นักดาราศาสตร์พบการส่ายของเจ็ทรอบหลุมดำ M87

นักดาราศาสตร์พบการส่ายของเจ็ทรอบหลุมดำ M87 หลักฐานสำคัญบ่งชี้ว่าหลุมดำ “หมุน”

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) (สดร.) กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) เผยนักวิจัย สดร. ร่วมค้นพบการส่ายของเจ็ทรอบหลุมดำใจกลางกาแล็กซี M87 จากการติดตามสังเกตการณ์นานกว่าสองทศวรรษ พบว่าเจ็ทเปลี่ยนทิศทางประมาณ 10 องศา เป็นวัฏจักร ที่มีคาบ 11 ปี นับเป็นหลักฐานแรกที่บ่งชี้และยืนยันว่าหลุมดำอาจกำลังหมุน งานวิจัยดังกล่าว ตีพิมพ์ ลงในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 27 กันยายน 2566 ที่ผ่านมา

หลุมดำ M87 เป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดมวลกว่า 6.5 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ตั้งอยู่บริเวณใจกลางกาแล็กซี M87 อยู่ห่างจากโลกประมาณ 55 ล้านปีแสง ล่าสุด นักวิจัย สดร. ร่วมใช้ข้อมูลจากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ East Asia VLBI Network (EAVN) ที่ สดร. เป็นหนึ่งในสมาชิก พบว่าทิศทางของเจ็ทมีการเปลี่ยนทิศทางประมาณ 10 องศา เป็นวัฏจักรที่มีคาบ 11 ปี การค้นพบการส่ายของเจ็ทนั้น สามารถอธิบายได้ด้วยการส่ายของกาลอวกาศที่จะเกิดขึ้นรอบหลุมดำที่หมุนรอบตัวเองอยู่ เป็นหลักฐานสำคัญว่าหลุมดำนั้นกำลังหมุน 

บริเวณใจกลางกาแล็กซีนั้นมักจะมีหลุมดำมวลยิ่งยวดที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล ดึงดูดมวลจำนวนมากไปไว้รอบๆ ในขณะที่ตกลงสู่หลุมดำ มวลสารบางส่วนนี้จะถูกดีดออกไปทางขั้ว เป็นปรากฏการณ์ที่สังเกตได้เรียกว่า “เจ็ท” มีลักษณะเป็นลำแก๊ส ประกอบจากพลาสมา พุ่งออกมาเป็นระยะทางหลายร้อยถึงพันปีแสงด้วยความเร็วใกล้แสง กลไกการถ่ายเทพลังงานระหว่างหลุมดำมวลยิ่งยวด จานพอกพูนมวล และเจ็ท นับเป็นอีกหนึ่งปริศนาอันยิ่งใหญ่ของนักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์มานานนับศตวรรษ ปัจจุบัน ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับที่สุดคือ พลังงานบางส่วนที่ทำให้เกิดเจ็ทพลังงานสูง อาจถ่ายทอดมาจากหลุมดำที่กำลังหมุนอยู่

อย่างไรก็ตาม การหมุนของหลุมดำมวลยิ่งยวดที่เป็นกุญแจสำคัญของกระบวนการนี้นั้นยังไม่เคยถูกสังเกตพบโดยตรงมาก่อน ด้วยเหตุนี้ ทีมงานวิจัยจึงได้ศึกษาหลุมดำใจกลางแล็กซี M87 เพื่อหาคำตอบดังกล่าว เนื่องจากเป็นวัตถุแรกที่มีการค้นพบเจ็ทในเชิงดาราศาสตร์ฟิสิกส์นับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1918 อีกทั้งระยะห่างที่อยู่ไม่ไกลจากโลกมาก ทำให้สามารถสังเกตการณ์บริเวณใกล้หลุมดำที่เป็นบริเวณก่อกำเนิดโดยตรงได้ด้วยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุแทรกสอดระยะไกล (Very Long Baseline Interferometry: VLBI) จนปรากฏเป็น “ภาพแรก” ของหลุมดำจากกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซัน (Event Hosizon Telescope: EHT) เมื่อปี ค.ศ. 2019 และล่าสุดนี้ จากการวิเคราะห์ข้อมูล M87 จาก VLBI ที่เก็บสะสมมาตลอด 23 ปีที่ผ่านมา ทำให้ทีมนักวิจัยค้นพบ “การส่ายของเจ็ท” ซึ่งช่วยเปิดเผยข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับหลุมดำใจกลางกาแล็กซีนี้ได้ 

