ความรู้ในสาขาวิชาวิทยาศาตร์

ลำดับตอนที่ #10 : หลุมดำกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือก

       
หลุมดำกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือก

ปี ค.ศ. 2002 ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติค้นพบหลุมดำยักษ์หรือหลุมดำมวลยิ่งยวด[ Super Massive Black Hole] บริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก นับเป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่ทำให้หลุมดำยักษ์ซึ่งก่อนหน้านี้เป็นเพียงแค่ทฤษฎีกลายเป็นความจริงขึ้นมา 
        ก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์รู้ดีว่า เมื่อดาวฤกษ์เดี่ยวๆซึ่งมีมวลมากหมดอายุขัยลงมันจะยุบตัวเป็นหลุมดำ หลุมดำชนิดนี้มีอยู่ทั่วไปเรียกว่า Stellar Black Holes มันมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ไม่กี่เท่า

ทว่าหลุมดำยักษ์จะมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์หลายๆล้านเท่า  หลุมดำยักษ์เกิดจากอะไร? แบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่า  มันเกิดจากดาวฤกษ์ซึ่งมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์หลายร้อยเท่าสองดวงชนกันในกระจุกดาวทรงกลม ซึ่งเป็นบริเวณที่มีดาวฤกษ์อยู่หนาแน่นมาก การชนกันจะไม่ทำให้เกิดการระเบิด แต่เป็นการรวมกันเป็นซุปเปอร์สตาร์ที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวฤกษ์ทั่วไปถึงหนึ่งพันเท่า ไม่กี่ล้านปีต่อมามันจะเผาผลาญไฮโดรเจนจนหมดทำให้ไม่มีแรงดันต้านแรงโน้มถ่วงอีกต่อไป  แรงโน้มถ่วงของมันก็จะทำให้มันยุบตัวเข้าสู่สภาวะความหนาแน่นที่สูงมากกลายเป็นหลุมดำยักษ์ นักดาราศาสตร์บางคนเสนอทฤษฎีว่า ในขณะที่เกิดวิวัฒนาการเป็นหลุมดำยักษ์อยู่นั้น มีบางส่วนหลุดออกมาเป็นหลุมดำขนาดกลาง ซึ่งนักดาราศาสตร์กำลังเพียรพยายามควานหามันอยู่ว่าเป็นจริงตามทฤษฎีหรือไม่
        การค้นหาหลุมดำไม่ใช่เรื่องง่ายนัก  เราไม่อาจมองเห็นหลุมดำได้โดยตรงเพราะไม่ว่าอะไรที่ตกไปในหลุมดำจะไม่สามารถหลุดรอดออกได้แม้กระทั่งแสง นักดาราศาสตร์ต้องค้นหามันโดยทางอ้อมซึ่งมีอยู่สองวิธีคือ 
        วิธีแรก  การค้นหาปรากฎการณ์ที่ก๊าซและดาวฤกษ์เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วหากเข้าใกล้หลุมดำเพราะอิทธิพลของมัน ปรากฏการณ์นี้จะทำให้นักดาราศาสตร์บอกได้ว่าเป็นหลุมดำหรือไม่ และสามารถคำนวณว่าหลุมดำมีมวลเท่าใดได้อีกด้วย  
        วิธีที่สอง การตรวจจับรังสีเอ็กซ์ เพราะหลุมดำเป็นแหล่งแผ่รังสีเอ็กซ์ที่หนาแน่น

ภาพถ่ายดาวฤกษ์ S2 กำลังโคจรรอบหลุมดำยักษ์ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก

          ทีมค้นพบหลุมดำยักษ์ได้เฝ้าสังเกตุการโคจรของดาวฤกษ์บริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อินฟราเรดและกล้องโทรทรรศน์วิทย ุมาตั้งแต่ปี 2002  ซึ่งพบว่ามีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งซึ่งมีมวล 15 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ให้ชื่อว่า “S2” โคจรรอบใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกเป็นวงรีด้วยความเร็วสูงถึง 5,000 กิโลเมตรต่อวินาที มีคาบการโคจร 15.2 ปี และเข้าใกล้บริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกมาก ปรากฏการณ์นี้ชี้ว่าดาวฤกษ์ S2 กำลังโคจรเข้าใกล้หลุมดำ ผลจากการคำนวณแสดงว่า ดาวฤกษ์ดวงนี้กำลังเข้าใกล้หลุมดำ ที่ระยะทางเพียงสามเท่าของระยะทางระหว่างดวงอาทิตย์กับดาวพลูโตเท่านั้น และหลุมดำนี้มีมวลราว 2.6 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

         ไรเนอร์ ชูเดล นักศึกษาปริญญาเอกของสถาบันแม็กพลังค์หนึ่งในทีมงานกล่าวว่า ”งานของพวกเราได้พิสูจน์แล้วว่ามีหลุมดำยักษ์อยู่จริงๆในกาแล็กซีของเรา” ขณะที่  คาร์ล เก๊บฮาร์ดต์ นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสตินบอกว่า “ ผลงานของนักดาราศาสตร์ทีมนี้คือหลักฐานที่ดีที่สุดที่ชี้ว่าหลุมดำยักษ์ไม่ได้เป็นเพียงแค่ทฤษฎี ทว่ามันเป็นความจริง” ทีมค้นพบประมาณว่าดาว S2 จะใช้เวลาประมาณหนึ่งทศวรรษหรืออาจมากกว่านั้นเข้าใกล้หลุมดำที่สุดในระยะที่มันจะพบจุดจบ

         

ภาพจากกล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์จันทรา

             ต่อจากนั้นในเดือนธันวาคม 2003 นักดาราศาสตร์นานาชาติอีกทีมได้ทำการศึกษาหลุมดำนี้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศรังสีเอ็กซ์จันทราตรวจจับเป็นเวลา 164 ชั่วโมง และให้ชื่อมันว่า “a.k.a.Sagittarius A*” หรือ “Sgr A*”

กล้องจันทราพบว่าหลุมดำนี้ยังมีการระเบิดอยู่และบางครั้งก็เป็นการระเบิดขนาดใหญ่ด้วย และกำลังปลดปล่อยรังสีเอ็กซ์ที่โชติช่วง ซึ่งมีความหนาแน่นสูงมาก นักดาราศาสตร์บอกว่าดูเหมือนว่าการปลดปล่อยรังสีเอ็กซ์ที่โชติช่วงนี้เป็นภาวะปกติของมัน ทว่าพวกเขาก็ยังไม่เข้าใจถึงต้นตอหรือสาเหตุว่าเกิดจากอะไร อย่างไรก็ตามการปลดปล่อยรังสีเอ็กซ์นี้มีลักษณะขึ้นๆลงๆอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นเครื่องชี้ว่ามันเกิดขึ้นใกล้บริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์ [event horizon]  ซึ่งเป็นพรมแดนระหว่างหลุมดำกับอวกาศภายนอก

ภาพเปรียบเทียบ แสดงการโคจรของดาวฤกษ์ หากมีหลุมดำดาวฤกษ์จะโคจรเข้าใกล้ด้วยความเร็วสูงเพราะอิทธิพลของหลุมดำ

