หลุมดำมวลมหาศาลสามแห่งในกาแลคซีไกลโพ้น
ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติที่นำโดยสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อฟิสิกส์นอกโลก ได้จำแนกหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังสะสมมวลสารอย่างขมีขมันในกาแลคซีแห่งหนึ่ง
หลุมดำเหล่านี้มีวัสดุสารตกจากดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ที่ล้อมรอบพวกมัน กาแลคซี J0148-4214 อยู่ไกลออกมากว่า 12.5 พันล้านปีแสง ที่ระยะทางนี้ ก็เห็นผลจากการขยายตัวของอวกาศได้ กาแลคซีจึงดูเหมือนกำลังเคลื่อนที่ห่างออกไป เป็นสาเหตุให้แสงจากกาแลคซี เลื่อนไปสู่ความยาวคลื่นที่มากขึ้นมีสีแดงมากขึ้นเกิดสิ่งที่เรียกว่า เรดชิพท์(redshift)
ด้วยการใช้ค่าเรดชิพท์ก็คำนวณระยะทางที่ห่างไกลมาก เรดชิพท์ z 5.02 เราจึงได้เห็นกาแลคซีแห่งนี้อย่างที่มันเป็นเพียง 1.2 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น
ภาพปก ภาพจาก AI แสดงกาแลคซีที่ห่างไกลแห่งหนึ่ง มีหลุมดำทีีเปี่ยมด้วยกิจกรรม 3 แห่งล้อมรอบด้วยดิสก์สะสมมวลสารสว่าง ในภาพที่พื้นหลังมีกาแลคซีห่างไกลแห่งอื่นๆ ปรากฏอยู่ด้วย
นี่เป็นหลักฐานชิ้นแรกของหลุมดำเปี่ยมกิจกรรม 3 แห่งในกาแลคซีเดียวในเอกภพที่ห่างไกล Hannah Übler ผู้นำทีมวิจัยที่ MPE และผู้เขียนนำการศึกษานี้ กล่าว สองในสามนั้นอยู่ในใจกลางกาแลคซี และมีระยะห่างกันเพียง 620 ปีแสงเท่านั้น ส่วนหลุมดำแห่งที่สามที่มีมวลสูงอยู่ในพื้นที่ส่วนนอกออกมา ที่ระยะทางราว 5500 ปีแสงจากใจกลาง
นี่บอกว่ากระบวนการในเอกภพยุคต้นนั้นมีประสิทธิภาพอย่างมากในการนำหลุมดำขนาดใหญ่มาไว้ด้วยกัน ริเริ่มขั้นตอนการควบรวมของหลุมดำมวลสูงที่เราคาดว่าจะตรวจจับได้ด้วยหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงในอนาคต Übler กล่าว นั้นเป็นเพราะทฤษฎีวิวัฒนาการกาแลคซีซึ่งการสำรวจนี้ใช้อ้างอิง ได้บอกว่า ในความเป็นมาช่วงต้นของเอกภพ กาแลคซีเข้ามาอยู่ใกล้กันและกันอย่างมากและควบรวมกัน ในกระบวนการนี้ หลุมดำที่ใจกลางก็ควบรวมด้วยและให้กำเนิดหลุมดำที่มีมวลสูงขึ้นไปอีกในใจกลางกาแลคซีที่ควบรวมได้ออกมา
แม้จะใช้กล้องเวบบ์เพื่อทำการค้นพบนี้ แต่เวบบ์ก็ไม่ได้มองเห็นหลุมดำได้โดยตรง แต่ใช้ การตรวจสอบสเปคตรัมในพื้นที่ร่วม(integrated field spectroscopy unit; IFU) บนสเปคโตรมิเตอร์อินฟราเรดใกล้(NIRSpec) ของเวบบ์ ตรวจสอบอะตอมไฮโดรเจน IFU เผยให้เห็นการเปล่งคลื่นไฮโดรเจนอัลฟาที่มีเส้นกว้าง การเปล่งที่กว้างเกิดขึ้นจากก๊าซที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงใกล้หลุมดำที่กำลังสะสมมวลสาร
ในพื้นที่ใจกลาง สเปคตรัมได้แสดงถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนโดยแทนที่จะมีการเปล่งคลื่นจากแหล่งเดี่ยว แต่มันกลับมีองค์ประกอบเส้นกว้าง(broad-line regions) 2 แห่ง และยังมีเส้นเปล่งคลื่นจาก OIII ที่แคบ ซึ่งอธิบายได้ดีที่สุดว่ามีหลุมดำสองแห่งอยู่ใกล้กันอย่างมาก
