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