การส่ายของเจ็ท นับเป็นกุญแจสำคัญของปริศนานี้ เนื่องจากปรากฏการณ์หรือแรงในธรรมชาติที่เรารู้จัก ไม่มีแรงใดจะสามารถเปลี่ยนแปลงทิศทางจานพอกพูนมวลและเจ็ทในอัตราที่เราสังเกตพบได้แต่หากหลุมดำนั้นหมุนอยู่ จะสามารถลากกาลอวกาศรอบๆ ให้บิดไป ภายใต้ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “frame-dragging” ที่ทำนายไว้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์ และหากกาลอวกาศซึ่งเป็นที่ตั้งของจานพอกพูนมวลเกิดการบิดไปรอบๆ ก็จะทำให้เกิดปรากฏการณ์เปลี่ยนทิศทางของจานพอกพูนมวลและเจ็ทได้ ซึ่งจากการวิเคราะห์และเปรียบเทียบโดยละเอียด ร่วมกับการจำลองทางทฤษฎีด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ บ่งชี้ว่า แกนการหมุนของหลุมดำนั้นคลาดเคลื่อนไปจากแกนของจานพอกพูนมวลเล็กน้อย ส่งผลให้เกิดการส่ายของเจ็ท

การค้นพบการส่ายนี้นับเป็นหลักฐานสำคัญว่าหลุมดำใจกลางกาแล็กซี M87 นั้นกำลังหมุนอยู่ นำไปสู่ศักราชใหม่แห่งการพยายามทำความเข้าใจธรรมชาติของหลุมดำมวลยิ่งยวด

“การค้นพบนี้เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นเป็นอย่างมาก” ดร. ยวี่จู ซุย (Dr. Yuzhu Cui) นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากห้องทดลองเจ้อเจียง (Zhejiang laboratory) ผู้นำทีมวิจัยกล่าว “เนื่องจากแกนของหลุมดำและจานพอกพูนมวลนั้นมีการคลาดเคลื่อนกันเพียงเล็กน้อย แต่คาบการส่ายนั้นใช้เวลาเพียง 11 ปี ทำให้เก็บข้อมูลความละเอียดสูงที่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ M87 ตลอดสองทศวรรษที่ผ่านมาได้ละเอียดเพียงพอที่จะนำไปสู่การค้นพบนี้ได้”

“หลังจากที่ EHT ได้บันทึกภาพของหลุมดำใจกลางกาแล็กซี M87 นี้ไปแล้ว คำถามต่อไปที่นักวิทยาศาสตร์สงสัยก็คือ หลุมดำนี้มีการหมุนอยู่หรือไม่ ซึ่งตอนนี้เราทราบแน่ชัดแล้วว่าหลุมดำมหึมานี้กำลังหมุนอยู่จริงๆ” ดร. คาสึฮิโระ ฮาดะ (Dr. Kazuhiro Hada) จากหอดูดาวแห่งชาติญี่ปุ่น (NAOJ) กล่าว 

งานวิจัยนี้ใช้ข้อมูลสังเกตการณ์รวมทั้งสิ้นกว่า 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) อาจกล่าวได้ว่าการค้นพบนี้เกิดจากการร่วมมือกันสังเกตการณ์ผ่านกล้องโทรทรรศน์กว่า 20 กล้องทั่วโลก  

