หลุมดำยุคต้นหมุนรอบตัวเร็วกว่าที่คิด
เอกภพที่เต็มไปด้วยหลุมดำอยู่ข้างนอกนั่น หมุนรอบตัวไปเรื่อยๆ บ้างช้า ช้าเร็ว แต่การสำรวจหลุมดำมวลมหาศาลล่าสุดได้เผยว่าอัตราการหมุนรอบตัวของพวกมันได้เผยให้เห็นบางส่วนของความเป็นมาในการก่อตัว
ถ้าคุณอยากจะอธิบายคุณลักษณะของหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) ก็มีตัวเลขสำคัญ 2 อย่าง(หรืออาจจะ 3 อย่างถ้ารวมประจุไฟฟ้าด้วย) ที่จะใช้ อย่างแรกคือ มวล และอย่างที่สองก็คือ อัตราการหมุน ซึ่งคิดกันว่าอัตราการหมุนรอบตัวของหลุมดำบางแห่งน่าจะใกล้เคียงกับความเร็วแสง แต่จากที่ Logan Fries นักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยคอนเนคติกัตบอกว่า ยากที่จะหาตัวเลขพวกนั้น ปัญหาก็คือ ตรวจสอบมวลก็ยากแล้ว แต่อัตราการหมุนรอบตัวกลับยากไปอีก
แต่ตัวเลขเหล่านั้นมีความสำคัญถ้าเราต้องการเข้าใจวิวัฒนาการของหลุมดำ Fries และเพื่อนร่วมงานที่โครงการ Reverberation Mapping Project ของ SDSS รับงานหิน พวกเขาตรวจสอบอัตราการหมุนรอบตัวของหลุมดำตลอดความเป็นมาของเอกภพ เราได้ศึกษาหลุมดำยักษ์ที่พบในใจกลางกาแลคซี ตั้งแต่ปัจจุบันย้อนกลับไปจนถึงเมื่อ 7 พันล้านปีก่อน
โครงสร้างต่างๆ รอบหลุมดำ
โครงการทำแผนที่นี้ยังสำรวจดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ในรายละเอียดด้วย ซึ่งเป็นพื้นที่ที่อยู่ใกล้หลุมดำมากที่สุดในตำแหน่งที่มีวัสดุสารสะสมและร้อนขึ้นเมื่อมันหมุนวนเข้าหาหลุมดำ การตรวจสอบพื้นที่เหล่านั้นมีความสำคัญเนื่องจากการทราบมวลของหลุมดำ และโครงสร้างของดิสก์สะสมมวลสาร จะให้ข้อมูลที่ช่วยให้ตรวจสอบอัตราการหมุนได้ นักดาราศาสตร์มักจะประเมินอัตราการหมุนโดยสำรวจว่าสสารมีพฤติกรรมอย่างไรเมื่อมันตกลงสู่หลุมดำ
ผลสรุปจากการสำรวจมวลหลุมดำหลายร้อยแห่งใน SDSS ได้สร้างความประหลาดใจ Fries บอกว่านั่นเป็นเพราะอัตราการหมุนรอบตัวได้เผยให้เห็นแง่มุมเกี่ยวกับประวัติความเป็นมาในการก่อตัวของหลุมดำ ที่คาดไม่ถึงก็คือ เราพบว่าพวกมันกำลังหมุนรอบตัวเร็วเกินกว่าที่จะก่อตัวขึ้นจากการควบรวมของกาแลคซีเพียงอย่างเดียว พวกมันจะต้องก่อตัวเติบโตจากวัสดุสารที่ตกลงมา ก็จะนำโมเมนตัมเชิงมุมตามลงมาด้วย ทำให้หลุมดำเจริญเติบโตอย่างสม่ำเสมอและจึงเพิ่มอัตราการหมุนรอบตัวของมันตามไปด้วย
Fries อธิบายงานของเขาในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 245 ผมได้อ่านรายงานการวิจัยที่ตรวจสอบอัตราการหมุนของหลุมดำ โดยทางทฤษฎีแล้วจากมุมของหลุมดำที่ควบรวมแล้ว และผมก็สงสัยว่าแล้วอัตราการหมุนจะตรวจสอบได้จากการสำรวจหรือไม่ เขาชี้ว่าประวัติการเจริญของหลุมดำยังต้องตรวจสอบให้แม่นยำมากขึ้น
Jonathan Trump ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ อาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของ Fries กล่าวว่า ความท้าทายอยู่ที่การแยกอัตราการหมุนของหลุมดำ ออกจากอัตราการหมุนของดิสก์สะสมมวลสารที่อยู่รอบๆ กุญแจก็คือ การพิจารณาที่พื้นที่ส่วนในสุด ที่ก๊าซกำลังตกลงสู่ขอบฟ้าสังเกตการณ์(event horizon) ของหลุมดำ หลุมดำที่กำลังหมุนรอบตัวจะลากวัสดุสารส่วนในสุดตามไปด้วย ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างที่สำรวจได้
