คู่หลุมดำยักษ์ใน OJ 287
ในใจกลางกาแลคซีกัมมันต์(active galaxies) มีหลุมดำมวลมหาศาลซึ่งมีมวลถึงหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์อยู่ นักดาราศาสตร์สำรวจพวกมันเป็นแกนกลางกาแลคซีที่สว่างเจิดจ้าเมื่อหลุมดำมวลมหาศาลในกาแลคซีกลืนกินมวลสารจากวังวนที่วุ่นวายซึ่งเรียกว่า ดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) สสารบางส่วนก็ถูกบีบอัดกลายเป็นไอพ่นที่ทรงพลัง กระบวนการนี้ทำให้แกนกลางกาแลคซีสว่างเจิดจ้าตลอดช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ในการศึกษาล่าสุด นักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานว่ามีหลุมดำมวลมหาศาล 2 แห่งที่โคจรรอบกันและกัน จากสัญญาณที่มาจากไอพ่นที่เกี่ยวข้องกับการสะสมมวลสารลงสู่หลุมดำทั้งสองแห่ง กาแลคซีซึ่งในทางเทคนิคเรียกว่า เควซาร์
(quasar) มีชื่อว่า OJ 287 และถูกศึกษาแทบจะทะลุปรุโปร่งในฐานะระบบที่น่าจะมีหลุมดำคู่ แต่บนท้องฟ้า หลุมดำทั้งสองอยู่ใกล้กันมากจนกลายเป็นจุดแสงจุดเดียว
ความจริงที่จุดแสงนี้ แท้จริงแล้วเป็นหลุมดำ 2 แห่งมาจากการตรวจสอบว่ามันเปล่งสัญญาณที่แตกต่างกัน 2 ชนิด ผลสรุปนี้เผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
OJ 287 มีหลุมดำมวลมหาศาลไม่ใช่แค่หนึ่งแต่สองแห่ง หลุมดำปฐมภูมิมีมวลมากกว่า 1.8 หมื่นล้านเท่าดวงอาทิตย์อยู่ที่แกนกลางของกาแลคซี ด้วยหลุมดำทุติยภูมิซึ่งมีมวลต่ำกว่า(ราว 150 ล้านเท่าดวงอาทิตย์) โคจรรอบหลุมดำหลักทุกๆ 12 ปีในวงโคจรที่รี ซึ่งจะนำมันพุ่งผ่านดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำหลัก 2 ครั้งในแต่ละวงโคจร สร้างสัญญาณในหลากหลายช่วงความยาวคลื่นให้นักดาราศาสตร์ได้แปลผลการมีอยู่ของหลุมดำแห่งที่สอง
เควซาร์ OJ 287 อยู่ในทิศทางกลุ่มดาวปู(Cancer) ด้วยระยะห่าง 5 พันล้านปีแสง และถูกสำรวจมาตั้งแต่ปี 1888 เนื่องจากมันอยู่ไม่ไกลจากกระจุกรวงผึ้ง(Beehive Cluster, M44) จนเมื่อเกือบ 40 ปีก่อนที่ Aimo Sillanpaa นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยตุรกู และผู้ช่วยได้สังเกตเห็นว่ามันมีการเปล่งคลื่นที่เป็นรูปแบบชัดเจน โดยมี 2 วัฏจักร วัฏจักรแรกเกิดราวทุกๆ 12 ปีนานหลายสัปดาห์และอีกวัฏจักรที่ราว 55 ปี
พวกเขาบอกว่าวัฏจักรทั้งสองเป็นผลจากการเคลื่อนที่โคจรของหลุมดำสองแห่งรอบกันและกัน วัฏจักรที่สั้นกว่าเป็นวัฏจักรการโคจรของหลุมดำทุติยภูมิรอบๆ หลุมดำหลัก ส่วนวัฏจักรที่ยาวกว่าเกิดจากการเรียงตัวของวงโคจรระบบที่เปลี่ยนไปอย่างช้าๆ เหมือนกับที่โลกควงส่าย(precession) เหมือนลูกข่าง