เวบบ์สำรวจ J0148-4214 เผยให้เห็นนิวเคลียสกาแลคซีกัมมันต์(active galactic nuclei; AGN) 3 แห่ง ภาพจาก NIRCam และแผนที่ ionized hydrogen; Hα ตำแหน่งของหลุมดำทั้งสามระบุโดยวงกลมสีดำ หลุมดำที่มีมวลสูงที่สุดและต่ำที่สุดอยู่ในใจกลางกาแลคซี แห่งที่สามอยู่ที่ชายขอบกาแลคซี สเปคตรัมแสดงองค์ประกอบ Hα กว้างซึ่งบอกว่าก๊าซที่กำลังเคลื่อนที่หลายพันกิโลเมตรต่อวินาที ให้หลักฐานหลุมดำที่กลืนมวลสารอย่างตะกละ 3 แห่ง
เพื่อแยกแยะทั้งสองแหล่งออกจากกัน ทีมปรับใช้การตรวจสอบตำแหน่งด้วย
สเปคตรัม(spectro-astrometry) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ตรวจสอบการขยับน้อยนิดในตำแหน่งเส้นการเปล่งคลื่นข้ามช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน แผนที่ที่ได้แสดงการกระจายพื้นที่สำหรับเส้นกว้างทั้งสองนี่ทำให้ตรวจสอบตำแหน่งของหลุมดำได้ ส่วนแหล่งไฮโดรเจนเส้นกว้างแห่งที่สามถูกพบที่พื้นที่ส่วนนอกทางตะวันตกเฉียงเหนือ
การวิเคราะห์ให้ค่ามวลหลุมดำที่ 80 ล้าน, 0.6 ล้าน และ 2 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ ตามลำดับ คู่ในใจกลางเป็นหลุมดำที่หนักที่สุดกำลังสะสมมวลด้วยอัตราที่ต่ำกว่าหลุมดำใกล้เคียงมวล 0.6 ล้านเท่า ซึ่งกำลังกลืนกินวัสดุสารอย่างกระตือรือร้น และอาจจะเกินอัตราการสะสมมวลสารขั้นสูงสุดที่ทำนายโดยทฤษฎีพื้นฐานว่าด้วยการเจริญเติบโตของหลุมดำ ที่เรียกว่า ขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน(Eddington limit)
ซึ่งถ้าอัตราสูงเกิน ดิสก์สะสมมวลสารรอบหลุมดำก็จะหนาแน่นและร้อนจัดจนการเปล่งรังสีจากดิสก์เป่าวัสดุสารหายออกไป ชะลอความตะกละของหลุมดำไว้ นี่หมายความว่าหลุมดำเล็กในคู่จะสามารถเจริญด้วยอัตราเกินขีดจำกัดได้เป็นช่วงสั้นๆ ก่อนที่กลไกย้อนกลับจะมาชะลอไว้
ข้อมูลจากกล้องเวบบ์ช่วยให้เราไม่เพียงแต่จำแนกหลุมดำทั้งสามได้ แต่ยังประเมินมวล, อัตราการสะสมมวลสาร และมวลดวงดาว(stellar mass) ของกาแลคซีนี้ ดร Giovanni Mazzolari ผู้เขียนคนที่สองในการศึกษา และนักวิจัยที่ MPE กล่าว เราพบมวลดวงดาวรวมอยู่ที่ 1.3 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ และมวลหลุมดำก็กินสัดส่วนพอประมาณในนั้นด้วย หลุมดำหลักยังดูจะมีมวลสูงเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับมวลดาวในกาแลคซี เมื่อเทียบกับความสัมพันธ์เดียวกันในกาแลคซียุคหลัง
สัดส่วนมวลหลุมดำเทียบกับมวลดาวในกาแลคซีต้นสังกัด
