ความเร็วของหลุมดำจากการควบรวมที่ไม่สมมาตร
เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบความเร็วและทิศทางของหลุมดำที่เพิ่งก่อตัวใหม่แห่งหนึ่ง ต้องขอบคุณคลื่นความโน้มถ่วงที่สร้างออกมาเมื่อหลุมดำกระดอนถอยออกจากพื้นที่ที่หลุมดำพ่อและแม่ควบรวมกัน
การตรวจสอบที่สมบูรณ์แบบได้เป็นครั้งแรกนี้เกิดขึ้นพอดีหนึ่งทศวรรษหลังจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) ได้เป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นระลอกในกาลอวกาศ ที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้ทำนายไว้ตั้งแต่ปี 1915 การตรวจจับทำโดยหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงมาตรแทรกสอดเลเซอร์(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory; LIGO) ในวันที่ 14 กันยายน 2015
ตลอดช่วงสิบปีที่ผ่านมา มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้มากมายโดย LIGO และพันธมิตรเครื่องตรวจจับคลืน่ความโน้มถ่วง Virgo และ KAGRA(Kamioka Gravitational wave Detector) ได้ให้ภาพการควบรวมของหลุมดำที่มีรายละเอียดมากกว่าที่เคยเป็นมา อย่างไรก็ตาม หนึ่งในความคาดหวังจากการควบรวมเหล่านี้ที่ยัง “ไม่ได้ยิน” เป็นการสั่นของกาลอวกาศที่เกิดจากเหตุการณ์ที่สุดขั้วที่สุดในเอกภพ เป็นการ “ดีด” ที่เกิดกับหลุมดำใหม่ที่ถือกำเนิดจากการควบรวมเหล่านี้
การควบรวมของหลุมดำที่มีความไม่สมมาตรอย่างรุนแรง เกิดการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงที่ไม่สมดุลกระทั่งสร้างหลุมดำแห่งใหม่ที่กระดอนถอยออกจากพื้นที่เกิด ด้วยความเร็วสูงจนอาจจะหนีจากแรงโน้มถ่วงกาแลคซีตันสังกัดได้เลย ภาพปก ภาพแสดงระลอกในกาลอวกาศจากขนาดของหลุมดำที่แตกต่างกันมากใน GW 190412
การดีดทำให้หลุมดำที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ส่งคลื่นความโน้มถ่วงออกมาในทิศทางหนึ่ง เป็นความไม่สมดุลที่เป็นสาเหตุให้มันวิ่งหนีออกจากพื้นที่ที่ให้กำเนิดมัน บางครั้งก็วิ่งเร็วถึงหลายล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งเร็วมากพอที่หลุมดำจะหนีออกจากกาแลคซีบ้านเกิดของมันได้
การกระจายคลื่นความโน้มถ่วงที่ไม่สม่ำเสมอจากหลุมดำที่ถอยหนีนี้น่าจะมี “เสียง” ที่แตกต่างอย่างมากจากคลื่นความโน้มถ่วงปกติที่เปล่งออกจากการควบรวมของหลุมดำ เช่นเดียวกับระลอกในกาลอวกาศที่เปล่งออกมาเมื่อหลุมดำในระบบคู่หมุนวนรอบกันและกัน สัญญาณก็ควรจะแตกต่างไปตามตำแหน่งที่ผู้สังเกตการณ์อยู่ เมื่อเทียบกับการถอยของหลุมดำด้วย
ความแปลกแยกนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้มองหาสัญญาณและตรวจสอบทิศทางและความเร็วของหลุมดำที่ถูกดีดออกมา อาจเข้าใจการควบรวมของหลุมดำว่าเป็นสัญญาณที่มีความแตกต่างกันมาซ้อนทับกัน ก็เหมือนกับดนตรีที่สอดคล้องกันจากวงออร์เครสตราและมีดนตรีเพิ่มเติมจากเครื่องดนตรีที่แตกต่างกันอย่างมากหลายชนิดด้วย Juan Calderon-Bustillo หัวหน้าทีมศึกษา จากมหาวิทยาลัยซานติอาโก เดอ กอมโปสเตลา ในสเปน กล่าวในแถลงการณ์
อย่างไรก็ตาม วงออร์เครสตรานี้มีความพิเศษ เมื่อผู้ฟังจะนั่งอยู่ในตำแหน่งที่แตกต่างกันรอบๆ วง ก็จะบันทึกส่วนผสมของเครื่องดนตรีที่แตกต่างกัน ซึ่งช่วยให้เข้าใจว่านั่งอยู่ตรงไหนกันแน่ การเปรียบเทียบกับการฟังดนตรีนี้ สัญญาณการกระดอนกลับเองมีเสียงที่ต่างกัน 2 เสียงซึ่งมีความถี่ต่างกัน 1.5 เท่า ก็คือตัวโน้ตที่ 5 พอดี
กล่าวคือ ถ้าเป็นเสียงที่เรารู้จัก ความถี่หลักของคลื่นจะเป็น C ส่วนเสียงประกอบจะเป็น G ที่โน้ตสูงกว่าตัวที่ 5 พอดี โดยบังเอิญที่เหมือนกับโน้ตเปิด 2 ตัวแรกในเพลง Can’t Help Falling In Love ของ เอลวิส เพรสลีย์
เพื่อตรวจสอบการถอยหนีของหลุมดำที่ก่อตัวขึ้นใหม่ Calderon-Bustillo และเพื่อนร่วมงานได้สำรวจการควบรวมของหลุมดำสองแห่งที่มีมวลที่แตกต่างกัน ที่บันทึกได้โดย LIGO และ Virgo ย้อนกลับไปในปี 2019 เป็นสัญญาณจาก GW 190412 ความแตกต่างระหว่างการศึกษานี้กับการวิเคราะห์สัญญาณก่อนหน้านี้ก็คือ ทีมใช้วิธีการวิทยาแบบใหม่ที่ช่วยให้ตรวจจับการดีดที่หลุมดำลูกได้รับ
เราพบวิธีการนี้ย้อนกลับไปในปี 2018 เราได้แสดงว่ามันน่าจะช่วยตรวจสอบการดีดโดยใช้เครื่องตรวจจับปัจจุบันที่มีในช่วงเวลาเมื่อวิธีการอื่นๆ ที่มีต้องใช้เครื่องตรวจจับในอวกาศอย่าง LISA(Laser Interferometer Space Antennae) ซึ่งก็ยังต้องรอไปอีกสิบกว่าปี Calderon-Bustillo กล่าว โชคร้ายที่ในช่วงเวลาดังกล่าว LIGO Virgo ยังไม่พบสัญญาณที่มี “ดนตรีจากเครื่องมือที่แตกต่างออกไป” ซึ่งช่วยให้ตรวจสอบการดีดได้
อย่างไรก็ตาม เราแน่ใจว่าจะต้องมีการตรวจจับลักษณะนี้ได้สักครั้งในไม่ช้า ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นจัดๆ เมื่อพบ GW 190412 ในอีกเพียงหนึ่งปีต่อมา พบการดีดที่น่าจะตรวจสอบได้ และก็ทำได้จริงๆ เมื่อหนึ่งในหลุมดำในการควบรวมมีมวล 30 เท่ามวลดวงอาทิตย์ อีกแห่งมีมวลเพียง 8.4 เท่าดวงอาทิตย์เท่านั้น
คลื่นความโน้มถ่วงจากแต่ละช่วงของการควบรวม
ยิ่งกว่านั้น มวลที่เบาของการควบรวมนี้ยังหมายความว่าสัญญาณจะยาวนานกว่าการควบรวมมวลสูงกว่า ด้วยการตรวจสอบ“high-order modes” ให้ข้อมูลมหาศาลออกมา ช่วยให้ทีมตรวจสอบโมเมนตัมเชิงมุมการโคจรและระยะห่างจากหลุมดำทั้งสองไม่กี่วินาทีก่อนการควบรวมได้
