นักดาราศาสตร์ไขปริศนาจักรวาล สำเร็จ! ภาพหลุมดำคู่แรกยืนยันทฤษฎีเก่าแก่หลายสิบปี

เป็นเวลากว่าสี่ทศวรรษที่นักดาราศาสตร์ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับการมีอยู่ของระบบหลุมดำมวลยวดยิ่งคู่ แต่หลักฐานภาพโดยตรงยังคงหายาก จนตอนนี้ชุมชนวิทยาศาสตร์กำลังตื่นเต้นกับการค้นพบครั้งใหญ่เมื่อนักวิจัยสามารถจับภาพยืนยันครั้งแรกของหลุมดำสองหลุมโคจรรอบกันในควาซาร์ OJ287 ซึ่งอยู่ห่างออกไปห้าพันล้านปีแสง ความก้าวหน้าครั้งนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันสมมติฐานอายุ 40 ปี แต่ยังให้ข้อมูลสำคัญเพื่อตอบคำถามที่น่าสนใจที่สุดข้อหนึ่งในวงการดาราศาสตร์: หลุมดำมวลยวดยิ่งแก้ปัญหาช่องว่างพาร์เซกสุดท้ายได้อย่างไรเพื่อที่จะรวมตัวกันในที่สุด

การโคจรระวังของยักษ์ใหญ่แห่งจักรวาล

ภาพที่เปิดเผยใหม่แสดงจุดสว่างสองจุดแทนการปล่อยไอพ้นของอนุภาคพลังงานสูงจากหลุมดำ โดยหลุมดำขนาดใหญ่มีมวลประมาณ 18,000 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และคู่หูขนาดเล็กมีมวล 150 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ สิ่งที่ทำให้ระบบนี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับนักดาราศาสตร์คือคาบการโคจร 12 ปี ซึ่งการอภิปรายในชุมชนเผยให้เห็นถึงพลวัตที่น่าทึ่ง หลุมดำขนาดเล็กโคจรด้วยความเร็วสูงถึง 24.5% ของความเร็วแสงในช่วงที่เข้าใกล้ที่สุด สร้างผลเชิงสัมพัทธภาพที่นักวิทยาศาสตร์กำลังเริ่มทำความเข้าใจ

ระบบ OJ287 นี้ อาจเป็นระบบที่สำคัญที่สุดที่เรามีสำหรับการทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นกับหลุมดำมวลยวดยิ่งหลังการรวมตัวของกาแล็กซี นี่คือสิ่งที่เรียกว่า 'ปัญหาช่องว่างพาร์เซกสุดท้าย'

ความสำคัญของ OJ287 ไปไกลกว่าแค่การพิสูจน์ว่าหลุมดำคู่มีอยู่จริง ดังที่การอภิปรายในชุมชนได้เน้นย้ำ ระบบนี้เป็นห้องปฏิบัติการธรรมชาติสำหรับศึกษาว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งวิวัฒนาการอย่างไรหลังจากกาแล็กซีปะทะกัน เมื่อกาแล็กซีสองแห่งรวมตัว หลุมดำศูนย์กลางของพวกมันควรจะโคจรเข้าใกล้กันและรวมตัวในที่สุด แต่นักดาราศาสตร์ยังคงดิ้นรนเพื่ออธิบายว่าพวกมันข้ามช่องว่างพาร์เซกสุดท้ายได้อย่างไร

ลักษณะของระบบหลุมดำคู่ OJ287:

การแก้ปริศนาพาร์เซกสุดท้าย

ระบบ OJ287 ให้เบาะแสสำคัญในการแก้สิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่าปัญหาช่องว่างพาร์เซกสุดท้าย แบบจำลองทางทฤษฎีทำนายว่าเมื่อหลุมดำมวลยวดยิ่งสองหลุมเข้าใกล้กันในระยะประมาณหนึ่งพาร์เซก พวกมันจะใช้ดาวฤกษ์บริเวณใกล้เคียงซึ่งช่วยลดวงโคจรผ่านแรงเสียดทานเชิงพลวัตจนหมด สิ่งนี้ควรทำให้การสลายตัวของวงโคจรชะลอตัว ป้องกันไม่ให้หลุมดำเข้าใกล้พอที่คลื่นความโน้มถ่วงจะเข้ามามีบทบาทและทำให้การรวมตัวสมบูรณ์ อย่างไรก็ดี เนื่องจากเราสังเกตเห็นกาแล็กซีที่รวมตัวแล้วทั่วทั้งจักรวาล จึงต้องมีกลไกบางอย่างที่เชื่อมช่องว่างนี้

การวิเคราะห์ในชุมชนชี้ให้เห็นว่าการศึกษารายละเอียดของวงโคจร OJ287 อาจเผยให้เห็นฟิสิกส์ที่ขาดหายไป ระบบนี้แสดงให้เห็นหลุมดำขนาดเล็กพุ่งผ่านจานสะสมมวลของหลุมดำที่ใหญ่กว่าสองครั้งในทุกคาบการโคจร 12 ปี สร้างการลุกจ้าอันน่าตื่นตาตื่นใจและอาจให้กลไกเพิ่มเติมสำหรับการสูญเสียพลังงานวงโคจร ผู้แสดงความคิดเห็นบางคนตั้งสมมติฐานว่าก๊าซระหว่างดาว แทนที่จะเป็นเพียงดาวฤกษ์ อาจช่วยกระจายโมเมนตัมได้ แม้ว่าคนอื่นๆ จะตั้งข้อสังเกตว่าอาจไม่มีมวลของก๊าซเพียงพอเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ที่จะสร้างความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ

คำศัพท์ทางดาราศาสตร์ที่สำคัญ:

