หลุมดำมวลมหาศาลคลุกฝุ่นในเอกภพยุคต้น
ด้วยความร่วมมือที่ทรงพลังจากกล้องโทรทรรศน์ซูบารุและกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ นักดาราศาสตร์ได้พบเควซาร์ 7 แห่งที่ได้รับพลังจากหลุมดำมวลมหาศาลซึ่งถูกปกคลุมด้วยกลุ่มฝุ่น ปรากฏอยู่เมื่อเอกภพมีอายุไม่ถึง 1 พันล้านปี
เป็นที่สงสัยมานานแล้วว่า หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) กลืนกินสสารจำนวนมหาศาลและส่องสว่างเป็นเควซาร์(quasars) ในขณะที่ถูกซ่อนไว้ในเมฆฝุ่นหนาทึบ จะมีอยู่ในช่วงต้นของเอกภพที่เรียกว่า อรุณรุ่งแห่งเอกภพ(cosmic dawn) แต่การพิสูจน์เป็นเรื่องที่ยาก นี่จึงเป็นการตรวจจับเควซาร์
สว่างแต่ถูกซ่อนไว้ในเอกภพยุคต้นได้เป็นครั้งแรก บ่งชี้ว่าแท้ที่จริงแล้ว เควซาร์นั้นพบได้ทั่วไปในช่วงอรุณรุ่งมากเป็น 2 เท่าของที่เคยสงสัยก่อนหน้านี้
การค้นพบนี้เป็นไปได้ก็เมื่อมีการร่วมมือครั้งสำคัญของกล้องโทรทรรศน์ทรงพลังสองตัว Yoshiki Matsuoka ผู้นำทีมจากมหาวิทยาลัยเอฮิเมะในญ่ปุ่นกล่าวในแถลงการณ์ การสำรวจที่ไวและกว้างของกล้องซูบารุช่วยให้เราได้พบกาแลคซีที่มีกำลังสว่าง(luminous galaxies) ที่พาได้ยาก และกล้องเวบบ์ก็สามารถจับแสงอินฟราเรดสลัวๆ จากเควซาร์ที่ซ่อนอยู่ได้ นี่แสดงว่าการพยายามเข้าถึงด้วยซูบารุและศึกษายืนยันด้วยเวบบ์ จะมีประสิทธิภาพมากแค่ไหน
ภาพจากศิลปินแสดงโครงสร้างของเควซาร์แห่งหนึ่ง ภาพปก ภาพจากศิลปินแสดงเควซาร์ที่ปกคลุมด้วยฝุ่นในเอกภพยุคต้น
หลุมดำมวลมหาศาลมีมวลหลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ อยู่ในใจกลางของกาแลคซีทุกแห่งในเอกภพสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม หลุมดำเหล่านี้ไม่ได้เหมือนกันไปซะทั้งหมด อย่าง Sgr A*(Sagittarius A*) หลุมดำในใจกลางทางช้างเผือกอยู่อย่างเงียบๆ เนื่องจากไม่มีอาหารป้อนให้มันมากนัก แต่หลุมดำแห่งอื่นๆ กลับตะกละตะกลามกินอาหารที่อยู่รอบๆ พวกมันกอบรวบเป็นเมฆแบนที่หมุนไปรอบๆ ที่เรียกว่า ดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk)
แรงโน้มถ่วงรุนแรงของหลุมดำเหล่านี้สร้างแรงจากผลต่างจากแรงโน้มถ่วง(tidal forces) ทำให้เกิดแรงเสียดทานรุนแรง ทำให้ก๊าซและฝุ่นในดิสก์ร้อนจัดจนถึงอุณหภูมิหลายล้านองศา ในขณะเดียวกัน สสารในดิสก์ก็ถูกดึงเข้าหาขั้วของหลุมดำมวลมหาศาลโดยสนามแม่เหล็กที่ทรงพลัง ซึ่งจากตำแหน่งดังกล่าวมันจะถูกยิงออกเป็นไอพ่นที่เดินทางเร็วเกือบเท่าแสง กระบวนการทั้งสองสร้างพลังงานจำนวนมหาศาลตลอดสเปคตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าให้นักดาราศาสตร์ได้สังเกตเห็นเป็นเควซาร์จากระยะทางที่ไกลโพ้น
