หลุมดำโดดเดี่ยวในทางช้างเผือก

 

     ในกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา น่าจะมีหลุมดำถึงหนึ่งร้อยล้านแห่ง แต่ส่วนใหญ่จะมีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์ แม้ในความเป็นจริงกระทั่งแสงก็ยังหนีออกมาไม่ได้ ทำให้ยากที่จะค้นหาหลุมดำ โดยทั่วไป จะพบหลุมดำได้ผ่านการควบรวมหรือปฏิสัมพันธ์กับดาวฤกษ์ แต่ขณะนี้ นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำแห่งหนึ่งที่อยู่เพียงลำพัง เป็นหลุมดำโดดเดี่ยวแห่งแรกที่เคยพบมา

     ในรายงานที่เสนอต่อ Astrophysical Journal และรอการทบทวนโดยผู้รู้เสมอกัน(peer-review) นักดาราศาสตร์ได้อธิบายการค้นพบหลุมดำโดดเดี่ยวแห่งหนึ่งที่อยู่ไกลออกไปราว 5 พันปีแสง ต้องขอบคุณปรากฏการณ์ประหลาดเลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค(gravitational microlensing) เมื่อแรงโน้มถ่วงบิดห้วงกาลอวกาศ วัตถุที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นเท่าใด แรงโน้มถ่วงก็ยิ่งรุนแรงมากตามไปด้วย และเมื่อวัตถุในคำถามนั้นมีความหนาแน่นสูงอย่างหลุมดำ การบิดห้วงกาลอวกาศก็จะรุนแรงมากจนมันทำหน้าที่เสมือนเป็นเลนส์ ขยายและรบกวนแหล่งแสงที่อยู่ด้านหลังมัน นั้นเป็นวิธีที่ช่วยให้พบวัตถุ แต่เมื่อมันอยู่ห่างกันหลายปีแสง ผลที่เกิดขึ้นจึงน้อยและต้องตรวจสอบแสงและตำแหน่งของดาวอย่างละเอียดละออ

เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค

      เหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาคก่อนหน้านี้ ได้นำไปสู่การตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบ(exoplanet) และดาวที่สลัวเกินกว่าจะมองเห็นได้ มีโครงการสำรวจที่ตั้งขึ้นเพื่อจับตาดูท้องฟ้าได้ตรจสอบเลนส์จุลภาคหลายพันเหตุการณ์ต่อปี ซึ่งเกือบทั้งหมดเป็นดาวฤกษ์ที่เคลื่อนผ่านหน้าดาวฤกษ์อีกดวงซึ่งก็ไม่ใช่เรื่องที่สร้างความประหลาดใจเลย เมื่อพิจารณาว่ามีดาวอยู่มากมายแค่ไหน

     และในวันที่ 2 มิถุนายน 2011 การสำรวจเลนส์จุลภาคสองโครงการคือ OGLE(Optical Gravitational Lensing Experiment) และ MOA(Microlensing Observations in Astrophysics) ต่างก็บันทึกเหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาคซึ่งเกิดขึ้นรุนแรงที่สุดในวันที่ 20 กรกฎาคม ไม่เพียงแต่มันจะเกิดยาวนานจนไม่ปกติ คือราว 270 วัน แต่ยังแสดงกำลังขยายแสงที่สูงมาก

เหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาค MOA-11-191/OGLE-11-0462 ตามที่กล้องฮับเบิลได้สำรวจพบ

      ทีมนานาชาติที่นำโดย Kailash Sahu จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและหอสังเกตการณ์ภาคพื้นดินได้ศึกษาติดตามผลดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่อยู่ในทิศทางใจกลางทางช้างเผือก การตรวจสอบวัตถุนี้อย่างแม่นยำซึ่งทำใน 8 วาระตลอด 6 ปีได้แสดงถึงเหตุการณ์เลนส์จุลภาคที่มีกำลังขยายสูงซึ่งมีชื่อว่า MOA-2011-BLG191/OGLE-2011-BLG-0462 จะต้องเกิดขึ้นจากวัตถุที่พื้นหน้าที่มีความหนาแน่นสูง ทีมได้ประเมินว่าวัตถุมีมวลราว 7.1 บวกลบ 1.3 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้ขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ของหลุมดำนี้มีความกว้างเพียง 42 กิโลเมตร ทีมยังแสดงว่าวัตถุนี้ไม่เปล่งแสงใดๆ เลย มวลที่ประเมินได้นั้นสูงกว่าช่วงมวลที่เป็นไปได้ของดาวนิวตรอนหรือดาวแคระขาว และการขาดแคลนการเปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ชี้ให้เห็นถึงตัวการที่น่าตื่นเต้น เป็นหลุมดำโดดเดี่ยวที่กำลังเคลื่อนที่ไปในทางช้างเผือก

