Featured GW190521 คลื่นความโน้มถ่วงแรงที่สุดที่เคยตรวจพบ ที่เกิดจากหลุมดำที่ไม่ควรมีอยู่จริง
GW190521 คลื่นความโน้มถ่วงแรงที่สุดที่เคยตรวจพบ ที่เกิดจากหลุมดำที่ไม่ควรมีอยู่จริง

Nutn0n

GW190521 คลื่นความโน้มถ่วงแรงที่สุดที่เคยตรวจพบ ที่เกิดจากหลุมดำที่ไม่ควรมีอยู่จริง

September 4, 2020

ข่าวการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงหรือ Gravitational Wave ยังคงออกมาให้เห็นกันเป็นระยะ ๆ ในแต่ละครั้งก็จะมีปริศนาที่นักดาราศาสตร์ต้องทำการไขต่อที่แตกต่างกัน หลังจากที่ในช่วงกลางปี 2020 ที่ผ่านมา มีการตรวจพบการชนกันของหลุมดำที่ไม่สมมาตรที่สุด ที่ก็ยังไม่รู้ว่าหลุมดำดังกล่าวชนกับวัตถุอะไรกันแน่ ในการตรวจจับหมายเลย GW190814 ทีมนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จาก LIGO ก็ได้ยืนยันการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงอีกแห่ง ที่ในครั้งนี้เป็น Event หมายเลข GW190521 ซึ่งก็ตามชื่อว่ามันถูกตรวจจับได้ในวันที่ 21 เดือนพฤษภาคม ปี 2019 ที่ผ่านมา

ความน่าสนใจของ GW190521 นี้อยู่ที่ว่าเมื่อเราคำนวณย้อนกลับมวลของวัตถุที่เกิดการชนกันแล้ว พบว่ามันคือหลุมดำ 2 แห่ง ที่โคจรรอบกันเป็นไบนารี หรือหลุมดำคู่นั่นเอง โดยมวลของมันอันเป็นผลผลิตจากการชนวัดได้อยู่ที่สูงถึง 142 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ถามว่ามวลมากขนาดไหน ลองเทียบกับขนาดของ Cygnus X-1 ซึ่งเป็นหลุมดำที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด ตัวนี้วัดมวลได้อยู่ที่ประมาณ 14–16 เท่าของดวงอาทิตย์เท่านั้นอยู่ในกลุ่ม Stellar-mass Blackhole แต่มวลของหลุมดำที่ทำให้เกิด GW190521 ก็ยังไม่เยอะเท่าหลุมดำตระกูล Supper Massive Blackhole หรือหลุมดำมวลยิ่งยวด ซึ่งอย่าง Sagittarius A ที่อยู่ใจกลางทางช้างเผือก มีมวลถึง 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์

ภาพเปรียบเทียบมวลของการชนกันที่ทำให้เกิด Gravitational Wave ที่ LIGO เคยตรวจได้ จะเห็นว่า GW190521 เป็นการชนกันของวัตถุที่มีมวลมากที่สุด ส่วน GW190814 ก็เป็นการชนกันที่ไม่สมมาตรที่สุด และ GW190521 ก็เป็นการชนกันของหลุมดำปวลปานกลาง ที่มา – LIGO

อย่างไรก็ดี ขนาดของหลุมดำที่ชนกันแล้วทำให้เกิด GW190521 ก็ยังนับว่าเป็นการชนกันครั้งใหญ่ที่สุดที่มนุษย์เคยตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงได้ โดยช่วงหลัง ๆ เราจะวัดการชนกันของดาวนิวตรอนได้ซะมากกว่า (ซึ่งจริง ๆ ก็มีข้อดีเพราะว่ามันทำให้เราตรวจจับแสงหรือรังสีที่แผ่ออกมาได้ง่าย ถ้าเป็นหลุมดำอย่างเดียวคือสัมผัสได้อย่างเดียวจากคลื่นความโน้มถ่วง แต่เอากล้องถ่ายไม่เห็นอะไรวูบวาบเลย ถ้าชอบอะไรวูบวาบจะชอบดาวนิวตรอนชนกันมากกว่า) ย้อนกลับไปในปี 2015 ที่มีการตรวจจับการชนกันของหลุมดำกับหลุมดำครั้งแรก (หมายเลข GW150914) ตอนนั้นมวลวัดได้แค่ 36 + 29 = 65 เท่าของดวงอาทิตย์เท่านั้น ซึ่งก็ครองสถิติมาจนถึงการค้นพบล่าสุดนี้ (พวกดาวนิวตรอนไม่ต้องพูดถึง มวลน้อยกว่าหลุมดำแน่ ๆ)

GW190521ที่เหมือนจะเรียบง่าย แต่ซ่อนงำปริศนาที่น่าขนลุก

การค้นพบดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์เป็น Paper ชื่อว่า GW190521: A Binary Black Hole Merger with a Total Mass of 150  M ซึ่งเอาจริง ๆ นอกจากตัวเลขว่าเป็นการตรวจจับการชนกันของหลุมดำที่มีมวลมากที่สุดที่เคยตรวจได้ ก็ดูเหมือนจะไม่มีอะไรหวือหวาซักเท่าไหร่ เพราะแม้กระทั่งชื่อ Paper ก็บอกอย่างตรงไปตรงมา ดังนั้นบทความนี้เราจะเขียนอย่างไรดีให้มันดูมีอะไร .. จริง ๆ GW190521 มันก็ไม่ได้เรียบง่ายขนาดนั้น

