หลุมดำมวลสูงสุดโต่ง
ในปี 2007 นักดาราศาสตร์ได้พบ คอสมิค ฮอสชู(Cosmic Horseshoe) ระบบเลนส์ความโน้มถ่วงที่เป็นกาแลคซีที่อยู่ห่างออกไปราว 5.5 พันล้านปีแสง มวลของกาแลคซีที่พื้นหน้าขยายแสงและรบกวนภาพของกาแลคซีพื้นหลังที่อยุ่ห่างไกลกว่า กาแลคซีที่พื้นหน้าและพื้นหลังเรียงตัวกันพอดีจนพวกมันสร้างวงแหวนไอน์สไตน์(Einstein ring) ขึ้นมา
งานวิจัยใหม่เกี่ยวกับเกือกม้าอวกาศ ได้เผยให้เห็นถึงการมีอยู่ของหลุมดำมวลสูงสุดโต่ง(ultra-massive black hole; UMBH) ในกาแลคซีพื้นหน้าซึ่งมีมวลพรวดไปถึง 3.6 หมื่นล้านเท่าดวงอาทิตย์
ยังไม่มีคำนิยามที่แน่ชัดของ UMBH แต่ก็มักจะใช้เพื่ออธิบายหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole; SMBH) ที่มีมวลเกิน 5 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ แน่นอนว่ายังไม่มีการค้นพบ SMBH โดยตรง แต่การมีอยู่ของพวกมันก็ชัดเจน และเมื่อเวลาผ่านไป ก็พบ SMBH ที่มีมวลสูงขึ้นเรื่อยๆ จึงจำเป็นที่จะต้องมีชื่อให้กับพวกที่มีมวลสูงมากๆ แต่จึงเป็นที่มาของหลุมดำมวลสูงสุดโต่ง
การค้นพบหลุมดำที่มีขนาดใหญ่มากๆ ในเกือกม้าอวกาศที่นำเสนอในการวิจัยใหม่ ซึ่งมีชื่อว่า Unveiling a 36 billion solar mass black hole at the center of the Cosmic Horseshoe gravitational lens และผู้เขียนนำก็คือ Carlos Melo-Carneiro จากสถาบันฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยกลางแห่งริโอ กรันเด้ ในบราซิล รายงานเผยแพร่บนเวบ arXiv
ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง ภาพปก เลนส์ความโน้มถ่วงเหตุการณ์ที่เรียกกันว่า เกือกม้าอวกาศ(the Cosmic Horseshoe) ถูกพบในปี 2007 งานวิจัยใหม่บอกว่ามันมีหลุมดำมวลสูงสุดโต่ง(ulra-massive black hole) ที่มีมวล 3.6 หมื่นล้านเท่าดวงอาทิตย์อยู่
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ต่อกับต้นศตวรรษ 20 มีการปฏิวัติวงการฟิสิกส์เมื่อสัมพัทธภาพมีความโดดเด่นเหนือฟิสิกส์แบบนิวตัน และผลักดันความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเอกภพให้ไปอยู่อีกขั้นหนึ่ง ชัดเจนว่าอวกาศและเวลามีความเกี่ยวพันกัน แทนที่จะแยกออกจากกัน และวัตถุที่มีมวลสูงก็ทำให้กาลอวกาศบิดโค้งได้ แม้แต่แสงเองก็ต้านทานไม่ไหว ไอน์สไตน์ให้กำเนิดแนวคิดหลุมดำจากรากฐานทางคณิตศาสตร์
ในปี 1936 ไอน์สไตน์ทำนายเลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lensing) แม้ว่าเขาจะอยู่ได้ไม่นานพอที่จะได้เห็นบทพิสูจน์นี้ จนถึงตอนนี้ เราได้พบเลนส์ความโน้มถ่วงหลายพันเหตุการณ์ และพวกมันก็กลายเป็นหนึ่งในเครื่องมือในธรรมชาติสำหรับนักดาราศาสตร์ ซึ่งก็เพราะหลุมดำขนาดยักษ์ของพวกมัน
กาแลคซีพื้นหน้าที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ในกรณีเกือกม้าอวกาศมีชื่อว่า LRG 3-757 เป็นกาแลคซีชนิดที่พบได้ยากเป็นพิเศษที่เรียกว่า กาแลคซีสีแดงสว่างจ้า(luminous red galaxy) ซึ่งสว่างอย่างสุดขั้วในช่วงอินฟราเรด LRG 3-757 ยังมีมวลสูงสุดขั้วมาก ราว 100 เท่ามวลของทางช้างเผือก และยังเป็นหนึ่งในกาแลคซีที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยสำรวจพบมา ขณะนี้เราทราบว่าหลุมดำที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบก็มีอยู่ในใจกลางกาแลคซีมหึมานี้ด้วย
