นักดาราศาสตร์พบระบบหลุมดำมวลยิ่งยวดคู่ที่กำลังจะชนกันเป็นระบบที่สอง

ตั้งแต่มนุษย์ได้เริ่มสำรวจห้วงอวกาศลึกมานั้น เราค้นพบระบบหลุมดำมวลยิ่งยวดคู่ (Binary Supermassive Black Holes) ระบบเดียวที่กำลังเดินทางเข้าสู่การผสมรวมตัวกันกลายเป็น “Merger” ซึ่งเป็นนามเรียกหลุมดำสองหลุมที่รวมตัวกัน โดยระบบหลุมดำนั้นอยู่ในกาแล็กซีชื่อ OJ 287 อยู่ห่างจากโลกไป 3.5 พันล้านปีแสง มีหลุมดำสองหลุมแบ่งเป็นหลุมใหญ่ที่มีมวลกว่า 18 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ และหลุมเล็กที่มีมวลมากกว่า 150 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ค้นพบโดยกล้อง Spitzer ที่ถูกปลดระวางไปแล้ว

ภาพจำลองแสดงหลุมดำมวลยิ่งยวดสองหลุมในกาแล็กซี OJ 287 กำลังโคจรรอบ ๆ กัน โดยหลุมดำที่เล็กกว่านั้นโคจรรอบหลุมที่ใหญ่กว่าในจานพอกพูนมวลและชนเข้ากับวัตถุต่าง ๆ ในจานเกิดเป็นแสงจ้าสว่างกว่าดาว 1 ล้านล้านดวง – ที่มา NASA/JPL-Caltech

อย่างไรก็ตาม การค้นพบใหม่ของนักดาราศาสตร์กำลังจะเปลี่ยนข้อเท็จจริงที่ว่า “เราค้นพบระบบหลุมดำมวลยิ่งยวดคู่เพียงแค่ระบบเดียวที่กำลังเดินทางเข้าสู่การผสมรวมตัวกัน” เนื่องจากนักดาราศาสตร์พึ่งค้นพบระบบหลุมดำที่เชื่อว่าเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดสองหลุมกำลังโคจรรอบ ๆ กันในทุก ๆ 2 ปี ห่างออกไปจากโลก 9 พันล้านปีแสง

ที่น่าสนใจกว่านั้นคือขนาดวงโคจรของระบบหลุมดำที่พึ่งค้นพบนั้น เล็กกว่าขนาดของวงโคจรของอดีต To-be Supermassive Merger หนึ่งเดียวในกาแล็กซี OJ 287 กว่า 10 ถึง 100 เท่า เลยทีเดียว โดยขนาดของวงโคจรจะค่อย ๆ เล็กลงเรื่อย ๆ ทุกครั้งที่มันโคจรผ่านกัน นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะใช้เวลา 10,000 ปีกว่าที่ระบบหลุมดำนี้จะรวมตัวกันกลายเป็น Supermassive Merger

ภาพจำลองแสดงระบบหลุมดำคู่ โดยแสงจากหลุมดำที่เล็กกว่านั้นโค้งรอบ ๆ หลุมดำที่ใหญ่กว่าเกิดเป็นภาพสะท้อนในอีกฝั่ง – ที่มา Caltech-IPAC

10,000 อาจจะดูเหมือนนาน แต่จริง ๆ แล้วระบบหลุมดำมวลยิ่งยวดแบบนี้จะต้องใช้เวลาอย่างน้อย 100 ล้านปีกว่าที่มันจะมีวงโคจรเข้าใกล้ระดับนี้ นั้นหมายความว่าระบบหลุมดำนี้เหลืออีกก้าวมาแล้ว 99 ก้าว จาก 100 ก้าว เหลืออีกแค่ก้าวเดียวเท่านั้นก่อนที่มันจะชนกันและกลายเป็น Supermassive Merger

หนึ่งในหลุมดำมวลยิ่งยวดนี้เป็นเบลซาร์ (Blazar) ชื่อว่า PKS 2131-021 เป็นหนึ่งในเบลซาร์กว่า 1,800 วัตถุ ที่ถูกค้นพบมาก่อนหน้านี้แล้ว แต่หลุมดำคู่ของมันพึ่งมาถูกค้นพบในภายหลัง อยู่ห่างออกไป 9 พันล้านปีแสง เหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า PKS 2131-021 นั้นมีคู่มาจากการสำรวจ Relativistic jets หรือลำแก๊สที่ปลดปล่อยออกมาจากหลุมดำ ถึงแม้หลุมดำจะไม่ปลดปล่อยแสงออกมา แต่แรงโน้มถ่วงของมันนั้นดึงวัตถุอะไรก็ตามรอบ ๆ มันมาโคจรรอบตัวมันเกิดเป็นจานพอกพูนมวล (Accretion disk) พลังงานเหล่านี้ทำให้เกิดลำเจ็ทพุ่งออกมาจากหลุมดำ โดยหากลำเจ็ทเหล่านี้พุ่งมาทางโลก เราจะเรียกมันว่า “เบลซาร์” (Blazar)

