Hundreds of 'Missing' Black Holes Found

หลุมดำที่หายไปนับร้อยดวงถูกค้นพบภายในกาแลกซีฝุ่นคลุ้งที่อยู่ห่างจากโลกหลายพันล้านปีแสง                                                                                         Mark Dickinson แห่งหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์เชิงทัศนแห่งชาติ (National Optical Astronomy Observatory) เมือง Tuscon มลรัฐอริโซนา ประเทศสหรัฐอเมริกา หนึ่งในคณะนักวิจัยกล่าวว่า “หลุมดำมวลยวดยิ่ง(supermassive blackhole) ที่กำลังคุกรุ่น มีอยู่ทุกหนแห่งภายในเอกภพยุคแรก” “แต่ก่อนเราเคยพบแต่ปลายยอดของภูเขาน้ำแข็ง และตอนนี้เราเห็นภูเขาน้ำแข็งทั้งลูกแล้ว” Dickinson เปรียบเทียบ

นับเป็นหลักฐานโดยตรงชิ้นแรกที่บ่งบอกว่า กาแลกซีมวลมาก(massive galaxy)ส่วนใหญ่ภายในเอกภพอันไกลโพ้น หรือเอกภพยุคแรกๆ ใช้เวลาไปกับการสร้างหลุมดำมวลยวดยิ่งภายในใจกลางกาแลกซี อีกทั้งยังสามารถตอบคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับวิวัฒนาการของกาแลกซีมวลมากอย่างกาแลกซีทางช้างเผือก(Milky Way) ได้อีกด้วย

“มันเคยเป็นเหมือนปัญหาตาบอดคลำช้างมาก่อน และเราไม่เคยแน่ใจเลยว่ามันเป็นสิ่งมีชีวิตแบบใด” David Elbaz แห่ง ommissariat a l’Energie Atomique ประเทศฝรั่งเศส และหนึ่งในคณะนักวิจัยกล่าวเปรียบเทียบ

ทีมวิจัยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราและสปิตเซอร์ของนาซา ตรวจพบรังสีอินฟราเรดความเข้มสูงจากกาแลกซี 200 แห่ง ภายในเอกภพยุคแรกๆ พวกเขาคาดว่ารังสีอินฟราเรดดังกล่าวเกิดจากวัสดุที่ตกลงไปในควอซาร์(quasar) หรือหลุมดำมวลยวดยิ่ง(supermassive black hole) ที่ถูกห้อมล้อมด้วยกลุ่มก๊าซและฝุ่นรูปร่างคล้ายโดนัท ที่บริเวณใจกลางกาแลกซี

กาแลกซีใหม่ที่มีควอซาร์ ล้วนมีมวลพอๆ กับกาแลกซีทางช้างเผือก แต่มีรูปร่างผิดปกติ พวกมันอยู่ห่างจากโลกประมาณ 9 ถึง 11 พันล้านปีแสง หรือในยุคที่เอกภพมีอายุระหว่าง 2.5 ถึง 4.5 พันล้านปีเท่านั้น                                                                                                                                                            เป็นเวลาหลายทศวรรษ นักวิทยาศาสตร์คาดว่าต้องมีควอซาร์จำนวนมากที่ระยะทางดังกล่าว แต่ก็ค้นพบเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ส่วนการค้นพบนี้กลับช่วยให้ผลการสังเกตการณ์ใกล้เคียงกับทฤษฎีมากยิ่งขึ้น 

ควอซาร์ที่พบใหม่นี้ช่วยยืนยันว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งมีบทบาทสำคัญในการก่อกำเนิดของดาวฤกษ์ภายในกาแลกซีมวลมาก ผลการสังเกตการณ์ชี้ว่ากาแลกซี       มวลมากสร้างดาวฤกษ์และหลุมดำอย่างสม่ำเสมอจนกว่าพวกมันจะโตเกินไปและหลุมดำหยุดยั้งการก่อตัวของดาวฤกษ์ นอกจากนี้ควอซาร์แห่งใหม่ยังชี้ว่าการชนกันระหว่างกาแลกซีอาจไม่สำคัญเท่ากับวิวัฒนาการของกาแลกซี อย่างที่เคยคาดหมายกันเอาไว้ “นักทฤษฎีหลายคนคิดว่าการหลอมรวมกันระหว่างกาแลกซีจำเป็นต่อการกระตุ้นให้เกิดควอซาร์ แต่ตอนนี้เรารู้แล้วว่าควอซาร์สามารถเกิดขึ้นได้เองภายในกาแลกซีโดดเดี่ยว” David Alexander จาก Durham University      สหราชอาณาจักร กล่าว                                                                                                                                                                                               รายงานการวิจัยนี้จะถูกตีพิมพ์รายละเอียดลงในวารสาร Astrophysical Journal ฉบับวันที่ 10 พฤศจิกายน

