"หลุมดำหมุน" หลักฐานชิ้นใหม่เกี่ยวกับปรากฏการณ์ของหลุมดำ

ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้ร่วมกันค้นพบการส่ายของเจ็ตรอบหลุมดำใจกลางกาแล็กซี M87 โดยพบว่าเจ็ตเปลี่ยนทิศทางประมาณ 10 องศา เป็นวัฏจักรที่มีคาบ 11 ปี นับเป็นหลักฐานแรกที่บ่งชี้ และยืนยันสมมุติฐานว่า หลุมดำหมุน ได้

หลุมดำที่พบอยู่ในกาแล็กซี M87 เป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดมวลมากกว่า 6.5 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ อยู่ห่างจากโลกประมาณ 55 ล้านปีแสง

หลุมดำ M87 ยังเป็นเป้าหมายการศึกษาของนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากทั่วโลก จนกระทั่งเมื่อวันที่ 27 กันยายน 2023 ทีมนักดาราศาสตร์จากนานาชาติ รวมถึงนักดาราศาสตร์ไทยจากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ สดร. ได้รายงานว่า พวกเขาพบ หลุมดำหมุน ในกาแล็กซี M87

หลุมดำหมุน, หลุมดำ, หลุมดำมวลยิ่งยวด, หลุมดำ M87, กาแล็กซี M87 — ภาพของหลุมดำในกาแล็กซี M87 / ภาพถ่าย Event Horizon Telescope collaboration และ NASA

บริเวณใจกลางของกาแล็กซี M87 หลุมดำมวลยิ่งยวดได้ดึงดูดมวลจำนวนมากที่อยู่โดยรอบ มวลบางส่วนที่หลุดออกมาจะกระเด็นออกไปทางขั้วของหลุมดำ เป็นปรากฏการณ์ที่นักดาราศาสตร์ เรียกว่า “เจ็ต” ซึ่งมีลักษณะเป็นลำแก๊ส เกิดขึ้นจากพลาสมาที่พุ่งออกมาเป็นระยะทางหลายร้อยหลายพันปีแสงด้วยความเร็วใกล้เคียงกับการเคลื่อนที่ของแสง

ก่อนหน้านี้ นักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์ทั่วโลกที่สนใจศึกษาเรื่องของหลุมดำ ได้พยายามศึกษากลไกการถ่ายเทพลังงานระหว่างหลุมดำมวลยิ่งยวด จานพอกพูนมวล และเจ็ต มาอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม การค้นพบคาบการหมุนของหลุมดำมวลยิ่งยวด ซึ่งเพิ่งค้นพบในครั้งนี้ ยังไม่เคยได้รับการสังเกตโดยตรงมาก่อน

จนกระทั่งการศึกษาครั้งนี้ ทีมนักดาราศาสตร์ได้ศึกษาหลุมดำในกาแล็กซี M87 โดยใช้ข้อมูลสังเกตการณ์รวมทั้งสิ้นกว่า 170 ข้อมูล จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ต่าง ๆ ได้แก่ East Asian VLBI Network (EAVN), Very Long Baseline Array (VLBA), เครือข่ายร่วมระหว่าง KaVA (Korean VLBI Network (KVN) และ VLBI Exploration of Radio Astrometry (VERA)) และเครือข่าย East Asia to Italy Nearly Global (EATING) ทำให้การค้นพบนี้เกิดจากการร่วมมือกันสังเกตการณ์ผ่านกล้องโทรทรรศน์กว่า 20 กล้องทั่วโลก

การส่ายของเจ็ตสำคัญอย่างไรต่อการค้นพบครั้งนี้

จากการศึกษาเกี่ยวกับหลุมดำในตลอดระยะเวลาตั้งแต่มนุษย์สำรวจพบหลุมดำครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า ไม่มีแรงชนิดใดจะสามารถเปลี่ยนทิศทางจานพอกพูนมวล และเจ็ตในอัตราที่มนุษย์สามารถสังเกตได้

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ก็เคยเสนอสมมติฐานที่มีใจความว่า หาก “หลุมดำหมุน” สามารถลากปริภูมิเวลารอบ ๆ ให้บิดเบี้ยวไปตามการหมุนได้ โดยมีชื่อเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Frame-dragging” ที่เป็นส่วนหนึ่งในทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์

ดังนั้น หากปริภูมิเวลาที่เป็นที่ตั้งของจานพอกพูนมวลสามารถบิดหมุนได้ ก็จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนทิศทางของจานพอกพูนมวลและเจ็ตได้ และจากการศึกษาโดยละเอียดในครั้งนี้ ร่วมกับการศึกษาแบบจำลองที่สร้างขึ้นจากซูเปอร์คอมพิวเตอร์ พบว่า แกนการหนุนของหลุมดำเลื่อนไปจากแกนของจานพอกพูนมวลเล็กน้อย ส่งผลให้เกิดดารสายของเจ็ต

จากการค้นพบดังกล่าวจึงเป็นการค้นพบหลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีที่ว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดที่ตคั้งอยู่ในใจกลางกาแล็กซี M87 กำลังหมุนอยู่

การค้นพบครั้งนี้เป็นการเปิดเผยข้อมูลใหม่ของหลุมดำมวลยิ่งยวด ซึ่งสามารถนำไปต่อยอดการศึกษาในด้านอื่นๆ เกี่ยวกับหลุมดำในอนาคต เช่น โครงสร้างของจานพอกพูนมวล อัตราการหมุนของหลุมดำ และลกลายเป็นคำถามว่า หลุมดำอื่น ๆ มีการหมุนและการส่ายของเจ็ตเช่นเดียวกับหลุมดำ M87 หรือไม่ ทั้งหมดทั้งมวลก็เพื่อช่วยให้เราคลายสงสับเกี่ยวกับอวกาศที่เราสงสัยมาอย่างยาวนาน

สืบค้นและเรียบเรียง ณภัทรดนัย

ภาพจาก NASA

ข้อมูลอ้างอิง

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06479-6

https://www.theguardian.com/science/2023/sep/27/first-evidence-of-spinning-black-hole-detected-by-scientists