วัตถุปริศนาซึ่งอาจเป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดหรือหลุมดำที่เบาที่สุด

 

ภาพจากศิลปินแสดงสภาพที่น่าจะเป็นในระบบถ้าวัตถุที่พบใหม่เป็นหลุมดำ

     ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้พบวัตถุใหม่ที่ไม่ทราบชนิดในทางช้างเผือก ซึ่งหนักกว่าดาวนิวตรอนมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบ แต่ในขณะเดียวกันก็ยังเบากว่าหลุมดำที่เบาที่สุดเท่าที่เคยพบด้วย

     วัตถุปริศนานี้น่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้ตัดสินใจลากเส้นแบ่งระหว่างดาวนิวตรอนและหลุมดำได้ดีขึ้น ซึ่งวัตถุทั้งสองชนิดต่างก็ถือกำเนิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มวลสูงตายลง ไม่ว่าความเป็นไปจะเป็นในทางใดก็น่าตื่นเต้นทั้งนั้น Ben Stappers ผู้นำทีมและศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ กล่าวในแถลงการณ์ งานวิจัยนำทีมโดย Ewan Barr และ Arunima Dutta นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่สถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์วิทยุ  

     ด้วยการใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุเมียร์แคท(MeerKAT) นักดาราศาสตร์จากหลากหลายสถาบัน รวมทั้งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ และสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์วิทยุ ในเจอรมนี ได้พบวัตถุดวงหนึ่งในวงโคจรรอบพัลซาร์ที่หมุนรอบตัวเร็วมากดวงหนึ่ง ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 4 หมื่นปีแสง ในกลุ่มของดาวที่อยู่กันอย่างหนาแน่นที่เรียกว่า กระจุกดาวทรงกลม(globular cluster)

     ด้วยการใช้สัญญาณที่แม่นยำราวนาฬิกาจากพัลซาร์เสี้ยววินาที(millisecond pulsar) นี้ ก็แสดงว่าวัตถุข้างเคียงมวลสูงนี้อยู่ในช่องว่างมวลหลุมดำ ระบบพัลซาร์-หลุมดำ จะเป็นเป้าหมายทีสำคัญในการทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วง และดาวนิวตรอนมวลสูงก็จะให้แง่มุมใหม่ๆ สู่ฟิสิกส์นิวเคลียสในระดับที่มีความหนาแน่นสูงมากๆ Stappers กล่าว

กระจุกดาวทรงกลม NGC 1851

     ในขณะที่ระบบคู่ที่มีดาวนิวตรอนสองดวงน่าจะสร้างความประทับใจแล้ว แต่ถ้าวัตถุปริศนาเป็นหลุมดำ นี่ก็จะทำให้ระบบแห่งนี้เป็นพัลซาร์วิทยุ-หลุมดำ ต้องขอบคุณสัญญาณที่เที่ยงตรงมากๆ จากพัลซาร์ซึ่งใช้เป็นกลไกบอกเวลา และอิทธิพลแรงโน้มถ่วงรุนแรงจากหลุมดำ ระบบแห่งนี้จะถูกศึกษาอย่างเข้มข้นเพื่อทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในปี 1915 ของไอน์สไตน์

    พัลซาร์ซึ่งมีชื่อว่า PSR J0514+4002E ถูกพบผ่านจังหวะคลื่นวิทยุแผ่วๆ ที่มันส่งออกมาเมื่อสัญญาณกวาดผ่านโลก เมื่อดาวนิวตรอนนี้หมุนรอบตัวเร็วถึง 170 รอบต่อวินาที ก็เสมือนเป็นประภาคารในอวกาศ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในจังหวะที่สม่ำเสมออย่างมาก ช่วยให้นักวิจัยได้พบว่าพัลซาร์ มีวัตถุข้างเคียงในวงโคจรที่มีความหนาแน่นสูงอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งหมายความว่า มันเป็นซากของแกนกลางดาวมวลสูงที่ยุบตัวลง

     ทีมได้พบว่าพัลซาร์และวัตถุปริศนาอยู่ห่างจากกัน 8 ล้านกิโลเมตร หรือราว 0.05 เท่าระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ และโคจรรอบกันและกันทุกๆ 7 วันโลก วัตถุในวงโคจรมีมวลสูงกว่าดาวนิวตรอนใดๆ ที่เคยพบ แต่ก็ยังเบากว่าหลุมดำใดๆ ที่เคยพบมาด้วย ทำให้มันอยู่ในช่องว่างมวลหลุมดำ(black hole mass gap) พอดี

