้วจะชนกับกาแลคซีอื่นที่มีขนาดใกล้เคียงกันทุกๆ 6 พันล้านปี การชนครั้งสุดท้ายของทางช้างเผือกเกิดขึ้นเมื่อ 9 พันล้านปีก่อน

แหล่งข่าว phys.org : the revisited mass of the Milky Way is much smaller than expectations from cosmology  
                sciencealert.com : our galaxy could be only half as heavy as we once thought
                iflscience.com : Milky Way weighs less than we thought- and it’s missing dark matter  

หลุมดำของ M87 กำลังหมุนรอบตัว

 

ภาพจากศิลปินสมมุติให้แกนการหมุนรอบตัวของหลุมดำจะเรียงในแนวตั้ง ทิศทางของไอพ่นเกือบจะตั้งฉากกับดิสก์ การเอียงของแกนการหมุนรอบตัวของหลุมดำ กับแกนการหมุนของดิสก์ เหนี่ยวนำให้เกิดการควงส่าย(precession) ของดิสก์และไอพ่น

     เพื่อจับภาพหลุมดำภาพแรกให้ได้ นักวิจัยต้องสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่พอๆ กับโลก เพื่อปะติดปะต่อข้อมูลจากหอสังเกตการณ์ทั่วทั้งโลกเข้าด้วยกัน และเมื่อภาพเลือนเรืองสว่างภาพนี้ได้เผยแพร่ออกมาในปี 2019 ก็ได้กลายเป็นพาดหัวข้อหนังสือพิมพ์แทบทุกฉบับ

     ขณะนี้ หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) แห่งเดียวกันนี้ ซึ่งอยู่ที่ใจกลางของกาแลคซีแห่งหนึ่งที่มีชื่อว่า Messier 87 ก็ยอมคายความลับของมันออกมาเพิ่มเติม การวิเคราะห์การสำรวจที่กินเวลา 22 ปีจากแกนกลางของ M87 ได้ยืนยันว่าหลุมดำของกาแลคซีแห่งนี้กำลังหมุนรอบตัว

     หลังจากประสบความสำเร็จในการถ่ายภาพเงาของหลุมดำในกาแลคซีแห่งนี้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์(Event Horizon Telescope) แต่ว่าหลุมดำแห่งนี้กำลังหมุนรอบตัวอยู่หรือไม่ ก็ได้กลายเป็นหัวข้อใหญ่ในใจนักวิทยาศาสตร์ Kazuhiro Hada นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และผู้เขียนร่วมจากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งชาติญี่ปุ่น กล่าว ขณะนี้ก็เป็นที่แน่ชัดว่า หลุมดำปีศาจแห่งนี้กำลังหมุนรอบตัวจริงๆ

ภาพหลุมดำภาพแรกที่เผยแพร่ในปี 2019 โดย EHT

     M87 มีความน่าสนใจเป็นพิเศษเมื่อมันอยู่ห่างออกไปเพียง 54 ล้านปีแสงเท่านนั้น ซึ่งใกล้กว่ากาแลคซีอื่นๆ อย่างมาก มันเป็นเป้าหมายในการดูดาวมาหลายร้อยปี M87 ถูกสำรวจครั้งแรกในปี 1781 โดย Charles Messier เมื่อเขาหันกล้องโทรทรรศน์ไปที่กาแลคซีแห่งหนึ่งในกลุ่มดาวหญิงสาว(Virgo) และบันทึกวัตถุนี้ตามบัญชีรายชื่อของเขา Messier 87 หลุมดำของ M87 เป็นหลุมดำที่ถูกศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุด ด้วยมวล 6.5 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ก็ยังไม่ใช่หลุมดำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่เราพบ แต่ก็ใหญ่กว่าหลุมดำของทางช้างเผือกอย่างมากมาย

     ด้วยการใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุมากกว่า 20 ตัวจากทั่วโลก นักวิจัยได้วิเคราะห์การสำรวจ 170 แห่งที่ทำกับ M87 ตั้งแต่ปี 2000 จนถึง 2022 แน่นอนว่านักวิจัยไม่สามารถสำรวจสิ่งใดๆ ก็ตามที่อยู่ภายในขอบฟ้าสังเกตการณ์ได้ เมื่อแรงโน้มถ่วงของหลุมดำนั้นรุนแรงอย่างมากจนกระทั่งแสงก็ถูกคุมขังไว้ แต่ก็สามารถตามรอยไอพ่นลำมหึมาของหลุมดำได้ ซึ่งมีความกว้าง 4900 ปีแสง และ “ดูเหมือน” จะเคลื่อนที่เร็วกว่าความเร็วแสงเกือบ 5 เท่าอันเป็นผลจากภาพลวงตาที่เรียกว่า superluminal motion