Animation of a black hole with a spinning disk and powerful jet.
ภาพจำลองแสดงหลุมดำมวลยิ่งยวดแบบเบลซาร์ซึ่งกำลังปล่อย Relativistic jets เดินทางใกล้ความเร็วแสงออกมา – ที่มา Caltech/R. Hurt (IPAC)

นักดาราศาสตร์พบว่า PKS 2131-021 นั้นมีพฤติกรรมที่แปลก กล่าวคือความสว่างของมันนั้นผันผวนตลอดเวลา แต่สม่ำเสมอ มืดลงและสว่างขึ้นแบบที่สามารถคาดการณ์ไว้ล่วงหน้าได้ คล้ายกับเข็มนาฬิกาที่กำลังเดินอยู่ สมมติฐานของพฤติกรรมนี้คือมีหลุมดำอีกดวงที่คอยโคจรในระยะเวลาเท่าเดิม เหวี่ยงให้ลำเจ็ทของ PKS 2131-021 นั้นเบนออกจากโลก ทั้งสองน่าจะมีมวลอย่างน้อยหลายร้อยล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

Animation of two black holes orbiting each other, one of which has a jet.
ภาพจำลองแสดงระบบหลุมดำมวลยิ่งยวดคู่ที่กำลังโคจรรอบ ๆ กัน หนึ่งในนั้นคือเบลซาร์ PKS 2131-021 ที่กำลังปล่อย Relativistic jets ออกมาซึ่งตรวจจับได้จากโลก – ที่มา Caltech/R. Hurt (IPAC)

มีหอสังเกตการณ์มากกว่า 5 หอสังเกตการณ์ที่สามารถตรวจจับความผันผวนในความสว่างของ PKS 2131-021 ได้ (OVRO, Haystack, UMRAO, NRAO, WISE) โดยกราฟความผันผวนที่ตรวจจับได้นั้นมีรูปร่างแบบ Sinusoidal ซึ่งไม่เคยค้นพบวัตถุที่มีความสว่างผันผวนแบบนี้มาก่อน

กราฟแสดงค่าความสว่างของเบลซาร์ PKS 2131-021 เทียบกับเวลาจากหอสังเกตการณ์ต่าง ๆ – ที่มา Tony Readhead/Caltech

เพื่อที่จะยืนยันสมมติฐานนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามจับคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational Wave) ซึ่งเป็นเสมือนคลื่นในทะเลด้วย LIGO (Laser Interferometer Gravitaional-Wave Observatory) โดยเมื่อหลุมดำสองหลุมนี้โคจรผ่านกัน จะเกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่สามารถตรวจจับได้ขึ้น ซึ่งก็ตรวจเจอเมื่อปี 2016 แต่ Data Point เพียงจุดเดียวอาจจะเป็น Random Error ที่เกิดขึ้นอย่างสุ่ม ๆ ก็ได้

ภาพจำลองแสดงคลื่นความโน้มถ่วงจากการโคจรรอบ ๆ กันของดาวนิวตรอนสองดวง – ที่มา R. Hurt/Caltech-JPL

นักดาราศาสตร์จึงไปค้นข้อมูลการสำรวจระบบหลุมดำนี้จากหอสังเกตการณ์ Owens Valley ตั้งแต่ 2008 ถึง 2019 และก็โชคดีที่พบว่ามีอีกสองหอสังเกตการณ์ที่สำรวจระบบหลุมดำนี้ด้วยเช่นกัน คือ หอสังเกตการณ์วิทยุของ University of Michigan ที่มีข้อมูลตั้งแต่ปี 1980 ถึง 2012 และหอสังเกตการณ์ Haystack ที่มีข้อมูลตั้งแต่ปี 1975 ถึง 1983 โดยข้อมูลที่ได้มาตรงกับการคาดการณ์การความผันผวนของความสว่างของเบลซาร์

นั่นหมายความว่าความผันผวนในความสว่างของเบลซาร์ PKS 2131-021 นี้สม่ำเสมอมาตลอด สมมติฐานที่ว่า PKS 2131-021 กำลังอยู่บนเส้นทางแห่งการรวมตัวกับหลุมดำคู่ของมันจึงเริ่มเป็นจริงขึ้นมานั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Astronomers Find Two Giant Black Holes Spiraling Toward a Collision

Spitzer Telescope Reveals the Precise Timing of a Black Hole Dance

Colossal Black Holes Locked in Dance at Heart of Galaxy