หลุมดำของ M87 ในอีกหนึ่งปีภัดไป

 

ภาพเงาหลุมดำภาพแรกจาก EHT ที่เผยแพร่ในปี 2017 และภาพล่าสุดจากข้อมูลที่รวบรวมในอีกหนึ่งปีต่อมา ที่เพิ่งเผยแพร่ล่าสุด 

     จุดที่สว่างที่สุดในวงแหวนรอบๆ หลุมดำมวลมหาศาลของ M87 ขยับไป 30 องศาในทิศตามเข็มนาฬิกา ในเวลาหนึ่งปี ซึ่งแสดงในภาพใหม่ที่เผยแพร่โดยกลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์

     กลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์(Event Horizon Telescope; EHT) ด้วยความช่วยเหลือจากนักดาราศาสตร์ดัตช์ ได้เผยแพร่ภาพใหม่ของ M87* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ที่ใจกลางของกาแลคซี M87 โดยใช้ข้อมูลจากการสำรวจในเดือนเมษายน 2018 โดยมีความร่วมมือใหม่เอี่ยมจากกล้องโทรทรรศน์กรีนแลนด์ และอัตราการบันทึกที่ปรับปรุงขึ้นอย่างมากทั่วเครือข่าย การสำรวจในปี 2018 ช่วยให้เรามีแหล่งข้อมูลใหม่ที่เป็นอิสระจากการสำรวจแรกในปี 2017

     รายงานล่าสุดเผยแพร่ในวารสาร Astronomy & Astrophysics นำเสนอภาพจากข้อมูลใหม่ปี 2018 และเผยให้เห็นวงแหวนที่แสนคุ้นเคยด้วยขนาดเท่าเดิมกับที่เคยสำรวจในปี 2017 วงแหวนสว่างวงนี้ล้อมรอบหลุมมืดที่ใจกลาง ซึ่งเป็นเงาของหลุมดำ ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ทำนายไว้ แต่ที่น่าตื่นเต้นก็คือ จุดที่สว่างที่สุดในวงแหวนขยับไปราว 30 องศาเมื่อเทียบกับภาพปี 2017 ซึ่งก็สอดคล้องกับความเข้าใจทางทฤษฎีเกี่ยวกับการแปรแสงจากวัสดุสารที่ปั่นป่วนรอบหลุมดำ

     ความต้องการพื้นฐานของวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่งก็คือ สร้างผลสรุปเดิมขึ้นมาได้ Keichi Asada ผู้ช่วยนักวิจัยที่สถาบันเพื่อดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Academia Sinica ในไต้หวัน กล่าว การยืนยันวงแหวนในชุดข้อมูลใหม่ จึงเป็นหลักชัยใหญ่สำหรับความร่วมมือและบ่งชี้อย่างชัดเจนว่าเรากำลังมองเห็นเงาของหลุมดำ และวัสดุสารที่โคจรรอบๆ มัน

การสำรวจหลุมดำและไอพ่นจากพื้นที่ใจกลางของ M87 

     ในปี 2017 EHT ได้เผยแพร่ภาพหลุมดำภาพแรก วัตถุซึ่งเรียกว่า M87* เป็นหัวใจมวล 6.5 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ที่กำลังเต้นของกาแลคซีทรงรียักษ์ Messier 87 และอยู่ไกลออกไป 55 ล้านปีแสงจากโลก ภาพของหลุมดำเผยให้เห็นวงแหวนกลมสว่างวงหนึ่ง มีจุดที่สว่างกว่าส่วนอื่น อยู่ที่ตำแหน่งทางใต้ของวงแหวน การวิเคราะห์ข้อมูลต่อมายังเผยให้เห็นโครงสร้างของหลุมดำนี้ในแสงโพลาไรซ์ ช่วยให้เรามีมุมมองเพิ่มขึ้นเกี่ยวกับเรขาคณิตของสนามแม่เหล็กและธรรมชาติของพลาสมารอบๆ หลุมดำ