      แต่จริงๆ แล้ว มันไม่ได้แค่เคลื่อนที่ง่ายๆ มันกำลังโคจรไปรอบๆ แกนกลางทางช้างเผือก เหมือนกับระบบสุริยะและเนบิวลาอื่นๆ ในกาแลคซี มันเคลื่อนที่ในทางช้างเผือกด้วยความเร็วพิเศษอีก 45 กิโลเมตรต่อวินาที เมื่อเทียบกับดาวอื่นๆ ที่ระยะทางเดียวกัน นี่เป็นการตรวจสอบความเร็วในแนวขวาง(tranverse velocity) ดังนั้น การเคลื่อนที่เฉพาะ(proper motion; การเคลื่อนที่ในแบบสามมิติ) ของมันจึงน่าจะแตกต่างออกไป

ภาพจากฮับเบิลในฟิลเตอร์ F814W(I-band) แสดงพื้นที่ขนาด 800*800 ที่มี MOA-11-191/OGLE-11-0462 อยู่กลางภาพ ถ่ายในช่วงสิ้นสุดเหตุการณ์เดือนสิงหาคม 2017 ในวงสีเขียวเป็นดาวที่เป็นแหล่งแสงขณะนี้กลับสู่กำลังสว่างเดิม

     แต่แม้ว่าจะมีข้อจำกัดในการตรวจสอบ แต่ความเร็วนี้ก็บอกบางอย่างแก่เราได้ว่ามันเป็นหลุมดำวิ่งหนี(runaway black hole) การระเบิดซุปเปอร์โนวาที่สร้างหลุมดำแห่งนี้จะต้องดีดมันออกมาอย่างรุนแรง ส่งมันวิ่งข้ามทางช้างเผือก ในรายงาน

     ทีมเน้นว่าในขณะที่ก็ยากที่จะติดตามวัตถุนี้ แต่ก็มีโอกาสที่มันอาจจะปรากฏขึ้นในการสำรวจรังสีเอกซ์หรือคลื่นวิทยุห้วงลึก ที่น่าตื่นเต้นกว่านั้นก็คือ เมื่อหอสังเกตการณ์รุ่นต่อไป อย่าง หอสังเกตการณ์รูบิน(Vera C. Rubin Observatory) และกล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมัน(Nancy Grace Roman Space Telescope) จะพร้อมทำงานในทศวรรษหน้า ก็น่าจะนำไปสู่การตรวจสอบเหตุการณ์เลนส์จุลภาคได้มากขึ้น และบางส่วนก็น่าจะเป็นหลุมดำโดดเดี่ยวอื่นๆ อีก การเข้าใจประชากรกลุ่มที่ชอบหลบกล้องในกาแลคซีของเราจะง่ายขึ้นมาก

แหล่งข่าว iflscience.com : first truly isolated black hole discovered in the Milky Way
                sciencealert.com : for the first time, a lone black hole has been found wandering the Milky Way   

WASP-189b ดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศยิบย่อย

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ WASP-189b 

     ชั้นบรรยากาศของโลกนั้นไม่ได้เป็นชั้นห่อหุ้มที่เป็นเนื้อเดียวกันตลอด แต่ประกอบด้วยชั้นย่อยที่แตกต่าง โดยแต่ละชั้นก็มีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ ยกตัวอย่างเช่น โทรโพสเฟียร์(troposphere) อยู่ล่างสุดซึ่งแผ่ตั้งแต่ระดับน้ำทะเลเลยยอดเขาที่สูงที่สุดบนโลกไปอีก ประกอบด้วยไอน้ำเกือบทั้งหมด และจึงเป็นชั้นที่ปรากฏการณ์ประหลาดทางภูมิอากาศเกือบทั้งหมดปรากฏขึ้น ชั้นที่อยู่สูงขึ้นมาเป็น สตราโตสเฟียร์(stratosphere) เป็นชั้นที่มีโอโซนที่ปกป้องเราจากการแผ่รังสีอุลตราไวโอเลตจากดวงอิทตย์ที่เป็นอันตราย

     ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Nature Astronomy วันที่ 27 มกราคม ทีมนักวิจัยนานาชาติซึ่งนำโดยมหาวิทยาลัยลุนด์ในสวีเดน โดยมีมหาวิทยาลัยเบิร์นและมหาวิทยาลัยเจนีวาร่วมทีม ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่สุดขั้วที่สุดดวงหนึ่ง อาจจะมีชั้นย่อยที่คล้ายๆ กันนี้ด้วยเช่นกัน แม้ว่าจะมีคุณลักษณะที่แตกต่างออกไปมาก

     WASP-189b เป็นดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะของเรา อยู่ห่างจากโลกออกไป 322 ปีแสง การสำรวจดาวเคราะห์ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศคีออปส์(CHEOPS) ในปี 2020 อย่างเข้มข้นได้เผยให้เห็นสิ่งต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ใกล้กว่าโลกรอบดวงอาทิตย์ราว 20 เท่า โคจรครบรอบในเวลาเพียง 2.7 วัน และมีอุณหภูมิด้านกลางวัน 3200 องศาเซลเซียส การสำรวจการผ่านหน้า(transit) สามครั้งล่าสุดด้วยสเปคโตรกราฟ HARPS ที่หอสังเกตการณ์ลา ซิลญา ในชิลี เป็นครั้งแรกที่ช่วยให้นักวิจัยได้ตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์คล้ายดาวพฤหัสฯ ดวงนี้อย่างใกล้ชิดมากขึ้น