      ทั้งดาวนิวตรอนและหลุมดำถือกำเนิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มวลสูงถึงจุดจบของชีวิตเมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เพื่อการหลอมนิวเคลียส(nuclear fusion) หมดลงและไม่สามารถต้านทานการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงได้ แกนกลางของดาวยุบตัวลงในขณะที่ชั้นส่วนนอกก็ถูกเป่าออกมาในการระเบิดซุปเปอร์โนวา ที่ปลายด้านเบาของตาชั่ง การยุบตัวของแกนกลางถูกหยุดยั้งโดยคุณสมบัติควอนดัมจากทะเลของนิวตรอนที่มี(แรงดันนิวตรอนเสื่อมถอย; neutron degeneracy pressure) และมันก็กลายเป็นดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นซากที่มีมวลระหว่าง 1 ถึง 2 เท่ามวลดวงอาทิตย์โดยมีความกว้างราว 20 กิโลเมตรเท่านั้น

ช่องว่างมวลระหว่างดาวนิวตรอน และหลุมดำ 

      อย่างไรก็ตาม เหนือจากค่ามวลค่าหนึ่ง แรงดันควอนตัมจากนิวตรอนผลักกันจะไม่สามารถค้ำจุนวัตถุได้ แกนกลางจะยุบตัวลงอย่างสิ้นเชิงและกลายเป็นหลุมดำ ดาวนิวตรอนเองก็อาจมีมวลสูงกว่าค่ามวลขีดจำกัดนี้ได้เช่นกัน และจะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำถ้ามันมีดาวข้างเคียงที่จะสามารถขโมยมวลสารออกมา เพื่อเพิ่มมวลของตัวมันเองได้

      นักดาราศาสตร์คิดว่าถ้าแกนกลางมีมวลเกิน 2.2 เท่าดวงอาทิตย์ หลังจากสูญเสียเปลือกก๊าซชั้นนอกๆ ออกมา ก็น่าจะหนักพอที่จะให้กำเนิดหลุมดำขึ้น ปัญหาก็คือ หลุมดำเบาที่สุดที่เราเคยสำรวจพบมามีมวลที่ราว 5 เท่าดวงอาทิตย์ การหายไปของหลุมดำที่มีมวลระหว่าง 2.2 ถึง 5 เท่าดวงอาทิตย์ ได้กลายเป็น ช่องว่างมวลหลุมดำ และมันก็สร้างข้อสงสัยให้กับขีดจำกัดมวลขั้นสูงของดาวนิวตรอนที่ 2.2 เท่าดวงอาทิตย์ด้วย

     Stappers และเพื่อนร่วมงานได้พบวัตถุซึ่งอาจเป็นกุญแจสู่การไขปริศนานี้ และปิดช่องว่างมวลหลุมดำได้ในขณะที่ใช้กล้องเมียร์แคท เพื่อศึกษากระจุกทรงกลม NGC 1851 ซึ่งอยู่ในกลุ่มดาวนกเขา(Columba) ดาวในกระจุกดาวโบราณแห่งนี้อยู่กันอย่างแออัดมากกว่าดาวที่เหลือในทางช้างเผือก แออัดมากพอที่พวกมันจะมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน, รบกวนวงโคจรของกันและกัน และแม้แต่ชนกันในกรณีที่สุดขั้ว

ผังอธิบายเส้นทางการก่อตัวที่เป็นไปได้สำหรับพัลซาร์ PSR J0514-4002E และวัตถุข้างเคียงปริศนา หมายเหตุ NS=neutron star; LMXB=low mass x-ray binary; MSP=millisecond pulsar; WD=white dwarf; BH=black hole

      ทีมคิดว่าการชนระหว่างดาวนิวตรอนสองดวงน่าจะสร้างวัตถุปริศนาที่พวกเขาตรวจพบในวงโคจรรอบ PSR J0514-4002E ด้วยมวลระหว่าง 2.09 ถึง 2.71 เท่าดวงอาทิตย์ ทีมยังไม่สามารถจำแนกว่าวัตถุข้างเคียงนี้เป็นดาวนิวตรอน หรือหลุมดำกันแน่ หรือแม้กระทั่งวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงที่ยังไม่ทราบชนิด แต่พวกเขาทราบแน่ชัดว่าระบบแห่งนี้น่าจะเป็นห้องทดลองในอวกาศที่เป็นอัตลักษณ์เพื่อศึกษาพฤติกรรมของสสารและฟิสิกส์ภายใต้สถาวะที่สุดขั้ว

     เรายังไม่จบเรื่องกับระบบแห่งนี้ นักวิจัยกล่าวสรุป การค้นหาธรรมชาติอันแท้จริงของดาวข้างเคียงจะเป็นจุดเปลี่ยนในความเข้าใจเกี่ยวกับดาวนิวตรอน, หลุมดำ และอะไรก็ตามที่อยู่ในช่องว่างมวลหลุมดำนี้ งานสารของทีมเผยแพร่ในวารสาร Science วันที่ 18 มกราคม 2024

แหล่งข่าว space.com : new mystery object could be lightest black hole ever seen
                ilfscience.com : newly discovered astronomical object is right on the edge of two extreme possibilities     
                sciencealert.com : mystery object in space could be the lightest black hole ever found
                 phys.org : lightest black hole or heaviest neutron star? MeerKAT uncovers a mysterious object in Milky Way