     ยุคสมัยใหม่แห่งการถ่ายภาพหลุมดำโดยตรง มีหัวหอกโดยการวิเคราะห์การสำรวจ M87* ในปี 2017 ได้เปิดหน้าต่างบานใหมซึ่งนำเราให้ศึกษาหลุมดำในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ และช่วยให้เราได้ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในระดับพื้นฐานที่สุด แบบจำลองทางทฤษฎีบอกว่าสถานะของสสารรอบ M87* จากปี 2017 ถึง 2018 น่าจะไม่เกี่ยวข้องกัน การสำรวจ M87* ซ้ำๆ จะช่วยเราให้ระบุโครงสร้างพลาสมาและสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำ และช่วยเราให้ปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์อันซับซ้อนจากผลของสัมพัทธภาพทั่วไป

     เพื่อช่วยให้บรรลุผลสรุปใหม่ EHT จึงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง กล้องโทรทรรศน์กรีนแลนด์เข้ามาร่วมกับ EHT เป็นครั้งแรกในปี 2018 เพียงห้าเดือนหลังจากที่การก่อสร้างแล้วเสร็จเหนือวงกลมอาร์คติก(Arctic Circle) กล้องตัวใหม่ได้ปรับปรุงความละเอียดของภาพในเครือข่าย EHT ได้พอสมควร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในทิศทางเหนือใต้ กล้องโทรทรรศน์มิลลิเมตรใหญ่ ก็เข้าร่วมด้วยโดยใช้พื้นผิวเต็ม 50 เมตรของมัน ยิ่งเพิ่มความไวให้เครือข่าย เครือข่าย EHT ยังอัพเกรดขึ้นสู่การสำรวจในช่วงความถี่ 4 ช่วงใกล้ๆ 230 GHz เทียบกับในปี 2017 ซึ่งมีสองความถี่เท่านั้น

      การสำรวจซ้ำๆ ด้วยเครือข่ายที่ปรับปรุงขึ้นเป็นสิ่งจำเป็นในการแสดงความแน่ชัดของการค้นพบและช่วยตอกย้ำความมั่นใจในผลสรุป นอกเหนือจากวิทยาศาสตร์ใหม่ๆ ที่เกิดขึ้นแล้ว EHT ยังทำหน้าที่เป็นตัวทดสอบทางเทคโนโลจีสำหรับการพัฒนามาตรแทรกสอดวิทยุความถี่สูงด้วย

Event Horizon Telescope Array 

     การวิเคราะห์ข้อมูลปี 2018 ประกอบด้วยการถ่ายภาพและเทคนิคการทำแบบจำลอง 8 ชุดที่แยกจากกัน ซึ่งรวมถึงวิธีการที่ใช้ในการวิเคราะห์ M87* ก่อนหน้านี้ในปี 2017 และวิธีการใหม่ที่พัฒนาจากประสบการณ์ของทีมจากการวิเคราะห์ Sgr A*

     ภาพ M87* ที่ได้จากปี 2018 นั้นคล้ายกับสิ่งที่ได้เห็นในปี 2017 อย่างมาก เราได้เห็นวงแหวนสว่างที่มีขนาดใกล้เคียงกัน, โดยมีพื้นที่มืดในใจกลาง และด้านหนึ่งของวงแหวนก็สว่างกว่าอีกด้าน มวลและระยะทางจาก M87* ไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปเท่าใดแม้จะในช่วงชีวิตมนุษย์ ดังนั้นสัมพัทธภาพทั่วไปจึงทำนายว่าเส้นผ่าศูนย์กลางวงแหวนแสงก็ควรจะมีขนาดใกล้เคียงเดิม เสถียรภาพของเส้นผ่าศูนย์กลางที่ตรวจสอบได้จากปี 2017 จนถึง 2018 จึงสนับสนุนข้อสรุปว่า M87* เป็นไปตามที่สัมพัทธภาพทั่วไปบอกไว้

     หนึ่งในคุณสมบัติที่น่าประทับใจของหลุมดำก็คือ รัศมีของมันนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยเพียงสิ่งเดียวเท่านั้น ก็คือ มวล ดร.  Nitika Yadlapali Yurk อดีตนักศึกษาปริญญาโทที่คาลเทค ซึ่งขณะนี้เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) กล่าว เนื่องจาก M87* ไม่ได้สะสมมวลสาร(ซึ่งน่าจะมีส่วนเพิ่มมวลให้กับมัน) ด้วยอัตราที่รวดเร็ว สัมพัทธภาพทั่วไปบอกเราว่ารัศมีของมันก็น่าจะแทบไม่เปลี่ยนในชั่วชีวิตมนุษย์ จึงเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นที่ได้เห็นว่าข้อมูลยืนยันการทำนายนี้