ภาพอธิบายเส้นแรงสนามแม่เหล็กของหลุมดำ

    ไอพ่นนี้ถูกพบครั้งแรกในปี 1918 โดยนักดาราศาสตร์ Heber Curtis แต่ก็มีชื่อเสียงเมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้จับภาพมันไว้ นักวิทยาศาสตร์ไม่แน่ใจว่าไอพ่นทรงพลังเหล่านี้ถูกสร้างได้อย่างไร แต่คิดว่าการแผ่รังสีและอนุภาคถูกฟั่นควงไปตามเส้นแรงสนามแม่เหล็กของหลุมดำ นักวิจัยได้พบว่าหลุมดำที่ใจกลาง M87 นั้นเปลี่ยนมุมไอพ่นอย่างช้าๆ ราว 10 องศา และจากนั้นก็ส่ายกลับมาสู่ตำแหน่งเดิมอีกครั้ง วัฏจักรนี้ใช้เวลาราว 11 ปี

     จากการเปลี่ยนแปลงความเอียงของไอพ่น นักวิจัยก็สามารถระบุการมีอยู่ของหลุมดำที่กำลังหมุนรอบตัวได้ หลุมดำที่หมุนรอบตัวจะลากกาลอวกาศรอบๆ มันไปตามแกนการหมุนรอบตัว ในปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า การลากกรอบ(frame-dragging) ตามการทำนายจากสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เป็นสาเหตุให้ดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ซึ่งเป็นส่วนฐานของไอพ่นส่ายตะแคงไป

     เนื่องจากการเอียงระหว่างหลุมดำกับดิสก์นั้นค่อนข้างน้อย และคาบการควงส่าย(precession) อยู่ที่ราว 11 ปี การสะสมข้อมูลความละเอียดสูงที่ตามรอยโครงสร้างของ M87 กว่าสองทศวรรษ และการวิเคราะห์อย่างปรุโปร่ง จึงมีความสำคัญในการบรรลุถึงเป้าหมายนี้ Cui Yuzhu ผู้นำทีม นักวิจัยหลังปริญญาเอกด้านดาราศาสตร์จากห้องทดลองเจ๋อเจียง สถาบันวิจัยในหางโจว และผู้เขียนร่วม กล่าว ทีมได้ซ้อนภาพ 164 ภาพ รวมทั้งปรับเกลี่ยความแปรผันใดๆ ที่เกิดจากความไม่เสถียรของไอพ่นในช่วงเวลาสั้นกว่าหนึ่งปี เมื่อหลุมดำที่มีขนาดใหญ่อย่างนี้ และไอพ่นที่มันสร้างขึ้นมานั้นมหึมาจนไม่น่ามีแรงภายนอกใดๆ มาเป็นสาเหตุให้ไอพ่นหมุนควงได้ ดังนั้นการเคลื่อนที่จะต้องเป็นผลจากหลุมดำเอง

หลุมดำที่ใจกลางของกาแลคซี M87 มีไอพ่นที่ส่ายราว 10 องศา(relative dec. ย่อมาจาก relative declination ซึ่งเป็นมุมการเอียง)

     คิดกันว่าหลุมดำเกือบทุกแห่งหมุนรอบตัวด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง และหลุมดำบางแห่งก็แสดงพฤติกรรมเช่นนั้นแล้ว หลุมดำแห่งหนึ่งซึ่งอยู่ที่ใจกลางกาแลคซี NGC 1365 ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 60 ล้านปีแสง ในปี 2013 ได้แสดงว่ามันกำลังหมุนรอบตัวด้วยความเร็ว 84% ความเร็วแสง และในปี 2019 ด้วยการใช้รูปแบบจังหวะรังสีเอกซ์ นักวิทยาศาสตร์ก็บอกได้ว่าหลุมดำอีกแห่งกำลังหมุนรอบตัวที่ 50% ความเร็วแสง

