EHT สำรวจสนามแม่เหล็กหลุมดำทางช้างเผือก

 

     ภาพใหม่จากกลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์ ได้เผยให้เห็นสนามแม่เหล็กที่รุนแรงและเป็นระเบียบรอบๆ ขอบของหลุมดำมวลมหาศาล คนยิงธนู เอ สตาร์(Sagittarius A*; Sgr A*) ของทางช้างเผือก

      เมื่อตรวจสอบผ่านแสงโพลาไรซ์เป็นครั้งแรก ภาพหลุมดำในใจกลางทางช้างเผือกได้เผยให้เห็นโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่ดูคล้ายกับสนามแม่เหล็กของหลุมดำที่ใจกลางกาแลคซี M87 อย่างมาก ซึ่งบอกว่าสนามแม่เหล็กที่รุนแรงอาจจะเป็นเรื่องปกติสำหรับหลุมดำทุกแห่ง ความคล้ายคลึงนี้ยังบอกใบ้ถึงไอพ่นที่ซ่อนอยู่ใน Sgr A* ด้วย ผลสรุปเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters

     ในปี 2022 นักวิทยาศาสตร์ได้เปิดเผยภาพแรกของ Sgr A* ซึ่งอยู่ห่างจากโลกออกไปราว 27000 ปีแสง ได้เผยให้เห็นว่าในขณะที่หลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือกมีขนาดเล็กและมวลน้อยกว่าหลุมดำของ M87 พันกว่าเท่า แต่พวกมันก็ยังดูคล้ายกันอยู่ นี่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องฉงนว่าหลุมดำทั้งสองยังมีความคล้ายอื่นนอกเหนือจากลักษณะปรากฏที่ได้เห็นหรือไม่

      เพื่อหาคำตอบ ทีมตัดสินใจศึกษา Sgr A* ในแสงโพลาไรซ์(polarized light; แสงซึ่งเดินทางในทิศทางเดียว) การศึกษาแสงโพลาไรซ์รอบ M87* ก่อนหน้านี้ได้เผยให้เห็นถึงสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำยักษ์แห่งนี้ ซึ่งช่วยให้มันยิงไอพ่นวัสดุสารได้อย่างทรงพลังออกสู่สภาพแวดล้อม จากงานนี้ ภาพใหม่ก็ได้เผยว่าสิ่งเดียวกันก็น่าจะเกิดกับ Sgr A* ด้วย

ซ้าย-Sgr A* หลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางทางช้างเผือกเมื่อมองในแสงโพลาไรซ์ ขีดที่ปรากฏบ่งชี้ทิศทางการเกิดโพลาไรซ์ ซึ่งเชื่อมโยงกับสนามแม่เหล็กรอบเงาของหลุมดำนี้ ภาพกลาง-การเปล่งโพลาไรซ์จากใจกลางทางช้างเผือกตามที่ SOFIA สำรวจพบ ขวา-กลุ่มความร่วมมือพลังค์ทำแผนที่การเปล่งโพลาไรซ์จากฝุ่นรอบทางช้างเผือก

      สิ่งที่เรากำลังได้เห็นตอนนี้ก็คือ สนามแม่เหล็กที่รุนแรง, บิดตัวและเรียงตัวเป็นระเบียบใกล้หลุมดำในใจกลางทางช้างเผือก Sara Issaoun นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์สมิธโซเนียน(SAO) และผู้นำร่วมโครงการนี้ กล่าว นอกจากที่ Sgr A* จะมีโครงสร้างโพลาไรเซชั่นที่คล้ายคลึงอย่างมากกับที่พบรอบ M87* ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่ามากและทรงพลังกว่าอย่างมาก เราได้เรียนรู้ว่าสนามแม่เหล็กที่เป็นระเบียบและรุนแรงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งบอกถึงว่าหลุมดำมีปฏิสัมพันธ์กับก๊าซและวัสดุสารรอบๆ มันอย่างไร

     สภาพสนามแม่เหล็กที่รุนแรงและเป็นระเบียบน่าจะสามารถควบคุมและกระทั่งกำกับก๊าซที่ไหลลงสู่หลุมดำ ควบคุมปริมาณอาหารของหลุมดำได้ และยังอาจทำหน้าที่เป็นท่อประปาให้กับไอพ่นพลาสมาที่จะไหลออก สภาพแวดล้อมการสะสมมวลสาร(accretion) แบบนี้ถูกเรียกว่า ดิสก์จับด้วยแม่เหล็ก(magnetically arrested disk; MAD) การวิเคราะห์ภาพ Sgr A* ภาพแรกได้บอกว่ามันอาจเป็น MAD แต่ทีมต้องการข้อมูลโพลาไรซ์เพื่อยืนยัน

      แสงเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการเคลื่อนที่หรือการสั่น ซึ่งช่วยให้เรามองเห็นวัตถุได้ บางครั้ง แสงก็สั่นในทิศทางที่จำเพาะ และเราเรียกมันว่าเกิดโพลาไรซ์ แม้ว่าสายตามนุษย์จะแยกแยะแสงโพลาไรซ์รอบๆ ตัวเราออกจากแสงปกติไม่ได้ ในก๊าซร้อนมีประจุหรือพลาสมารอบหลุมดำเหล่านี้ อนุภาคไหลเวียนไปรอบๆ เส้นแรงสนามแม่เหล็กสร้างรูปแบบการเกิดโพลาไรซ์ที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก นี่ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นรายละเอียดที่สูงขึ้นกับสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นในพื้นที่รอบหลุมดำและทำแผนที่เส้นแรงสนามแม่เหล็กที่บิดไปรอบหลุมดำได้

     ด้วยการถ่ายภาพแสงโพลาไรซ์จากก๊าซร้อนที่สว่างใกล้กับหลุมดำ เราก็สามารถบอกได้โดยตรงถึงโครงสร้างและความแรงของสนามแม่เหล็กที่กำกับการไหลของก๊าซและสสารที่จะตกลงสู่หลุมดำและอาจถูกผลักออกมา Angelo Ricarte ผู้นำร่วมโครงการ กล่าว แสงโพลาไรซ์สอนเราได้มากเกี่ยวกับดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ตั้งแต่ คุณสมบัติของก๊าซ และกลไกที่เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำได้รับก๊าซ

     แต่การถ่ายภาพหลุมดำในแสงโพลาไรซ์ ก็ไม่ใช่เรื่องง่ายเหมือนกับการสวมแว่นกันแดดโพลาไรซ์ และนี่เป็นยากเป็นพิเศษสำหรับ Sgr A* เนื่องจากมันเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วมาก และไม่ได้อยู่นิ่งๆ ให้ถ่ายภาพ การถ่ายภาพหลุมดำมวลมหาศาลต้องการเครื่องมือที่เหนือชั้นกว่าที่เคยใช้กับ M87* ซึ่งเป็นเป้าหมายที่นิ่งกว่ามาก

     Paul Tiede นักดาราศาสตร์ SAO นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ CfA กล่าวว่า นี่น่าตื่นเต้นที่เราสามารถสร้างภาพโพลาไรซ์ของ Sgr A* ได้ในที่สุด ภาพแรกใช้เวลาวิเคราะห์อย่างหมกมุ่นหลายเดือนเพื่อจะให้เข้าใจธรรมชาติอันเปี่ยมด้วยพลวัตและเผยให้เห็นโครงสร้างโดยเฉลี่ยของหลุมดำนี้ การสร้างภาพโพลาไรซ์ที่เพิ่มเติมความท้าทายจากพลวัตของสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำ แบบจำลองมักจะทำนายสนามแม่เหล็กที่ปั่นป่วนอย่างรุนแรง ทำให้สร้างภาพโพลาไรซ์น่าจะยากอย่างสุดขั้ว แต่โชคดีที่หลุมดำของทางช้างเผือกสงบพอสมควร จึงได้ภาพแรกออกมา

     นักวิทยาศาสตร์ตื่นเต้นที่ได้เห็นภาพจากหลุมดำมวลมหาศาลทั้งสองในแสงโพลาไรซ์ เนื่องจากภาพเหล่านี้และข้อมูลที่มาพร้อมมัน ได้ให้หนทางใหม่ในการเปรียบเทียบและเปรียบต่างหลุมดำที่มีขนาดและมวลที่แตกต่างกัน เมื่อเทคโนโลจีพัฒนาขึ้น ภาพก็น่าจะเผยให้เห็นความลับของหลุมดำและความคล้ายคลึงหรือความแตกต่างได้มากขึ้น

เปรียบเทียบภาพในแสงโพลาไรซ์แสดงหลุมดำมวลมหาศาล M87* และ Sgr A* ให้นักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าปีศาจทั้งสองมีโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่คล้ายกัน ซึ่งมีความสำคัญเนื่องจากมันบอกว่ากระบวนการทางกายภาพที่กำกับการกลืนวัสดุสารของหลุมดำ และยิงไอพ่นออกมา อาจจะเป็นรายละเอียดที่เป็นสากลร่วมของหลุมดำมวลมหาศาลทุกแห่ง

     Michi Bauböck นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ กล่าวว่า M87* และ Sgr A* มีความแตกต่างในด้านสำคัญๆ สองสามอย่าง M87* ใหญ่กว่าอย่างมากและมันกำลังดึงวัสดุสารจากรอบข้างด้วยอัตราที่เร็วกว่าอย่างมาก ดังนั้น เราอาจจะคาดว่าสนามแม่เหล็กของมันก็ควรจะดูแตกต่างออกไปอย่างมาก แต่ในกรณีนี้ กลับกลายเป็นว่าพวกมันดูค่อนข้างคล้ายกัน ซึ่งอาจจะหมายถึงว่าโครงสร้างนี้เป็นรายละเอียดพื้นฐานสากลในหลุมดำทุกๆ  แห่ง

     ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กใกล้หลุมดำช่วยเราให้ตอบคำถามได้หลายข้อ ตั้งแต่ว่า ไอพ่นก่อตัวและยิงออกมาได้อย่างไร จนถึงอะไรส่งพลังให้กับการลุกจ้าสว่างที่เราพบเห็นในช่วงอินฟราเรดและรังสีเอกซ์

     EHT ได้ทำการสำรวจมาแล้วหลายครั้งตั้งแต่ปี 2017 และมีกำหนดสำรวจ Sgr A* อีกครั้งในเดือนเมษายนปีนี้ ในแต่ละปี ภาพที่ได้จะดีขึ้นเมื่อ EHT ได้ผนวกกล้องโทรทรรศน์ใหม่เข้ามา, ช่องสัญญาณที่ใหญ่ขึ้น และความถี่การสำรวจใหม่ๆ การขยายเครือข่ายที่วางแผนสำหรับทศวรรษหน้า ก็สร้างภาพยนตร์คุณภาพสูงของ Sgr A* ซึ่งอาจจะเผยให้เห็นไอพ่นที่ซ่อนอยู่ และน่าจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้สำรวจรายละเอียดการเกิดโพลาไรซ์คล้ายๆ กันในหลุมดำอื่นด้วย ในขณะเดียวกัน การขยาย EHT ออกสู่อวกาศจะช่วยให้ได้ภาพหลุมดำที่คมชัดมากกว่าที่เคยเป็นมา

เงาของหลุมดำมวลมหาศาล M87* (ซ้าย) ซึ่งเป็นภาพเงาหลุมดำภาพแรกที่เผยแพร่ออกมา เทียบขนาดกับเงาของหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือกของเรา(Sgr A* ขวา) หลุมดำ M87* มีมวล 6.5 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ในขณะที่ Sgr A* มีมวล 4.3 ล้านเท่าดวงอาทิตย์

     การขยายงาน EHT ซึ่งเรียกว่า ngEHT(next-generation EHT) กำลังจะอัพเกรด EHT โดยตั้งเป้าที่จะใช้จานรับสัญญาณวิทยุใหม่ๆ หลายตัว ซึ่งจะช่วยให้เกิดการสำรวจในหลายความยาวคลื่นพร้อมๆ กัน และเพิ่มความไวโดยรวมของเครือข่าย EHT เนกซ์เจนน่าจะช่วยให้เครือข่ายสร้างภาพยนตร์ของหลุมดำมวลมหาศาลตามเวลาจริงในระดับขอบฟ้าสังเกตการณ์ ภาพยนตร์เหล่านี้จะเปิดให้เห็นโครงสร้างรายละเอียดและพลวัตใกล้กับขอบฟ้าสังเกตการณ์ เปิดรายละเอียดแรงโน้มถ่วงรุนแรงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ และรวมถึงปฏิสัมพันธ์ของการสะสมมวลสาร(accretion) กับการยิงไอพ่นสัมพัทธภาพ ที่สลักเสลาโครงสร้างขนาดใหญ่ในเอกภพ

     ในขณะเดียวกัน ปฏิบัติการ BHEX(Black Hole Explorer) ซึ่งมีแนวคิดขยาย EHT ออกสู่อวกาส จะสร้างภาพหลุมดำที่คมชัดที่สุดในประวัติศษสตร์ดาราศาสตร์ BHEX จะช่วยให้ตรวจจับและถ่ายภาพ “วงแหวนโฟตอน”(photon ring) ซึ่งเป็นรายละเอียดวงแหวนคมและบางที่ก่อตัวจากการเปล่งคลื่นที่ถูกบิดเบนโดยสนามแรงโน้มถ่วงรอบหลุมดำอย่างรุนแรง คุณสมบัติของหลุมดำจะบ่งบอกที่ขนาดและรูปร่างของวงแหวนโฟตอน เผยให้เห็นมวลและการหมุนรอบตัวของหลุมดำ ซึ่งก็จะแสดงให้เห็นว่าวัตถุประหลาดเหล่านี้เจริญเติบโตและมีปฏิสัมพันธ์กับกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันอย่างไร

ภาพมุมกว้างในช่วงแสงที่ตาเห็นได้แสดงเมฆดาวหนาแน่นในกลุ่มดาวคนยิงธนู(Sagittarius) ในทิศทางใจกลางทางช้างเผือก ภาพนี้เต็มไปด้วยดาวจำนวนมาก แต่ก็ยังมีอีกจำนวนมากที่ซ่อนอยู่หลังเมฆฝุ่นและจะเผยตัวเมื่อสำรวจด้วยอินฟราเรดเท่านั้น ภาพนี้มาจากการถ่ายภาพในแสงสีแดงและฟ้า และเป็นส่วนหนึ่งของ Digitized Sky Survey 2

แหล่งข่าว phys.org : astronomers unveil strong magnetic fields spiraling at the edge of Milky Way’s central black hole
                iflscience.com : incredible first view of the magnetic fields around our galaxy’s supermassive black holes
                skyandtelescope.com : strong magnetic fields swirl near Milky Way’s black hole