หลุมดำที่เจริญเติบโตมากกว่าขีดจำกัด
นักดาราศาสตร์ทีมหนึ่งได้รายงานว่าหลุมดำแห่งหนึ่งกำลังเจริญเติบโตด้วยอัตราที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยพบมา การค้นพบมาจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราของนาซาอาจจะช่วยอธิบายว่าเพราะเหตุใดหลุมดำบางแห่งจึงมีมวลมหึมาได้ค่อนข้างเร็วมากหลังจากบิ๊กแบง
หลุมดำแห่งนี้มีมวลราว 1 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์และอยู่ห่างออกไป 12.8 พันล้านปีแสงจากโลก ซึ่งหมายความว่านักดาราศาสตร์กำลังมองมันเมื่อเอกภพเริ่มต้นมาได้ 920 ล้านปีเท่านั้น มันผลิตรังสีเอกซ์มากกว่าหลุมดำใดๆ ที่เคยเจอในช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกของเอกภพ หลุมดำแห่งนี้กำลังส่งพลังให้กับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า เควซาร์(quasar) ซึ่งเป็นวัตถุที่สว่างอย่างสุดขั้วจนกลบกาแลคซีต้นสังกัด แหล่งพลังของปีศาจที่เจิดจ้านี้คือสสารจำนวนมหาศาลที่กำลังหลั่งไหลไปรอบๆ และเข้าสู่หลุมดำนี้
ภาพปก ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำที่ส่งพลังให้กับ RACS J0320-35 จนเป็นเควซาร์ที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยพบในช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง(ภาพเล็ก)
แม้ว่าทีมเดียวกันนี้จะพบมันตั้งแต่สองปีก่อน โดยใช้การสำรวจจากจันทราในปี 2023 เพื่อค้นหาว่าอะไรเป็นต้นตั้งต้นให้กับเควซาร์ RACS J0320-35 ข้อมูลรังสีเอกซ์เผยว่าหลุมดำนี้ดูเหมือนจะเจริญเติบโตด้วยอัตราที่เกินกว่าขีดจำกัดปกติ เป็นเรื่องที่ช๊อคไม่น้อยที่ได้เห็นหลุมดำนี้เจริญแบบก้าวกระโดด Luca Ighina จากศูนย์เพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียน ซึ่งนำการศึกษาที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters กล่าว
เมื่อสสารถูกดึงเข้าสู่หลุมดำ มันจะร้อนขึ้นและสร้างรังสีที่รุนแรงตลอดช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่กว้าง ซึ่งรวมถึงรังสีเอกซ์และแสงช่วงตาเห็นด้วย การแผ่รังสีได้สร้างแรงดันให้กับวัสดุสารที่ตกเข้ามา เมื่ออัตราสสารที่ตกเข้ามาถึงค่าวิกฤติ แรงดันการแผ่รังสีจะอยู่ในสมดุลกับแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ และสสารจะไม่สามารถตกลงสู่หลุมดำได้เร็วกว่านี้แล้ว ค่าวิกฤตินี้เรียกกันว่า ขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน(Eddington limit)
นักวิทยาศาสตร์คิดว่าหลุมดำที่เจริญเติบโตช้ากว่าขีดจำกัดเอ็ดดิงตันอย่างมาก จำเป็นจะต้องกำเนิดขึ้นมาด้วยมวลที่สูงระดับ 1 หมื่นเท่าดวงอาทิตย์หรือมากกว่านั้นเพื่อที่จะบรรลุถึงระดับ 1 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ภายในเวลา 1 พันล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง ซึ่งเมื่อสำรวจ RACS J0320-35 หลุมดำที่มีมวลเมื่อเกิดสูงแบบนี้ก็น่าจะเป็นผลจากกระบวนการยุบตัวลงโดยตรงของเมฆก๊าซที่หนาทึบก้อนมหึมา ซึ่งมีธาตุที่หนักกว่าฮีเลียม(หรือที่เรียกรวมๆ ว่าโลหะ) ในระดับที่ต่ำมากๆ ซึ่งเป็นสภาวะที่พบได้ยากยิ่ง
ถ้า RACS J0320-35 เจริญด้วยอัตราที่สูงจริง คือราว 2.4 เท่าขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน และเป็นระดับนี้มานานพอสมควร หลุมดำก็น่าจะก่อตัวขึ้นในแบบที่เป็นไปตามธรรมเนียมมากกว่า ก็คือ มีมวลต่ำที่ไม่ถึง 1 ร้อยเท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากการระเบิดของดาวฤกษ์มวลสูง ด้วยการทราบค่ามวลของหลุมดำและหาว่ามันกำลังเจริญเติบโตเร็วแค่ไหน เราก็สามารถย้อนไปประเมินว่าตอนเกิดมันมีขนาดใหญ่แค่ไหน Alberto Moretti ผู้เขียนร่วมจาก INAF กล่าว ด้วยการคำนวณนี้ขณะนี้เราได้ทดสอบแนวคิดว่าหลุมดำถือกำเนิดได้อย่างไรในแบบต่างๆ
