Deep Space ยาน TESS ไขปริศนาแสงวาบจากดาราจักรอันไกลโพ้น พบว่าเป็น Tidal Disruption Event
ยาน TESS ไขปริศนาแสงวาบจากดาราจักรอันไกลโพ้น พบว่าเป็น Tidal Disruption Event

Chottiwatt Jittprasong in Black Hole

ยาน TESS ไขปริศนาแสงวาบจากดาราจักรอันไกลโพ้น พบว่าเป็น Tidal Disruption Event

January 23, 2021

ยาน TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ของ NASA ซึ่งเป็นยานที่ได้รับการขนานนามว่านักล่าดาวเคราะห์นอกระบบในปัจจุบันนั้น นอกจากจะช่วยเราค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนนับไม่ถ้วนในเอกภาพของมันแล้ว ยังช่วยเราไขปริศนาอื่น ๆ ของจักรวาลของเราด้วย เร็ว ๆ นี้ ทีมนักดาราศาสตร์ได้วิเคราะห์ข้อมูลจากหอดูดาว Neil Gehrels Swift Observatory ร่วมกับข้อมูลจากยาน TESS ตรวจพบการส่องสว่างแบบเป็นรูปแบบจำนวน 20 ครั้ง ถูกเรียกว่า ASASSN-14ko

ข้อมูลเกี่ยวกับยาน TESS – SpaceX ส่งยาน TESS ของ NASA สู่วงโคจรพิเศษ ไล่ล่าดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

ซึ่งการค้นพบครั้งนี้ถูกเผยแพร่เป็นครั้งแรกในงาน 237th Meeting of the American Astronomical Society และกำลังรอการตีพิมพ์ลงวารสารทางวิทยาศาสตร์เร็ว ๆ นี้ – ASASSN-14ko is a Periodic Nuclear Transient in ESO 253-G003

นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์คืออะไร

นิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ หรือ Active Galactic Nucleus (AGN) คือ ใจกลางของกาแล็กซีที่มีความหนาแน่นยิ่งยวด มีกำลังส่องสว่างทางด้านสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าสูงกว่าปกติเป็นอย่างมาก (คลื่นวิทยุ, Infrared, Visible light, Ultraviolet, X-ray, Gamma) และความสว่างเหล่านี้ยังแปรเปลี่ยนได้อย่างรวดเร็วแบบคาดเดาไม่ได้ ซึ่งนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์คาดว่าปริมาณการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สูงดังกล่าวเกิดจากการแผ่รังสีของจากพอกพูนมวล (Accretion Disk) ของหลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Black: SMBH) ใจกลางกาแล็กซี

โครงสร้างของนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ (AGN) – ที่มา Rothwild

แต่อย่างไรก็ตามการเกิดแสงสว่างจ้าที่เรียกว่าเหตุการณ์ ASASSN-14ko นั้นเป็นการเกิดแบบสามารถคาดเดาได้เพราะมันเกิดในช่วงเวลาเดิม ๆ ตลอดจนเห็นเป็นรูปแบบชัดเจน ซึ่งไม่ใช่คุณลักษณะของแสงจากการแปรแสงของนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์แน่ ๆ แต่ต้องมาจากอย่างอื่นที่ก็มีแสงสว่างเช่นกัน นั่นก็คือดาวฤกษ์

เหตุการณ์ ASASSN-14ko

ASASSN-14ko ถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อ 14 พฤศจิกายน 2014 โดยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์อัตโนมัติ All-Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN) ประกอบไปด้วยกล้องโทรทรรศน์ระบบอัตโนมัติว่ากว่า 20 ตัว ใช้สำหรับการตรวจจับการเกิดซูเปอร์โนวา การตรวจจับเกิดขึ้นในกาแล็กซี ESO 253-3 (Seyfert 2 Galaxy) ซึ่งเป็นดาราจักรกัมมันต์ (Active Galaxy) ห่างออกไปจากโลก 570 ล้านปีแสงในกลุ่มดาวขาตั้งภาพ (Pictor constellation) ทางซีกโลกใต้ ซึ่งในการค้นพบครั้งแรกซึ่งอยู่ ๆ ก็เป็นการสว่างจ้าขึ้นมาเฉย ๆ ทำให้นักดาราศาสตร์คิดว่ามันคือ Supernova ซึ่งก็คือการระเบิดของดาวที่หมดอายุขัย ซึ่งจะปลดปล่อยเนื้อสารของมวล คลื่น Electromagnetic wave และแสงสว่างจ้าออกมาอย่างรุนแรง