ดาวหางขนาดเล็กรีบหรี่พลันปรากฏให้เห็นตลอดทั้งคืน โดนมีความสว่างพอที่ตาเปล่าจะมองเห็น                                                                                           ดาวหาง Holmes ซึ่งถูกค้นพบเมื่อ พ.ศ. 2435      โดย Edwin Holmes จากกรุงลอนดอน ประเทศอังกฤษ มีลำดับความสว่างเพียงลำดับที่ 17  เมื่อกลางเดือนตุลาคมนี้ หรือหรี่กว่าดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดที่ตาเปล่าของมนุษย์จะมองเห็นได้ถึง 25,000 เท่า ในการที่จะสังเกตการณ์ดาวหางดวงนี้จำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่พอดีๆ แต่อยู่ๆ ความสว่างของดาวหางกลับเพิ่มขึ้นเป็นความสว่างลำดับที่ 3 หรือสว่างขึ้น 400,000 เท่า ภายในเวลาไม่ถึง 24 ชั่วโมง                 (สำหรับนักดาราศาสตร์ลำดับความสว่างที่มีตัวเลขมาก หมายถึงวัตถุมีความสว่างน้อย แต่ลำดับความสว่างที่มีค่าตัวเลขน้อยหมายถึงวัตถุมีความสว่างมาก)        ภายในย่านชานเมืองเทหวัตถุที่มีความสว่างลำดับที่ 3 อาจจะถูกมลพิษทางแสง(light pollution) กลบไปเสียสิ้น แต่ในเขตชนบทสามารถมองเห็นได้ชัดเจนยิ่งกว่า

ดาวหาง Holmes ต่างจากดาวหางดวงอื่นๆ ตรงที่ไม่มีหางอันเกิดจากก๊าซ ฝุ่น หรือน้ำแข็งที่ถูกพัดพาออกไปด้านหลังขณะเคลื่อนที่เข้าใกล้ดวงอาทิตย์ แต่มันปรากฏตัวดูเหมือนวัตถุคล้ายดาวฤกษ์สีเหลืองเลือนๆ ที่ไม่มีหาง                                                                                                                                               ขณะนี้ดาวหางดวงดังกล่าวอยู่ภายในอาณาเขตท้องฟ้าของกลุ่มดาว Perseus หากดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าเมื่อใด กลุ่มดาวนี้จะปรากฎอยู่บริเวณท้องฟ้าทิศตะวันออกเฉียงเหนือ สูงจากขอบฟ้าราว 45 องศา และจะขึ้นถึงบริเวณกลางหัวในเวลาตี 2 ก่อนจะเคลื่อนไปยังทิศตะวันตกเฉียงเหนือเมื่อยามย่ำรุ่ง