การเคลื่อนที่โคจรเผยให้เห็นจากการลุกจ้า(flares) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อหลุมดำทุติยภูมิ พุ่งผ่านดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำหลักอย่างสม่ำเสมอด้วยความเร็วในระดับความเร็วแสง การพุ่งเข้ามาของหลุมดำทุติยภูมิทำให้วัสดุสารในดิสก์ร้อนขึ้น และก๊าซร้อนก็กลายเป็นฟองร้อนที่ขยายตัว ซึ่งฟองร้อนเหล่านี้ต้องใช้เวลาหลายเดือนที่จะเย็นตัวลงเมื่อมันแผ่รังสีออกมาและทำให้เกิดการลุกจ้า ซึ่งคงอยู่เพียงข้ามคืนและสว่างกว่าดาวนับล้านล้านดวง
หลังจากความพยายามหลายทศวรรษในการประเมินเวลาที่หลุมดำทุติยภูมิพุ่งผ่านดิสก์สะสมมวลสาร นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยตุรกูในฟินแลนด์ ที่นำโดย Mauri Vaitonen และเพื่อนร่วมงาน Achamveedu Gopakumar จากสถาบันทาทาเพื่อการวิจัยพื้นฐาน ในมุมไบ อินเดีย และคนอื่นๆ ก็สามารถจำลองวงโคจรและทำนายได้ว่าจะเกิดการลุกจ้าขี้นเมื่อใด โครงการสำรวจที่ทำในปี 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 และ 2019 ช่วยให้ทีมสำรวจการลุกจ้าที่ได้ทำนายไว้และเพื่อยืนยันการมีอยู่ของหลุมดำคู่ใน OJ 287
หลุมดำปฐมภูมิใน OJ 287 เป็นหนึ่งในหลุมดำที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เราเคยพบ ในความเป็นจริงด้วยมวล 1.8 หมื่นล้านเท่าดวงอาทิตย์ เส้นผ่าศูนย์กลางของมันก็เกินขนาดของระบบสุริยะไปไกลแล้ว
Gopakumar กล่าวว่า จำนวนการลุกจ้าที่ทำนายไว้โดยรวมอยู่ที่ 26 ครั้ง และสำรวจพบเกือบทั้งหมด หลุมดำหลักในคู่มีมวลมากกว่า 1.8 หมื่นล้านเท่าดวงอาทิตย์ ในขณะที่หลุมดำข้างเคียงมีมวลเบากว่าราว 100 เท่า และวงโคจรของพวกมันก็รีมากๆ ไม่กลมเลย แม้จะพยายามขนาดนี้ แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังไม่สามารถสำรวจสัญญาณโดยตรงจากหลุมดำขนาดเล็กได้ ก่อนปี 2021 การมีอยู่ของหลุมดำขนาดเล็กสามารถระบุได้โดยอ้อมจากการลุกจ้าและจากวิธีที่มันทำให้ไอพ่นของหลุมดำยักษ์ส่ายไป
หลุมดำทั้งสองอยู่ใกล้กันและกันอย่างมากจนแยกพวกมันออกจากกันไม่ได้ พวกมันกลายเป็นจุดแสงจุดเดียวในกล้องของเรา จะมีแต่เมื่อเราจะได้เห็นสัญญาณที่แยกกันอย่างชัดเจนจากหลุมดำแต่ละแห่งที่เราจะได้ “เห็น” หลุมดำทั้งสองจริงๆ Valtonen ผู้เขียนนำ กล่าว
