ค้นพบหลุมดำลึกลับแห่งใหม่ และมันเก่าแก่ที่สุด! ก่อตัวขึ้นมาในยุคเริ่มแรกของจักรวาล (Cloaked Black Hole PSO167-13)

ค้นพบหลุมดำลึกลับแห่งใหม่ และมันเก่าแก่ที่สุด! ก่อตัวขึ้นมาในยุคเริ่มแรกของจักรวาล (Cloaked Black Hole PSO167-13)

หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3: ดาวสีดำขนาดยักษ์
หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3: ดาวสีดำขนาดยักษ์
สิงหาคม 12, 2019
ค้นพบหลุมดำ กำลังกลืนกินดาวนิวตรอน (S190814bv)
พบเบาะแสใหม่ “หลุมดำ” กำลังกลืนกิน “ดาวนิวตรอน” (S190814bv)
สิงหาคม 17, 2019
ค้นพบหลุมดำลึกลับ และมันเก่าแก่ที่สุด! ก่อตัวขึ้นมาในยุคเริ่มแรกของจักรวาล (Cloaked Black Hole PSO167-13)

Credits: X-ray: NASA/CXO/Pontificia Universidad Catolica de Chile/F. Vito; Radio: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); optical: Pan-STARRS

นักดาราศาสตร์ค้นพบหลักฐานการมีอยู่ของ “cloaked” หลุมดำที่อยู่ไกลที่สุด ผ่านกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา อีกทั้งยังพบอีกว่ามันมีอายุเพียง 6% ของอายุขัยจักรวาลในปัจจุบันเราเท่านั้น ซึ่งนี้ก็บอกกับเราได้ว่า ยังมีหลุมดำอีกส่วนหนึ่ง ที่ยังคงถูกซ่อนเอาไว้ภายอยู่ในกลุ่มแก๊ส ณ ช่วงเริ่มแรกของประวัติศาสตร์จักรวาล!

หลุมดำนี้ก็คือหลุมดำประเภท Supermassive black holes ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายพันล้านเท่า และเติบโตด้วยโดยการดึงมวลสารต่างๆรอบตัวมันเข้าไปสู่ใจกลาง จนไปก่อให้เกิดการแผ่รังสีขนาดย่อมขึ้นมาอยู่โดยรอบตัวหลุมดำ และนักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งก็นี้ว่า “เควซาร์” (Quasar)

ตามทฤษฎีปัจจุบันบอกว่า กลุ่มของเมฆหนาแน่น จะค่อยๆถูกป้อนเข้าสู่จานพอกพูนมวล (Accretion Disk) ที่หมุนวนอยู่โดยรอบหลุมดำมวลยวดยิ่ง ด้วยการก่อกำเนิดเช่นนี้จึงไปส่งผลให้หลุมดำค่อยๆเจริญเติบโตขึ้นมาจากกลุ่มเมฆที่ซ่อนมันเอาไว้ และเมื่อมวลสารของแก๊สบางส่วนในเมฆหมอกลดลง แสงจากจานพอกพูนมวลจึงเริ่มค่อยๆเผยตัวออกมา

“มันเป็นเรื่องท้าทายมากในการค้นหาเควซาร์ที่ถูกซ่อนเอาไว้นี้ เพราะรังสีส่วนใหญ่จะถูกดูดซับเอาไว้เกือบทั้งหมด จึงไม่สามามรถตรวจหามันได้ด้วยเครื่องมือตรวจวัดในปัจจุบัน แต่ต้องขอขอบคุณกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา ที่สามารถเจาะทะลวงผ่านกลุ่มเมฆหมอกมืดมัวนี้ได้ เราคิดว่าท้ายที่สุดเราก็ทำสำเร็จ” กล่าวโดย ‘ฟาบิโอ วิโด้’ (Fabio Vito) นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ผู้ทำงานด้านพัฒนาการของรังสีเอกซ์ (X-ray)

การค้นพบใหม่นี้เดิมทีมาจากการสำรวจเควซาร์ที่เรียกว่า PSO167-13 ซึ่งถูกค้นพบโดย ‘แพนสตาร์’ (Pan-STARRS) กล้องโทรทรรศน์ออพติคอลไลท์ในฮาวาย

