การรวมตัวของหลุมดำขนาดมหาศาลท้าทายแบบจำลองทางฟิสิกส์ จุดประกายการถักเถียงเกี่ยวกับทฤษฎีการก่อตัว

การตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงจากการรวมตัวของหลุมดำครั้งล่าสุดได้ส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อชุมชนวิทยาศาสตร์ ไม่เพียงแต่เพราะขนาดที่ทำลายสถิติเท่านั้น แต่ยังท้าทายความเข้าใจพื้นฐานของเราเกี่ยวกับวิธีที่ยักษ์ใหญ่ในจักรวาลเหล่านี้สามารถมีอยู่ได้ การรวมตัวที่มีชื่อเรียกว่า GW231123 ได้สร้างหลุมดำขั้นสุดท้ายที่มีมวลประมาณ 225 เท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นขนาดที่แบบจำลองวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าไม่น่าจะเป็นไปได้ผ่านกระบวนการก่อตัวของดาวแบบดั้งเดิม

ข้อมูลจำเพาะของการรวมตัว:

• การกำหนดเหตุการณ์: GW231123 (ตรวจพบเมื่อวันที่ 23 พฤศจิกายน 2023)
• มวลหลุมดำสุดท้าย: ~225 มวลดวงอาทิตย์
• มวลหลุมดำเดิม: 137 และ 103 มวลดวงอาทิตย์
• มวลที่แปลงเป็นพลังงาน: ~15 มวลดวงอาทิตย์
• ระยะเวลาการปลดปล่อยพลังงาน: 0.1 วินาที
• ผู้ถือสถิติเดิม: GW190521 (~140 มวลดวงอาทิตย์)

ปริศนาช่องว่างของมวล

ชุมชนวิทยาศาสตร์กำลังต่อสู้กับสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่าปัญหาช่องว่างของมวล ทฤษฎีปัจจุบันทำนายว่าหลุมดำที่เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ควรจะมีขนาดเล็กกว่าหรือใหญ่กว่ามวล 225 เท่าของดวงอาทิตย์ที่สังเกตได้มาก สิ่งนี้ทำให้การรวมตัวที่เพิ่งตรวจพบอยู่ในเขตต้องห้ามที่หลุมดำตามทฤษฎีไม่ควรมีอยู่ หลุมดำเดิมทั้งสองดวงที่มีน้ำหนัก 137 และ 103 เท่าของดวงอาทิตย์ตามลำดับ ล้วนเป็นปัญหาสำหรับแบบจำลองการก่อตัวที่มีอยู่

ปัญหานี้เกิดจากความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการตายของดาวและการเกิดของหลุมดำ ดาวที่มีมวลมากที่สุดที่เรารู้จักแทบจะไม่สามารถไปถึงมวลเหล่านี้ได้ และมีความหายากมากพร้อมอายุขัยที่สั้นมาก ความหายากนี้ทำให้ความน่าจะเป็นที่หลุมดำขนาดใหญ่สองดวงจะก่อตัวใกล้กันพอที่จะรวมตัวกันในที่สุดมีค่าเข้าใกล้ศูนย์ภายใต้แบบจำลองปัจจุบัน

ความท้าทายทางทฤษฎี:

• ปัญหาช่องว่างมวล: 225 มวลดวงอาทิตย์ตกอยู่ในเขตต้องห้ามทางทฤษฎี
• ขีดจำกัดการก่อตัวของดาวฤกษ์: ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากที่สุดที่รู้จักแทบจะไม่ถึงมวลเหล่านี้
• ทฤษฎีการก่อตัวอยู่ระหว่างการทบทวน: การยุบตัวของดาวฤกษ์โดยตรง เทียบกับ สถานการณ์การรวมตัวหลายครั้ง
• คำอธิบายทางเลือก: หลุมดำดั้งเดิม ดาวฤกษ์ประชากรที่ III หรือกลไกการก่อตัวที่ไม่รู้จัก

มุมมองของชุมชนเกี่ยวกับเส้นทางการก่อตัว

การอภิปรายทางวิทยาศาสตร์มุ่งเน้นไปที่คำอธิบายที่เป็นไปได้หลายประการสำหรับความผิดปกตินี้ ทฤษฎีหลักหนึ่งชี้ให้เห็นว่าสิ่งเหล่านี้อาจเป็นหลุมดำรุ่นที่สองหรือสาม ที่เกิดจากการรวมตัวก่อนหน้านี้ของหลุมดำขนาดเล็กกว่าแทนที่จะเป็นการยุบตัวของดาวโดยตรง อย่างไรก็ตาม คำอธิบายนี้มาพร้อมกับความท้าทายของตัวเอง เนื่องจากต้องการเหตุการณ์การรวมตัวที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นหลายครั้งในบริเวณที่ค่อนข้างใกล้กัน

ความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งที่น่าสนใจเกี่ยวข้องกับหลุมดำดั้งเดิม ซึ่งเป็นวัตถุเชิงทฤษฎีที่เกิดขึ้นในจักรวาลยุคแรกจากความผันผวนของความหนาแน่นแทนที่จะเป็นการยุบตัวของดาว หลุมดำโบราณเหล่านี้อาจมีการกระจายมวลที่แตกต่างจากหลุมดำที่เกิดจากดาว ซึ่งอาจอธิบายขนาดที่ไม่คาดคิดที่สังเกตได้

ฟิสิกส์ของการรวมตัวของหลุมดำ

กระบวนการรวมตัวเองได้จุดประกายการอภิปรายที่น่าสนใจเกี่ยวกับธรรมชาติของอวกาศและเวลา ในช่วงเวลาสุดท้ายของการชน พลังงานที่มีมวลประมาณ 15 เท่าของดวงอาทิตย์ได้ถูกแปลงเป็นคลื่นแรงโน้มถ่วงในเวลาเพียงหนึ่งในสิบของวินาที การปลดปล่อยพลังงานที่น่าทึ่งนี้แสดงให้เห็นถึงฟิสิกส์ที่รุนแรงที่เกิดขึ้นเมื่อวัตถุขนาดใหญ่เหล่านี้หมุนเข้าหากัน

แบบจำลองถูกจำกัดด้วยสิ่งที่รู้จักในเวลาที่สร้างขึ้น แบบจำลองที่ขัดแย้งกับการสังเกตที่มีอยู่จะถูกทิ้ง ในขณะที่แบบจำลองที่ไม่ขัดแย้งจะได้รับการตีพิมพ์

การตรวจจับนี้ยังทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับวิธีการสังเกตและกรอบทฤษฎีของเรา การตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงใหม่แต่ละครั้งดูเหมือนจะท้าทายแบบจำลองที่มีอยู่ ชี้ให้เห็นว่าความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของหลุมดำอาจต้องการการแก้ไขอย่างมีนัยสำคัญ

ความสามารถในการตรวจจับ:

• เครื่องตรวจจับหลัก: LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)
• ความร่วมมือระหว่างประเทศ: LIGO , Virgo (อิตาลี) และ KAGRA (ญี่ปุ่น)
• การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรก: ปี 2015
• วิธีการตรวจจับ: การวัดแทรกสอดคลื่นความโน้มถ่วง
• ความเร็วในการเดินทางของสัญญาณ: ความเร็วแสง

ทิวทัศน์อันน่าทึ่งของ Trifid และ Lagoon Nebulas ซึ่งเป็นสัญลักษณ์ของความงามและความซับซ้อนของจักรวาล

ผลกระทบต่อจักรวาลวิทยา

การค้นพบนี้มีผลกระทบในวงกว้างนอกเหนือจากฟิสิกส์หลุมดำเท่านั้น หากการรวมตัวขนาดใหญ่เหล่านี้พบได้บ่อยกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ อาจส่งผลต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวของกาแล็กซี การกระจายตัวของสสารมืด และโครงสร้างโดยรวมของจักรวาล การมีอยู่ของหลุมดำมวลปานกลางเหล่านี้เติมเต็มช่องว่างในบัญชีจักรวาลของเราและอาจช่วยอธิบายว่าหลุมดำขนาดมหาศาลที่ศูนย์กลางกาแล็กซีเติบโตใหญ่อย่างรวดเร็วในจักรวาลยุคแรกได้อย่างไร

การถกเถียงที่กำลังดำเนินอยู่เน้นย้ำให้เห็นว่าดาราศาสตร์คลื่นแรงโน้มถ่วงยังคงปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับจักรวาล เมื่อวิธีการตรวจจับดีขึ้นและสังเกตเหตุการณ์มากขึ้น เราอาจต้องคิดใหม่โดยพื้นฐานเกี่ยวกับแบบจำลองวิวัฒนาการของดาวและการก่อตัวของหลุมดำ ดูเหมือนว่าจักรวาลจะซับซ้อนและน่าประหลาดใจกว่าแม้แต่ทฤษฎีที่ซับซ้อนที่สุดของเราที่ทำนายไว้

อ้างอิง: Astronomers Detect a Black Hole Merger That's So Massive It Shouldn't Exist

ภาพระยะใกล้ของหลุมอุกกาบาตบนดาว Mars ที่แสดงถึงการสำรวจปรากฏการณ์ในจักรวาลและความลึกลับของเอกภพ