โครงการสำรวจ OJ 287 ครั้งใหญ่ในปี 2021/2022 ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์หลากหลายชนิดตั้งแต่ช่วงตาเห็นจนถึงอุลตราไวโอเลต, รังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุ เพื่อช่วยให้นักวิจัยได้ทำการสำรวจหลุมดำทุติยภูมิพุ่งผ่านดิสก์สะสมมวลสาร ได้เป็นครั้งแรก และพบสัญญาณจากหลุมดำขนาดเล็กได้เป็นครั้งแรก
ช่วงปี 2021/2022 มีความสำคัญในการศึกษา OJ 287 ก่อนหน้านี้ เคยมีการทำนายว่าในช่วงเวลาดังกล่าว หลุมดำทุติยภูมิจะพุ่งผ่านดิสก์สะสมมวลสารของเพื่อนคู่หูขนาดใหญ่กว่า การพุ่งผ่านนี้คาดว่าจะสร้างการลุกจ้าที่มีสีฟ้าจัดทันทีหลังจากที่เกิดการชน และก็สำรวจพบจริงๆ ในเวลาเพียงไม่กี่วันจากเวลาที่ได้ทำนายไว้โดย Martin Jelinek และผู้ช่วยจากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเชค และสถาบันดาราศาสตร์แห่งเชค Valtonen กล่าว
ไดอะแกรมแสดงระบบ OJ 287 อธิบายช่วงเวลาที่หลุมดำเล็ก(ทางซ้าย) ผ่านดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำหลัก ทางขวาเป็นภาพหลุมดำหลักที่มีไอพ่นอนุภาคสัมพัทธภาพพุ่งออกมาจากสองขั้ว(bipolar jets) เส้นสีฟ้าตามรอยวงโคจรหลุมดำเล็กในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา วงโคจรไม่กลมซึ่งเป็นเหตุผลที่สัญญาณจากหลุมดำเล็กจึงมาถึงไม่ใช่ 12 ปีเป๊ะพอดี ในปี 2005 และ 2022 (ต่อ)
หลุมดำเล็กพุ่งผ่านดิสก์จากด้านบนทั้งสองกรณี และในตำแหน่งที่ใกล้เคียงกัน ให้โอกาสที่ดีเยี่ยมแก่นักวิจัยในการเปรียบเทียบการสำรวจ
อย่างไรก็ตาม ยังมีเรื่องน่าประหลาดใจสองอย่าง เป็นการลุกจ้าชนิดใหม่ที่ไม่เคยพบมาก่อน เป็นการลุกจ้าที่เกิดในช่วงความยาวคลื่นสีแดงกว่าพบเห็นเฉพาะในโครงการการสำรวจลงรายละเอียดโดย Stasze Zola จาก Jagiellonian University ในคราคอฟ โปแลนด์ เท่านั้น Zola และทีมได้พบการลุกจ้าครั้งใหญ่ซึ่งสร้างแสงมากกว่ากาแลคซีทั้งปวงถึง 100 เท่า และคงอยู่เพียงหนึ่งวันเท่านั้น
จากการประเมิน การลุกจ้าครั้งใหญ่นี้เกิดขึ้นไม่นานหลังจากหลุมดำเล็กได้กลืนกินก๊าซใหม่ๆ จำนวนมหาศาลที่ได้รับมาในระหว่างการพุ่งผ่านดิสก์ และเป็นกระบวนการกลืนกินนี่เองที่นำไปสู่การสว่างขึ้นอย่างฉับพลันจาก OJ 287 ซึ่งคิดว่ากระบวนการได้รับพลังจากไอพ่นที่ถูกยิงออกมาจากหลุมดำขนาดเล็กในระบบ OJ 287 ซึ่งเหตุการณ์ลักษณะนี้ถูกทำนายเมื่อสิบปีก่อน แต่เพิ่งยืนยันได้ตอนนี้เอง Valtonen อธิบาย
สัญญาณที่ไม่คาดคิดแหล่งที่สองมาจากรังสีแกมมา และถูกพบโดยกล้องเฟอร์มี่ การลุกจ้ารังสีแกมมาที่สว่างที่สุดจาก OJ 287 ในรอบหกปี เกิดขึ้นเมื่อหลุมดำเล็กพุ่งผ่านดิสก์ผ่านของหลุมดำหลัก ไอพ่นของหลุมดำเล็กมีปฏิสัมพันธ์กับก๊าซในดิสก์ และนำไปสู่การสร้างรังสีแกมมา เพื่อยืนยันแนวคิดนี้ นักวิจัยตรวจสอบข้อมูลในคลังและพบการลุกจ้ารังสีแกมมาคล้ายๆ กันก็เกิดขึ้นในปี 2013 เมื่อหลุมดำเล็กพุ่งผ่านดิสก์ครั้งหลังสุด เมื่อมองจากทิศทางการมองใกล้เคียงกัน