จากความสุดขั้วและรุนแรงที่เควซาร์เป็น จึงไม่แปลกใจเลยที่คิดกันว่าหลุมดำมวลมหาศาลจะมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการตกแต่งกาแลคซี และรวมถึงวิวัฒนาการของเอกภพด้วย แต่ก็ยังคงมีปริศนาเกี่ยวกับการก่อตัวของหลุมดำมวลมหาศาลในยุคต้นก่อนเอกภพมีอายุ 1 พันล้านปี ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงตามล่าหาเควซาร์ที่มีอยู่ในช่วงอรุณรุ่งแห่งเอกภพ เป็นช่วงเวลาตั้งแต่ราว 50 ล้านจนถึง 1 พันล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง เมื่อดาวและกาแลคซีแห่งแรกสุดได้ก่อตัวขึ้น
ตัวอย่างสเปคตรัมของกาแลคซี กราฟแสดงความเข้มแสง(light intensity) เทียบกับความยาวคลื่น สเปคตรัมที่มีช่วงพีคเรียกว่า เส้นเปล่งคลื่น(emission line) ปรากฏเมื่อไฮโดรเจนเปล่งแสงในความยาวคลื่นที่จำเพาะค่าหนึ่ง ในกาแลคซีปกติ(บน) เส้นเปล่งคลื่นจะแคบ ในกาแลคซีที่มีเควซาร์(ล่าง) ก๊าซที่เคลื่อนที่เร็วใกล้หลุมดำจะถ่างเส้นเปล่งคลื่นให้กว้างออก
ถ้ามีประชากรหลุมดำมวลมหาศาลกลุ่มใหญ่ในช่วงเวลาดังกล่าวนี้ นักวิทยาศาสตร์ก็บอกได้ว่าพวกมันจะต้องก่อตัวขึ้นทั่วไปและกว้างขวาง อันเป็นผลจากการตายของดาวฤกษ์รุ่นแรกสุด เหมือนอย่างที่หลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes) ก่อตัวขึ้นในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ถ้าจำนวนหลุมดำมีน้อย นักวิจัยก็ตั้งทฤษฎีว่ายักษ์เหล่านี้ก่อตัวขึ้นในสถานการณ์พิเศษ บางทีอาจจะเกิดจากการยุบตัวลงโดยตรงของเมฆก๊าซและฝุ่นก้อนมหึมา
ความสว่างของเควซาร์น่าจะทำให้ค้นหาหลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้ได้ง่ายแม้แต่จากระยะทางที่ไกลโพ้น ในแสงเควซาร์ เราจะได้เห็น “เส้นการเปล่งคลื่นที่กว้าง”(broad emission line) ซึ่งกว้างขึ้นจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์(Doppler effect) จากก๊าซที่โคจรรอบหลุมดำใจกลางด้วยความเร็วที่สูงมาก การตรวจจับเส้นการเปล่งคลื่นที่กว้างจึงเป็นสัญญาณอย่างชัดเจนของหลุมดำมวลมหาศาลที่เปี่ยมด้วยกิจกรรมมในกาแลคซีแห่งหนึ่งๆ
ในความเป็นจริงแล้ว ทีมเบื้องหลังงานวิจัยใหม่ใช้ซูบารุได้พบเควซาร์มากกว่า 200 แห่ง อย่างไรก็ตาม มักจะจับเควซาร์ได้จากการเปล่งอุลตราไวโอเลตของพวกมัน แต่ฝุ่นในอวกาศก็เป็นตัวดูดกลืนรังสีชนิดนี้ได้เป็นอย่างดี นี่หมายความว่า การเปล่งคลื่นจากเควซาร์ที่ถูกปิดบังด้วยฝุ่นอย่างหนักอาจจะมาไม่ถึงเรา ซึ่งก็หมายความว่าเควซาร์ที่เราได้พบเป็นแค่ส่วนเล็กๆ ของหลุมดำมวลมหาศาลตัวตะกละในช่วงอรุณรุ่งของเอกภพ
ภาพอธิบายว่าสำรวจเควซาร์ที่ถูกฝุ่นซ่อนกลบไว้ได้อย่างไร แสงจากเควซาร์ในเอกภพยุคต้นยืดออก ดังนั้นยูวีจึงมาถึงโลกกลายเป็นแสงช่วงตาเห็น และแสงช่วงตาเห็นก็มาถึงโลกเป็นอินฟราเรด เมื่อเควซาร์ปกคลุมด้วยฝุ่น ยูวีถูกดูดกลืนไว้เกือบทั้งหมด แต่การสำรวจอินฟราเรดสามารถจับแสงช่วงตาเห็นที่วิ่งผ่านฝุ่นได้ การตรวจจับอินฟราเรดสลัวจากเควซาร์ยุคต้นจึงต้องใช้การสำรวจโดยเวบบ์