“นับเป็นอีกหนึ่งการค้นพบอันยิ่งใหญ่ทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งในที่สุดก็ได้เปิดเผยออกมา หลังจากหน่วยงานนานาชาติกว่า 45 แห่งทั่วโลกได้ร่วมกันสังเกตการณ์เป็นระยะเวลาหลายปี และทำงานร่วมกันเสมือนเป็นหนึ่งเดียว” ดร. โมโตกิ คิโนะ (Dr. Motoki Kino) จากมหาวิทยาลัยโคกักคุอิน (Kogakuin University) ผู้ประสานงานของ EAVN AGN Science Working Group กล่าว “ข้อมูลจากการสังเกตการณ์ของเรานั้นสอดคล้องกับกราฟไซน์ได้อย่างสวยงาม ซึ่งนี่จะนำเราไปสู่ความเข้าใจในระบบเจ็ท และหลุมดำในรูปแบบใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน”

สำหรับความร่วมมือระหว่างประเทศดังกล่าว สดร. หนึ่งในสมาชิกหลักของ EAVN และ ดร. โคอิชิโร่ ซุกิยะมะ (Dr. Koichiro Sugiyama) นักดาราศาสตร์วิทยุ สดร. หนึ่งในทีมนักวิจัยของการค้นพบนี้ กล่าวว่า “การค้นพบอันน่าตื่นเต้นนี้ เป็นอีกเหตุผลหนึ่งว่าทำไมเราจึงต้องศึกษานิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ (Active Galactic Nucleus: AGN) ซึ่งเป็นหนึ่งในหัวข้อวิจัยหลักของทีมวิจัยดาราศาสตร์วิทยุ สดร.  และในอนาคตหากกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติของไทย ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ที่กำลังจะเริ่มเปิดใช้งานเร็ว ๆ นี้ได้เข้าร่วมเครือข่าย EAVN และทำงานร่วมกัน จะช่วยขยายขีดความสามารถเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุดังกล่าว ให้สามารถศึกษาหลุมดำ M87 ได้ละเอียดมากยิ่งขึ้น รวมถึงช่วยเร่งให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับ AGN ให้มากขึ้นด้วย

ผลการศึกษางานวิจัยในครั้งนี้ช่วยเผยปริศนาของหลุมดำมวลยิ่งยวด และยังนำมาซึ่งคำถามและความท้าทายอีกมากเกี่ยวกับหลุมดำ M87 อาทิ โครงสร้างของจานพอกพูนมวล อัตราการหมุนของหลุมดำ เป็นต้น อีกทั้งการค้นพบการส่ายของเจ็ทรอบหลุมดำหนึ่งย่อมหมายถึงความเป็นไปได้ที่เจ็ทของหลุมดำอื่นๆ จะมีการส่ายเช่นเดียวกัน ซึ่งจะนำไปสู่การศึกษา สังเกตการณ์ และวิเคราะห์ข้อมูลระยะยาวของเจ็ทอื่นๆ ต่อไป 

นอกจากนี้ ยังเป็นสิ่งบ่งชี้ถึงความสำคัญของความร่วมมือระหว่างประเทศ เพื่อร่วมกันเปิดเผยความลับของเอกภพ ซึ่ง สดร. เดินหน้าผลักดันนักวิจัยที่มีส่วนร่วมในเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุหลายแห่ง รวมถึงกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติที่จะเข้าร่วมเป็นส่วนหนึ่งในเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุแทรกสอดระยะไกลระดับนานาชาติเหล่านี้ในอนาคตอันใกล้  ในระหว่างที่นักวิทยาศาสตร์เฉลิมฉลองกับก้าวสำคัญนี้
การเดินทางเพื่อทำความเข้าใจปริศนาของหลุมดำมวลยิ่งยวดก็ยังคงดำเนินต่อไป และทุกๆ การค้นพบที่กำลังรอเราอยู่นั้น จะนำเราเข้าใกล้คำตอบของปริศนาอันสำคัญของเอกภพทั้งหมดนั่นเอง

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