     ในขณะที่ขนาดของเงาหลุมดำไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปจากปี 2017 ถึง 2018 แต่ตำแหน่งของพื้นที่ที่สว่างที่สุดในวงแหวนก็ขยับไปพอสมควร พื้นที่สว่างหมุนไปราว 30 องศาในทิศตามเข็มนาฬิกา ไปอยู่ทางขวาล่างของวงแหวนราวตำแหน่ง 5 นาฬิกา การสำรวจ M87* ครั้งแรกใช้เครือข่ายที่ไวน้อยกว่าและมีกล้องร่วมน้อยกว่า ยังบ่งชี้ว่าโครงสร้างเงาเปลี่ยนแปลงไปทุกปีแต่ก็บอกไม่ได้แม่นยำนัก ในขณะที่เครือข่ายในปี 2018 ก็ยังคงสำรวจไม่พบไอพ่นผุดออกจาก M87* แต่แกนการหมุนรอบตัวของหลุมดำที่ทำนายไว้จากตำแหน่งของพื้นที่ที่สว่างที่สุดในวงแหวน ก็สอดคล้องกับแกนการหมุนไอพ่นมากกว่าที่สำรวจในช่วงความยาวคลื่นอื่นๆ

     การเปลี่ยนแปลงที่ใหญ่ที่สุดก็คือ จุดสว่างที่สุดที่เคลื่อนไปตามวงแหวน เป็นสิ่งที่เราได้ทำนายไว้เมื่อเผยแพร่ผลสรุปแรกในปี 2019 ดร Britt Jeter นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Academia Sinica ที่ไต้หวัน กล่าว ในขณะที่สัมพัทธภาพทั่วไปบอกว่าขนาดของวงแหวนน่าจะค่อนข้างไม่เปลี่ยน แต่การเปล่งคลื่นจากดิสก์สะสมมวลสารที่ปั่นป่วนวุ่นวายรอบๆ หลุมดำ จะทำให้ส่วนที่สว่างที่สุดในวงแหวนส่ายไปรอบๆ ระดับการส่ายที่เราเห็นเมื่อเวลาผ่านไปเป็นสิ่งที่เราสามารถใช้เพื่อทดสอบทฤษฎีสนามแม่เหล็กและสภาพแวดล้อมพลาสมารอบหลุมดำได้

     การรวมกล้องกรีนแลนด์เข้ามาใน EHT ช่วยเติมเต็มช่องว่างที่วิกฤติในกล้องโทรทรรศน์ขนาดเสมือนเท่าโลกนี้ Rohan Dahale ว่าที่ดอกเตอร์จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ อันดาลูเชีย การสำรวจในปี 2021, 2022 และในช่วงครึ่งแรกของปี 2024 นี้ จะได้เห็นถึงการปรับปรุงเครือข่าย เติมเชื้อไฟให้กับความกระตือรือร้นที่จะผลักดันพรมแดนดาราศาสตร์ฟิสิกส์หลุมดำออกไปอีก ด้วยความหวังเป็นอย่างยิ่งที่จะได้เห็นไอพ่นวัสดุสารที่พุ่งออกจาก M87*  

     ในปี 2022 เราได้ภาพหลุมดำมวลมหาศาล Sgr A* ในทางช้างเผือกเป็นครั้งแรก และในปี 2023 ก็ได้ถ่ายภาพหลุมดำแห่งหนึ่งที่กำลังยิงไอพ่นออกมาได้โดยตรง เช่นเดียวกับที่ได้เห็นภาพ M87* ที่ชัดเจนขึ้นจากปัญญาประดิษฐ์ ด้วยภาพหรือรายละเอียดใหม่ๆ ที่เผยออกมาและเมื่อมีกล้องมาเพิ่มขนาดและความสามารถของเครือข่าย EHT มากขึ้น คำถามต่อไปก็คือ ต่อไปเราจะส่องดูอะไร

 

แหล่งข่าว phys.org : brightness peak of M87 supermassive black hole shifts 30 degrees in one year
                iflscience.com : brand new image of first black hole to be photographed reveals moving shadow   
                space.com : 2^nd image of 1^st black hole ever pictured confirms Einstein’s general relativity