• ปัญหา Last Parsec: ความท้าทายทางทฤษฎีที่อธิบายว่าหลุมดำมวลมหาศาลเอาชนะระยะห่างสุดท้ายที่เหลือหนึ่ง parsec เพื่อรวมตัวกันได้อย่างไร หลังจากการชนกันของกาแล็กซี
• Quasar: แกนกาแล็กซีที่มีความเคลื่อนไหวสูงและส่องสว่างจ้ามาก ซึ่งได้รับพลังงานจากการสะสมมวลสารเข้าสู่หลุมดำมวลมหาศาล
• รัศมี Schwarzschild: ระยะทางจากจุดศูนย์กลางของหลุมดำที่ความเร็วหลุดพ้นเท่ากับความเร็วแสง
• Micro-arcsecond: หน่วยวัดมุมที่เท่ากับหนึ่งในล้านของ arcsecond ใช้สำหรับการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ต้องการความแม่นยำสูงมาก

ความสำเร็จทางเทคนิคเบื้องหลังการค้นพบ

การจับภาพนี้ต้องใช้ความสำเร็จทางเทคโนโลยีที่พิเศษมาก ทีมวิจัยใช้ข้อมูลจากดาวเทียม RadioAstron ซึ่งมีเสาอากาศยาวเกือบครึ่งหนึ่งของระยะระหว่างโลกกับดวงจันทร์ ให้ความละเอียดสูงกว่ากล้องโทรทรรศน์บนโลกประมาณ 100,000 เท่า การใช้ดาราศาสตร์วิทยุจากอวกาศนี้มีความสำคัญเนื่องจากข้อสังเกตการณ์จากพื้นโลกขาดความละเอียดที่จะแยกหลุมดำทั้งสองออกจากกัน ความแม่นยำที่ต้องการนั้นสูงมากในความหมายตามตัวอักษร - ระยะห่างระหว่างหลุมดำวัดได้เพียง 20 ไมโครอาร์ควินาที ซึ่งเป็นมุมที่เล็กมากเทียบเท่ากับการมองเห็นเหรียญบนดวงจันทร์จากโลก

การค้นพบนี้ยังเปิดเผยปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิด รวมถึงไอพ้นบิดเกลียวจากหลุมดำขนาดเล็กซึ่งมีพฤติกรรมเหมือนสายยางรดน้ำที่กำลังหมุน นักวิทยาศาสตร์ระบุว่ามาจากการเคลื่อนที่ในวงโคจรของหลุมดำที่ส่งผลต่อวิถีของไอพ้นเมื่อเวลาผ่านไป การสังเกตการณ์ในอนาคตจะติดตามว่าทิศทางของไอพ้นนี้เปลี่ยนแปลงอย่างไรในขณะที่หลุมดำยังคงการเคลื่อนที่ระวังของจักรวาลต่อไป ให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับพลวัตของระบบ

ผลกระทบต่อวิวัฒนาการของกาแล็กซีและอื่นๆ

การยืนยันระบบหลุมดำคู่นี้มีนัยสำคัญอย่างลึกซึ้งต่อความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิวัฒนาการของกาแล็กซี เนื่องจากกาแล็กซีขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ถูกคิดว่าผ่านการรวมตัวมาตลอดประวัติศาสตร์ของจักรวาล ระบบหลุมดำคู่ควรจะเป็นเรื่องปกติ แต่กลับตรวจจับได้ยากจนถึงตอนนี้ ระบบ OJ287 แสดงให้เห็นว่าคู่เช่นนี้สามารถมีอยู่ได้ในวงโคจรที่เสถียรเป็นเวลานาน และการรวมตัวของพวกมันในที่สุดผ่านการปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงแสดงถึงหนึ่งในเหตุการณ์ที่มีพลังมากที่สุดในจักรวาล

ชุมชนยังได้บันทึกความเป็นไปได้ที่น่าสนใจนอกเหนือจากดาราศาสตร์ล้วนๆ ผู้แสดงความคิดเห็นหนึ่งคนสังเกตว่าระบบเช่นนี้ในทางทฤษฎีอาจทำให้อารยธรรมสามารถปล่อยยานอวกาศด้วยความเร็วเศษส่วนสำคัญของความเร็วแสงโดยใช้การเหวี่ยงด้วยความโน้มถ่วงได้ แม้ว่าการเบรกที่จุดหมายจะมีความท้าทายอย่างมาก คนอื่นๆ ตื่นตะลึงกับสภาพแวดล้อมฟิสิกส์สุดขั้ว ซึ่งหลุมดำขนาดเล็กโคจรด้วยความเร็วเกือบหนึ่งในสี่ของความเร็วแสง สร้างผลการยืดเวลาอย่างมากและโอกาสพิเศษในการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปภายใต้สภาวะสุดขั้ว

การค้นพบธรรมชาติของระบบคู่ใน OJ287 เป็นจุดหมายสำคัญในฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ให้ทั้งการยืนยันทฤษฎีที่มีมายาวนานและปริศนาใหม่ให้แก้ไข ในขณะที่นักดาราศาสตร์ยังคงติดตามระบบนี้ผ่านวงจรการโคจร 12 ปี พวกเขาคาดว่าจะรวบรวมข้อมูลรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของหลุมดำ ซึ่งอาจเผยให้เห็นกลไกลึกลับที่แก้ปัญหาช่องว่างพาร์เซกสุดท้ายและอธิบายว่ายักษ์ใหญ่แห่งจักรวาลเหล่านี้มารวมตัวกันได้อย่างไรในที่สุด

อ้างอิง: Scientists capture first image of two black holes in orbit