      เพราะเหตุใด หลุมดำจึงหมุนรอบตัวเร็วมากๆ เมื่อวัสดุสารยุบตัวลงสู่ภาวะเอกฐาน(singularity) หรือหลุมดำ มันก็มีความหนาแน่นสูงสุดขั้วในขณะที่มีปริมาตรเพียงจุด แต่มันก็ยังสงวนโมเมนตัมเชิงมุมไว้ ถ้าวัสดุสารมาจากดาวที่กำลังหมุนรอบตัว ความเร็วการหมุนรอบตัวก็ควรจะเพิ่มขึ้นเมื่อเกิดการบีบอัดตัวลงมา เหมือนกับที่นักสเกตน้ำแข็งหมุนเร็วขึ้นเมื่อเก็บแขนเข้ามา

ภาพ M87 และไอพ่นโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

      ผู้เขียนบอกว่ามีการสืบสวนเพื่อหาการควงส่ายคล้ายๆ กันกับหลุมดำมวลมหาศาลแห่งอื่นๆ แต่ก็ยังไม่พบอะไรเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม พวกเขาชี้ว่าถ้าการเคลื่อนที่มีน้อยกว่า หรือคาบควงส่ายยาวกว่า ก็น่าจะตรวจจับได้ยากกว่า ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลต้องสงสัยว่า การหมุนรอบตัวของหลุมดำเป็นเรื่องปกติ รายงานนี้เผยแพร่ใน Nature

แหล่งข่าว sciencealert.com – it’s official: the M87 black hole is spinning
                iflscience.com – wobbling jet provides first confirmation black holes spin
                phys.org – monitoring of radio galaxy M87 confirms black hole spin   

น้ำแข็งในหลุมอุกกาบาตดวงจันทร์อาจมีปริมาณน้อยกว่าที่เคยคิดไว้

 

ภาพถ่ายหลุมอุกกาบาตที่รอยต่อกลางวัน-กลางคืน(termination) บนดวงจันทร์ จากวงโคจรในช่วงปฏิบัติการ
อพอลโล 12

     แต่เราอาจจะต้องกลับมาคิดใหม่กับการพึ่งพาแหล่งน้ำบนดวงจันทร์ เมื่อการวิเคราะห์หลุมอุกกาบาตดวงจันทร์งานใหม่บอกว่า รอยปุปะบนพื้นผิวดวงจันทร์เหล่านี้อาจจะมีอายุน้อยเกินกว่าจะเก็บรักษาแหล่งน้ำแข็งโบราณได้ ในความเป็นจริงคือ หลุมเกือบทั้งมหดที่มีส่วนที่อยู่ในเงามืดถาวรซึ่งเป็นเป้าหมายหลักสำหรับนักสำรวจดวงจันทร์ในอนาคตนั้น มีอายุน้อยกว่า 2.2 พันล้านปี

      Norbert Schörghofer จากสถาบันวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ในสหรัฐฯ และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Raluca Rufu จากสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์ บอกว่าการค้นพบเหล่านี้เปลี่ยนการทำนายตำแหน่งที่เราน่าจะพบน้ำแข็งบนดวงจันทร์ และมันยังเปลี่ยนประมาณการจำนวนน้ำแข็งบนดวงจันทร์ไปอย่างมากมายด้วย ไม่น่ามีแหล่งน้ำแข็งโบราณอีกแล้ว

      เราทราบว่ามีน้ำบนดวงจันทร์ แต่สิ่งที่เราต้องการจะรู้ก็คือมีน้ำอยู่มากแค่ไหน และซ่อนอยู่ที่ใด ในช่วงไม่กี่ปีนี้ นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบพื้นที่ในเงามืดถาวร(PSRs; permanently shadowed regions) เช่น ในหลุมอุกกาบาตลึก ในพื้นที่อื่นๆ แสงอาทิตย์อาจจะทำให้น้ำอุ่นขึ้นและระเหยไป ยกเว้นแต่ใน “กับดักความเย็น” ใน PSRs ซึ่งอุณหภูมิแทบไม่เคยเกิน -163 องศาเซลเซียสเลย จึงคิดว่าน่าจะยังมีน้ำแข็งหลงเหลืออยู่ และสะสมไว้อาจจะตลอดหลายพันล้านปี การประเมินได้บอกว่าหลุมเหล่านี้อาจมีปื้นน้ำแข็งที่หนาได้ถึงหลายเมตร

      อย่างไรก็ตาม การประเมินเหล่านั้นต้องใช้การสะสมในเวลาหลายพันล้านปี และก็ดูเหมือน PSRs ไม่ได้ถูกปกป้องจากดวงอาทิตย์ได้นานพอที่จะมีการสะสมแบบนั้น