ความสว่างที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของดาวหาง Holmes อาจมาจากการระเบิดของดาวหาง แต่สาเหตุที่นำไปสู่การระเบิดนั้นยังคงเป็นปริศนา เมื่อเดือนพฤษภาคม ที่ผ่านมาดาวหาง Holmes เคลื่อนที่เข้าดวงอาทิตย์มากที่สุดในวงโคจร ที่ระยะ 307 ล้านกิโลเมตร และขณะนี้ดาวหางกำลังเคลื่อนตัวออกจากดวงอาทิตย์โดย ขณะนี้อยู่ห่างจากโลกประมาณ 243 ล้านกิโลเมตร                                                                                                                                                            ดาวหาง Holmes เป็นส่วนหนึ่งในตระกูล “ดาวพฤหัสบดี” หรือกลุ่มดาวหางที่มีระยะห่างจากดวงอาทิตย์ที่ระยะใกล้เคียงกับวงโคจรของดาวพฤหัสบดี ดังนั้นพวกมันจึงใช้เวลาโคจรรอบดวงอาทิตย์ภายในเวลาไม่นานนัก สำหรับ Holmes ใช้เวลาเดินทางครบรอบประมาณ 6.88 ปี                                                                    ต่อคำถามที่ว่าทำไมดาวหางที่กำลังเดินทางสู่ความเย็นเยียบของอวกาศห่างจากดวงอาทิตย์ถึงได้ระเบิดและสว่างขึ้นนับหลายร้อยเท่า อะไรเป็นแหล่งกำเนิดพลังงานเหล่านั้น เป็นแหล่งพลังงานภายในดาวหางเองหรือจากภายนอก                                                                                                                                    อย่างไรก็ดีดาวหาง Holmes ไม่ได้เป็นดาวหางเพียงดวงเดียวที่แสดงพฤติกรรมน่าฉงนแบบนี้ แต่ยังมีดาวหางดวงอื่นๆ ที่อยู่ๆ ก็เกิดประทุขึ้นแล้วเปล่งแสงขึ้นมา อีกทั้งการระเบิดครั้งนี้อาจไม่ใช่ครั้งแรกสำหรับดาวหาง Holmes เนื่องจากเมื่อปี พ.ศ. 2435 ที่มันถูกค้นพบนั้น ก็เกิดการระเบิดจนมีลำดับความสว่างถึง 4 ซึ่งสว่างมากพอสำหรับตาเปล่า

เนื่องจากบ่อยครั้งที่ดาวหางกลุ่มนี้จะโคจรเข้าใกล้ดาวพฤหัสบดี ทำให้วงโคจรของดาวหาง Holmes จะถูกรบกวน จนทำให้ดาวหางดวงนี้ “หายไป” เป็นเวลาประมาณ 60 ปี ก่อนที่จะถูกพบอีกครั้งโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่เมื่อปี 2507                                                                                                                     ดาวหาง Holmes จะยังรักษาระดับความสว่างนี้ไปอีกนานเท่าใดไม่มีใครทราบ แต่ดวงจันทร์กำลังค่อยๆ ลดลงเพราะเข้าสู่ระยะข้างแรม หากใครที่มีกล้องสองตา(binocular) หรือกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็ก ก็สามารถลองค้นหาดาวหางดวงนี้ภายในกลุ่มดาวเปอร์ซีอุสได้ ดังเวลาที่บอกไว้ข้างต้น

หลุมดำดาวฤกษ์ (Stellar black hole) อาจมีมวลมากกว่าค่าที่เป็นไปได้โดยทฤษฎี
หลุมดำดาวฤกษ์เกิดจากดาวฤกษ์ซึ่งมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ประมาณ 20 ดวง เริ่มใช้เชื้อเพลิงที่เป็นนิวเคลียสของธาตุเบาเช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม เป็นต้น         ในปฎิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันร่อยหรอลงไปเรื่อยๆ จนไม่สามารถสร้างพลังงานความร้อนที่นำไปสู่แรงดันก๊าซในทิศทางออกจากศูนย์กลางเพื่อต้านทานกับแรงโน้มถ่วงของตัวดาวฤกษ์เองที่พยายามดึงก๊าซของตัวเองให้เข้าหาศูนย์กลาง เพื่อรักษาสภาพสมดุลทางอุทกสถิตย์(hydrostatic equilibrium) หรือสภาพดาวฤกษ์ไว้

เมื่อความร้อนที่ใช้สำหรับสร้างแรงดันออกไม่อาจต้านทานแรงยุบตัว จะเริ่มพองตัวเป็นดาวมหายักษ์(supergiants) แล้วก๊าซภายในชั้นบรรยากาศจะยุบตัวลงพร้อมทั้งกระตุ้นให้เกิดการระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา(supernova) แกนกลางส่วนที่เหลือก็คือซากดาว(stellar remnant) ที่เรียกว่า หลุมดำ(black hole) ที่มีมวลไม่เกิน 10 เท่าของดวงอาทิตย์ ตามทฤษฎีอันเป็นที่ยอมรับกันในปัจจุบัน และหลุมดำดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ที่ถูกค้นพบก็มีมวลประมาณ 10 เท่าของดวงอาทิตย์ ด้วยเช่นกัน เมื่อก๊าซหรือสสารส่วนนอกของดาวฤกษ์ ถูกเป่าออกไปขณะเกิดซูเปอร์โนวา และการจำลองวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ด้วยคอมพิวเตอร์กลับทำได้ยากขึ้น   เมื่อต้องคำนวณชะตากรรมของดาวฤกษ์ที่จะให้หลุมดำที่มีมวลมากกว่า 10 เท่าของดวงอาทิตย์

