การตรวจจับการรวมตัวของหลุมดำที่มีมวลมากที่สุดที่เคยสังเกตได้เมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้ส่งคลื่นกระเพื่อมผ่านชุมชนวิทยาศาสตร์ ไม่เพียงแต่ในกาลอวกาศเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการอภิปรายอย่างเข้มข้นเกี่ยวกับสิ่งที่วัตถุสุดขั้วเหล่านี้บอกเราเกี่ยวกับจักรวาล การค้นพบ GW231123 ของความร่วมมือ LIGO-Virgo-KAGRA แสดงถึงเหตุการณ์สำคัญที่ท้าทายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิธีที่หลุมดำขนาดใหญ่เช่นนี้สามารถมีอยู่ได้
การปลดปล่อยพลังงานที่เกินจินตนาการ
การรวมตัวที่สร้างหลุมดำ 225 มวลดวงอาทิตย์นี้ได้ปลดปล่อยพลังงานในปริมาณที่เกือบจะเข้าใจไม่ได้ เมื่อหลุมดำสองดวงที่มีน้ำหนักประมาณ 100 และ 140 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ของเราชนกัน วัสดุประมาณ 15 มวลดวงอาทิตย์ได้เปลี่ยนเป็นพลังงานโดยตรง ตัวเลขที่น่าตกใจนี้ได้ดึงดูดความสนใจของชุมชน โดยมีการอภิปรายที่เน้นว่าแรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนแอเพียงใดแม้จะมีการปลดปล่อยพลังงานมหาศาลนี้
แรงโน้มถ่วงอ่อนแอมากจนพลังงานมหาศาลนั้นแปลเป็นการหดตัวสัมพัทธ์เพียงน้อยกว่า 10^-20 หรือประมาณความกว้างของเส้นผมในระยะทางจากโลกถึงดวงจันทร์
เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นห่างจากโลกประมาณ 2.2 พันล้าน parsec ทำให้การตรวจจับนี้น่าทึ่งยิ่งขึ้นเมื่อพิจารณาถึงการบิดเบือนเล็กน้อยที่ LIGO ต้องวัด
รายละเอียดเหตุการณ์ GW231123
- มวลหลุมดำสุดท้าย: 225 มวลดวงอาทิตย์
- มวลองค์ประกอบ: ประมาณ 100 และ 140 มวลดวงอาทิตย์
- พลังงานที่แปลงเป็นคลื่นความโน้มถ่วง: ประมาณ 15 มวลดวงอาทิตย์
- วันที่ตรวจพบ: 23 พฤศจิกายน 2023
- ระยะห่างจากโลก: 2.2 Gpc (พันล้าน parsec)
- หลุมดำทั้งสองหมุนใกล้เคียงกับอัตราสูงสุดที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอนุญาต
การหมุนที่ขอบของฟิสิกส์
สิ่งที่ทำให้การค้นพบนี้น่าสนใจเป็นพิเศษคือหลุมดำทั้งสองดวงหมุนด้วยอัตราที่เกือบจะสูงสุดที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein อนุญาต การหมุนสุดขั้วนี้สร้างพลวัตที่ซับซ้อนซึ่งผลักดันแบบจำลองทฤษฎีปัจจุบันไปสู่ขีดจำกัด การหมุนอย่างรวดเร็วยังทำให้ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำเปลี่ยนรูปจากทรงกลมที่สมบูรณ์แบบเป็นรูปร่างที่แบนกว่า เพิ่มความซับซ้อนหลายชั้นให้กับสัญญาณคลื่นโน้มถ่วง
การอภิปรายในชุมชนเผยให้เห็นความหลงใหลในวิธีที่ยักษ์หมุนเหล่านี้รวมตัวกัน โดยบางคนเปรียบเทียบกระบวนการนี้กับหยดน้ำที่รวมกัน แม้ว่าฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องจะแปลกประหลาดกว่ามาก กระบวนการรวมตัวเองน่าจะสร้างการบิดเบือนรูปถั่วลิสงชั่วคราวก่อนจะตกตะกอนเป็นรูปทรงกลมสุดท้าย
ความลึกลับของการก่อตัวที่เพิ่มขึ้น
บางทีแง่มุมที่น่าสับสนที่สุดของการค้นพบนี้คือหลุมดำขนาดใหญ่เช่นนี้สามารถมีอยู่ได้อย่างไร แบบจำลองมาตรฐานของวิวัฒนาการดาวฤกษ์แสดงให้เห็นว่าหลุมดำขนาดนี้ไม่ควรเกิดขึ้นผ่านการยุบตัวของดาวปกติ สิ่งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เสนอว่ายักษ์เหล่านี้อาจเป็นผลมาจากการรวมตัวก่อนหน้านี้ระหว่างหลุมดำที่เล็กกว่า สร้างกระบวนการก่อตัวแบบลำดับชั้น
การตรวจจับนี้เพิ่มหลักฐานที่เพิ่มขึ้นว่าความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวของหลุมดำต้องการการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะสำหรับวัตถุในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่าช่องว่างมวล - ขนาดที่ดูเหมือนจะใหญ่เกินไปสำหรับการยุบตัวของดาวฤกษ์ แต่เล็กเกินไปสำหรับการก่อตัวดั้งเดิม
เหตุการณ์สำคัญในการตรวจจับของ LIGO
- การตรวจจับครั้งแรก (2015): หลุมดำขนาด 62 มวลดวงอาทิตย์
- สถิติก่อนหน้า ( GW190521 , 2021): หลุมดำขนาด 140 มวลดวงอาทิตย์
- สถิติปัจจุบัน ( GW231123 , 2023): หลุมดำขนาด 225 มวลดวงอาทิตย์
- การตรวจจับทั้งหมดตั้งแต่ปี 2015: การรวมตัวของหลุมดำประมาณ 300 ครั้ง
- การตรวจจับในรอบการสังเกตการณ์ครั้งที่สี่: การรวมตัวของหลุมดำมากกว่า 200 ครั้ง
ความกังวลเรื่องงบประมาณคุกคามการค้นพบในอนาคต
ในขณะที่เฉลิมฉลองความก้าวหน้านี้ ชุมชนต้องเผชิญกับความไม่แน่นอนเกี่ยวกับการสังเกตการณ์ในอนาคต การเสนอตัดงบประมาณอาจปิดหอดูดาวแห่งหนึ่งในสองแห่งของ LIGO ในสหรัฐอเมริกา ซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความสามารถในการระบุตำแหน่งเหตุการณ์ในอนาคตและลดความไวในการตรวจจับ ข้อเสนองบประมาณปัจจุบันของ NSF รวมถึงการลดลง 23% ที่อาจส่งผลต่อการวิจัยคลื่นโน้มถ่วงในขณะที่กำลังเข้าสู่ช่วงที่มีประสิทธิผลมากที่สุด
ความกังวลเรื่องเวลานี้เฉียบพลันเป็นพิเศษเมื่อพิจารณาว่า LIGO ได้ตรวจจับการรวมตัวของหลุมดำมากกว่า 200 ครั้งในการสังเกตการณ์ปัจจุบันเพียงอย่างเดียว โดยการตรวจจับแต่ละครั้งให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับปรากฏการณ์สุดขั้วของจักรวาล การสูญเสียความสามารถในการตรวจจับที่อาจเกิดขึ้นจะเป็นความพ่ายแพ้อย่างมีนัยสำคัญสำหรับดาราศาสตร์คลื่นโน้มถ่วงในช่วงเวลาสำคัญของการพัฒนา
อ้างอิง: LIGO Detects Most Massive Black Hole Merger to Date