คู่หลุมดำในใจกลางคาดว่าจะขยับเข้าใกล้กันผ่านปฏิสัมพันธ์กับดาว, ก๊าซและสสารมืดที่อยู่แวดล้อม และน่าจะควบรวมกันในอีกไม่เกิน 7 ร้อยล้านปีข้างหน้า Roberto Maiolino ศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ และผู้เขียนร่วมการศึกษานี้ กล่าวเสริมว่า ผลสรุปเหล่านี้น่าตื่นเต้นอย่างยิ่ง มันได้บอกว่าการควบรวมของหลุมดำอาจเป็นอีกหนทางด่วนในการเจริญแบบพรวดพราดในเอกภพยุคต้น
หลุมดำแห่งที่สามที่อยู่นอกใจกลางด้วยมวล 2 ล้านเท่า ถ้าสันนิษฐานว่ามันก็กำลังอยู่ในกระบวนการขยับเข้ามา ก็น่าจะนำไปสู่การควบรวมครั้งที่สอง ผู้เขียนเขียนไว้ แต่อีกคำอธิบายบอกว่า มันก็อาจเป็นซากจากการควบรวมก่อนหน้านั้น ซึ่งหลุดจากตำแหน่งใจกลางออกมาโดยแรงถีบโน้มถ่วง(recoil) หรืออาจจะเพิ่งอพยพเข้ามาเมื่อไม่นานนี้ก็ได้
นี่เป็นปัญหาไตรวัตถุ(three body problem) แบบคลาสสิคเลย แล้ววัตถุทั้งสามมาโคจรรอบกันและกันและมีปฏิสัมพันธ์ได้อย่างไร หลุมดำที่มีขนาดเล็กน่าจะเข้าสู่กาแลคซีโดยเป็นระบบคู่(binary) ถูกดึงไปเข้าใกล้หลุมดำมวล 80 ล้านเท่ามากขึ้น จากนั้นหลุมดำยักษ์ก็ดึงหลุมดำมวล 6 แสนเท่าไว้ ในขณะที่แลกเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมกับหลุมดำ 2 ล้านเท่าเพื่อเหวี่ยงมันออกไปด้วยความเร็วสูง
เราเองก็ได้เห็นผลคล้ายๆ กันในทางช้างเผือก กับดาวความเร็วสูงมาก(hypervelocity star) ซึ่งกำลังวิ่งหนีออกจากทาวช้างเผือก ดาวตัวจี๊ดเหล่านี้เคยเป็นส่วนหนึ่งในระบบดาวคู่ที่เข้าใกล้กับหลุมดำในใจกลางทางช้างเผือก Sagittarius A* มากเกินไป ครึ่งของคู่จึงถูกหลุมดำจับไว้ ในขณะที่ครึ่งที่เหลือก็ถูกเหวี่ยงออกมา
แต่ในขณะนี้ ยังไม่มีทางใดที่จะสามารถตรวจสอบทิศทางการเคลื่อนที่ของหลุมดำแห่งที่สามใน J0148-4214 หรือยืนยันว่ามันจะควบรวมกับอีกสองแห่งที่ใจกลาง หรือจะหนีจากไป แต่ถ้ามันหนีจริง มันก็น่าจะเพ่นพล่านโดยลำพัง
J0148-4214 ได้แสดงว่าการตรวจสอบสเปคตรัมในพื้นที่ร่วม ช่วยให้พบหลุมดำได้อย่างไร ในขณะที่สเปคตรัมแบบพื้นที่ร่วมปกติอาจจะผสมรวมกันไปหมด ถ้าไม่มีความละเอียดจาก NIRSpec นักวิจัยประเมินว่าก็น่าจะพบหลุมดำได้เพียงหนึ่งจากสามแห่งเท่านั้น นี่ยังส่งผลต่อการสำรวจเมื่ออาจมีกาแลคซีอื่นที่มีลักษณะสเปคตรัมไฮโดรเจนที่กว้างและซับซ้อน ก็อาจจะมีหลุมดำกิจกรรมสูงหลายแห่งรอคอยการค้นพบอีก การค้นพบนี้เผยแพร่ใน Astronomy & Astrophysics
แหล่งข่าว mpe.de : three supermassive black holes discovered in a single galaxy for the first time
space.com : scientists find 3 supermassive black holes on the verge of collision inside a distant galaxy
thebrighterside.news : JWST finds three feeding black holes packed into one early galaxy
universetoday.com – another first for the JWST: it detects three supermassive black holes in the same galaxy
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2026 Blockdit