หลุมดำมวลมหาศาลพบได้ในใจกลางกาแลคซีมวลสูงทุกแห่ง โดยมวลของมันมีความเชื่อมโยงอย่างแนบแน่นกับกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันผ่านวิวัฒนาการร่วมตลอดความเป็นมาของเอกภพ ผู้เขียนเขียนไว้ในรายงาน นักดาราศาสตร์ไม่พบหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) ในใจกลางกาแลคซีมวลสูง และจะไม่พบหลุมดำมวลมหาศาลในกาแลคซีแคระด้วยเช่นกัน
ความสัมพันธ์ง่ายๆ แต่ทว่าแนบแน่น ระหว่างมวลของหลุมดำในใจกลางกาแลคซี กับมวลของส่วนป่องในใจกลางกาแลคซี
มีเชื่อมโยงระหว่าง SMBHs กับต้นสังกัดของมัน โดยเฉพาะกาแลคซีทรงรีมวลสูงอย่าง LRG 3-757 การศึกษาก็ยิ่งย้ำเตือนถึงความเชื่อมโยงนั้น งานวิจัยมุ่งเป้าไปที่สิ่งที่เรียกว่า MBH-sigmae relation ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ระหว่างมวลของหลุมดำ กับการกระจายความเร็ว(sigmae) ของดาวในส่วนป่องใจกลางกาแลคซี การกระจายความเร็วเป็นการตรวจสอบความเร็วของดาว และบอกว่าแตกต่างจากความเร็วเฉลี่ยแค่ไหน ยิ่งการกระจายสูง ดาวก็ยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้นและสุ่มมากขึ้น
เมื่อนักดาราศาสตร์ตรวจสอบกาแลคซี พวกเขาพบว่ายิ่ง SMBH มีมวลสูงเท่าใด ก็มีการกระจายความเร็วที่มากตามไปด้วย ความสัมพันธ์นี้บอกถึงความเชื่อมโยงลึกๆ ระหว่างวิวัฒนาการของกาแลคซี กับการเจริญเติบโตของ SMBH ความสัมพันธ์ระหว่างมวลของหลุมดำกับการกระจายความเร็วของกาแลคซีจึงเป็นไปอย่างแนบแน่นจนนักดาราศาสตร์สามารถประเมินมวลหลุมดำ ได้โดยการตรวจสอบการกระจายความเร็ว
อย่างไรก็ตาม UMBH ในเกือกม้าอวกาศนั้นกลับมีมวลสูงกว่าความสัมพันธ์ได้บอกไว้ ก็คาดกันว่ากาแลคซีที่มีมวลสูงที่สุดในเอกภพ อย่างเช่น กาแลคซีที่สว่างที่สุดในกระจุก(brightest cluster galaxies; BCGs) ก็จะมี SMBH ที่มีมวลสูงที่สุดด้วย นักดาราศาสตร์ได้พบ UMBHs หลายแห่งในกาแลคซีพิเศษเหล่านั้น ซึ่งรวมถึง LRG 3-757 แต่ความสำคัญของ UMBHs อยู่กับความจริงที่ว่าพวกมันหลายแห่งแตกต่างไปจากความสัมพันธ์เชิงเส้น MBH-sigmae มาตรฐานบอกไว้
LRG 3-757 แตกต่างพอสมควรจากความสัมพันธ์นั้น การค้นพบบอกว่าเกือกม้าอวกาศนั้นมีค่าสูงกว่าที่ความสัมพันธ์บอกไว้ 1.5 เท่า ซึ่งสนับสนุนแนวโน้มที่พบในกาแลคซีที่สว่างที่สุดในกระจุก และกาแลคซีมวลสูงอื่นๆ นี่บอกว่า ความสัมพันธ์เชิงเส้นจะต้องชันกว่านี้ที่ระดับมวลสูงสุด ซึ่งอาจขับเคลื่อนโดยวิวัฒนาการร่วมของหลุมดำมวลมหาศาลกับกาแลคซีต้นสังกัดที่แตกต่างออกไป
กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างมวลของหลุมดำมวลมหาศาล และการกระจายความเร็วของดาวในกาแลคซีต้นสังกัด(sigma) เส้นทึบสีดำแสดงความสัมพันธ์จากงานศึกษาในปี 2016 โดยเส้นประและเส้นไข่ปลาแสดงการกระจายระดับ 1 และ 3 ซิกมา ตามลำดับ ยังระบุเกือกม้าอวกาศและเห็นได้ชัดว่าหลุดออกจากเส้นความสัมพันธ์นี้ กาแลคซีอื่นๆ ที่อยู่ใกล้ๆ กันที่มี UMBHs ก็หลุดในระดับใกล้เคียงกัน