     การค้นพบนี้ดำเนินรอยตามรายงานฉบับหนึ่งที่เผยแพร่เมื่อหนึ่งปีทีแล้ว ซึ่งนักวิจัยทีมหนึ่งอยากจะไขความแตกต่างระหว่างอัตราที่ดวงจันทร์ถอยห่างจากโลก(3.8 เซนติเมตรต่อปี) กับอายุของดวงจันทร์(4.5 พันล้านปี) พูดง่ายๆ คือ ตัวเลขทั้งสองไม่สอดรับกัน ทีมพบว่ากำทอน(resonance) ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ น่าจะทำให้อัตราการถอยของดวงจันทร์มีการเปลี่ยนแปลง แบบจำลองยังบอกถึงการเปลี่ยนการเรียงตัวของแกนการหมุนรอบตัวดวงจันทร์ด้วย

แผนที่หลุมอุกกาบาตในเงามืดถาวรที่ขั้วใต้ดวงจันทร์ และทำการประเมินเวลาที่พวกมันซ่อนอยู่จากแสงอาทิตย์ใหม่อีกครั้ง

     เมื่อผมได้เห็นผลสรุปเหล่านี้ ก็ตระหนักในทันทีว่ามันส่งนัยยะต่อการสำรวจหาน้ำแข็งบนดวงจันทร์ Schörghofer กล่าว ผมวางทุกๆ อย่างที่กำลังทำ และก็เริ่มทำงานนี้ ด้วยความช่วยเหลือจากผู้เขียนร่วมของผม Raluca Rufu

      ในช่วงต้นของความเป็นมาของระบบสุริยะ เมื่อกว่า 3.8 พันล้านปีก่อน นักวิทยาศาสตร์คิดว่าระบบสุริยะส่วนในถูกระดมชนด้วยดาวหางและดาวเคราะห์น้อย ดาวพุธ, ดาวศุกร์, โลก และดาวอังคารทั้งหมดถูกชนในช่วงการระดมชนอย่างหนักครั้งหลัง(Late Heavy Bombardment) และแน่นอนว่า ดวงจันทร์ก็โดนด้วย จากการชนและกิจกรรมภูเขาไฟบนดวงจันทร์ที่ยังคุกรุ่น น่าจะทำให้น้ำจากภายในดวงจันทร์ระเหยออกมา ถ้ามี PSRs อยู่ในช่วงเวลาดังกล่าว ก็น่าจะดักเก็บน้ำทั้งหมดไว้ก็ได้

     อย่างไรก็ตาม จากแบบจำลองล่าสุดว่าด้วยการเรียงตัวของแกนการหมุนรอบตัวดวงจันทร์ใหม่(reorientation of the Moon’s spin-axis) และวิวัฒนาการระยะทางโลก-ดวงจันทร์ PSRs เพิ่งเกิดเมื่อไม่นานมานี้ นี่หมายความว่า น้ำแข็งใดๆ ที่มีที่นั่นจะต้องมีอายุไม่เก่าแก่ด้วย Schörghofer กล่าวว่า เราตัดสินได้แล้วว่า PSRs ดวงจันทร์แท้จริงแล้วมีอายุน้อยแค่ไหน อายุเฉลี่ยของ PSRs เกือบทั้งหมดอยู่ที่ 1.8 พันล้านปี จึงไม่มีแหล่งน้ำแข็งโบราณบนดวงจันทร์เลย

      นี่ส่งนัยสำคัญพอสมควรต่อปฏิบัติการดวงจันทร์ในอนาคต ปฏิบัติการนักบินอวกาศ อาร์เทมิส 3(Artemis III) ของนาซากำลังเลือกพื้นที่ลงจอด โดยอ้างอิ่งส่วนหนึ่งจากความใกล้กับ PSRs แต่ถ้าเป็นแบบนี้ การค้นพบก็น่าจะเป็นข่าวดี ซึ่งเราได้พบหลักฐานน้ำแข็งใน PSRs แล้ว ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ทราบว่า PSRs เก่าแก่น่าจะมีน้ำอยู่มากกว่า PSRs อายุน้อยกว่า แค่ค้นหาว่าหลุมแห่งใดมีอายุเก่าแก่กว่าก็น่าจะช่วยตีวงพื้นที่ลงจอดของปฏิบัติการดวงจันทร์ในอนาคตให้แคบลงได้ การค้นพบนี้เผยแพร่ใน Science Advances

แหล่งข่าว sciencealert.com : the Moon’s craters might contain far less ice than we hoped