ปริศนาไก่กับไข่ในอวกาศ: หลุมดำเกิดก่อนกาแลคซี
อะไรเกิดก่อนกัน หลุมดำหรือกาแลคซี ปริศนาไก่กับไข่ในอวกาศนี้เรายังไม่ทราบแน่ชัด แต่นักวิทยาศาสตร์คิดมานานแล้วว่าน่าจะเป็นกาแลคซีมาก่อน เมื่อดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ภายในกาแลคซีที่มีอยู่แล้ว เผาไหม้เชื้อเพลิงจนหมดและยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ ซึ่งก็อาจกลืนวัสดุสารที่อยู่รอบๆ และควบรวมกันเองเมื่อเวลาผ่านไปก่อตัวเป็นหลุมดำที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ
จุดแดงน้อย(Little Red Dots; LRDs) ถูกพบครั้งแรกในปี 2022 โดยกล้องเวบบ์และก็ทำให้นักดาราศาสตร์ตระหนักในทันทีว่าเป็นสิ่งที่ใหม่ หรืออาจเป็นกาแลคซีชนิดใหม่ที่ไม่เคยพบเห็นมาก่อน ปริศนาของวัตถุเหล่านี้ยิ่งลึกมากขึ้นเมื่อนักดาราศาสตร์พบว่า จุดแดงน้อยที่พบได้ทั่วในเอกภพอายุน้อย แต่ดูเหมือนจะหายไปที่ประมาณ 1.5 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง แต่การมีอยู่ของ LRDs ก็ยังไม่ใช่ปริศนาเพียงอย่างเดียวที่กล้องเวบบ์โยนมาให้
กล้องเวบบ์ยังได้พบหลุมดำมวลมหาศาล(supermassive black holes) จำนวนนับพันแห่งที่มีมวลหลายล้านจนถึงหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ก่อนที่เอกภพจะมีอายุถึง 1 พันล้านปี นี่เป็นปัญหาอย่างยิ่งเนื่องจากกระบวนการกลืนมวลสารและการควบรวมที่จะช่วยให้หลุมดำเจริญเติบโตจนมีสถานะมวลมหาศาลได้ คิดกันว่าต้องใช้เวลายาวนานกว่าหนึ่งพันล้านปี แต่ก็เป็นเรื่องยากที่จะบอกให้ได้ว่าหลุมดำเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วมากจากเมล็ดพันธุ์หลุมดำขนาดเล็กได้อย่างไร
Little Red Dots ที่กล้องเวบบ์ได้พบมากมายในเอกภพยุคต้น ภาพปก Xuanyu Han/Getty Images
ขณะนี้ นักวิจัยที่ใช้กล้องเวบบ์ได้ตรวจพบหลักฐานชัดเจนว่าหลุมดำมวลมหาศาลบางแห่งก็มีขนาดใหญ่โตมาตั้งแต่เริ่ม โดยก่อตัวขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องให้ดาวฤกษ์มวลสูงใช้ชีวิตหลายล้านปีก่อนที่จะยุบตัวให้กำเนิดหลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black hole) และไม่ได้มีกาแลคซีต้นสังกัดมวลสูงขึ้นเพื่อป้อนวัสดุสารจำนวนมหาศาลให้มันโตเร็ว นี่จึงหมายความว่าหลุมดำเหล่านั้นน่าจะก่อตัวขึ้นก่อนกาแลคซี
นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญ Roberto Maiolino จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ในสหราชอาณาจักร ผู้เขียนร่วมการศึกษาที่เผยแพร่ใน Nature และ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society กล่าว นี่เป็นตัวเปลี่ยนเกม ซึ่งทำให้ต้องกลับไปพลิกลำดับเหตุการณ์คลาสสิคว่าหลุมดำก่อตัวและเจริญเติบโตอย่างไรใหม่หมดเลย
ผลสรุปของทีมมาจากการสำรวจ Abell2744-QSO1 ในรายละเอียด มันเป็นจุดแดงน้อยตามแบบฉบับ ที่ปรากฏอยู่เพียง 7 ร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น แม้ว่า QSO1 จะมีความกว้างเพียง 1300 ปีแสง และแสงของมันก็ใช้เวลากว่า 1.3 หมื่นล้านปี แต่ก็ศึกษามันได้ง่ายกว่าจุดแดงน้อยอื่นๆ เกือบทั้งหมดเนื่องจากมันถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) โดยกระจุกกาแลคซี Abell 2744 หรือกระจุกพันโดรา(Pandora’s cluster) QSO1 ทั้งถูกขยายแสง(magnified) และทำภาพซ้ำ 3 ภาพในตำแหน่งที่ต่างกัน 3 แห่งบนท้องฟ้า