ในขณะที่การสังเกตการณล่าสุดกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ประกาศการค้นพบหลุมดำมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ 16 ดวง M33 X-7 กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์อีกดวงภายใน  กาแลกซีแขนเกลียว Messier 33 ที่อยู่อย่างจากโลก 2.7 ล้านปีแสง “เรามีปัญหากับทฤษฎีมาตรฐานที่ใช้อธิบายระบบนี้ เนื่องจากมันมีมวลมากเกินไป” Jerome Orosz จากมหาวิทยาลัยแห่งคาลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก กล่าว หลุมดำภายใน M33 X-7 ยังเป็นหลุมดำดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลจากโลกที่สุดแห่งหนึ่งที่ถูกสังเกตการณ์

หลุมดำเป็นเทหวัตถุที่ไม่สามารถมองเห็นหรือตรวจวัดสัญญาณในย่านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ เนื่องจากมวลและแสงทั้งหมดที่เข้าสู่กับดักความโน้มถ่วงของมันจะไม่อาจหลุดรอดออกมาให้สังเกตการณ์ได้โดยตรง ดังนั้นหลุมดำจึงถูกค้นพบโดยอ้อมผ่านทางอันตรกิริยาเชิงแรงโน้มถ่วงที่หลุมดำกระทำต่อดาวฤกษ์ข้างเคียง รวมทั้งสัญญาณที่ออกมาจากวัสดุที่โคจรรอบๆ หลุมดำ เช่น รังสีเอกซ์ที่ออกมาจากสสารที่หมุนรอบๆหลุมดำแล้วถูกดึงดูดตกลงไป ขณะที่ถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ   ก๊าซหรือสสารเหล่านั้นก็จะร้อนขึ้นจนเปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงอย่างรังสีเอกซ์ออกมา

หลุมดำอ้วนกว่าทฤษฎี(2)

Monster Black Hole Busts Theory

November 1^ft, 2007

Adapted from : www.space.com

ดาวฤกษ์คู่หูของ M33 X-7 โคจรผ่านหน้าหลุมดำทุกๆ 3 วัน เมื่อมองจากโลก ทำให้เกิดอุปราคาที่เห็นในย่านรังสีเอกซ์ มีเพียงระบบดาวคู่ชนิดหลุมดำ-ดาวฤกษ์ และการจัดเรียงวงโคจรอย่างพิเศษนี้เท่านั้นที่อนุญาตให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณมวลของระบบเทหวัตถุคู่ดังกล่าวได้อย่างแม่นยำ

แสดงองค์ประกอบของระบบเทหวัตถุคู่ ดาวฤกษ์-หลุมดำ ซึ่งก๊าซจากดาวฤกษ์ถูกหลุมดำดูดลงไปกลายเป็นวงแหวนสะสมมวล (accretion disc)

ก๊าซภายในวงแหวนจะร้อนขึ้นเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและแผ่รังสีออกมาให้ตรวจหาหลุมดำโดยอ้อม

Picture courtesy of Professor Rob Hynes (Lousiana State University)

วงโคจรอันใกล้ชิดแนบแน่นของหลุมดำกับดาวฤกษ์ ชี้เห็นว่าระบบเทหวัตถุคู่นี้ได้ผ่านระยะอันรุนแรงของวิวัฒนาการดาวฤกษ์ ซึ่งเรียกว่า “common-envelope phase” หรือระยะที่ดาวฤกษ์ที่กำลังจะตายขยายตัวจนกลืนเอาดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่งเข้าไปใน gas envelope จนทำให้เกิดการหลอมรวมของดาวฤกษ์ทั้งสองกลายเป็นระบบดาวคู่แบบใกล้ชิด(tight binary) ซึ่งดาวฤกษ์ดวงหนึ่งจะถูกสูญเสียก๊าซที่ผิวนอกออกไป คณะนักวิจัยคิดว่าปรากฎการณ์นี้จะเกิดขึ้นในกรณีของ M33 X-7 และดาวฤกษ์ที่สูญเสียก๊าซที่ผิวนอกออกไปด้วย การระเบิดซูเปอร์โนวา ก่อนที่จะกลายเป็นซากดาวที่เรียกว่า “หลุมดำ”