เพื่อระบุว่าหลุมดำนี้กำลังเจริญเติบโตเร็วแค่ไหน(ระหว่าง 300 ถึง 3000 เท่าดวงอาทิตย์ต่อปี) นักวิจัยได้เปรียบเทียบแบบจำลองทางทฤษฎีกับสัญญาณรังสีเอกซ์จากจันทรา ซึ่งให้สเปคตรัมรังสีเอกซ์ที่ค่าพลังงานช่วงต่างๆ พวกเขาพบว่าสเปคตรัมจันทราสอดคล้องอย่างมากกับสิ่งที่คาดไว้จากแบบจำลองหลุมดำที่เจริญเร็วกว่าขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน ข้อมูลจากแสงช่วงตาเห็นและอินฟราเรดยังสนับสนุนการแปลผลนี้ว่าหลุมดำกำลังเติบโตเร็วกว่าขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน
เป็นเรื่องน่าฉงนในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ยอมให้วัตถุก้าวข้ามขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน สิ่งที่เรียกว่าการสะสมมวลแบบซุปเปอร์เอ็ดดิงตัน(Super-Eddington accretion) นั้นซับซ้อน แต่แนวคิดพื้นๆ ก็คือการสะสมมวลสู่วัตถุอย่างหลุมดำไม่ได้สมมาตร ในความเป็นจริง สสารถูกดึงเข้าหลุมดำก่อตัวเป็นดิสก์ และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์คิดว่าสภาวะภายในดิสก์สร้างลมที่ทรงพลังซึ่งจะเป่าก๊าซออกไป แต่การไหลออกไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกัน ผลที่ได้ก็คือการแผ่รังสีของหลุมดำหนีออกได้แค่บางส่วน
นี่หมายความว่า แรงดันการแผ่รังสีของหลุมดำที่ผลักออกไม่สามารถต้านทานการไหลของสสารเข้ามาได้ กระแสทีวิ่งเข้ามาจึงไหลบ่าช่วยให้หลุมดำข้ามขีดจำกัดเอ็ดดิงตันได้ชั่วคราว และเจอกับการสะสมมวลแบบซุปเปอร์เอ็ดดิงตัน
Thomas Connor ผู้เขียนร่วมจาก CfA เช่นกัน กล่าวว่า เอกภพสร้างหลุมดำรุ่นแรกสุดได้อย่างไร นี่เป็นคำถามข้อใหญ่ในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์และวัตถุนี้ก็กำลังช่วยเราในการตามล่าหาคำตอบ
ภาพแสดงว่า RACS J0320-35 มีอัตลักษณ์แค่ไหน ภาพซ้ายแสดงกำลังสว่าง(luminosity) สำหรับเควซาร์ที่มีเรดชิพท์มากกว่า 5.5 กับการสำรวจรังสีเอกซ์จากจันทราหรือ XMM-Newton โดยมีตัวอย่างหลายอัน แต่มีแห่งเดียวที่มีกำลังสว่างมากกว่าก็คือ เควซาร์ CFHQS J142952+544717 ภาพขวาแสดงการกระจายการเปล่งคลื่นในหลายช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ปริศนาอีกประการที่ผลสรุปนี้บอกก็คือสาเหตุของอนุภาคไอพ่นที่เคลื่อนที่ออกจากหลุมดำบางแห่งด้วยความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง ซึ่งพบใน RACS J0320-35 ไอพ่นลักษณะนี้ดูจะพบได้ยากในกลุ่มเควซาร์ ซึ่งอาจจะหมายความว่าอัตราการเจริญเติบโตที่เร็วของหลุมดำมีส่วนต่อการสร้างไอพ่นเหล่านี้
ธรรมชาติที่สว่างในช่วงวิทยุของเควซาร์อันเป็นอัตลักษณ์แห่งนี้อาจจะบอกใบ้ถึงความสัมพันธ์ระหว่างการสะสมมวลสารกับไอพ่น ผู้เขียนเขียนในบทสรุป พวกเขาอธิบายว่า ไอพ่นอาจจะช่วยเร่งการสะสมมวลสารเข้าสู่หลุมดำโดยการเปลี่ยนพลังงานมวลที่สะสมเข้ามาบางส่วนให้กลายเป็นพลังงานจลน์ในไอพ่นแทนที่จะเป็นแรงดันการแผ่รังสี ซึ่งจะเป็นตัวจำกัดการสะสมมวลสาร เมื่อไอพ่นนำพลังงานจลน์จำนวนมากออกไปแต่มีมวลออกไปด้วยเพียงเล็กน้อย เควซาร์ที่มีไอพ่นก็น่าจะสะสมมวลสารได้มากกว่าเควซาร์ที่ไม่มีไอพ่นสัมพัทธภาพ
การสำรวจ RACS J0320-35 ต่อไปน่าจะช่วยยืนยันว่ามันมีการสะสมมวลแบบซุปเปอร์เอ็ดดิงตันจริงหรือไม่ ถ้ายืนยันอัตราการสะสมที่สูงกว่าขีดจำกัด แหล่งนี้ก็น่าจะเป็นห้องทดลองอันเป็นอัตลักษณ์ในการศึกษาการสะสมมวลระดับสูงในเอกภพยุคต้นและน่าจะช่วยตอบคำถามเกี่ยวกับการเจริญของหลุมดำในเอกภพยุคต้นได้
แหล่งข่าว phys.org : Chandra finds black hole that’s growing at 2.4 times the Eddington limit
sciencealert.com : scientists discover giant black hole growing 2.4x faster than theoretical limit
universetoday.com : this rapidly-growing black hole could explain the JWST’s puzzling findings
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
