เอกภพยุคต้นที่ยอมให้หลุมดำละเมิดกฏการเติบโต
ที่ใจกลางทางช้างเผือกห่างจากโลกออกไปเพียง 26000 ปีแสงเป็นที่อยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งซึ่งมีมวลราว 4 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ นอกจากนี้ กาแลคซีเกือบทุกแห่งเองก็มีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ และหลายๆ แห่งก็มวลสูงกว่าหลุมดำของเรา เช่น หลุมดำในกาแลคซีทรงรียักษ์ M87 มีมวลถึง 6.5 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่หลุมดำที่มีขนาดใหญ่ที่สุดก็ใหญ่ได้ถึง 4 หมื่นล้านเท่าดวงอาทิตย์ เรารู้ว่าในอวกาศมีปีศาจตัวมหึมาเหล่านี้อยู่ แต่พวกมันก่อตัวขึ้นได้อย่างไร
แนวคิดหนึ่งก็คือ หลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black hole) สั่งสมตัวเองผ่านการควบรวม เนื่องจากสสารมืดและพลังงานมืด กาแลคซีจึงก่อตัวในกระจุกที่มีช่องว่าง(voids) แยกไว้ เมื่อเวลาผ่านไป ช่องว่างจะใหญ่ขึ้นในขณะที่กระจุกกาแลคซีจะพุ่งเข้าหากันและสุดท้ายก็ควบรวมกัน หลุมดำภายในกาแลคซีเหล่านั้นก็จะควบรวมกันด้วยเพื่อสร้างวัตถุที่มีมวลสูงมากอย่างที่เราเห็นในทุกวันนี้
แน่นอนว่าสิ่งเหล่านี้ต้องใช้เวลา แต่ถ้าแบบจำลองนี้ถูกต้อง กาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดก็ควรจะมีหลุมดำที่มีขนาดเล็กเพียงหลักล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์เท่านั้น และเราก็น่าจะได้เห็นหลุมดำระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ในเอกภพใกล้ๆ เท่านั้น
แต่การสำรวจจากกล้องเวบบ์ได้พบว่าหลุมดำมวลมหาศาลในกาแลคซีที่ห่างไกลที่สุดบางส่วนก็มีขนาดใหญ่โตมาก มีหลุมดำระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์เรียบร้อยแล้วตั้งแต่เมื่อเอกภพมีอายุเพียง 500 ล้านปีเท่านั้น ยักษ์อายุน้อยเหล่านี้มีมวลสูงเกินกว่าจะอธิบายได้ด้วยการควบรวม และมันก็ท้าทายคำอธิบายเดิมที่มีให้
ภาพจากศิลปินแสดงหลุมดำมวลมหาศาลแห่งหนึ่งซึ่งล้อมรอบด้วยดิสก์มวลสารที่ตกลงสู่หลุมดำ และไอพ่นที่ประกอบด้วยอนุภาคที่เคลื่อนหนีออกจากหลุมดำด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง หลุมดำนี้เป็นภาพแทนของเควซาร์ที่เพิ่งพบใหม่ซึ่งได้รับพลังจากหลุมดำ การสำรวจจากจันทราบ่งชี้ว่าหลุมดำกำลังเจริญด้วยอัตราที่เกินจากขีดจำกัดปกติของหลุมดำ ภาพปก ภาพอธิบายหลุมดำแห่งหนึ่งที่กำลังเจริญด้วยอัตราที่สูงมาก(ซุปเปอร์เอ็ดดิงตัน)
ทำไมจึงเป็นอย่างนั้น ในเมื่อเอกภพในยุคต้นนั้นมีความหนาแน่นสูงอย่างไม่น่าเชื่อ โดยมีสสารจำนวนมากรอบๆ หลุมดำให้กลืนกิน แล้วทำไมถึงไม่อ้วนท้วนเร็วล่ะ เหตุผลเป็นเพราะสิ่งที่เรียกว่า ขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน(Eddington limit) เมื่อสสารถูกดึงเข้าหาหลุมดำ มันจะกลายเป็นพลาสมาความดันสูงและร้อนยิ่งยวด ซึ่งจะผลักวัสดุสารที่ไกลกว่าออกจากหลุมดำ ทำให้อัตราการเจริญเติบโตชะลอลง