อย่างไรก็ตามบางสิ่งที่ผิดปกติต้องเกิดขึ้นกับ M33 X-7 ในช่วงที่อยู่ในระยะสร้างหลุมดำมวลมาก(massive black hole) Tomasz Bulik นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวอร์ซอว์(Warsaw) ประเทศโปแลนด์ อธิบายว่า “หลุมดำต้องสูญเสียมวลปริมาณมหาศาลในขณะที่เทหวัตถุคู่เข้าใกล้กัน แต่ในอีกมุมหนึ่งมันกลับรักษามวลไว้มากพอในการกำเนิดเป็นหลุมดำมวลมาก” คณะนักวิจัยคำนวณว่าสภาพก่อนเป็นหลุมดำ จะต้องปลดปล่อยก๊าซด้วยอัตราประมาณ 1 ใน 10 เท่าของค่าตามทฤษฎีก่อนที่จะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา

เมื่อดาวฤกษ์ดวงใดดวงหนึ่งภายในระบบดาวคู่(binary system) ขยายตัวจนเกิด Roche lobes หรือผิวที่มีพลังงานศักย์เท่ากัน( equipotential surface)

ก๊าซจะผ่านจุดลากรังจ์ที่ 1 (1st Lagrange Point) จนกลืนดาวฤกษ์ทั้งสองดวงจนดูเหมือนดาวดวงเดียวภายใน common envelope เดียวกัน

 credit: http://www.daviddarling.info/images/close_binary.jpg

M33 X-7 อาจเป็นระบบที่สูญเสียมวลมากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ รวมทั้งโคจรด้วยวงโคจรที่ใกล้กันที่สุด สำหรับระบบดาวที่อยู่ภายใน common envelope         เดียวกัน  

ถ้าดาวฤกษ์มวลมากดวงอื่นๆ สูญเสียมวลไปเพียงเล็กน้อยในขั้นตอนสุดท้าย มันก็จะสามารถอธิบายความสว่างอย่างผิดปกติของ ซูเปอร์โนวา 2006gy หนึ่งในซูเปอร์โนวาที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ        

สักวันหนึ่งดาวฤกษ์อีกดวงภายในระบบ M33 X-7 ก็จะหายไป ด้วยการระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาแล้วกลายเป็นหลุมดำอีกดวงหนึ่ง และนั่นก็คือหลุมดำคู่ ขณะที่หลุมดำมวลประมาณ 16 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ถือว่ามากสำหรับ หลุมดำที่กำเนิดมาจากดาวฤกษ์ แต่ก็ยังถือว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับหลุมดำใจกลางกาแลกซี ซึ่งมีมวลนับล้านหรือพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และถือกำเนิดมาด้วยกลไกที่แตกต่างกันออกไป

การระเบิดของดาวฤกษ์ ซูเปอร์โนวา SN2006gy ภายในกาแลกซี NGC 1260 ที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยบันทึกได้ โดยหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา

(Chandra X-ray Observatory) และกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินอื่นๆ นับเป็นการค้นพบการระเบิดอย่างรุนแรงของดาวฤกษ์มวลมหาศาล ภายในเอกภพยุคแรก

และคาดว่าเคยเกิดขั้นภายในกาแลกซีทางช้างเผือกของเรา SN2006gy อยู่ในตำแหน่งขวาบน ส่วนศูนย์กลางของกาแลกซี NGC1260 อยู่บริเวณซ้ายล่าง

Credit: X-ray: NASA/CXC/UC Berkeley/N.Smith et al.; IR: Lick/UC Berkeley/J.Bloom & C.Hansen; PAIRITEL/UC Berkeley/J.Bloom

รายละเอียดงานวิจัยชิ้นนี้ถูกตีพิมพ์ในนิตยสาร Nature ฉบับวันที่ 17 ตุลาคมที่ผ่านมา และคาดว่าจะช่วยพัฒนาแบบจำลองระบบดาวคู่(binary system) ที่มีสมาชิกเป็นหลุมดำกับดาวฤกษ์ นอกจากนี้ยังสามารถอธิบายหนึ่งในการระเบิดที่สว่างที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยพบ

เรียบเรียงโดย : วัชราวุฒิ กฤตินธรรม ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล