เมล็ดพันธุ์หลุมดำ ปริศนาการเกิดหลุมดำมวลยิ่งยวดหลังจากเหตุการณ์บิ๊กแบง ยังเป็นคงเป็นประเด็นที่ยังไม่มีใครให้ความกระจ่างได้ แต่หลังจากการค้นพบ เมล็ดพันธุ์หลุมดำ (Black hole seed) อาจนำไปสู่การไขปริศนาบางอย่างได้
โดยสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า เมล็ดพันธุ์ อาจช่วยอธิบายว่า หลุมดำมวลยิ่งยวด ซึ่งมีมวลมากกว่าหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ สามารถขยายขนาดและดำรงอยู่ เป็นเวลากว่าหนึ่งพันล้านปี ผ่านเหตุการณ์สำคัญต่างๆ ในเอกภาพ ได้อย่างไร
นักดาราศาสตร์คาดว่า เมล็ดพันธุ์หลุมดำอาจเป็นหลุมดำที่มีมวลประมาณ 40 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะ โดยเชื่อกันว่า หลุมดำลักษณะนี้เกิดจากการยุบตัวของกลุ่มเมฆแก๊ซขนาดใหญ่ ซึ่งแตกต่างจากหลุมดำทั่วไปที่เกิดจากดวงดาวที่สิ้นอายุไขและพลังทลายลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของดวงดาวเอง โดยสันนิษฐานว่า หลุมดำลักษณะนี้อยู่ในกาแลกซีที่ห่างออกไปไกลมา เรียกว่า กาแลกซีหลุมดำขนาดใหญ่ผิดผกติ (Outsize Black Hole Galaxies, OBGs)
กาแลกซี OBGs เป็นกาแลกซีที่อยู่ห่างไกลจากเรามาก ที่สังเกตได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ บางกาแลกซีมีอายุมากกว่าพันล้านปี ในขณะที่บางแห่งมีอายุประมาณ 400 ล้านปี และตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์อาจค้นพบหนึ่งในกาแลกซี OBGs
อาโกส บ็อกดาน ผู้นำทีมนักวิจัย ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาณวาร์ดและสมิทโซเนียน ได้ตรวจพบวัตถุที่มีลักษณะของหลุมดำ ในขณะที่สำรวจควาซาร์ (quasar) โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST) และกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์จันทรา (CXO) ควาซาร์เปรียบเสมือนหัวใจของกาแลกซี ที่ส่องสว่างและมีแรงกระตุ้น ซึ่งเกิดจากพลังของหลุมดำมวลยิ่งยวด ในความเป็นจริงแล้ว ความสว่างของควาซาร์คือการดึงดูดแสงของดาวฤกษ์ทุกดวงที่อยู่ในกาแลกซีนั้น
โดยกาแลกซีที่ทีมของบ็อกดานกำลังสำรวจอยู่มีชื่อว่า UHZ1 และจากผลการสำรวจโดย JWST และ CXO ก็สอดคล้องกับผลที่พวกเขาคาดหวังจะได้พบใน OBGs โดยพวกเขาพบการปลดปล่อยรังสีเอ็กซ์ที่อาจเป็นสาเหตุให้เกิดการป้อน หรือ “สะสม” ของหลุมดำที่เชื่อมโยงกับเควซาร์ ซึ่งช่วยให้ระบุกาแลกซีโดยรอบว่าเป็น OBGs ได้
นอกจากนี้ ทีมนักวิจัยยังได้เปรียบเทียบผลจากการสำรวจ กับแบบจำลองแสดงการขยายขนาดอย่างรวดเร็วของหลุมดำมวลยิ่งยวด โดยทั้งผลการสำรวจจริง และแบบจำลอง แสดงผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันคือ เมล็ดพันธุ์หลุมดำนี้สามารถขยายขนาดได้ถึง 10,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ภายในช่วงระยะเวลาหลายร้อยล้านปี