ภาพของ Type Ia supernova SN1994D (มุมซ้ายล่าง) ซึ่งสว่างเทียบเท่ากาแล็กซี NGC 4526 ของมัน – ที่มา NASA/ESA

อย่างไรก็ตาม 6 ปีต่อมา Graduate Fellow ของ NASA ชื่อ Anna Payne ได้ตรวจสอบฐานข้อมูลที่เก็บข้อมูลความสว่าง (Light Curve) ของกาแล็กซี ESO 253-3 ของ ASAS-SN (ซึ่งข้อมูลเหล่านี้ถูกเก็บไว้แบบอัตโนมัติ เพราะว่า ASAS-SN เป็นกล้องโทรทรรศน์อัตโนมัติ บางครั้งข้อมูลสำคัญอาจถูกมองข้ามไปได้) เธอก็ค้นพบว่ากราฟความสว่างของกาแล็กซีเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน ซึ่งสว่างขึ้นอย่างรวดเร็วถึง 17 ครั้งแบ่งเป็นรูปแบบอย่างชัดเจน แต่ละครั้งห่างกัน 114 วัน ความสว่างถึงจุดสูงสุดภายใน 5 วัน จากนั้นก็ค่อย ๆ ลดลงกลับเข้าสู่ Baseline วนไปอย่างงี้

ซึ่งจากชุดข้อมูลดังกล่าวทำให้เธอสามารถคาดการณ์การสว่างอย่างฉับพลันที่เรียกว่า Flare ครั้งต่อไปได้ซึ่งก็คือในวันที่ 17 พฤษภาคม 2020 ทีมนักดาราศาสตร์จึงจัดเตรียมกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินร่วมกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศสำหรับการวัดค่าแสงของ ASASSN-14ko โดยเฉพาะ ซึ่งก็เป็นไปตามคาด ASASSN-14ko เกิดขึ้นตรงตามกำหนดเป๊ะ นอกจากนี้ยังเกิดซ้ำตามที่คำนวณไว้คือ 7 กันยายน และ 20 ธันวาคม 2020 เป็นทอด ๆ ในห่วงระยะเวลา 114 วัน

ข้อมูลการสว่างอย่างฉับพลัน ASASSN-14ko จากเครือข่าย ASAS-SN ที่ตรวจจับการสว่างในแกนกลางของกาแล็กซี ESO 253-3 ซึ่งเป็น AGN ได้ทุก ๆ 114 วัน – ที่มา ASASSN-14ko is a Periodic Nuclear Transient in ESO 253-G003

ข้อมูลชุดนี้ถูกเพิ่มเติมโดยข้อมูลรูปถ่ายอย่างละเอียดจากยาน TESS ซึ่งตรวจจับการสว่างอย่างฉับพลันของ ASASSN-14ko ได้ในวันที่ 7 พฤศจิกายน 2018 ขณะที่ TESS ที่กำลัง Scan Sky Sector เดียวกับที่เกิด ASASSN-14ko อยู่พอดี ซึ่งเป็นการสำรวจ Sector กว่า 1 เดือน โดย TESS จะถ่ายรูปทุก ๆ 30 นาที ซึ่งข้อมูลในห่วงระยะห่างเพียง 30 นาทีนี้ ซึ่งถือว่าละเอียดมาก ๆ ทำให้ทีมนักดาราศาสตร์สามารถจับภาพการเกิดการสว่างอย่างฉับพลันและเวลาที่มันเกิดได้อย่างแม่นยำ ซึ่งในกราฟด้านล่างนี้เราจะเห็นได้ว่าข้อมูลความสว่างจากยาน TESS ในถี่ยิบกันเลยทีเดียวเมื่อเทียบกับข้อมูลจาก ASAS-SN

กราฟแสดงระยะเวลาที่เกิดการสว่างฉับพลันจนถึง Peak และค่อย ๆ ลดลง ข้อมูลจาก ASAS-SN ในแต่ละแบนด์และข้อมูลจาก TESS – ที่มา ASASSN-14ko is a Periodic Nuclear Transient in ESO 253-G003

นอกจากนี้อุปกรณ์ Multi Unit Spectroscopic Explorer ของระบบ AMUSING (All-weather MUse Supernova Integral-field of Nearby Galaxies survey) ในหอดูดาวของ ESO ยังสามารถถ่ายรูปกาแล็กซี ESO253-3 ขณะกำลังเกิดการสว่างอย่างฉับพลันได้อีกด้วย

รูปของกาแล็กซี ESO 253-3 จากหอดูดาว ESO ที่ถ่ายได้ขณะกำลังเกิดการสว่างอย่างฉับพลัน ASASSN-14ko – ที่มา Michael Tucker (University of Hawai’i) and the AMUSING survey

อย่างไรก็ตาม ตอนแรกนักดาราศาสตร์ยังไม่สามารถสรุปได้ว่าการสว่างอย่างฉับพลันดังกล่าวเกิดขึ้นได้อย่างไร การวิเคราะห์ข้อมูลจาก ASAS-SN และ TESS ร่วมกับหอดูดาว Swift ระบบ NuSTAR และ XMM-Newton ของ ESA ทำให้เกิดความเป็นได้ได้ 3 กรณีดังนี้

  • กรณีแรก คือ กาแล็กซีอันนี้มีหลุมดำมวลยิ่งยวดสองหลุม ซึ่งทั้งสองหลุมนี้มือจานพอกพูนมวลของใครของมัน มีความเป็นไปได้ที่หลุมดำทั้งสองจะโคจรเข้าใกล้กันจนวัตถุในจานพอกพูนมวลชนกันเกิดเป็นแสงสว่างวาบขึ้น ซึ่งจากการวัดค่าต่าง ๆ ในบริเวณกาแล็กซี ESO 253-3 พบว่ามีวัตถุสองวัตถุในใจกลางกาแล็กซีจริง แต่มันไม่ได้โคจรใกล้กันขนาดที่ทำให้สามารถเกิดการสว่างอย่างฉับพลันได้ จึงน่าจะเป็นกรณีอื่น
  • กรณีที่สอง คือ ดาวฤกษ์สักดวงมีวงโคจรทะลุพากผ่านระนาบจานพอกพูนมวลด้วยมุมเอียงทั้งสองฝั่งซึ่งจะทำให้มวลสารในจานพอกพูนมวลถูกชนกระเด็นออกมาเกิดเป็นแสงสว่างได้ แต่ถ้ากรณีนี้เกิดขึ้นจริงมันจะต้องเกิดการสว่างอย่างฉับพลันในทิศทางตรงข้ามกันแต่ละครั้งเนื่องด้วยวงโคจรข้ามจานพอกพูนมวล หมายความว่าเมื่อดาวฤกษ์ทะลุจานด้านนี้ในอีกครึ่งคาบวงโคจรมันก็จะไปทะลุอีกฝั่ง นั่นก็คือแสงที่วัดได้จะต้องสลับด้านกันในแต่ละครั้ง ซึ่งขัดกับข้อมูลที่มีอยู่ที่วัดได้แบบเดิม ๆ ทุกรอบ
  • กรณีที่สาม ซึ่งเป็นกรณีที่เป็นไปได้มากที่สุด เรียกว่า Tidal Disruption Event เรียกอีกชื่อว่า Tidal Disruption Flare
ภาพจำลองปรากฏการณ์ Tidal Disruption Event – ที่มา NASA/CXC/M. Weiss.

Tidal Disruption Event เป็นปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ที่เกิดขึ้นระหว่างดาวฤกษ์และหลุมดำมวลยิ่งยวด เมื่อดาวฤกษ์เคลื่อนตัวเข้าใกล้หลุมดำมวลยิ่งยวดมากเกินไปแรง Tidal ซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดของหลุมดำจะทำให้เกิดการ Spaghettification ของดาวฤกษ์ขึ้น ซึ่งก็คือการที่มวลสารของดาวฤกษ์ถูกแรง Tidal ของหลุมดำฉีกออกเป็นเส้นยืด ๆ คล้ายสปาเกตตี (เลยเรียกว่า Spaghettification) มวลสารที่ถูกฉีกออกไปจะเข้าไปรวมกับจานพอกพูนมวลของหลุมดำ โดยระหว่างที่มวลสารถูกดึงไปจานพอกพูนมวลนั้น มันจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่าง ๆ นานา ในหลาย ๆ ช่วงความยาวคลื่นออกมาด้วยซึ่งถูกตรวจจับได้บนโลกในภายหลัง

ภาพบน: ภาพจำลอง Tidal Disruption Event ภาพล่าง: ภาพถ่ายขณะที่หลุมดำมวลยิ่งยวดกำลังฉีกเนื้อสารดาวออกด้วยแรง Tidal ในกาแล็กซี RXJ 1242-11 – ที่มา NASA

เนื้อสารส่วนหนึ่งจะถูกดูดเข้าจานพอกพูนมวล อีกส่วนหนึ่งจะถูกเหวี่ยงออกไปนอกอวกาศ ในกรณีของ ESO 253-3 นั้น นักดาราศาสตร์คาดว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดมีมวลประมาณ 78 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ พร้อมกับดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่โคจรรอบหลุมดำด้วยวงโคจรที่มีความรีสูงมาก Apoapsis ไกลจากหลุมดำ Periapsis ใกล้หลุมดำ

ซึ่งหากดาวฤกษ์โคจรแบบนี้ ขาที่มันโคจรเข้าหาหลุมดำมันจะมีความเร็วสูงมาก ๆ และถูกเหวี่ยงออกไปโดยแรงดึงดูดของหลุมดำอย่างรวดเร็ว แรง Tidal จึงมีเวลาไม่พอในการฉีกดาวเป็นเสี่ยง ๆ ทำได้เพียงดึงเนื้อสารบางส่วนออกมาเท่านั้น ดาวฤกษ์ก็เลยยังมีชีวิตรอดอยู่ ส่วนเนื้อสารบางส่วนที่ถูกดึงออกไปก็กระทบเข้ากับจานพอกพูนมวลเกิดเป็นแสงสว่างอย่างฉับพลัน

Tidal Disruption Event ที่ไม่ถึงกับฉีกดาวฤกษ์เป็นเสี่ยง ๆ – ที่มา NASA Goddard

เคสของ ASASSN-14ko ตรงตามทฤษฎีแบบจำลองของปรากฏการณ์ Tidal Disruption Event นักดาราศาสตร์จึงเชื่อว่า ASASSN-14ko เกิดจากการที่ดาวฤกษ์มีวงโคจรวงรีโคจรเข้าใกล้หลุมดำจนเสียมวลเกิดเป็นแสงสว่างอย่างฉับพลัน จากนั้นก็วนกลับไป Apoapsis แล้วกลับมาใหม่ ทำให้การสว่างเกิดขึ้นเป็น Pattern ที่คาดเดาได้

ภาพจำลองระบบของ ESO 253-3 กับดาวฤกษ์ของมัน – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR)

และมันก็จะวนเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่ามวลสารของดาวฤกษ์จะถูกหลุมดำมวลยิ่งยวดอันนี้ดูดกลืนจดหมด นักดาราศาสตร์คาดว่าการโคจรผ่านหลุมดำหนึ่งรอบของดาวดวงนี้ มันจะเสียมวลถึง 3 เท่าของมวลดาวพฤหัสเลยทีเดียว ถึงแม้นักดาราศาสตร์จะคาดเดาได้ว่าแต่ละครั้งมันเสียมวลไปเท่าไหร่ แต่ก็ไม่สามารถทราบได้ว่ามวลจริง ๆ ของมันเท่าไหร่กันแน่ และมันจะยังโคจรรอบหลุมดำได้อีกกี่ครั้ง

วิดีโอจำลองปรากฏการณ์ Tidal Disruption Event ที่เกิดขึ้นกับดาวฤกษ์ ณ หลุมดำใจกลางกาแล็กซี ESO 253-3 ซึ่งทำให้เกิด Event ASASSN-14ko – ที่มา NASA Goddard

Payne และทีมนักวิจัยนักดาราศาสตร์กำลังรอคอยการสว่างอย่างฉับพลัน ASASSN-14ko ที่กำลังจะเกิดขึ้นในเดือน เมษายน และ สิงหาคม 2021 ซึ่งจะพึ่งพาการสำรวจจาก TESS ด้วยการถ่าย Snapshot ของ Sky Sector ที่เรต 10 นาทีต่อรูป เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมจาก Tidal Disruption Event อันนี้ที่เราสามารถคาดการณ์เวลาที่มันจะเกิดได้นั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

NASA Missions Help Investigate an ‘Old Faithful’ Active Galaxy

ASASSN-14ko is a Periodic Nuclear Transient in ESO 253-G003





MORE