การศึกษา QSO1 ช่วงแรก เผยให้เห็นร่องรอยว่ามันอาจจะเป็นมากกว่าเมฆก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมที่เจิดจ้ารอบๆ หลุมดำมวลราว 40 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่ก็เช่นเดียวกับหลุมดำยุคต้นแห่งอื่นๆ ที่เวบบ์ได้พบมีความคลาดเคลื่อนว่ามันใหญ่ขนาดนั้นจริงๆ หรือ ก่อนปัจจุบัน การตรวจสอบมวลหลุมดำในเอกภพยุคต้นทั้งหมดเป็นแบบโดยอ้อมโดยมีพื้นฐานจากการสันนิษฐานจากสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับพวกมันจากเอกภพท้องถิ่น เราไม่รู้ว่าการสันนิษฐานแบบนี้ปรับใช้กับเอกภพยุคต้นได้หรือไม่ Francesco D’Eugenio ผู้เขียนร่วมจากเคมบริดจ์ เช่นกัน กล่าว
ภาพจาก NIRCam บนกล้องเวบบ์แสดงจุดแดงน้อย Abell2744-QSO1 ที่ถูกขยายแสงและทำภาพซ้ำสามภาพ(A, B และ C) โดยกระจุกกาแลคซี Abell 2744(Pandora’s Cluster)
ทีมตระหนักว่าถ้าหลุมดำ QSO1 มีขนาดใหญ่อย่างที่มองเห็นจริงๆ ก็ควรจะสามารถใช้ IFU(Integrated Field Unit) บนสเปคโตรกราฟอินฟราเรดใกล้(Near InfraRed Spectrograph) ของเวบบ์ เพื่อตามรอยผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมันที่มีต่อก๊าซที่กำลังหมุนวนไปรอบๆ และยังสามารถทำแผนที่การกระจายของธาตุชนิดต่างๆ ในก๊าซนี้ได้ด้วย
Ignas Juodzbalis นักศึกษาปริญญาโทจากเคมบริดจ์ และ Cosimo Marconcini จากมหาวิทยาลัยฟลอเรนซ์ ผู้เขียนนำรายงานฉบับหนึ่งได้ใช้ IFU เพื่อทำแผนที่การเคลื่อนที่ของไฮโดรเจนรอบหลุมดำ เมื่อพล๊อตความเร็วการโคจรตามระยะทางจากใจกลาง ก็พบว่าก๊าซมีการเคลื่อนที่แบบเคปเลอร์(Keplerian motion) คือ มันโคจรรอบจุดศูนย์กลางในทิศทางเดียวกันเหมือนกับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราโคจรรอบดวงอาทิตย์
นี่เป็นเรื่องสำคัญเนื่องจากมันบอกเราว่ามวลเกือบทั้งหมดของ QSO1 รวมอยู่ในหลุมดำที่ใจกลาง Juodzbalis กล่าว ถ้ามวลกระจายออกมากกว่านี้อย่างที่น่าจะเป็นถ้ามีดาวอยู่เป็นจำนวนมาก ก๊าซก็ไม่น่าจะมีการเคลื่อนที่แบบเคปเลอร์ที่สมบูรณ์แบบอย่างนี้ เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบเคปเลอร์ถูกกำกับโดยกฎของแรงโน้มถ่วง ทีมจึงสามารถใช้การตรวจสอบความเร็วก๊าซเพื่อคำนวณมวลหลุมดำได้โดยตรง ซึ่งเป็นเรื่องที่ไม่เคยเป็นไปได้มาก่อน
พวกเขาพบว่าไม่เพียงแต่หลุมดำจะมีขนาดใหญ่ขึ้น ราว 50 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่มันยังมีมวลขั้นต่ำถึงสองในสามของมวลรวม จุดแดงน้อย QSO1 แห่งนี้ อัตราส่วนนี้สูงกว่าอัตราส่วนมวลหลุมดำมวลมหาศาลในกาแลคซีใกล้ๆ เราหลายพันเท่า เมื่อมวลหลุมดำเป็นเพียงเสี้ยวน้อยๆ ในมวลรวมของกาแลคซีต้นสังกัด