พบว่าหลุมดำที่ถูกสร้างในการควบรวมซึ่งส่งสัญญาณ GW 190412 วิ่งหนีออกจากพื้นที่ก่อตัวของมันด้วยความเร็ว 50 กิโลเมตรต่อวินาที หรือเร็วกว่าความเร็วเสียงบนโลก 150 เท่า แน่นอนว่าเราไม่แน่ใจว่าหลุมดำนี้อยู่ในกระจุกทรงกลมจริงหรือไม่ เมื่อการควบรวมเกิดไกลออกไป 2.4 พันล้านปีแสง และเครื่องมือของเราก็ไม่ได้มีความละเอียดสูงพอที่จะมองเห็นกระจุกทรงกลมที่อยู่ไกลขนาดนั้นได้ แต่ถ้าอยู่ มันก็น่าจะกำลังหนีออกมา
ในขณะที่ยังห่างไกลจากความเร็วสูงสุดที่หลุมดำจะไปถึงได้หลังจากการดีดที่เกิดจากการควบรวม แต่ก็เร็วมากพอที่จะทำให้หลุมดำนี้หนีออกจากกลุ่มของดาวที่อยู่กันอย่างหนาแน่น หรือกระจุกดาวทรงกลม(globular cluster) ที่มันก่อตัวขึ้นมาได้
คลื่นความโน้มถ่วงจากแบบจำลอง(สีเขียว) และที่ตรวจพบจากฮันฟอร์ด(เส้นสีฟ้า) ในช่วงสั่นแผ่ว(ringdown) เกิดสัญญาณซ้อนมา
นี่เป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ประหลาดไม่กี่อย่างในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่เราไม่เพียงแค่พบมัน แต่เรายังทราบการเคลื่อนที่ในแบบสามมิติของวัตถุที่อยู่ห่างไกลหลายพันล้านปีแสงได้ด้วย โดยใช้เพียงระลอกในกาลอวกาศเท่านั้น Koustav Chandra สมาชิกทีมศึกษา นักวิจัยที่เพนน์สเตท กล่าว นี่แสดงอย่างน่าประทับใจว่าคลื่นความโน้มถ่วงบอกอะไรได้บ้าง
ก้าวต่อไปสำหรับทีมก็คือการใช้การกระดอนกลับนี้ และทิศทางและความเร็วของหลุมดำลูกเพื่อสำรวจการควบรวมทั้งผ่านคลื่นความโน้มถ่วงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า Samson Leong สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยฮ่องกงของจีน อธิบายในแถลงการณ์ว่า การควบรวมของหลุมดำในสภาพแวดล้อมที่หนาแน่นอาจนำไปสู่สัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าหรือการลุกจ้า(flare) ที่ตรวจจับได้ เมื่อหลุมดำที่ได้วิ่งผ่านสภาพแวดล้อมที่หนาแน่นอย่างในนิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์(active galactic nuclei)
เนื่องจากการมองเห็นของการลุกจ้าขึ้นอยู่กับรูปแบบการเรียงตัวของการดีดกลับเมื่อเทียบกับโลก การตรวจสอบการกระดอนกลับจะช่วยให้เราได้แยกแยะระหว่างสัญญาณคู่คลื่นควมดน้มถ่วง-คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มาจากหลุมดำคู่ กับเหตุการณ์ที่เกิดโดยบังเอิญได้ ทีมวิจัยของทีมเผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy
แหล่งข่าว space.com : scientists measure “kick” that sent baby black hole flying away from its home for 1st time
sciencealert.com : sound of a black hole “kicked” through space heard in a stunning first
iflscience.com : first-ever recording of black hole recoil captured during merger – and you can listen to it
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