เพื่อที่จะสามารถค้นหาเควซาร์ที่ซ่อนอยู่เหล่านี้ได้ ทีมหันไปหาการสำรวจที่ทำโดย HSC-SSP(Hyper Suprime-Cam on the Subaru telescope) เพื่อมองหากาแลคซีที่สว่างมากๆ ที่แสดงสัญญาณของการเปล่งคลื่นพลังงานสูงแต่ขาดแคลนร่องรอยสัญญาณ(เส้นเปล่งคลื่นกว้าง) ของเควซาร์ ด้วยกล้องเวบบ์ พวกเขาก็สามารถตรวจสอบกาแลคซีเหล่านี้ในช่วงอินฟราเรด เมื่อกาแลคซีเปล่งแสงช่วงตาเห็นออกมาแต่ถูกยืดออกสู่ความยาวคลื่นที่มากขึ้นเป็นอินฟราเรด ช่วยให้เจาะทะลุผ่านฝุ่นที่ดูดกลืนยูวีได้
ด้วยการใช้สเปคโตรกราฟอินฟราเรดใกล้(NIRSpec) เวบบ์ศึกษากาแลคซีที่สว่างที่สุดที่ซูบารุสำรวจ 11 แห่งระหว่างเดือนกรกฎาคม 2023 จนถึง ตุลาคม 2024 มีเจ็ดในสิบเอ็ดแห่งที่แสดงสัญญาณของเควซาร์อย่างชัดเจน ยืนยันเควซาร์สว่างจ้าที่ถูกปกคลุมด้วยฝุ่นอย่างหนัก(dust-obscured luminous quasars) แห่งแรกที่พบในช่วงอรุณรุ่ง
จากการศึกษาสเปคตรัม ทีมพบว่าเควซาร์กำลังเปล่งพลังงานเทียบเท่ากับหลายล้านล้านเท่าดวงอาทิตย์ และได้รับพลังจากหลุมดำมวลมหาศาลระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ ที่กำลังกลืนกินก๊าซฝุ่นอย่างกระตือรือร้น คุณลักษณะเหล่านี้เหมือนกับเควซาร์ที่ไม่ถูกฝุ่นคลุมที่พบในช่วงอรุณรุ่งก่อนหน้านี้ นักวิจัยยังพบว่าฝุ่นที่ล้อมรอบเควซาร์เหล่านี้ดูดกลืนแสงอุลตราไวโอเลตเกือบทั้งหมด(99.9%) และแสงช่วงตาเห็น 70% ที่เควซาร์เปล่งออกมา จึงไม่แปลกเลยที่ยักษ์ใหญ่เหล่านี้จะหลุดรอดการค้นพบมาได้
จำนวนของเควซาร์ทั่วพื้นที่ที่ทีมสำรวจได้บอกว่าประชากรเควซาร์ที่มีฝุ่นคลุมนั้นใกล้เคียงกับจำนวนเควซาร์ที่เผยตัว ดังนั้น ทีมจึงคำนวณประชากรเควซาร์ในช่วงอรุณรุ่งแห่งเอกภพอยู่ที่ราว 2 เท่าของจำนวนที่เคยประเมินไว้ก่อนหน้านี้
กาแลคซีในการศึกษานี้ ด้านซ้ายแสดงภาพโดยซูบารุในช่วงเวลาที่ค้นพบ ด้านขวาแสดงสเปคตรัมที่ได้จากการสำรวจติดตามผลด้วยเวบบ์ จับเส้นเปล่งคลื่นไฮโดรเจนอัลฟา(Hα emission line) ที่ความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร กาแลคซี 7 แห่งทางซ้าย มีก๊าซไฮโดรเจนที่หมุนอย่างเร็วรอบหลุมดำมวลมหาศาล สร้างเส้นเปล่งคลื่นที่กว้างขึ้นอันเนื่องจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ อีก 4 แห่งที่เหลือ เส้นเปล่งคลื่นแคบกว่าไมอาจยืนยันการมีของหลุมดำได้
ขณะนี้ ทีมอยากจะศึกษาเควซาร์ที่ถูกฝุ่นคลุมอย่างหนักเหล่านี้เพื่อตรวจสอบว่าเพราะเหตุใดสภาพแวดล้อมของพวกมันจึงแตกต่างอย่างมากกับเควซาร์ที่เผยตัว พวกเขายังอยากจะตามล่าหลุมดำที่ถูกปกคลุมให้มากขึ้นในกลุ่มตัวอย่างกาแลคซีที่กว้างขึ้นรวมถึงกาแลคซีที่ส่องสว่างน้อยกว่าในยุคต้นของเอกภพ รวมถึงวางแผนจะใช้ ALMA เพื่อศึกษากาแลคซีต้นสังกัดด้วย งานลักษณะนี้มีศักยภาพที่จะเผยให้เห็นประชากรหลุมดำมวลมหาศาลทั้งหมดในยุคอรุณรุ่งของเอกภพ งานวิจัยเผยแพร่ใน Astrophysical Journal ฉบับเดือนกรกฎาคม
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