(ซ้าย) ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำแห่งหนึ่งกับดิสก์สะสมมวลสารที่มีการหมุนรอบตัวที่แตกต่างกันไปเมื่อเทียบกับการหมุนรอบตัวของหลุมดำ (ขวา) สเปคตรัมพหุความยาวคลื่นที่น่าจะสำรวจได้จากการหมุนแต่ละแบบ
การหามวลและอัตราการหมุนของหลุมดำต้องการการตรวจสอบสเปคตรัม ซึ่งทำได้โดย SDSS โดยตรวจสอบการเลื่อนเล็กน้อยของเส้นสเปคตรัม การเลื่อน(ดอปเปลอร์) นี้เป็นเงื่อนงำสำคัญสู่อัตราการหมุนรอบตัวของหลุมดำ ผมเรียกความพยายามนี้ว่า โบราณคดีหลุมดำ(black hole archeology) Fries กล่าว ก็เพราะว่าเรากำลังพยายามที่จะเข้าใจว่ามวลของหลุมดำเพิ่มขึ้นตามเวลาได้อย่างไร ด้วยการพิจารณาอัตราการหมุนของหลุมดำ คุณจึงเหมือนกับการตรวจสอบบันทึกฟอสซิลของมัน
แล้วฟอสซิลพวกนี้บอกอะไรเราบ้าง อย่างแรกสุดก็คือ มันท้าทายความคิดเดิมๆ ว่าหลุมดำมักจะเจริญขึ้นจากการชนกันของกาแลคซี หรือพูดอีกอย่างก็คือ เมื่อกาแลคซีควบรวมแล้ว หลุมดำในใจกลางกาแลคซีก็จะควบรวมกันด้วย กาแลคซีแต่ละแห่งมีอัตราการหมุนรอบตัวและทิศทางการเรียงตัวนำมาสู่การควบรวมด้วย การหมุนรอบตัวอาจจะลบล้างกันไปเมื่อรวมเข้าด้วยกัน ถ้าเป็นจริงแล้ว นักดาราศาสตร์ก็น่าจะได้เห็นการหมุนในช่วงกว้าง หลุมดำบางส่วนก็จะมีอัตราที่สูง อีกบางส่วนก็ไม่น่ามาก
แต่ที่น่าประหลาดใจก็คือ หลุมดำหลายแห่งดูจะหมุนรอบตัวเร็วมากๆ และที่น่าทึ่งมากขึ้นไปอีกก็คือ หลุมดำที่อยู่ไกลมากๆ ดูจะหมุนรอบตัวเร็วกว่าหลุมดำที่อยู่ใกล้เรา นี่ราวกับว่าหลุมดำในเอกภพยุคต้นหมุนรอบตัวเร็วกว่า และในยุคปัจจุบันจะหมุนช้าลง Fries อธิบายว่า เราพบว่าเมื่อราว 1 หมื่นล้านปีก่อน หลุมดำได้มวลเพิ่มจากการกินสรรพสิ่งเป็นหลัก
อัตราการหมุนรอบตัวที่เร็วใน(เอกภพ) ยุคต้นบอกเป็นนัยว่า หลุมดำมวลมหาศาลเกือบทุกแห่งสั่งสมตัวเองขึ้นมาโดยการกลืนก๊าซและฝุ่นด้วยความเป็นระเบียบกริบมาก หรือกระทั่งเอกภพยุคต้นอาจเป็นระเบียบมากกว่าที่เคยสงสัยไว้
พูดอีกอย่างก็คือ ยิ่งพวกมันกินไปมากเท่าใด อัตราการหมุนก็จะเร็วขึ้นตามไปด้วย มันยังดูเหมือนว่าการเจริญจากการควบรวม แท้จริงแล้วจะทำให้อัตราการหมุนรอบตัวของหลุมดำมวลมหาศาลช้าลง นี่อาจจะอธิบายว่าเพราะเหตุใด หลุมดำที่เราตรวจพบในปัจจุบันจึงมีอัตราการหมุนแบบผสม แทนที่จะเป็นอัตรา(ที่เร็ว) คล้ายๆ กันในยุคต้นกว่า
แนวคิดที่ว่าหลุมดำก่อตัวอย่างราบรื่นได้ให้ทิศทางใหม่ในการวิจัยหลุมดำ การสำรวจโดยกล้องเวบบ์จะช่วยหาเป้าหมายเพิ่มเติมให้กับงานศึกษา การสำรวจอย่าง SDSS Reverberation Mapping project จะสำรวจติดตามผลการตรวจสอบหลุมดำยักษ์ที่เวบบ์ได้พบ ได้แม่นยำมากขึ้น Juna Kollmeier ผู้อำนวยการของ SDSS-V ซึ่งเป็นโครงการ SDSS ภาคปัจจุบัน กล่าวว่า หลุมดำนั้นอยู่ที่พรมแดนความเข้าใจของมนุษย์อย่างแท้จริง
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