ขีดจำกัดเอ็ดดิงตันเป็นอัตราสูงสุดที่หลุมดำจะสามารถเจริญเติบโตได้ อัตรานี้ไม่ได้สูงพอที่จะอธิบายกับหลุมดำยักษ์ทุกแห่งที่เราได้พบในเอกภพยุคต้น แต่เอกภพยุคแรกสุดก็แตกต่างจากเอกภพในปัจจุบันอย่างมาก แล้วถ้าขีดจำกัดเอ็ดดิงตันไม่เกิดขึ้นล่ะ นี่เป็นคำถามที่หาคำตอบในรายงานล่าสุดบน arXiv
ผู้เขียนได้สร้างแบบจำลองอุทกพลศาสตร์เพื่อพิจารณาการก่อตัวของหลุมดำในยุคมืดของเอกภพ(cosmic dark age) ซึ่งเป็นช่วงเวลาหลังจากอิเลคตรอนและนิวเคลียสเย็นตัวลงจนก่อตัวอะตอมที่เป็นกลางได้ ก่อนที่ดาวดวงแรกๆ จะก่อตัวขึ้นและทำให้เอกภพสว่างไสว ทำให้เอกภพแตกตัวเป็นไอออนอีกครั้ง(reionized) เราทราบว่าช่วงเวลานี้เป็นช่วงที่กาแลคซีเริ่มก่อตัวขึ้น ดังนั้นก็สมเหตุสมผลที่จะสันนิษฐานว่าหลุมดำมวลมหาศาลเองก็ก่อตัวขึ้นในช่วงเวลานี้ด้วย
กราฟแบบจำลองหลุมดำที่แสดงว่าการเจริญแบบซุปเปอร์เอ็ดดิงตันไม่ส่งผลให้เพิ่มมวลในระยะยาว
จากแบบจำลองเสมือนจริง ผู้เขียนได้พบว่าเป็นช่วงเวลาที่เกิดซุปเปอร์เอ็ดดิงตัน(super-Eddington) มีพื้นที่ที่หนาทึบมากพอที่วัสดุสารที่ร้อนยิ่งยวดใกล้กับหลุมดำ จะไม่สามารถเป่าพื้นที่รอบๆ ได้ นี่ช่วยให้หลุมดำยุคต้นเจริญด้วยอัตราที่สูงกว่าที่เป็นไปในปัจจุบัน แต่ก็จนถึงราว 1 หมื่นเท่ามวลดวงอาทิตย์เท่านั้น จากแบบจำลอง หลังจากกลไกเอ็ดดิงตันย้อนกลับ(Eddington feedback) เริ่มต้นขึ้นและอัตราการเจริญก็ถูกจำกัดอีกครั้ง ทีมยังพบว่าการเจริญแบบซุปเปอร์เอ็ดดิงตันไม่ได้ช่วยอะไรมากนักในระยะยาว
แต่สุดท้าย แม้แต่หลุมดำที่มักเจริญด้วยอัตราที่ต่ำกว่าขีดจำกัดเอ็ดดิงตันก็ยังมีมวลสูงใกล้เคียงกันได้ ไม่ต่างจากตรรกะที่ Usain Bolt อาจเป็นมนุษย์ที่วิ่งเร็วที่สุดบนโลก แต่ Eliud Kipchoge ก็วิ่งแซงได้ในการแข่งขันระยะไกลกว่า
การศึกษานี้จึงเน้นว่าการเจริญแบบซุปเปอร์เอ็ดดิงตันไม่สามารถอธิบายหลุมดำระดับพันล้านเท่าที่เราพบในเอกภพยุคต้นได้ทั้งหมด การควบรวมของกาแลคซีบางส่วนก็ไปไม่ถึงมวลระดับนั้น แต่งานนี้ก็ชี้ไปที่คำตอบอีกข้อ มวลของหลุมดำเมล็ดพันธุ์ที่ก่อตัวขึ้นในช่วงแรกๆ สุด บางทีอาจจะเกิดได้ตั้งแต่ช่วงที่เอกภพเกิดการพองตัวอย่างรุนแรง(inflationary period) ทันทีหลังจากบิ๊กแบง
แหล่งข่าว phys.org : simulations suggest the early universe helped black holes grow big, but not in the long run
sciencealert.com : the early universe let black holes break the rules, briefly
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