         ขณะที่การปลดปล่อยรังสีเอ็กซ์ในบริเวณใกล้เคียงหลุมดำมีความหนาแน่นน้อย ข้อมูลนี้ทำนักดาราศาสตร์คำนวณได้ว่าหลุมดำSgr A* มีมวล 3 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์เลยทีเดียว  มันจึงเป็นหลุมดำที่หิวโหย เฟรดเดอริก เค. บากานอฟฟ์ หนึ่งในทีมงาน จากสถาบันเทคโนโลยีแมสสาชูเซต บอกว่า นักดาราศาสตร์ยังยกให้มันเป็นหลุมดำที่อดอยากปากแห้งอีกด้วย เพราะว่าการระเบิดในอดีตได้พัดพาเอาก็าซออกไปจากบริเวณใกล้เคียงจนเกือบหมด  ล่าสุดเมื่อต้นเดือนพฤศจิกายน 2004 นักดาราศาสตร์ก็ประกาศการค้นพบหลุมดำอีกหลุมหนึ่งบริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก และเป็นการค้นพบที่นำความตื่นเต้นให้กับวงการดาราศาสตร์อย่างยิ่งเพราะมันเป็นหลุมดำขนาดกลาง
         ทีมค้นพบได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ของหอดูดาวเจมินิในฮาวายและกล้องโทรทรรศน์ของหอดูดาวยุโรปซีกใต้ในชิลี สำรวจบริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกแล้วพบว่า มีกลุ่มดาวฤกษ์จำนวน 7 ดวงซึ่งแต่ละดวงมีมวลมากกว่ามวลดวงอาทิตย์  5-10 เท่า กำลังโคจรเป็นวงรีด้วยความเร็ว 280 กิโลเมตรต่อวินาที รอบบริเวณที่ห่างจากหลุมดำยักษ์ Sgr A* ประมาณ1.5 ปีแสง ซึ่งชี้ว่าดาวเหล่านี้กำลังโคจรเข้าใกล้หลุมดำ นักดาราศาสตร์คำนวณว่าหลุมดำนี้มีมวล 1,300 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และให้ชื่อว่า  “GCIRS 13E “ การค้นพบหลุมดำขนาดกลางในครั้งนี้มีความสำคัญมากทีเดียวเพราะไม่เพียงแต่สนับสนุนทฤษฎีที่ว่าหลุมดำมีสามขนาดคือ หลุมดำขนาดยักษ์ หลุมดำขนาดกลาง และหลุมดำขนาดเล็กเท่านั้น ทว่ามันสนับสนุนทฤษฎีกำเนิดหลุมดำขนาดกลางที่นักดาราศาสตร์กำลังพิสูจน์อยู่ด้วย

กลุ่มดาวฤกษ์ 7 ดวงโคจรเป็นวงรีเข้าใกล้หลุมดำขนาดกลาง

           ทีมค้นพบเชื่อว่าดาวฤกษ์ทั้ง 7 ดวงและหลุมดำนี้ไม่ได้มีจุดกำเนิดในตำแหน่งที่มันอยู่ในปัจจุบัน แต่ทว่าอพยพมาจากที่อื่นคือกระจุกดาวทรงกลมที่อยู่ห่างไกลไม่มากนัก  จีน ปิแอร์ เมลลาร์ด จากสถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์ กรุงปารีส หัวหน้าทีมค้นพบอธิบายว่า แรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำ Sgr A* จะทำให้ก๊าซในบริเวณนี้ไม่สามารถรวมตัวเป็นดาวฤกษ์ได้ ดังนั้นดาวฤกษ์ทั้ง 7 ดวง จึงมีจุดกำเนิดจากที่อื่นและต้องไม่อยู่ห่างไกลมากนัก เพราะว่าดาวฤกษ์มวลมากจะมีชีวิตอยู่ได้ไม่เกิน 10 ล้านปี ถ้าไกลมากพวกมันจะมีเวลาไม่เพียงพอที่จะเดินทางมาถึงที่นี่  ด้วยเหตุผลนี้ ดาวฤกษ์ทั้งหมดพร้อมด้วยหลุมดำต้องเดินทางมาถึงภายใน 10 ล้านปี และเป็นไปได้ว่าจุดกำเนิดของพวกมันอยู่ห่างออกไปราว 60 ปีแสง
           อีกไม่นานนักดาราศาสตร์คงใช้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอ็กซ์จันทรายืนยันการมีอยู่จริงของหลุมดำนี้ และนักดาราศาสตร์คงได้ข้อมูลที่ให้ความรู้และความเข้าใจหลุมดำขนาดกลางมากขึ้น โดยเฉพาะจุดกำเนิดและความเชื่อมโยงของมันกับหลุมดำยักษ์

โดย
บัณฑิต คงอินทร์