ชั้นบรรยากาศโลกแบ่งเป็นชั้นย่อยได้ดังในภาพ 

     เราตรวจสอบแสงที่มาจากดาวฤกษ์แม่ของดาวเคราะห์เมื่อมันผ่านทะลุชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ก๊าซในชั้นบรรยากาศนี้ดูดกลืนแสงดาวฤกษ์บางส่วนไว้ คล้ายกับที่โอโซนในชั้นบรรยากาศโลกได้ดูดกลืนแสงอาทิตย์ไว้บางส่วน ซึ่งจะทิ้งรอยนิ้วมือที่เป็นเอกลักษณ์ไว้ ด้วยความช่วยเหลือจาก HARPS เราก็สามารถจำแนกองค์ประกอบได้ Bibiana Prinoth ผู้เขียนนำการศึกษา และนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยลุนด์ อธิบาย ก๊าซที่ทิ้งร่องรอยในชั้นบรรยากาศ WASP-189b ประกอบด้วยเหล็ก, โครเมียม, วาเนเดียม, มักนีเซียม และมังกานีส แม้มนุษย์อย่างเรามักจะไม่ได้นึกถึงว่าโลหะเหล่านี้จะอยู่ในรูปก๊าซ แต่ไม่ใช่เรื่องที่น่าประหลาดใจเมื่อพิจารณาจากอุณหภูมิที่ร้อนจัดของ WASP-189b  

     แต่ก๊าซที่น่าสนใจเป็นพิเศษชนิดหนึ่งที่ทีมพบเป็นก๊าซที่มีไทเทเนียมเป็นองค์ประกอบ คือ ไทเทเนียมออกไซด์ ในขณะที่ไทเทเนียมออกไซด์พบได้น้อยมากๆ บนโลก มันก็อาจแสดงบทบาทสำคัญในชั้นบรรยากาศของ WASP-189b คล้ายกับบทบาทของโอโซนในชั้นบรรยากาศโลก ไทเทเนียมออกไซด์ดูดกลืนการแผ่รังสีคลื่นสั้นเช่น ยูวี การตรวจจับมันจึงบ่งชี้ถึงชั้นในชั้นบรรยากาศของ WASP-189b ที่มีปฏิสัมพันธ์กับการแผ่รังสีของดาวคล้ายกับที่ชั้นโอโซนบนโลกมี Kevin Heng ผู้เขียนร่วมการศึกษา ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเบิร์น สมาชิก NCCR(National Centre of Competence in Research) PlanetS อธิบาย

ชั้นโอโซนในชั้นบรรยากาศโลก ช่วยสะท้อนอุลตราไวโอเลตพลังงานสูง(UV-B, C) ออกไป ยอมให้ UV-A ผ่านเข้ามาเป็นบางส่วน ในขณะที่นักบินอวกาศจะรับได้รังสียูวีเต็มๆ รวมถึงรังสีอื่นๆ ในอวกาศด้วย 

     ในความเป็นจริง นักวิจัยได้พบร่องรอยของชั้นลักษณะนี้และชั้นอื่นๆ บนดาวเคราะห์คล้ายดาวพฤหัสฯ ที่ร้อนจัด ในการวิเคราะห์ของเรา เราได้เห็นร่องรอยของก๊าซต่างๆ ส่งผลแตกต่างไปเล็กน้อยจากที่คาดไว้ HARPS ไม่สามารถแยกแยะได้โดยตรงว่าสารเคมีเรียงตัวในชั้นบรรยากาศอย่างไร และนักวิทยาศาสตร์เองก็ไม่สามารถสำรวจความเป็นชั้นนี้ได้ อย่างไรก็ตาม ร่องรอยสารเคมีที่พบได้รับอิทธิพลจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์(Doppler effect) เดียวกัน ในการวิเคราะห์ นักวิจัยได้พบผลจากดอปเปลอร์ที่แตกต่างกันเล็กน้อยในสารเคมีแต่ละชนิด ซึ่งบอกว่าพวกมันเคลื่อนที่ในชั้นบรรยากาศอย่างแตกต่างกัน และก็บอกถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนได้

     เราเชื่อว่าลมที่รุนแรงและกระบวนการอื่นๆ น่าจะสร้างการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ และเนื่องจากร่องรอยของก๊าซต่างๆ ก็มีดอปเปลอร์ในแบบที่แตกต่างกัน เราคิดว่านี่บ่งชี้ว่าพวกมันปรากฏอยู่ในชั้นที่แตกต่างกัน คล้ายกับร่องรอยของไอน้ำและโอโซนบนโลกที่น่าจะส่งผล(ดอปเปลอร์) แตกต่างกัน เมื่อสำรวจจากระยะไกล เนื่องจากพวกมันเกือบทั้งหมดปรากฏอยู่ในชั้นในชั้นบรรยากาศที่ต่างกัน Prinoth อธิบาย ผลสรุปเหล่านี้อาจจะเปลี่ยนวิธีที่นักดาราศาสตร์สำรวจดาวเคราะห์นอกระบบไป