กราฟแสงจากระบบ OJ 287 ซึ่งปรากฏในแผ่นถ่ายภาพ(photographic plates) มาตั้งแต่ปี 1888 ช่วยให้นักวิจัยได้สร้างกราฟแสงนี้เป็นบันทึกการแปรแสงสว่างของมันซึ่งครอบคลุมมากกว่าหนึ่งร้อยปี นักดาราศาสตร์ได้จำแนกรูปแบบ 2 อย่างในกราฟแสงนี้ หนึ่งเกิดขึ้นทุกๆ 55 ปี และอีกรูปแบบหนึ่งเกิดขึ้นซ้ำทุกๆ 12 ปีโดยประมาณ การลุกจ้าในวัฏจักร 12 ปียาวราว 2 สัปดาห์ และสว่างกว่าดาวนับล้านล้านดวง
ดังนั้นแล้ว ทำไมเราจึงไม่เคยได้เห็นการปะทุที่นานหนึ่งวันมาก่อน? เราก็แค่โชคไม่ดี ไม่มีใครได้สำรวจ OJ 287 ในคืนที่เกิดการลุกจ้ายาวหนึ่งวันพอดีเลยเท่านั้น และถ้าไม่มีการจับจ้องดูโดยทีมของ Zola เราก็คงพลาดครั้งนี้ไปเหมือนกัน Valtonen บอก
เมื่อปะติดปะต่อทั้งหมดเข้าด้วยกัน Valtonen และทีมก็พบว่าเรากำลังได้เห็นปฏิสัมพันธ์ของหลุมดำทุติยภูมิกับดิสก์สะสมมวลสารของหลุมดำหลัก เป็น 3 ขั้นตอน คือ การลุกจ้าครั้งใหญ่ที่ยาวนานหนึ่งวันเป็นสัญญาณบอกว่าหลุมดำเล็กกลืนก๊าซก้อนใหญ่เข้าไปเมื่อมันกำลังพุ่งผ่านดิสก์สะสมมวลสาร, การปะทุรังสีแกมมาเกิดจากไอพ่นของหลุมดำเล็กมีปฏิสัมพันธ์กับก๊าซในดิสก์ และการลุกจ้าที่นานราว 2 สัปดาห์เมื่อหลุมดำเล็กหลุดออกจากดิสก์ของหลุมดำหลักไป
ความพยายามเหล่านี้ทำให้ OJ 287 เป็นวัตถุที่ดีที่สุดที่จะมีหลุมดำมวลมหาศาลคู่ ซึ่งกำลังส่งคลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) ออกมาในความถี่นาโนเฮิร์ตซ์ ยิ่งกว่านั้น OJ 287 ยังถูกจับตาดูอย่างสม่ำเสมอจากทั้งกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าสังเกตการณ์(EHT) และกลุ่มความร่วมมือ GMVA(Global mm-VLBI Array) เพื่อหาหลักฐานเพิ่มเติมของการมีอยู่ของหลุมดำยักษ์คู่ที่ใจกลาง และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เพื่อพยายามจะถ่ายภาพไอพ่นจากหลุมดำเล็กในช่วงวิทยุ
แหล่งข่าว phys.org : first detection of secondary supermassive black hole in a well-known binary system
skyandtelescope.com : signal found from supermassive duo’s second black hole
space.com : brilliant gamma-ray flare 100 times brighter than our entire galaxy reveals 1 monster black hole is actually 2
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