จำตอนแรกที่เรากล่าวถึงว่า หลุมดำที่ทำให้เกิด GW190521 ได้หรือไม่? หลุมดำที่ทำให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงนี้มีมวลเฉลี่ยแห่งละประมาณ 85 และ 66 เท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งมวลของมันอ้วนเกินกว่าหลุมดำแบบ Stellar-mass Blackhole อื่น ๆ ซึ่งหลุมดำ Stellar-mass นั้นเกิดจากการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก มากที่ว่านี้คือมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราด้วย เพราะดวงอาทิตย์ของเราตายไปยังเป็นแค่ดาวแคระขาว ดังนั้นการมีอยู่ของหลุมดำที่ไม่ใช่ Supper Massive Blackhole ที่มีมวลเป็นล้าน ๆ เท่าของดวงอาทิตย์จึงมีความน่าสนใจ เราเรียกหลุมดำพวกนี้ว่า Intermediate Mass Blackhole

อ่านเพิ่มเติม – เข้าใจคอนเซปของหลุมดำอย่างง่าย มีกี่ประเภท มาจากแนวคิดอะไรบ้าง

นั่นทำให้หลุมดำที่เกิดจากการชนกันของหลุมดำแบบ Intermediate Mass Blackhole ที่แต่ละแห่ง มีมวลประมาณ 85 และ 66 เท่าของดวงอาทิตย์แล้วทำให้เกิดหลุมดำแห่งใหม่ที่มีมวลประมาณ 142 เท่าของดวงอาทิตย์นั้น หลุมดำทั้ง 3 ล้วนมีความ “ประหลาด” และซ่อนปริศนาไว้ว่าทำไม มันถึงเป็นเช่นนั้น อ้างอิงจากบทความ ‘It’s mindboggling!’: astronomers detect most powerful black-hole collision yet ของ MIT ผู้เขียนบอกว่า นักดาราศาสตร์ยังไม่ค่อยมั่นใจว่าหลุมดำที่มีมวลถึง 85 เท่าของดวงอาทิตย์นั้น เกิดจากการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์จริงหรือเปล่า ?

ถามว่าทำไมถามแบบนั้น มันก็ไม่แปลกหรือเปล่าถ้าหลุมดำขนาดนี้จะเกิดจากดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก ๆ มากจนทำให้เกิดหลุมดำมวล 85 เท่าของดวงอาทิตย์ คำตอบก็คือ “ใช่” และ “ไม่ใช่” เพราะหลุมดำมวลประมาณนี้นั้นอยู่ในช่องว่างที่เรียกว่า pair instability mass gap ซึ่งนำหลักการของ pair instability มาอธิบาย

ภาพแสดงขนาดของดาวฤกษ์ที่ทำให้เกิด Pair Instability และการเกิดหลุมดำในขนาดต่าง ๆ ที่มา –  Farmer, R – The location of the lower edge of the pair instability supernovae black hole mass gap / University of Amsterdam

มันจะอะไรกันนักหนากับแค่หลุมดำมวล 85 เท่า ? สาเหตุที่นักดาราศาสตร์ไม่อนุญาตให้มีหลุมดำขนาด 85 เท่าของดวงอาทิตย์มีอยู่ได้ก็เพราะว่า ปกติแล้วในการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่มีมวลประมาณ 130 เท่าของดวงอาทิตย์ (ซึ่งใหญ่มาก ๆ แล้ว) ก็จะทำให้เกิดหลุมดำมวลไม่เกิน 65 เท่าของดวงอาทิตย์ ทำไม ? ก็เพราะว่าถ้าดาวฤกษ์มีมวลมากกว่านี้ ตอนสิ้นอายุขัยจะเกิดสิ่งที่เรียกว่า Pair-instability supernova ซึ่งเป็นการระเบิดพลังงานสูงที่ไม่ใช่แค่การระเบิดของมวล แต่จะเกิดปฏิสสารขึ้นกลางดวงดาว และเมื่อเกิดปฏิสสารขึ้นเจอกับสสารปกติก็จะเกิดการ Annihilation หรือปะลัยคู่ ทำให้เกิดการทำลายกันของมวลมหาศาล เอามาบวกลบคูณหารกัน ไม่มีทางเหลือมาเป็นหลุมดำมวลมากกว่า 65 เท่าของดวงอาทิตย์แน่ ๆ ส่วนดาวฤกษ์ที่มีมวลมหาศาลกว่านี้เกินกว่า 200 เท่าของดวงอาทิตย์ เวลามันตายมันก็จะยุบพรวดเป็นหลุมดำทันทีเนื่องจากมวลมหาศาลของมัน ไม่เกิดเป็น Supernova ให้เสียเวลา

ดังนั้นหลุมดำมวล 85 เท่าของดวงอาทิตย์ ที่ทำให้เกิด GW190521 มาได้ไง ? นั่นคือคำถาม และไปตรงกับ pair instability mass gap ที่ไม่อนุญาตให้เกิดหลุมดำมวลขนาดนี้นั่นเอง

เรื่องนี้อธิบายไว้ใน Paper Properties and Astrophysical Implications of the 150 M Binary Black Hole Merger GW190521 พูดถึง GW190521 ในแง่ของปริศนา Pair-instability

ดังนั้น GW190521 จึงอาจจะดูเหมือนเป็นการชนกันที่เรียบง่ายของหลุมดำสองแห่ง แต่ปัญหาอยู่ตรงที่ว่าหลุมดำทั้งสองแห่งนี้มาจากไหน ก็เป็นปริศนาที่ให้นักดาราศาสตร์ต้องหาคำตอบต่อไป

Gravitational Wave ลูกหน้าจะมีอะไรแปลก ๆ มาสร้างปัญหาให้นักดาราศาสตร์อีกต้องรอติดตามกันต่อไป

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



เรื่องราวน่าสนใจ

อัพเดทเรื่องราว ข่าว และบทวิเคราะห์เจาะลึก