     ในอดีต นักดาราศาสตร์มักจะสันนิษฐานว่าชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบปรากฏเป็นชั้นที่เป็นเนื้อเดียวกัน และพยายามจะเข้าใจมันทั้งอย่างนั้น แต่ผลสรุปของเราได้แสดงว่าแม้แต่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่อาบรังสีที่รุนแรงมาก ก็มีโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน Jens Hoeijmakers ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากมหาวิทยาลัยลุนด์ ชี้ให้เห็น เราเชื่อว่าถ้าจะสามารถเข้าใจดาวเคราะห์ชนิดนี้และชนิดอื่นๆ ซึ่งรวมถึงพวกที่คล้ายกับโลกมากกว่า ได้อย่างถี่ถ้วนแล้ว เราต้องยอมรับธรรมชาติชั้นบรรยากาศที่เป็นสามมิติ นี่ต้องการนวัตกรรมด้านเทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูล, แบบจำลองคอมพิวเตอร์ และทฤษฎีชั้นบรรยากาศพื้นฐาน Kevin Heng กล่าวสรุป เป็นเรื่องที่น่ายินดีที่การส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ จะช่วยในการตรวจสอบชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบได้

 

แหล่งข่าว phys.org : extreme exoplanet has a complex and exotic atmosphere
                space.com : bizarre alien planet has layered atmosphere of vaporized metals   

หลุมดำมวลปานกลางในกาแลคซีเพื่อนบ้าน

 

     นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำแห่งหนึ่งซึ่งไม่เหมือนกับหลุมดำใดๆ ด้วยมวลราว 1 แสนเท่ามวลดวงอาทิตย์ มันมีขนาดเล็กกว่าหลุมดำที่เราได้พบในใจกลางกาแลคซี แต่ก็ยังใหญ่กว่าหลุมดำที่ก่อตัวขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ระเบิด นี่ทำให้มันเป็นหนึ่งในหลุมดำมวลปานกลาง(intermediate-mass black hole) ที่เพิ่งยืนยันแล้ว ซึ่งเป็นวัตถุที่นักดาราศาสตร์ค้นหามานาน

     Anil Seth รองศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ และผู้เขียนร่วมในการศึกษานี้ กล่าวว่า เราทั้งตรวจพบหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) ที่ใหญ่ที่สุดด้วยมวลระดับร้อยเท่าดวงอาทิตย์ กับหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) ที่ใจกลางกาแลคซีซึ่งมีมวลหลายล้านเท่าดวงอิทตย์ แต่ไม่ค่อยได้พบหลุมดำที่มีมวลระหว่างนั้นมากนัก นี่เป็นช่องว่างขนาดใหญ่ การค้นพบนี้ช่วยเติมช่องว่าง

      หลุมดำแห่งนี้ซ่อนอยู่ใน B023-G078 ซึ่งเป็นกระจุกดาวขนาดมหึมาใน อันโดรเมดา(Andromeda) กาแลคซีที่อยู่ใกล้เรามากที่สุดเพียง 2 ล้านปีแสงเท่านั้น ที่เคยคิดว่าเป็นกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) แต่นักวิจัยแย้งว่า B023-G078 น่าจะเป็นนิวเคลียสกาแลคซีที่ถูกเปลือยออก(stripped nucleus) นิวเคลียสเป็นซากของกาแลคซีขนาดเล็กที่ตกเข้าหากาแลคซีขนาดใหญ่กว่า และถูกฉีกดาวรอบนอกๆ ออกไปโดยแรงโน้มถ่วง สิ่งที่เหลืออยู่ก็คือ นิวเคลียสขนาดจิ๋วที่หนาแน่นสูงโคจรรอบกาแลคซีขนาดใหญ่ และที่ใจกลางของนิวเคลียสก็เป็นหลุมดำ

     ก่อนหน้านี้ เราได้พบหลุมดำใหญ่ในนิวเคลียสเปลือยขนาดใหญ่ที่มีมวลสูงกว่า B023-G078 มาก เราทราบว่าจะต้องมีหลุมดำขนาดเล็กกว่าในนิวเคลียสเปลือยที่มีมวลต่ำกว่า แต่ก็ไม่เคยได้พบหลักฐานโดยตรงมาก่อนเลย Renuka Pechetti ผู้เขียนนำจากมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูล จอห์น มัวร์ ซึ่งเริ่มต้นงานวิจัยที่มหาวิทยาลัยยูทาห์ กล่าว ฉันคิดว่านี่เป็นกรณีที่ค่อนข้างชัดเจนว่า เราได้พบวัตถุ(หลุมดำมวลปานกลาง-ผู้แปล) แล้วในที่สุด การศึกษาเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 11 มกราคม

ช่องซ้ายแสดง M31 ในมุมกว้าง โดยช่องสีแดงและภาพเล็กแสดงตำแหน่งและภาพของ B023-G78 ที่พบหลุมดำ

    B023-G078 เป็นที่รู้จักในฐานะกระจุกทรงกลมขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นดาวรวมกลุ่มจนมีรูปร่างกลมเกาะกันอย่างแนบแน่นด้วยแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม มีการสำรวจวัตถุนี้เพียงครั้งเดียวที่บอกมวลโดยรวมของมัน ที่ 6.2 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ เป็นเวลาหลายปีที่ Seth รู้สึกว่ามีอะไรแปลกๆ ผมคิดว่า B023-G078 เป็นหนึ่งในวัตถุที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในอันโดรเมดา และคิดว่ามันน่าจะเป็นนิวเคลียสที่เปลือย แต่เราต้องการข้อมูลเพื่อพิสูจน์ เราขอใช้เวลาสำรวจกล้องโทรทรรศน์หลายตัวเป็นเวลาหลายปี แต่ก็ล้มเหลวมาตลอด เมื่อเราได้พบหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งในนิวเคลียสเปลือยแห่งหนึ่งในปี 2014 หอสังเกตการณ์เจมิไนก็ให้โอกาสพวกเราได้ตรวจสอบ

     ด้วยข้อมูลการสำรวจใหม่จากเจมิไนและภาพจากกล้องฮับเบิล Pechetti, Seth และทีมได้คำนวณว่าภายในวัตถุมีการกระจายมวลอย่างไรจากคุณสมบัติแสงของมัน กระจุกทรงกลมจะมีคุณสมบัติแสงเป็นเอกลักษณ์ ซึ่งไม่ว่าที่ใจกลางหรือที่พื้นที่ส่วนนอกก็มีรูปร่างเดียวกัน แต่ B023-G078 แตกต่างออกไป แสงที่ใจกลางของมันนั้นกลมและจากนั้นก็แบนราบมากขึ้นเมื่อขยับออกข้างนอก องค์ประกอบเคมีของดาวก็เปลี่ยนแปลงไปด้วยเช่นกัน โดยดาวในใจกลางจะมีธาตุหนักอยู่มากกว่าในดาวที่อยู่ใกล้ขอบ

     โดยทั่วไปแล้ว กระจุกดาวทรงกลมก่อตัวขึ้นในช่วงเวลาเดียวกัน เมื่อเทียบแล้ว นิวเคลียสที่เปลือยเหล่านี้จะมีการก่อตัวดาวหลายช่วงเวลา เมื่อมีก๊าซตกลงสู่ใจกลางกาแลคซีและสร้างดาวขึ้นมา และกระจุกดาวอื่นๆ ก็อาจถูกลากเข้าหาใจกลางโดยแรงโน้มถ่วงของกาแลคซี Seth กล่าว นี่เหมือนกับเป็นที่ทิ้งขยะที่แตกต่างกันใส่เข้าไป ดังนั้น ดาวในนิวเคลียสที่เปลือย จะมีความซับซ้อนสูงกว่าในกระจุกทรงกลม และนั้นคือสิ่งที่เราได้เห็นที่ B023-G078

     นักวิจัยใช้การกระจายมวลของวัตถุเพื่อทำนายว่าดาวที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในกระจุกน่าจะเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน และเปรียบเทียบมันกับข้อมูลจริง ดาวที่มีความเร็วสูงสุดจะโคจรรอบใจกลาง เมื่อพวกเขาสร้างแบบจำลองที่ไม่ได้รวมหลุมดำเข้าไปด้วย ดาวที่ใจกลางก็ยังเคลื่อนที่ช้าเกินกว่าที่สำรวจพบ เมื่อเพิ่มหลุมดำเข้าไป ก็จะได้ความเร็วสอดคล้องกับข้อมูล หลุมดำที่เพิ่มเข้าไปเป็นหลักฐานว่าวัตถุนี้เป็นนิวเคลียสเปลือย

ภาพจาก GALEX แสดงกาแลคซีอันโดรเมดา(M31) เป็นกาแลคซีเพื่อนบ้านขนาดใหญ่ที่อยู่ใกล้ทางช้างเผือกมากที่สุด

     ความเร็วของดาวที่เราได้เป็นหลักฐานโดยตรงว่ามีมวลมืดบางอย่างอยู่ในใจกลาง Pechetti กล่าว เป็นเรื่องยากมากๆ สำหรับกระจุกทรงกลมที่จะก่อตัวหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้น แต่ถ้ามันเป็นนิวเคลียสที่เปลือย ก็จะมีหลุมดำอยู่ด้วยแล้ว หลงเหลือเป็นซากของกาแลคซีขนาดเล็กที่ตกลงสู่กาแลคซีขนาดใหญ่กว่า

     นี่เป็นหลักฐานที่น่าประทับใจและหนักแน่น Peter Jonker นักวิจัยหลุมดำจากมหาวิทยาลัยรัดบาวด์ เนเธอร์แลนด์ส ให้ความเห็น แน่นอนว่ามันจะถูกใส่เข้าไปในหลักฐานที่มากขึ้นเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำมวลปานกลาง แม้ว่าจะยังไม่ใช่ข้อพิสูจน์สุดท้ายที่หามานาน จริงๆ แล้ว นักวิจัยเองก็ยอมรับว่า พวกเขาไม่สามารถตัดทางเลือกว่า เป็นหลุมดำมวลดวงดาวกลุ่มหนึ่ง ที่เป็นสาเหตุได้ เช่นเดียวกับในกรณีการโต้แย้งของ โอเมกา เซนทอไร(Omega Centauri) กระจุกทรงกลมขนาดยักษ์ในทางช้างเผือกของเราซึ่งมันอาจจะเป็นนิวเคลียสที่ถูกเปลือยออก ซึ่งในปี 2008 นักดาราศาสตร์อ้างว่าพบหลุมดำมวล 4 หมื่นเท่าในแกนกลาง แม้ผลสรุปนี้ในภายหลังจะตกไป แต่ Jonker ก็บอกว่าโอเมกา เซนทอไร อาจจะมีหลุมดำขนาดเล็กระดับหนึ่งพันเท่าดวงอาทิตย์ หรือกระทั่งประชากรหลุมดำมวลดวงดาวกลุ่มหนึ่งอยู่

     นักวิทยาศาสตร์รอคอยการสำรวจสเปคตรัมด้วยความละเอียดที่สูงขึ้น ซึ่งน่าจะสามารถให้ภาพการเคลื่อนที่ของดาวในระบบแห่งนี้ที่ชัดเจนมากขึ้น และน่าจะบอกได้ว่าวัตถุนี้เป็นหลุมดำมวลปานกลางเดี่ยวแห่งเดียว แทนที่จะเป็นกลุ่มของหลุมดำมวลเบากว่า แทน

     นักวิจัยหวังว่าจะได้สำรวจนิวเคลียสเปลือยให้มากขึ้นซึ่งอาจจะมีหลุมดำมวลปานกลางเพิ่มขึ้นอีก นี่เป็นโอกาสที่จะได้เรียนรู้ให้มากขึ้นเกี่ยวกับประชากรหลุมดำในใจกลางกาแลคซีมวลต่ำ และได้เรียนรู้ว่ากาแลคซีก่อตัวขึ้นจากกาแลคซีขนาดเล็กกว่าได้อย่างไร เรารู้ว่ากาแลคซีขนาดใหญ่โดยทั่วไปก่อตัวขึ้นจากการควบรวมของกาแลคซีขนาดเล็กกว่า แต่นิวเคลียสเปลือยเหล่านี้ช่วยให้เราได้ระบุรายละเอียดปฏิสัมพันธ์ในอดีตที่ผ่านมาเหล่านั้นได้ Seth กล่าว

แหล่งข่าว phys.org : extraordinary black hole found in neighboring galaxy
                iflscience.com : extremely rare “intermediate” black hole found orbiting nearby Andromeda
                skyandtelescope.com : does the Andromeda galaxy harbor a mid-weight black hole?

ดาวยักษ์ที่พบในที่ที่ไม่ควรอยู่

 

ดาวเกือบทั้งหมดโดยเฉพาะพวกมวลสูง จะอยู่ในระนาบกาแลคซี แต่ก็มีไม่กี่ดวงที่อยู่เหนือและใต้ระนาบ และมีอีกจำนวนหนึ่งที่เป็นปริศนาที่อาจจะไขได้แล้วในที่สุด 

    ดิสก์ของทางช้างเผือกซึ่งเหมือนแป้งเครปมีความกว้าง 1 แสนปีแสง และหนา 1 พันปีแสง เป็นที่ที่ก่อตัวดาวฤกษ์เกือบทั้งหมดของทางช้างเผือกขึ้น ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงประหลาดใจเมื่อหลายปีก่อน ได้พบดาวฤกษ์มวลสูงดวงหนึ่ง อยู่เหนือระนาบกาแลคซีขึ้นไป 3600 ปีแสง เลยจากดิสก์ออกไปในพื้นที่ที่มีประชากรดาวอยู่อย่างเบาบางที่เรียกว่า กลดกาแลคซี(galactic halo) ดาวดวงนี้ยังดูอายุน้อยเกินกว่าจะเดินทางออกจากดิสก์หลังจากที่เกิดขึ้นมา แต่ความคิดว่าดาวลักษณะนี้น่าจะก่อตัวขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้ในฮาโลที่ขาดแคลนก๊าซ ก็มีเหตุผลมารองรับไม่พอ

     ขณะนี้ Douglas Gies จากมหาวิทยาลัยจอร์เจียสเตท และเพื่อนร่วมงานได้เสนอลำดับเหตุการณ์ที่เป็นไปได้เพื่ออธิบายนักเดินทางดวงนี้ HD 93521 ขณะนี้มันเป็นดาวฤกษ์สีฟ้า(สเปคตรัมชนิด O) ที่มีมวล 17 เท่าดวงอาทิตย์ แต่บางทีมันอาจจะไม่ได้เป็นเช่นนั้นมาตั้งแต่เกิด ครั้งหนึ่ง ดาวอาจจะเคยเป็นดาวมวลต่ำกว่าคู่หนึ่งซึ่งต่อมาก็ควบรวมกัน นักดาราศาสตร์ได้นำเสนอลำดับเหตุการณ์นี้ใน Astronomical Journal ฉบับวันที่ 1 กุมภาพันธ์

     นักดาราศาสตร์ทราบว่ามีดาวฤกษ์ดวงอื่นที่อาจจะหนีออกจากดิสก์ทางช้างเผือก ซุปเปอร์โนวาของดาวที่ตายแล้วสามารถผลักดาวข้างเคียงออกไป เช่นเดียวกับการผ่านเข้าใกล้พี่น้องดวงอื่นๆ ในกระจุกดาว ก็ส่งมันเดินทางออกไปได้ด้วยเช่นกัน แต่ดาวมวลสูงซึ่งเผาไหม้เร็วและตายตั้งแต่อายุน้อย และความอวบอ้วนของ HD 93521 อุณหภูมิพื้นผิวเฉลี่ย 3 หมื่นเคลวิน มันน่าจะมีชีวิตอยู่ได้ราว 10 ล้านปี ก็บอกว่ามันไม่ได้อยู่นานพอที่จะหนีออกจากดิสก์ทัน ตามที่ Ian Howarth และ Andy Reid จาก University College London บอกไว้เมื่อปี 1993 ว่าดาวไม่มีเวลามากพอที่จะเดินทางออกไปได้ไกลอย่างนั้น

โครงสร้างคร่าวๆ ของทางช้างเผือก ดาวฤกษ์เกือบทั้งหมดจะก่อตัวในดิสก์ตามแขนกังหัน 

     นักดาราศาสตร์จึงมีคำอธิบายที่เป็นไปได้ 3 ทางในกรณีนี้คือ ดาวมีอายุมากกว่าที่เห็น หรือมันอาจจะก่อตัวขึ้นเรียบร้อยแล้วไกลจากระนาบกาแลคซีออกมา หรือเดิมทีมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงมากและมีบางสิ่งที่ชะลอความเร็วของมันลงมา

     ขณะนี้ ทีมของ Gies ได้ทำการคำนวณซ้ำโดยใช้การตรวจสอบระยะทางและการเคลื่อนที่ของดาวครั้งใหม่ จากดาวเทียมไกอา(Gaia) ขององค์กรอวกาศยุโรป ซึ่งการตรวจสอบของไกอาเป็นผลให้ระยะทางของดาวดวงนี้อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เพียง 4000 ปีแสง จากเดิม 7000 ปีแสงที่เคยคำนวณไว้ แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังได้ข้อสรุปเหมือนกับ Howarth และ Reid ว่ามันก็ยังไม่มีเวลาพอ ดาวซึ่งดูเหมือนจะมีอายุ 5 ล้านปี แต่จากเส้นทางปัจจุบันของมัน มันน่าจะใช้เวลาถึง 39 ล้านปีเพื่อเดินทางออกจากดิสก์

    แต่เมื่อมีข้อมูลไกอาอยู่ในมือ ทีมของ Gies ก็ก้าวหน้าไปอีกขั้น โดยการตามรอยเส้นทางของดาวย้อนหลังไป 5 ล้านปีก่อนเพื่อมองหาสัญญาณญาติพี่น้องดาว หรือซากที่เหลือของกระจุกที่ให้กำเนิดมัน พวกเขาไม่พบอะไรเลย และเมื่อในฮาโลก็ไม่ใช่ที่สร้างดาว ดาวจะต้องมาจากดิสก์อย่างแน่นอน แต่คำถามก็คือ อย่างไร

     การควบรวมภายในระบบดาวที่ถูกผลักออกมาก็เป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้อย่างหนึ่ง ดาวสามารถก่อตัวเป็นระบบคู่ที่แนบชิดกันซึ่งต่อมาจะควบรวมเป็นดวงเดียวได้ และเมื่อเกิดสิ่งนั้นขึ้น การชนจะก่อกวนภายในของพวกมัน นำไฮโดรเจนใหม่ๆ เข้าสู่แกนกลางของดาวที่เพิ่งควบรวม เป็นผลให้เกิดการย้อนวัย ตั้งนาฬิกาวิวัฒนาการใหม่อีกครั้ง หรือพูดอีกอย่างว่า HD 93521 ที่ดูเหมือนจะมีอายุ 5 ล้านปี แต่อายุนั้นก็นับตั้งแต่ที่เกิดการชน

HD 93521 ดาวฤกษ์ร้อนชนิด O อยู่ในกลด(halo) ของทางช้างเผือก ไกลจากระนาบกาแลคซีที่ก่อตัวดาวเกือบทั้งหมดของกาแลคซี 

     การควบรวมยังน่าจะอธิบายการหมุนรอบตัวที่เร็วของดาวนี้ แม้ว่าจะมีมวลสารที่ศูนย์สูตร 7.4 เท่าเท่าดวงอาทิตย์ แต่มันกลับหมุนรอบตัวในเวลาเพียง 21 ชั่วโมงเท่านั้น เทียบกับคาบการหมุนรอบตัวที่ศูนย์สูตรดวงอาทิตย์ที่ 24.5 วัน ในความเป็นจริง มันกำลังหมุนรอบตัวเร็วมากๆ จนการหมุนทำให้ดาวมีรูปร่างคล้ายลูกรักบี้

    ลำดับเหตุการณ์การควบรวมยังต้องการสมดุลที่ค่อนข้างละเอียดอ่อน กล่าวคือ ดาวคู่จะต้องเดินทางออกจากระนาบกาแลคซีแทบจะทันทีหลังจากที่พวกมันก่อตัวขึ้นมา ดาวคู่เป็นดาวมวลปานกลางมีอายุยาวกว่าดาวที่มวลสูงกว่า ดังนั้น ดาวต้นกำเนิดจะต้องมีมวลต่ำมากพอและมีอายุยืนมากพอที่จะอธิบายการเดินทาง 39 ล้านปีจากดิสก์ทางช้างเผือกด้วย ในเวลาเดียวกัน ดาวขนาดเล็กกว่าทั้งสองก็จะต้องมีมวลสารมากพอที่จะรวมกันเป็นมวลปัจจุบันของดาวที่ 17 เท่าดวงอาทิตย์กว่าๆ และเนื่องจากขณะนี้มันกำลังสูญเสียมวล และอาจจะสูญเสียมวลบางส่วนไปแล้วผ่านกระบวนการควบรวมด้วย Gies บอกว่าแม้จะไม่สามารถระบุมวลปัจจุบันของดาวได้แน่ชัด แต่ลำดับเหตุการณ์การควบรวมให้ช่วงมวลที่สอดคล้อง

     HD 93521 ไม่ใช่กรณีดาวมวลสูงดวงเดียวที่พบไกลจากที่เกิดของมัน Peter Wysocki นักศึกษาจากจอร์เจียสเตท กำลังตรวจสอบตัวอย่างระบบดาวคู่มวลสูงอีกแห่งที่อยู่ไกล ซึ่งอาจจะเป็นตัวแทนสภาวะก่อนที่จะเกิดการควบรวม ดาวดวงนี้ซึ่งเรียกว่า IT Librae มีการเรียงตัวที่ทำให้เราเห็นคราส เมื่อดาวสองดวงผ่านหน้าซึ่งกันและกัน การสำรวจการแปรเปลี่ยนของแสงดาว และการเคลื่อนที่จากสเปคตรัมนำไปสู่การประเมินมวลของพวกมัน

การหมุนรอบตัวที่เร็วมากของ HD 93521 ทำให้รูปร่างมันเปลี่ยนไปตามที่แสดงในแบบจำลองนี้

     จากค่ามวลที่ได้ Wysocki เองก็พบความขัดแย้งคล้ายๆ กัน ก็คือ อายุที่ทำนายไว้ของ IT Librae นั้นสั้นเกินกว่าที่มันใช้เดินทางออกจากดิสก์ แต่การศึกษาก็ยังเผยให้เห็นว่าดาวมวลต่ำกว่าในคู่ ก็ได้เริ่มถ่ายเทมวลส่วนใหญ่ของมันไปให้กับดาวมวลสูงกว่าในคู่ เริ่มต้นกระบวนการที่อาจนำไปสู่การควบรวมในที่สุด นี่หมายความว่า แท้จริงแล้ว ดาวมวลสูงกว่าจะต้องเก่าแก่กว่าที่มันแสดงออกมา โดยเริ่มต้นชีวิตเป็นดาวที่มีมวลต่ำกว่าที่เห็น

     ดาวมวลสูงที่อยู่ห่างไกลเหล่านี้ได้ให้หลักฐานที่ชัดเจนว่าระบบดาวคู่ที่อยู่ใกล้ชิดกัน สามารถควบรวมกันเพื่อสร้างดาวที่มีมวลสูงขึ้นได้ Gies กล่าว และนั้นก็เป็นเงื่อนงำสำคัญว่าดาวมวลสูงที่หมุนรอบตัวเร็วมากจะสามารถสร้างหลุมดำที่มีอัตราการหมุนรอบตัวเร็ว ได้อย่างไร

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : a star where it shouldn’t be
                phys.org : astronomers offer theory about mysterious location of massive stars
                iflscience.com : how giant stars end up in “impossible” locations
               sciencealert.com : astronomers keep finding stars that should be dead. Now, we may finally know why