“อ้างอิงจากการเปรียบเทียบสิ่งที่เราสำรวจพบ และผลจากแบบจำลอง เกี่ยวกับคุณสมบัติของ UHZ1 เราขอเสนอว่า UHZ1 อาจเป็นกาแลกซีชนิด OBGs ที่เราสำรวจพบได้เป็นครั้งแรก” ทีมนักวิจัยเขียนในรายงานของพวกเขา และเสริมว่า “ดังนั้น ด้วยลักษณะของ OBGs นี่จึงเป็นหลักฐานของเมล็ดพันธุ์หลุมดำ ที่สามารถเกิดเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดในเวลาอันสั้นได้ จากการยุบตัวของมวลสารในช่วงแรกเริ่มจักรวาล”
โดยทฤษฎีที่นักดาราศาสตร์กล่าวโดยทั่วไป หลุมดำมวลยิ่งยวดที่สำรวจพบในปัจจุบัน เพิ่มขนาดขึ้นจากการสะสมมวลผ่านระยะเวลามาอย่างยาวนานหลายพันปี โดยอาจเป็นมวลของกลุ่มก๊าซปริมาณมหาศาล หรืออาจเกิดการรวมตัวกันของหลุมดำ 2 แห่ง จนมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะของเรา
การค้นพบครั้งนี้จึงเป็นเรื่องยากที่นักดาราศาสตร์ และนักฟิสิกส์ จะอธิบายว่า หลุมดำในยุคแรกเริ่มมีมวลมากกว่าพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ภายในระยะเวลาไม่ 500 ปี ได้อย่างไร
ที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งได้ร่วมกันตั้งสมมติฐานว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดในยุคแรกได้สะสมมวลได้อย่างรวดเร็วเนื่องจากมีต้นกำเนิดจากเมล็ดพันธุ์หลุมดำ หรือหลุมดำที่สะสมมวลเอาไว้ก่อนหน้าแล้ว โดยหลุมดำที่เป็นเมล็ดพันธุ์เหล่านี้เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ในยุกแรกของจักรวาล
ในขณะเดียวกันก็อีกหนึ่งสมมติฐาน เสนอว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดในยุคแรกเริ่มเกิดจากเมล็ดพันธุ์ที่มีมวลมากเป็นพิเศษ โดยมีมวลเริ่มต้นอย่างน้อยหนึ่งแสนเท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากการยุบตัวของกลุ่มฝุ่นและก๊าซในอวกาศยุคเริ่มต้น
อย่างไรก็ตาม สมมติฐานในอีกแนวทางหนึ่งเชื่อว่า เมล็ดพันธุ์ของหลุมดำยักษ์จะต้องหนักอึ้งเป็นพิเศษ โดยจะต้องมีมวลเริ่มต้นอย่างน้อย 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่เป็นทุนเดิม ซึ่งหลุมดำที่เป็นเมล็ดพันธุ์ชนิดหนักอึ้งเหล่านี้ เกิดจากการยุบตัวโดยตรงของกลุ่มฝุ่นและก๊าซในห้วงอวกาศยุคบรรพกาล (Direct Collapse Black Holes – DCBH)
จากการค้นพบกาแลกซี UHZ1 หากพิจารณาจากสมมติฐานที่กล่าวมา สมมติฐานที่พอจะสอดคล้องสำหรับการเกิดการแลกซีชนิด OBG อาจเป็นแนวคิดเรื่องเมล็ดพันธุ์หลุมดำที่มีมวลมาก ดังนั้น การค้นพบครั้งนี้จึงเป็นหลักฐานที่ช่วยสนับสนุนสมมติฐานข้อนี้
สืบค้นและเรียบเรียง ณภัทรดนัย
ภาพประกอบ Gerd Altmann
ข้อมูลอ้างอิง
https://arxiv.org/pdf/2308.02654.pdf
https://www.space.com/astronomers-find-first-evidence-of-heavy-black-hole-seeds-early-universe