ภาพรายละเอียดจาก NIRCam(ซ้าย) บนกล้องเวบบ์แสดงจุดแดงน้อย Abell2744-QSO1 แผนที่ความเร็วก๊าซใน QSO1(ขวา) ซึ่งสร้างโดยใช้ IFU NIRSpec แสดงการเคลื่อนที่ของก๊าซรอบใจกลางไปในทิศทางเดียวกัน ซึ่งเป็นหลักฐานว่ามีหลุมดำมวล 50 ล้านเท่าดวงอาทิตย์อยู่ที่ใจกลาง
มวลที่สูงเกินของ QSO1 เมื่อเทียบกับกาแลคซีต้นสังกัดของมัน ได้บอกว่ามันไม่สามารถค่อยๆ ก่อตัวขึ้นจากหลุมดำมวลดวงดาวขนาดเล็กมาควบรวมกัน ดูเหมือนว่าเราได้พบหลุมดำแห่งหนึ่งที่ไม่ได้มีต้นสังกัดที่แน่ชัด และไม่เกี่ยวกับกระบวนการก่อตัวจากซุปเปอร์โนวา Juodzbalis กล่าว
กลับกลายเป็นว่ามันไม่มีกาแลคซีต้นสังกัด หรือถ้ามีอยู่ ก็มีดาวเพียงไม่กี่ดวงซึ่งกำลังโคจรในระยะประชิดกับหลุมดำอย่างสุดขั้ว นี่เป็นหลุมดำที่เปลือยมากๆ และความเร็วก็เป็นไปตามที่คาดไว้เหมือนกับในระบบสุริยะเมื่อดาวเคราะห์ที่โคจรไกลกว่าจะเคลื่อนที่ช้ากว่า
แผนที่องค์ประกอบ IFU สนับสนุนผลสรุปเหล่านี้ โดยแสดงว่าก๊าซทั่ว QSO1 นั้นเป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบล้วนๆ โดยมีธาตุหนักกว่าเช่น ออกซิเจน เล็กน้อยมากๆ ซึ่งคาดไว้สำหรับกาแลคซีที่อุดมด้วยดาวและซากดาว ด้วยความเป็นโลหะ(metallicity; อัตราส่วนธาตุที่หนัก ต่อ ไฮโดรเจน) ไม่ถึง 0.5% ของที่มีในดวงอาทิตย์ QSO1 จึงเป็นสภาพแวดล้อมแบบกาแลคซีในสภาพที่ดั้งเดิมที่สุดเท่าที่เคยตรวจสอบมา ลำดับเหตุการณ์การสร้างหลุมดำจากซุปเปอร์โนวาใช้การไม่ได้เมื่อไม่มีการเติมธาตุหนักเหล่านี้และไม่ได้มีดาวอยู่มากพอ
นี่เป็นผลสรุปครั้งบุกเบิก Maiolino กล่าว นี่เป็นการตรวจสอบมวลหลุมดำในช่วงหนึ่งพันล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบงได้โดยตรงเป็นครั้งแรก และมันก็สอดคล้องกับการตรวจสอบก่อนหน้านั้น ทีมคิดว่านี่เป็นสัญญาณที่ดีว่าข้อสันนิษฐานที่ใช้ในการตรวจสอบมวลโดยอ้อมนั้นใช้ได้ และมวลของหลุมดำอื่นๆ ในเอกภพยุคต้นก็ไม่ได้ประเมินสูงเกินความจริงไป
นี่เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นอย่างมากเนื่องจากมันอาจเป็นหลักฐานสำหรับหลุมดำดึกดำบรรพ์(primordial black holes) หรือหลุมดำที่ยุบตัวลงโดยตรง(direct collapse black holes) ซึ่งเป็นทฤษฎีแต่ยังไม่ได้รับการยืนยัน
ไม่ว่าหลุมดำของ QSO1 พัฒนาจากเมล็ดพันธุ์หนักที่ก่อตัวขึ้นภายในช่วงวินาทีแรกๆ ของบิ๊กแบงหรือก่อตัวขึ้นหลังจากนั้นจากการยุบตัวของเมฆก๊าซก้อนยักษ์โดยตรง ก็แทบจะแน่นอนแล้วที่มันเกิดมาก็ใหญ่โตเลย และอาจจะเป็นสถานะต้นๆ ของการสร้างกาแลคซีขึ้นรอบๆ มัน ทีมคิดว่า LRDs อย่าง QSO1 คงไม่ได้หาได้ยากในเอกภพยุคต้น และกำลังอยู่ในกระบวนการเพื่อวิเคราะห์วัตถุคล้ายๆ กันเพื่อค้นหาว่าหลุมดำมวลมหาศาลเกิดมาก่อนกาแลคซีต้นสังกัดจริงๆ
แหล่งข่าว nasa.science : NASA’s Webb reveals black hole that formed before its galaxy
space.com : James Webb Space Telescope discovers a black hole that formed before its host galaxy, scientists aren’t sure how
iflscience.com : unique measurement of mysterious “Little Red Dot” gives best hint yet at origin of supermassive black holes
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