แล้วอะไรเป็นสาเหตุให้กาแลคซีมวลสูงหลุดจากกรอบความสัมพันธ์เชิงเส้น บางที ดาวบางส่วนอาจจะถูกกำจัดออกจากกาแลคซีในการชนควบรวมในอดีต ส่งผลต่อการกระจายความเร็ว LRG 3-757 อาจเป็นส่วนหนึ่งของฟอสซิลกลุ่มกาแลคซี ผู้เขียนบอกว่า เลนส์ที่เกือกม้าอวกาศนี้มีความเป็นอัตลักษณ์เมื่อมันมีเรดชิพท์ 0.44 และไม่มีกาแลคซีขนาดใหญ่ไล่เลี่ยกันอยู่ข้างๆ เลย มันจึงน่าจะเป็นฟอสซิลของกลุ่ม
ฟอสซิลกลุ่ม(fossil group) เป็นกาแลคซีกลุ่มใหญ่ที่มีกาแลคซีขนาดใหญ่มหึมาอย่างสุดขั้วที่ใจกลาง ซึ่งมักจะเป็น LRGs ฟอสซิลกลุ่มและ LRGs เป็นสถานะวิวัฒนาการในช่วงปลายของกาแลคซี เมื่อกิจกรรมช้าลง มีดาวก่อตัวเพียงเล็กน้อยใน LRGs ดังนั้น พวกมันจึงมีสีแดงและตายแล้ว และพวกมันยังมีปฏิสัมพันธ์เล็กน้อยจนถึงขั้นไม่มี กับกาแลคซีอื่น ฟอสซิลกลุ่มในฐานะที่เป็นซากจากการควบรวมของกาแลคซีก่อนหน้านี้ อาจจะดำเนินรอยตามเส้นทางวิวัฒนาการใกล้เคียงกับกาแลคซีในละแวกท้องถิ่น ซึ่งน่าจะอธิบายมวลหลุมดำที่สูงมากได้
LRG 3-757 เองก็ไม่พบกับสิ่งที่เรียกว่า scouring ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อกาแลคซีมวลสูงสุดขั้ว 2 แห่งควบรวมกันและส่งผลต่อการกระจายความเร็วของดาวในใจกลางกาแลคซี ในกระบวนการนี้ หลุมดำมวลมหาศาลคู่จะขับดาวออกจากพื้นที่ใจกลางกาแลคซีที่ควบรวมได้ ซึ่งจะลดการกระจายความเร็วดาวลงพอสมควร ในขณะที่มวลของหลุมดำก็ไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก
ความเป็นไปได้อีกทางก็คือ กลไกย้อนกลับหลุมดำ/AGN เมื่อหลุมดำกลืนกินวัสดุสารอย่างตะกละตะกลาม มันจะกลายเป็น นิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์(active galactic nuclei; AGN) ไอพ่นที่ทรงพลังและก๊าซที่ไหลออกจาก AGN สามารถปิดการก่อตัวดาวและอาจจะรวมถึงส่งผลต่อโครงสร้างในใจกลางกาแลคซี นี่อาจจะแยกการเจริญของหลุมดำมวลมหาศาล ออกจากการกระจายความเร็วได้
ลำดับเหตุการณ์ที่สาม ก็บอกว่า UMBH อาจเป็นซากของเควซาร์ที่เคยสว่างเจิดจ้าอย่างมาก ซึ่งเป็นหลุมดำมวลมหาศาลที่มีช่วงการสะสมมวลอย่างรวดเร็วในเอกภพยุคต้น
นักวิจัยบอกว่ายังต้องมีการสำรวจและทำแบบจำลองเพิ่มเติมอีก เพื่ออธิบายการกระจายในความสัมพันธ์ ในช่วงมวลบนสุด โดยการสำรวจกำลังเกิดขึ้นต้องขอบคุณปฏิบัติการยูคลิด(Euclid) ซึ่งคาดว่าจะพบปรากฏการณ์เลนส์อีกหลายแสนเหตุการณ์ในอีกห้าปีข้างหน้า กล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(ELT) เองก็น่าจะช่วยให้มีการศึกษาพลวัตการกระจายความเร็วในรายละเอียดได้ นี่เป็นยุคใหม่แห่งการค้นพบเพื่อย้ำความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการกาแลคซีและความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบสสารปกติกับสสารมืดให้ลึกขึ้น ผู้เขียนสรุปไว้
แหล่งข่าว phys.org : one of the most massive black holes in the universe lurks at the center of the Cosmic Horseshoe
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