ซึ่งการตรวจหาดังกล่าวก็พบว่ามีเควซาร์มากกว่า 200 แห่ง ที่ส่องแสงออกมาอายุน้อยกว่าพันล้านปีหลังเกิดการบิ๊กแบง หรือคิดเป็นอายุเพียงประมาณ 7 เปอร์เซ็นของอายุจักรวาลเราในปัจจุบัน การตรวจหาเควซาร์เหล่านี้ได้รับการพิจารณาแล้วว่ามันอาจเป็นแหล่งที่ซ่อนตัวของหลุมดำขนาดยักษ์จำนวนมาก เพราะการแผ่รังสีของพวกมันส่วนใหญ่ จะถูกบดบังเอาไว้โดยกลุ่มของเมฆและฝุ่น

และตั้งแต่เควซาร์ PSO167-13 ได้กลายเป็นส่วนหนึ่งของการสังเกตการณ์ จึงคาดหวังว่ามันจะเปิดเผยให้เห็นถึงหลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์

เควซาร์
ภาพเควซาร์จำลอง ที่คาดว่ามีหลุมดำอยู่ภายใน เครดิตรูปภาพ: NASA – Wikipedia

หลังจากนั้นทีมของวิโด้จึงได้ทดสอบแนวคิดนี้ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราหันไปยังเควซาร์ PSO167-13 และเควซาร์อื่นๆอีกจำนวน 9 แห่ง ด้วย Optical Surveys เป็นเวลาต่อเนื่องนานกว่า 16 ชั่วโมงก็พบว่า มีเพียง 3 แห่งที่มีการปลดปล่อยโฟตอนแสงเอกซ์เรย์ (X-ray light photons) ออกมา หนึ่งในนั้นก็คือ เควซาร์ PSO167-13 ซึ่งทั้งหมดมีความสัมพันธ์กับค่าพลังงานที่สูง

เนื่องจากรังสีเอกซ์พลังงานต่ำจะง่ายต่อการถูกดูดซับมากกว่าพลังงานที่สูงกว่า ดังนั้นเควซาร์ที่ถูกบดบังด้วยแก๊สจึงสามารถถูกตรวจจับได้ด้วยรังสีเอกซ์พลังงานสูงเท่านั้น

“นี้เป็นความประหลาดใจอย่างแท้จริง เหมือนกับเราคาดหวังจะเจอผีเสื้อกลางคืน แต่ดันไปเห็นรังไหมแทน ไม่มีเควซาร์จาก 9 แห่งไหนอีกที่เราสังเกตจะถูกบดบัง ซึ่งนั้นเป็นสิ่งที่เราตั้งตารอคอย” กล่าวโดยผู้ร่วมเขียนบทความวิชาการ ‘นีแอลแบรนด์’ (Niel Brandt) แห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียสเตต

สิ่งที่น่าสนใจสำหรับเกลียวหมุน PSO167-13 ก็คือ ภายหลังข้อมูลวิเคราะห์ที่ได้รับมาจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA ในชิลี ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของนาซาในก่อนหน้านี้ ก็ตรวจพบว่า มันดูเหมือนมีแกแล็คซี่อีกแห่งหนึ่ง ที่ตั้งอยู่ใกล้เคียงกับแกนแกแล็คซี่หลักเควซาร์ด้วย

ซึ่งการสังเกตนี้จะเบลอมากหากส่องดูพวกมันภายใต้รังสีเอกซ์ นี้จึงทำให้ทีมงานไม่สามารถระบุได้เลยว่าแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ส่งออกมาใหม่นั้นมันมีความเกี่ยวข้องยังไงกับเควซาร์ PSO167-13 หรือบางทีมันอาจเป็นสหายแกแล็คซี่อีกแห่งหนึ่งที่อยู่ใกล้ๆมันก็เป็นได้

ถ้ารังสีเอกซ์มาจากเควซาร์จริง นักดาราศาสตร์จึงจำเป็นจะต้องหาคำอธิบายให้ได้ว่าทำไมเควซาร์ถึงถูกบดบังเอาไว้อยู่ภายใต้รังสีเอกซ์ ไม่ใช่จากแสงออปติคอล

ซึ่งความเป็นไปได้อย่างหนึ่งก็คือการซ่อนตัวอยู่ของเควซาร์ อาจเพิ่มจำนวนขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงสามปีหลัง ระหว่างทำการสังเกตมัน รวมถึงการสำรวจด้วยกล้องตรวจจับรังสีเอกซ์

กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา
กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราของนาซา สามารถตรวจจับรังสีเอกซ์ได้ จึงเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการศึกษารังสี X-ray ในห้วงอวกาศ (ภาพจาก NASA/CXC/NGST/wikipedia)

ในทางกลับกัน หากมีอีกแหล่งรังสีเอกซ์ที่สว่างขึ้นมาจากสหายแกแล็คซี่ของมันจริง นี้ก็เท่ากับว่านักดาราศาสตร์ได้พบเจอเข้าให้กับเควซาร์ใหม่เพิ่มเติมขึ้นอีก 1 แห่ง ที่อยู่ใกล้กับ PSO167-13 นั้นก็จะไปส่งผลทำให้ภาพนี้ได้กลายมาเป็น “เควซาร์คู่” ที่ถูกถ่ายรูปเอาไว้ได้ไกลที่สุดเท่าที่มีการค้นพบ

และจากการส่องดูมันด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราก็พบว่าเควซาร์นี้ถือกำเนิดขึ้นมาหลังจากบิ๊กแบงกำเนิดมาได้เพียง 850 ล้านปีเท่านั้น! ซึ่งทำลายสถิติในก่อนหน้านี้ที่มีการค้นพบเควซาร์ที่ระยะ 1.3 พันล้านปีภายหลังจากเกิดบิ๊กแบง (ซึ่งปัจจุบันจักรวาลของเราถือกำเนิดมาแล้ว 13,800 ล้านปี)

ต่อไปนี้มาดูความคิดเห็นในหัวข้อต่างๆของนักวิชาการกัน

มีแผนสังเกตการณ์เพิ่มเติมอย่างไร…

“ด้วยการสังเกตการณ์ที่ยาวนานของกล้องจันทรา จะช่วยให้เราสามารถประมาณได้ดีขึ้นว่า หลุมดำนี้ ถูกบดบังได้อย่างไร และจะช่วยสร้างความมั่นใจขึ้นไปอีกว่าอาจมีสหายเควซาร์หรือแกเล็คซี่แหล่งอื่นอีก ที่อาจได้ปลดปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา” กล่าวโดยผู้ร่วมเขียนบทความวิชาการ ‘ฟรันซ์ บาวเออร์’ (Franz Bauer) จากมหาวิทยาลัยคาทอลิกพอนทิฟอิคอลแห่งชิลี และสมาชิกแห่งสถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์มิลเลนเนียม

แล้วมีแผนสำรวจหาตัวอย่างหลุมดำที่ถูกบดบังพวกนี้อย่างไรต่อ…

“เราสงสัยว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งในยุคแรกของจักรวาล ได้ถูกปิดบังเอาไว้ส่วนใหญ่ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญยิ่งที่จะต้องตรวจสอบและศึกษาพวกมันให้เข้าใจว่า พวกมันสามารถเจริญเติบโตขึ้นมาเป็นหลุมดำมวลขนาดนับพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์อย่างรวดเร็วได้อย่างไร” กล่าวโดยผู้ร่วมเขียนบทความวิชาการ ‘โรเบอร์โต กิลลี’ (Roberto Gilli) จากสถาบัน INAF ในโบโลญญา อิตาลี

โดยข้อมูลทั้งหมดนี้ถูกอธิบายเอาไว้อยู่ในบทความวิชาของเว็บไซต์ arxiv.org ในหมวดหมู่ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ด้วยความร่วมมือกับศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของนาซ่าในการจัดการให้กับโปรแกรมอวกาศจันทรา ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์จันทราสมิธโซเนี่ยน และศูนย์ปฏิบัติการเคมบริดจ์แมสซาชูเซตส์

แหล่งที่มา Cloaked Black Hole Discovered in Early Universe Using NASA’s Chandra

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
YouTube
กลับสู่บนสุด