หลุมดำยักษ์เล็กในกาแลคซีแคระ

 

ภาพจากศิลปินแสดงกระแสไหลออก(outflow) จากหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่ง นักดาราศาสตร์สามารถค้นหาหลุมดำยักษ์เหล่านี้ได้แม้แต่ในกาแลคซีแคระ โดยการมองหาการเปล่งคลื่นที่เกี่ยวข้องกับกระแสไหลออก

     นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำมวลมหาศาลที่มีขนาดเล็กที่สุดที่ใจกลางของกาแลคซีแคระ Markarian 462 มันมีมวลราว 2 แสนเท่ามวลดวงอาทิตย์ แน่นอนว่าอาจดูเยอะในสายตามนุษย์แต่กลับน้อยมากๆ เมื่อเรานึกถึงหลุมดำมวลมหาศาลที่มักมีมวลระดับหลายล้านเท่า ไม่ต้องเอ่ยถึงหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ การค้นพบนี้นำเสนอในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 239 แบบเสมือนจริงที่ซอลต์เลคซิตี้

     ความจริงที่ว่ามันมีขนาดเล็กมากน่าจะเปิดช่องทางสู่หลุมดำชนิดเดียวกันแต่เจริญจนใหญ่โตได้อย่างไร และในบางกรณีก็เจริญอย่างรวดเร็วมาก หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ที่มีมวลระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์นั้นมีอยู่แล้วตั้งแต่ช่วงเวลาเพียง 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง และเราก็ไม่แน่ใจว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร การสำรวจที่นำไปสู่การค้นพบใหม่นี้อาจจะขยายขอบเขตความเข้าใจนี้ได้

     Jack Parker จากวิทยาลัยดาร์ทเมาท์ ในนิวแฮมเชียร์ ซึ่งนำการศึกษา กล่าวในแถลงการณ์ว่า เราไม่สามารถสรุปได้อย่างแข็งขันจากเพียงตัวอย่างเดียว แต่ผลสรุปนี้น่าจะกระตุ้นให้เกิดการสำรวจหาหลุมดำที่ซ่อนอยู่ในกาแลคซีแคระได้มากขึ้น

     ทีมนักวิจัยมุ่งเป้าไปที่กาแลคซีแคระ 8 แห่งชุดหนึ่งซึ่งนักดาราศาสตร์สงสัยว่าน่าจะมีหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังเจริญเติบโตอยู่ในใจกลาง ซึ่งมีพื้นฐานจากการสำรวจที่ทำในช่วงตาเห็นโดย Sloan Digital Sky Survey แต่ร่องรอยหลุมดำที่กำลังเจริญเติบโตจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นในช่วงอื่นที่ไม่ใช่ช่วงตาเห็น เหตุผลก็คือ หลุมดำเป็นตัวกินดุ เมื่อพวกมันกลืนกินมวลสารอย่างกระตือรือร้น จะปล่อยอนุภาคและแสงพลังงานสูงออกมา และสามารถตรวจจับกระบวนการนี้ได้ด้วยเครื่องตรวจจับในช่วงรังสีเอกซ์

     กล้องจันทราของนาซาได้รับมอบหมายภารกิจนี้ ในบรรดาแคระ 8 แห่งที่ต้องสงสัยว่าจะเป็นหลุมดำที่กำลังเจริญเติบโตอยู่ พบหลักฐานที่แน่ชัดเพียงแห่งเดียวเท่านั้นที่ Markarian 462(Mrk 462) และมันก็เป็นหลุมดำที่แปลกประหลาดด้วย หลุมดำใน Mrk 462 นั้นเป็นพวกที่มีขนาดเล็กที่สุดในบรรดา(หลุมดำ) ปีศาจหรือพวกมวลมหาศาล Parker อธิบาย หลุมดำอย่างนี้พบได้ยากมาก

Mrk 462 เป็นกาแลคซีแคระแห่งหนึ่งในกลุ่มดาวสุนัขล่าเนื้อ(Canes Venatici) อยู่ทางขวาของกลุ่ม HCG 68 ซึ่งเป็นกลุ่มของกาแลคซีขนาดกะทัดรัดในภาพนี้ รังสีเอกซ์จากหลุมดำยักษ์ในแคระแห่งนี้แสดงในภาพเล็ก

     กาแลคซีต้นสังกัด Mrk 462 มีดาวฤกษ์เพียงไม่กี่ร้อยล้านดวง ในขณะที่ดูเหมือนจะมากแต่เมื่อเทียบกับกาแลคซีทางช้างเผือกซึ่งมีดาว หลายแสนล้านดวง ตัวเลขเหล่านี้เป็นตัวจำแนกว่า Mrk 462 เป็นกาแลคซีแคระ ในกาแลคซีขนาดใหญ่กว่า นักดาราศาสตร์อาจจะสามารถค้นหาหลุมดำได้โดยการสำรวจดาวที่เคลื่อนที่เร็วมากไปรอบๆ ใจกลางกาแลคซี(สัญญาณของอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ) แต่กลับทำไม่ได้ในกาแลคซีขนาดเล็กเช่นนี้ ทีมจึงใช้จันทราตรวจสอบการเรืองรังสีเอกซ์จากก๊าซที่ถูกดึงเข้าสู่หลุมดำแทน

     นี่จึงเป็นครั้งแรกที่สำรวจพบหลุมดำที่ถูกปกปิดโดยก๊าซและฝุ่นในกาแลคซีแคระ Ryan Hickox ผู้นำทีมร่วม จากดาร์ทเมาธ์ เช่นกัน กล่าวว่า เนื่องจากหลุมดำที่ฝังตัวอยู่นั้นตรวจจับได้ยากกว่าที่เผยตัวออกมา การค้นพบตัวอย่างนี้จึงอาจจะหมายความว่ายังมีแคระอีกมากมายข้างนอกนั้นที่มีหลุมดำคล้ายๆ กันอยู่

     มีลำดับเหตุการณ์ทางทฤษฎีสองสามอย่างที่น่าจะอธิบายการก่อตัวและการเจริญที่รวดเร็วของปีศาจตัวเล็กเหล่านี้ โดยเมล็ดพันธุ์หลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้เกิดขึ้นจากดาวฤกษ์รุ่นแรก(Population III stars) ซึ่งมีมวลสูงมากๆ เมื่อพวกมันจบชีวิต ก็น่าจะทิ้งหลุมดำขนาดใหญ่ ที่ต่อมาจะควบรวมกับวัตถุมวลใกล้เคียงกัน เจริญกลายเป็นมวลมหาศาล ความเป็นไปได้อีกทางก็คือ การยุบตัวลงโดยตรงของกลุ่มก๊าซขนาดมหึมา ก่อตัวหลุมดำขึ้นในทันทีจากการวุ่นวายภายหลังบิ๊กแบง หลุมดำบรรพกาล(primordial black holes) เหล่านี้น่าจะมีจำนวนมากและมีมวลสูงพอที่จะนำไปสู่การก่อตัวของกลุ่มมวลมหาศาลได้(และยังอาจอธิบายที่มาของสสารมืดได้) กล้องเวบบ์จะทดสอบลำดับเหตุการณ์ทั้งสองแบบได้

     ในการประชุมเดียวกัน ทีมที่นำโดย Molina และ Amy Reine จากมหาวิทยาลัยมอนทานาสเตท ได้นำเสนอหลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลในแคระ 81 แห่งที่กำลังก่อตัวดาว การศึกษาก่อนหน้านี้พลาดหลุมดำเหล่านี้ไปเนื่องจากการเปล่งคลื่นช่วงตาเห็นที่กว้างของหลุมดำถูกการเรืองสว่างกว่าจากพื้นที่ก่อตัวดาวกลบไว้ เพื่อมองข้ามแสงจากดาวที่เพิ่งก่อตัวใหม่ นักดาราศาสตร์ได้มองหาเส้นเปล่งคลื่นสีแดงจากอะตอมเหล็กที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างรุนแรง ในข้อมูลสเปคตรัมกาแลคซีแคระหลายหมื่นแห่ง เมื่อแสงดาวไม่ได้ทรงพลังมากพอที่จะสร้างการแตกตัวเป็นไอออน(ionization) อย่างรุนแรงสุดขั้วแบบนี้ แต่รังสีเอกซ์จากก๊าซร้อนที่หลุมดำเป่าออกมา จะสร้างเหล็กไอออนได้

     กาแลคซีขนาดใหญ่อย่างทางช้างเผือกมักเป็นผลจากการควบรวม แต่กาแลคซีแคระยังคงสภาพเดิมมาตั้งแต่ก่อตัวขึ้นเมื่อนานมาแล้ว ดังนั้นถ้าแคระมีหลุมดำขนาดใหญ่อยู่ นี่ก็จะเป็นหน้าต่างสู่หลุมดำมวลมหาศาลในเอกภพยุคต้นด้วย 

ภาพโมเสอิคแสดงกาแลคซีแคระที่เป็นส่วนหนึ่งในตัวอย่างของทีมมอนทานาสเตท

     การสำรวจของทีมมอนทานาสเตท จะเผยให้เห็นเฉพาะหลุมดำที่มีกิจกรรม ดังนั้นจึงยังไม่ทราบเปอร์เซนต์โดยรวมของแคระที่มีหลุมดำมวลมหาศาล Molina กล่าวว่า สิ่งที่เราพบเป็นเพียงแต่ยอดของภูเขาน้ำแข็ง Hickox เองก็อธิบายว่า สำหรับพื้นที่ขนาดเล็กในกาแลคซีแคระนั้น ยากที่จะบีบอัดก๊าซจำนวนมหาศาลให้กลายเป็นหลุมดำโดยตรง ดังนั้น ถ้าเรายิ่งพบหลุมดำใหญ่ในแคระมากขึ้นเท่าใด ก็เป็นไปได้มากขึ้นว่าหลุมดำจะเกิดขึ้นจากเมล็ดพันธุ์ ไม่ใช่การยุบตัวโดยตรง

     โชคร้ายที่การสำรวจกาแลคซีแคระในเอกภพท้องถิ่นไม่ได้ตอบคำถามทั้งหมดเกี่ยวกับกำเนิดของหลุมดำมวลมหาศาล แม้ว่าลำดับเหตุการณ์การสร้างหลุมดำมวลมหาศาลดูจะโน้มเอียงไปทางเมล็ดพันธุ์ขนาดเล็กกว่า แต่สิ่งที่เราต้องการจะเห็นจริงๆ ก็คือการก่อตัวของพวกมันในเอกภพยุคต้น ซึ่งสุดท้าย กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์อาจจะบอกได้ในที่สุด

แหล่งข่าว iflscience.com : not so massive supermassive black hole is among smallest ever found
                space.com : “mini” monster black hole discovered hiding in a dwarf galaxy
                skyandtelescope.com : dwarf galaxies shed light on black hole origins

ไมมาส: ดวงจันทร์มหาสมุทรแห่งใหม่

 

ไมมาส(Mimas) ดวงจันทร์วงในสุดของดาวเสาร์ เมื่อมองเผินๆ ดูคล้ายกับ เดธสตาร์(Death Star) ในภาพยนตร์สตาร์วอร์ส ด้วยพื้นผิวที่ปุปะไปด้วยหลุมอุกกาบาตมากมาย ไม่แสดงถึงกิจกรรมทางธรณีวิทยาเช่น การสร้างพื้นผิวใหม่(resurfacing) นักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่าไมมาสเป็นดวงจันทร์ที่แข็งตัวแล้ว 

    นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์ได้พิสูจน์แล้วว่าดวงจันทร์จิ๋วที่อยู่วงในสุดของดาวเสาร์ และเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็กที่สุดในระบบสุริยะที่มีรูปร่างกลม ไม่ได้เป็นวัตถุเฉื่อยเยือกแข็ง

     แต่กลับได้พบหลักฐานว่า ไมมาส(Mimas) มีมหาสมุทรภายในที่เป็นของเหลว ในช่วงปลายของปฏิบัติการคาสสินี ยานได้พบการหมุนรอบตัวส่าย(libration) ของดวงจันทร์ ซึ่งมักจะชี้ไปถึงวัตถุที่ยังมีกิจกรรมทางธรณีวิทยาที่สามารถค้ำจุนมหาสมุทรภายในได้

    ถ้าไมมาสมีมหาสมุทร มันก็จะเป็นตัวแทนของพิภพมหาสมุทรล่องหนขนาดเล็กกลุ่มใหม่ ที่มีพื้นผิวที่ไม่ได้บ่งบอกถึงการมีอยู่ของมหาสมุทรเลย Alyssa Rhoden จากสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์(SwRI) ผู้เชี่ยวชาญธรณีฟิสิกส์ดวงจันทร์น้ำแข็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งดวงจันทร์ที่มีมหาสมุทร และวิวัฒนาการของระบบดวงจันทร์รอบดาวเคราะห์ยักษ์

     หนึ่งในการค้นพบที่น่าตื่นเต้นที่สุดในวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ในช่วง 25 ปีทีผ่านมาก็คือ พิภพที่มีมหาสมุทรอยู่ใต้ชั้นหินและน้ำแข็งนั้น พบได้ทั่วไปในระบบสุริยะของเรา พิภพลักษณะดังกล่าวรวมถึงดวงจันทร์น้ำแข็งของดาวเคราะห์ยักษ์ เช่น ยูโรปา(Europa),
ไททัน(Titan) และเอนเซลาดัส(Enceladus) เช่นเดียวกับดาวเคราะห์(แคระ) ที่ห่างไกลอย่างพลูโต พิภพอย่างโลกที่มีมหาสมุทรบนพื้นผิวจะต้องอาศัยอยู่ในช่วงระยะทางแคบๆ จากดาวฤกษ์แม่ เพื่อรักษาอุณหภูมิให้ค้ำจุนมหาสมุทรของเหลวได้ อย่างไรก็ตาม พิภพมหาสมุทรของเหลวภายใน(interior water ocean worlds; IWOWs) จะพบได้ในช่วงระยะทางที่กว้างกว่า ยิ่งเพิ่มจำนวนพิภพที่เอื้ออาศัยได้ทั่วกาแลคซีขึ้นอีกมากมาย

นักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าดวงจันทร์ขนาดเล็กของดาวเสาร์ ไมมาส(ซ้าย) น่าจะมีความเหมือนกับเพื่อนบ้านขนาดใหญ่กว่า เอนเซลาดัส(ขวา) ในแง่ของมหาสมุทรภายใต้เปลือกน้ำแข็งหนา

     เนื่องจากพื้นผิวของไมมาสนั้นปุปะด้วยหลุมอุกกาบาต เราจึงคิดว่ามันคงเป็นแค่ก้อนน้ำแข็งเท่านั้น Rhoden กล่าว แต่พิภพมหาสมุทรของเหลวภายใน อย่างเช่น เอนเซลาดัสและยูโรปา ดูจะมีรอยเลื่อนและแสดงสัญญาณกิจกรรมทางธรณีวิทยาอื่นๆ อีก กลับกลายเป็นว่า พื้นผิวไมมาสกำลังหลอกเรา และความเข้าใจใหม่นี้ก็ได้ขยายนิยามพิภพที่มีศักยภาพเอื้ออาศัยได้(potentially habitable world) ในระบบสุริยะของเราและข้างนอก ออกไปอีกมากมาย

     บนโลก ชีวิตมักจะพึ่งพาแสงอาทิตย์เพื่ออยู่รอด แต่ก็มีสถานที่สองสามแห่งที่สิ่งมีชีวิตจะอาศัยอยู่ในสภาพมืดมิดได้ ที่ก้นมหาสมุทรก็เป็นที่หนึ่ง โดยกระจุกอยู่รอบๆ ปล่องระบายความร้อนที่ก้นทะเล(hydrothermal vents) ซึ่งปล่อยความร้อนและสารอาหารจากภายในโลก ที่นั่น ชีวิตไม่ได้พึ่งพากระบวนการสังเคราะห์แสง(photosynthesis) แต่เป็นการสังเคราะห์ด้วยเคมี(chemosynthesis) ซึ่งใช้พลังงานจากปฏิกิริยาเคมีเพื่อสังเคราะห์อาหารขึ้น นี่จึงมีความจำเป็นต่อการสำรวจหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก เมื่อพบว่าดวงจันทร์ยูโรปาของดาวพฤหัสฯ และเอนเซลาดัสของดาวเสาร์มีมหาสมุทรของเหลวอยู่ใต้เปลือกน้ำแข็งของพวกมัน  

     กิจกรรมทางธรณีวิทยาลึกลงไปภายในดวงจันทร์ ผลักดันโดยการยืดและหดด้วยปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง กระบวนการรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงจะสลายพลังงานการโคจรและการหมุนรอบตัว ให้กลายเป็นความร้อนในดวงจันทร์บริวาร เพื่อให้สอดคล้องกับโครงสร้างภายในที่บอกใบ้จากการหมุนรอบตัวส่ายของไมมาส ความร้อนจากแรงบีบฉีก(tidal heating) ภายในดวงจันทร์จะต้องมากพอที่จะรักษาให้มหาสมุทรไม่เยือกแข็ง แต่ก็ไม่มากพอที่จะหลอมเปลือกน้ำแข็งหนาของดวงจันทร์ ด้วยการใช้แบบจำลอง ทีมได้หาวิธีการมากมายเพื่อสร้างคำอธิบายที่สมเหตุสมผลที่สุด โดยบอกว่า จะต้องมีเปลือกน้ำแข็งที่ดูไร้ชีวิตชีวา หนาระหว่าง 24 ถึง 31 กิโลเมตร เหนือมหาสมุทรของเหลว เนื่องจากไมมาสมีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียง 396 กิโลเมตร เปลือกนี้จัดว่าค่อนข้างหนา เมื่อเทียบกับเอนเซลาดัสซึ่งมีเปลือกน้ำแข็งหนาระหว่าง 5 ถึง 35 กิโลเมตรจากเส้นผ่าศูนย์กลาง 513 กิโลเมตร

ภาพจากศิลปินแสดงภาพตัดดวงจันทร์เอนเซลาดัส ตามหลักฐานการพบพวยพุที่ปะทุจากพื้นที่รอบขั้วใต้ดวงจันทร์(ภาพล่างขวา) และการตรวจพบก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งน่าจะเกิดจากปฏิกิริยาความร้อนคล้ายกับที่เกิดที่ปล่องระบายความร้อนที่ก้นทะเล(hydrothermal vents) บนโลก(ภาพล่างกลาง) 

     เมื่อเราสร้างแบบจำลองเหล่านี้เวลาเกือบทั้งหมดที่ใช้ก็เพื่อค่อยๆ ปรับแต่งแบบจำลองให้สร้างสิ่งที่เราสำรวจพบ Rhoden กล่าว ครั้งนี้หลักฐานมหาสมุทรภายในก็โผล่ขึ้นมาในลำดับเหตุการณ์เปลือกน้ำแข็งสถิตและการส่ายของแกนการหมุนรอบตัวแทบทุกอัน

     ทีมยังพบว่า การถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวขึ้นอยู่กับความหนาของเปลือกน้ำแข็งอย่างแยกจากกันไม่ได้ ซึ่งการใช้ยานอวกาศน่าจะบอกได้ ยกตัวอย่างเช่น ยานจูโน(Juno) ซึ่งมีกำหนดบินผ่านยูโรปาในเดือนกันยายนนี้ และจะใช้เครื่องส่งคลื่นไมโครเวฟเพื่อตรวจสอบการถ่ายเทความร้อนในดวงจันทร์นี้ ข้อมูลนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจว่าการถ่ายเทความร้อนส่งผลต่อเปลือกน้ำแข็งของพิภพมหาสมุทรอย่าง ไมมาส อย่างไร ซึ่งมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเมื่อปฏิบัติการยูโรปา คลิปเปอร์(Europa Clipper) ของนาซา จะพร้อมส่งในปี 2024

     และสุดท้าย แบบจำลองยังบอกว่านอกจากจะมีมหาสมุทรของเหลวแล้ว แกนกลางของไมมาสยังมีการแบ่งชั้นหิน
(differentiated) ด้วย นี่ค้านกับแบบจำลองก่อนหน้านี้ว่าด้วยวิวัฒนาการของไมมาส เนื่องจากการแบ่งชั้นหินของดวงจันทร์ตั้งแต่ต้นๆ น่าจะสร้างวงโคจรที่แตกต่างจากที่เป็นในปัจจุบันอย่างมาก นี่ทำให้ไมมาสมีความน่าสนใจอย่างมากสำหรับการศึกษาและการสำรวจต่อไป  

ยูโรปา คลิปเปอร์ ตรวจสอบชั้นเปลือกน้ำแข็งของยูโรปา 

     แม้ว่าผลสรุปของเราจะสนับสนุนมหาสมุทรที่ไมมาสในยุคปัจจุบัน แต่มันก็ยังท้าทายที่จะประสานคุณลักษณะการโคจรและธรณีวิทยาของดวงจันทร์ กับความเข้าใจปัจจุบันของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการความร้อน-การโคจรของดวงจันทร์ Rhoden กล่าว การประเมินสถานะของไมมาสในฐานะดวงจันทร์มหาสมุทร น่าจะส่งผลต่อแบบจำลองการก่อตัวและวิวัฒนาการของมัน นี่น่าจะช่วยเราให้เข้าใจวงแหวนดาวเสาร์และดวงจันทร์ขนาดกลางของมันได้ดีขึ้น เช่นเดียวกับความชุกชุมของดวงจันทร์มหาสมุทรที่มีศักยภาพเอื้ออาศัยได้ โดยเฉพาะที่ยูเรนัส ไมมาสเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจสำหรับการสืบสวนต่อไป รายงานการวิจัยเผยแพร่ใน Icarus

แหล่งข่าว phys.org : uncovering evidence for an internal ocean in small Saturn moon
                sciencealert.com : the moon that resembles the death star has been hiding another epic secret

หลุมดำที่เกื้อหนุนการก่อตัวดาว

 

กาแลคซีแคระที่ก่อตัวดาวอย่างคึกคัก(starburst) Henize 2-10 วิบวับไปด้วยดาวอายุน้อยมากมายในภาพช่วงตาเห็นจากกล้องฮับเบิลนี้ พื้นที่สว่างที่ใจกลางซึ่งล้อมรอบด้วยเมฆสีชมพูและแถบฝุ่นมืด บ่งชี้ถึงตำแหน่งของหลุมดำขนาดใหญ่ในกาแลคซีและแหล่งเพาะฟักดาวอย่างคึกคัก

     โดยปกติ เป็นที่ทราบกันว่าหลุมดำยักษ์ที่อยู่ในใจกลางกาแลคซีมักจะมีบทบาทในการหยุดการก่อตัวดาว(quenching) ตัดความสามารถของกาแลคซีต้นสังกัดในการสร้างดาวฤกษ์ใหม่ๆ แต่หลุมดำในใจกลางกาแลคซีแคระ Henize 2-10 กลับทำในสิ่งตรงกันข้าม มันกำลังป้อนก๊าซให้กับแหล่งอนุบาลดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ๆ แห่งหนึ่ง งานวิจัยใหม่นี้เผยแพร่ใน Nature วันที่ 19 มกราคม

     ตั้งแต่เริ่มต้น ฉันก็รู้ว่ามีบางสิ่งที่ไม่ปกติและพิเศษกำลังเกิดขึ้นใน Henize 2-10 แล้ว Amy Reines ผู้นำทีมสำรวจโดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล กล่าวในการแถลงข่าว และขณะนี้ ฮับเบิลก็ได้ให้ภาพที่ชัดเจนมากถึงความเชื่อมโยงระหว่างหลุมดำกับพื้นที่ก่อตัวดาวใกล้ๆ ที่อยู่ห่างออกไป 230 ปีแสงจากหลุมดำ หลุมดำใน Henize 2-10 ที่มีมวลราว 1 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ กำลังเป่าก๊าซใหม่ๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วราว 1.6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง เข้าสู่พื้นที่แห่งนี้ เหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์ใหม่ๆ กาแลคซีแคระแห่งนี้อยู่ห่างออกไป 30 ล้านปีแสง ในกลุ่มดาวซีกฟ้าใต้ เข็มทิศ(Pyxis)  

     กระแสก๊าซที่ไหลออกจากหลุมดำเป็นเสมือนสายสะดือเชื่อมกับแหล่งอนุบาลดาวใหม่ๆ พื้นที่แห่งนี้เป็นที่อยู่ของรังฝุ่นหนาทึบ การตรวจสอบสเปคตรัมจากฮับเบิลแสดงว่ากระแสไหลออกกำลังชนกับก้อนก๊าซทึบเหมือนกับ หัวฉีดน้ำในสวนปะทะกับก้อนหินและกระจายไปทั่ว มีกระจุกดาวที่เพิ่งเกิดขึ้นอยู่ตามแนวที่กระแสก๊าซกระจายออก กล้องฮับเบิลยังได้คำนวณอายุของพวกมัน

     ส่วนที่ว่าสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไรก็ยังไม่แน่ใจ เมื่อกระแสก๊าซที่ไหลออกจากหลุมดำยักษ์โดยปกติ จะทำให้เมฆก๊าซที่อยู่ใกล้ๆ ร้อนขึ้นมากจนพวกมันไม่สามารถเย็นตัวลงเพื่อก่อตัวดาวใหม่ๆ ได้ แต่ด้วยหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่าใน Henize 2-10 และกระแสไหลออกที่ช้ากว่า ก๊าซก็น่าจะถูกบีบอัดเพียงพอที่จะทำให้เกิดการก่อตัวดาวใหม่ๆ ได้ Zachary Schuttle นักศึกษาของ Reines และผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ กล่าวว่า ด้วยระยะห่างเพียง 30 ล้านปีแสง Henize 2-10 อยู่ใกล้มากพอที่ฮับเบิลจะจับทั้งภาพและตรวจสอบสเปคตรัมกระแสไหลออกจากหลุมดำได้ชัดเจนมาก สิ่งที่น่าประหลาดใจเพิ่มเติมก็คือ แทนที่จะหยุดยั้งการก่อตัวดาว กระแสไหลออกนี้กำลังทำให้เกิดการก่อตัวดาวใหม่ๆ

      ความละเอียดที่น่าทึ่งของฮับเบิลได้แสดงอย่างชัดเจนถึงรูปแบบคล้ายเกลียวจุกขวดในความเร็วของก๊าซ ซึ่งสอดคล้องกับแบบจำลองว่ากระแสไหลออกจากหลุมดำมีการควงส่าย ซึ่งซากซุปเปอร์โนวาที่สามารถสร้างการแผ่รังสีคลื่นวิทยุและรังสีเอกซ์ที่พบในแคระแห่งนี้ก่อนหน้านี้ ไม่สามารถมีรูปแบบเกลียวจุกขวดได้ จึงเป็นข้อพิสูจน์ว่ามีหลุมดำอยู่  

ภาพขยายพื้นที่ส่วนใจกลางของ Henize 2-10 ตามรอยกระแสก๊าซที่ไหลออก(outflow) หรือสะพานก๊าซร้อนที่ยาว 230 ปีแสง เชื่อมโยงหลุมดำขนาดใหญ่ของกาแลคซี เข้ากับพื้นที่ก่อตัวดาวแห่งหนึ่ง ข้อมูลความเร็วกระแสไหลออกของฮับเบิล, อายุของดาวอายุน้อย ต่างก็บ่งชี้ถึงความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองส่วนอย่างแนบแน่น เมื่อไม่กี่ล้านปีก่อน กระแสไหลออกชนเข้ากับเมฆทึบของแหล่งอนุบาลดาวแห่งหนึ่ง และสาดกระจายออกเหมือนกับน้ำในท่อฉีดที่กระเซ็นออกจากหิน ขณะนี้กระจุกดาวอายุน้อยเรียงตามตั้งฉากกับกระแสไหลออก เผยให้เห็นเส้นทางการสาดกระเซ็นของมัน

     Reines คาดหวังว่าจะมีงานวิจัยที่มุ่งเป้าที่หลุมดำในกาแลคซีแคระโดยตรงเพิ่มเติมขึ้นในอนาคต ด้วยเป้าหมายที่จะใช้พวกมันเป็นประตูสู่ปริศนาว่าหลุมดำมวลมหาศาลเกิดขึ้นได้อย่างไรในเอกภพยุคต้น ความสัมพันธ์ระหว่างมวลของกาแลคซี กับหลุมดำของมันอาจจะให้เงื่อนงำ ยิ่งกาแลคซีต้นสังกัดมีขนาดใหญ่กว่าเท่าใด หลุมดำในใจกลางกาแลคซีก็ยิ่งมีมวลสูงตามไปด้วย

     ทฤษฎีปัจจุบันว่าด้วยกำเนิดของหลุมดำมวลมหาศาล แบ่งออกไปได้ 3 กรณี 1) พวกมันก่อตัวขึ้นแบบเดียวกับหลุมดำมวลดวงดาว จากการระเบิดของดาวและบางครั้งก็รวบรวมมวลสารได้มากพอที่จะเจริญเป็นมวลมหาศาล 2) สภาวะพิเศษในเอกภพยุคต้นที่ช่วยให้มีการก่อตัวดาวมวลสูงมหาศาล(supermassive stars) ซึ่งจะยุบตัวลงกลายเป็น “เมล็ดพันธุ์” หลุมดำมวลสูงโดยตรง หรือ 3) เมล็ดพันธุ์ของหลุมดำมวลมหาศาล ก่อตัวขึ้นในกระจุกดาวที่หนาแน่น ซึ่งมวลรวมของกระจุกสูงพอที่จะสร้างหลุมดำขึ้นจากการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วง

     โดยรวมแล้ว ไม่มีทฤษฎีเมล็ดพันธุ์หลุมดำอันใดที่มีคะแนนนำเลย กาแลคซีแคระอย่าง Henize 2-10 ได้ให้เงื่อนงำที่จำเป็นเนื่องจากพวกมันรักษาสภาพความเล็กไว้ตลอดความเป็นมาของเอกภพ แทนที่จะเจริญขึ้นและควบรวมกับกาแลคซีขนาดใหญ่กว่าอย่างทางช้างเผือก นักดาราศาสตร์คิดว่าหลุมดำในแคระ น่าจะเป็นตัวแทนของหลุมดำในเอกภพยุคต้นได้ เมื่อพวกมันเพิ่งเริ่มต้นก่อตัวและเจริญขึ้น

     เราไม่สามารถเข้าถึงยุคของหลุมดำแห่งแรกๆ ได้เลย ดังนั้นจึงมีคำถามใหญ่ว่า แล้วพวกมันมาจากไหน กาแลคซีแคระอาจจะเก็บงำความทรงจำบางส่วนของลำดับเหตุการณ์เมล็ดพันธุ์หลุมดำ ที่น่าจะสูญหายไปกับเวลาและอวกาศ Reine กล่าว

แหล่งข่าว astronomy.com – snapshot: Hubble catches a black hole creating new stars
                phys.org – Hubble finds a black hole igniting star formation in a dwarf galaxy  

ฤดูที่แตกต่างบนดาวเคราะห์ และหลักชัยใหม่ของ TESS

 

ดาวเคราะห์ XO-3b ดาวเคราะห์นอกระบบชนิดพฤหัสร้อน ในวงโคจรที่รี

     ลองจินตนาการว่าอยู่ในที่ที่ลมมีความรุนแรงมากถึงความเร็วเสียง นี่เป็นสิ่งที่คาดว่าเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศของ XO-3b หนึ่งในดาวเคราะห์นอกระบบชนิดหนึ่งที่เรียกว่า พฤหัสร้อน(hot Jupiters)

     วงโคจรที่รีของดาวเคราะห์ยังชักนำให้มีการแปรผันตามฤดูกาลที่รุนแรงกว่าที่เราพบบนโลกหลายร้อยเท่า ในรายงานล่าสุด ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยแมกกิลล์ ได้ให้แง่มุมใหม่ว่าฤดูกาลบนดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะสักดวงจะมีสภาพอย่างไร นักวิจัยยังบอกว่า วงโคจรรูปไข่, อุณหภูมิพื้นผิวที่สูงสุดขั้วถึง 2000 องศาเซลเซียส และความปุกปุย(puffiness) ของ XO-3b ยังเผยให้เห็นความเป็นมาของดาวเคราะห์ การค้นพบนี้น่าจะช่วยพัฒนาทั้งความเข้าใจว่าดาวเคราะห์นอกระบบก่อตัวและพัฒนาอย่างไร และให้บริบทสู่ดาวเคราะห์ในระบบของเราด้วย

     ดาวเคราะห์ชนิดพฤหัสร้อน เป็นพิภพก๊าซขนาดใหญ่พอๆ กับดาวพฤหัส ซึ่งโคจรอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่ของพวกมัน มากกว่าวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ แม้ว่าจะไม่พบดาวเคราะห์ชนิดนี้ในระบบของเรา แต่ก็ดูเหมือนว่าจะพบได้ทั่วทั้งกาแลคซีทางช้างเผือก แต่แม้จะเป็นดาวเคราะห์นอกระบบชนิดที่ถูกศึกษามากที่สุด แต่คำถามหลักก็ยังคงมีอยู่ว่าพวกมันก่อตัวขึ้นได้อย่างไร จะมีพฤหัสร้อนกลุ่มย่อยที่มีเรื่องราวการก่อตัวที่แตกต่างออกไปหรือไม่ ยกตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์เหล่านี้ก่อตัวขึ้นไกลจากดาวฤกษ์แม่ในระยะทางที่เย็นมากพอที่โมเลกุลอย่างน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งได้ หรือก่อตัวขึ้นใกล้กว่านั้น ลำดับเหตุการณ์แบบแรกสอดคล้องกับทฤษฎีการก่อตัวดาวเคราะห์ในระบบของเรามากกว่า แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าอะไรที่ผลักดันให้ดาวเคราะห์ชนิดนี้อพยพเข้ามาใกล้กับดาวฤกษ์แม่อย่างมาก

ดาวเคราะห์ชนิดพฤหัสร้อน(hot-Jupiters) เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ในระบบของเรา แต่โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ในวงโคจรที่ใกล้กว่าดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ จากองค์ประกอบที่เป็นก๊าซ บ่งบอกว่าดาวเคราะห์ชนิดนี้น่าจะก่อตัวไกลจากดาวฤกษ์แม่ออกไปและอพยพเข้ามาใกล้ โดยไม่ทราบสาเหตุ บางส่วนอาจจะถูกดึงจนถูกทำลายโดยดาวฤกษ์

     เพื่อทดสอบแนวความคิดเหล่านั้น ผู้เขียนจากทีมที่นำโดยแมกกิลล์ได้ใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ซึ่งปลดเกษียณแล้ว ซึ่งตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ XO-3b พวกเขาสำรวจฤดูกาลของวงโคจรรี และตรวจสอบความเร็วลมบนดาวเคราะห์ ด้วยการสำรวจช่วงดาวเคราะห์เป็นเสี้ยวเมื่อมันโคจรครบรอบดาวฤกษ์แม่ 

     ดาวเคราะห์นี้เป็นกรณีศึกษาที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับพลวัตชั้นบรรยากาศและวิวัฒนาการภายใน เมื่อมันอยู่ในช่วงรอยต่อมวลดาวเคราะห์ที่ปกติแล้วจะเกิดกับพฤหัสร้อนที่มีมวลเบากว่านี้ Lisa Dang ผู้เขียนคนแรกในรายงานที่เผยแพร่ใน Astronomical Journal นักศึกษาปริญญาเอกที่แผนกฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยแมกกิลล์ XO-3b มีวงโคจรรูปไข่แทนที่จะเป็นวงโคจรกลมแบบพฤหัสร้อนอื่นๆ เกือบทั้งหมด นี่บอกว่ามันเพิ่งอพยพเข้าหาดาวฤกษ์แม่เมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้น สุดท้าย มันก็จะไปอยู่ในวงโคจรที่กลม

      วงโคจรรีของดาวเคราะห์ยังนำไปสู่การแปรผันของฤดูกาลซึ่งรุนแรงกว่าที่เกิดบนโลกหลายร้อยเท่า Nicolas Cowan ศาสตราจารย์ที่แมกกิลล์ อธิบายว่า ดาวเคราะห์ทั้งดวงจะได้รับพลังงานเมื่อมันอยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่ในช่วงฤดูร้อนอันสั้นๆ มากเป็นสามเท่าของช่วงที่มันอยู่ไกลจากดาวฤกษ์ นักวิจัยยังได้ประเมินมวลและรัศมีของดาวเคราะห์ใหม่ และพบว่าดาวเคราะห์ปุกปุยกว่าที่คาดไว้อย่างน่าแปลกใจ พวกเขาบอกว่า แหล่งความร้อนที่เป็นไปได้น่าจะมาจากการหลอมนิวเคลียสที่ยังเหลืออยู่

ภาพจากศิลปินแสดงพฤหัสร้อนที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่อย่างมาก จนชั้นบรรยากาศระเหยออกมา ทำให้ดาวเคราะห์มีขนาดทางกายภาพใหญ่มากแต่ปุกปุยมาก

     การสำรวจโดยไกอาได้พบว่า ดาวเคราะห์ปุกปุยมากกว่าที่คาดไว้ซึ่งบ่งชี้ว่าภายในของมันจะต้องมีพลังอย่างท่วมท้น การสำรวจโดยสปิตเซอร์ยังบอกใบ้ว่าดาวเคราะห์ผลิตความร้อนจำนวนมากของมันได้ เนื่องจากการแผ่ความร้อนของดาวเคราะห์ไม่ได้แปรผันตามฤดูกาล การแผ่ความร้อนพบได้ตลอดทั้งปีของ XO-3b เป็นไปได้ที่ความร้อนส่วนเกินมาจากภายในของดาวเคราะห์เอง ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า tidal heating แรงบีบความโน้มถ่วงจากดาวฤกษ์ที่มีต่อดาวเคราะห์ แปรผันไปตามวงโคจรรี ซึ่งนำดาวเคราะห์ออกไปไกลและจากนั้นก็เข้าใกล้ดาวฤกษ์ การเปลี่ยนแปลงแรงดันภายในเป็นผลให้เกิดการสร้างความร้อน

    สำหรับ Dang พฤหัสร้อนที่ไม่ปกติดวงนี้ ได้ให้โอกาสในการทดสอบความคิดว่ากระบวนการก่อตัวอันใดที่อาจจะสร้างคุณลักษณะจำเพาะของดาวเคราะห์เหล่านี้ขึ้นมา ยกตัวอย่างเช่น tidal heating ในพฤหัสร้อนดวงอื่นๆ ก็เป็นสัญญาณของการอพยพที่เพิ่งเกิดขึ้นไม่นานหรือไม่ XO-3b เพียงดวงเดียวไม่อาจไขปริศนานี้ได้ แต่มันจะทำหน้าที่เป็นชุดทดสอบสำหรับแนวคิดที่มีเกี่ยวกับยักษ์ร้อนระอุเหล่านี้

ภาพจากศิลปินแสดง TESS สำรวจทั้งท้องฟ้าเพื่อหาดาวเคราะห์นอกระบบที่กำลังผ่านหน้า  

    สำหรับปฏิบัติการนักล่าดาวเคราะห์นอกระบบในปัจจุบัน TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) ก็มาถึงหลักชัยการค้นพบสำคัญ เมื่อมันได้พบสิ่งที่ทีมเรียกว่า TESS Objects of Interests(TOIs) ผ่านหลัก 5000 ดวงแล้ว TOIs เหล่านั้นรวมว่าที่ดาวเคราะห์และสัญญาณที่น่าสนใจอื่นๆ นักดาราศาสตร์จะเลือกวัตถุจาก TOIs เหล่านี้มาเพื่อศึกษาในรายละเอียดมากขึ้นและด้วยเครื่องมืออื่นๆ เพื่อให้เข้าใจว่าจริงๆ แล้ว TESS ได้เห็นอะไร สำหรับ TOI-5000 เป็นว่าที่ดาวเคราะห์นอกระบบสองดวงในระบบดาวเคราะห์เดียวกัน เป็นพฤหัสร้อนคู่หนึ่งซึ่งมีคาบการโคจรเพียง 5.5 และ 15.3 วันตามลำดับ

     โดยรวมแล้ว มี TOIs 176 ดวงที่ได้รับการยืนยันว่าเป็นดาวเคราะห์ นับตั้งแต่ที่ส่งปฏิบัติการออกสู่อวกาศในเดือนเมษายน 2018 เนื่องจากจะต้องใช้เวลาการสำรวจมากขึ้นเพื่อยืนยันว่าที่ดาวเคราะห์เหล่านั้นหลังจากที่พบ TOI นักวิทยาศาสตร์คาดว่าการยืนยันดาวเคราะห์จะล่าช้ากว่าการตรวจจับว่าที่ดาวเคราะห์อย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น Kepler ปฏิบัติการนักล่าดาวเคราะห์ก่อนหน้า TESS ได้จำแนกว่าที่ดาวเคราะห์มากกว่าสองพันดวงซึ่งก็ยังไม่ได้ยืนยัน แม้ว่าจะทำการสำรวจเสร็จสิ้นไปตั้งแต่ปี 2013 แล้วก็ตาม(ข้อมูลปฏิบัติการเคปเลอร์มีดาวเคราะห์ที่ยืนยันแล้วมากกว่า 2700 ดวง)

แผนที่ท้องฟ้าระบุตำแหน่งว่าที่ดาวเคราะห์นอกระบบหรือ TESS objects of interest(TOIs; วงกลมสีส้ม) มากกว่า 5000 ดวง

     ปฏิบัติเดิม TESS มีกำหนดเวลาการสำรวจสองปี โดยใช้เวลาครึ่งแรกกวาดไปทั่วซีกฟ้าใต้ และจากนั้นครึ่งหลังก็สลับมาที่ซีกฟ้าเหนือ เมื่อปฏิบัติการได้ขยายเวลาในเดือนกรกฎาคม 2020 TESS ก็กลับไปทำการสำรวจรูปแบบเดิมซ้ำอีกซึ่งขณะนี้กำลังสำรวจซีกฟ้าเหนือและระนาบสุริยวิถี ทีมหวังว่า TESS จะทำการสำรวจได้จนถึงอย่างน้อยปี 2025

     และขณะนี้ เมื่อประสบความสำเร็จในการส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์(JWST) ออกสู่อวกาศและคลี่กาง นักวิทยาศาสตร์ก็วาดหวังถึงการร่วมมือระหว่าง JWST กับ TESS ตั้งแต่เริ่มต้น เมื่อ TESS มีข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับพิภพเหล่านี้ ต่อมา กล้องเวบบ์ก็น่าจะรับช่วงศึกษาในเบื้องลึกขึ้น   

แหล่งข่าว phys.org : new insights into seasons on a planet outside our solar system
                phys.org : NASA’s TESS hits milestone of 5000 exoplanet candidates
                skyandtelescope.com : exoplanet hunter racks up 5000 “objects of interest”