การใช้ข้อมูลกล้องโทรทรรศน์เก็บถาวร ราศีเมถุนเหนือนักดาราศาสตร์ตรวจวัดหลุมดำมวลมหาศาลคู่ที่หนักที่สุดเท่าที่เคยพบมา การรวมตัวกันของหลุมดำมวลมหาศาลสองหลุมเป็นปรากฏการณ์ที่มีการคาดการณ์มานานแล้ว แต่ไม่เคยสังเกตมาก่อน คู่ขนาดใหญ่นี้ให้เบาะแสว่าเหตุใดเหตุการณ์ดังกล่าวจึงดูไม่น่าเป็นไปได้ในจักรวาล
กาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่งมีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ที่ใจกลางของมัน เมื่อกาแลคซีสองแห่งมาบรรจบกัน หลุมดำของพวกมันจะก่อตัวเป็นคู่ไบนารี่ กล่าวคือ อยู่ในวงโคจรที่ถูกผูกไว้ซึ่งกันและกัน มีการตั้งสมมติฐานว่าคู่ไบนารีเหล่านี้ถูกกำหนดให้ผสานกันเมื่อเวลาผ่านไป แต่ก็ไม่เคยมีใครสังเกตเห็นมาก่อน คำถามที่ว่าเหตุการณ์ดังกล่าวเป็นไปได้หรือไม่นั้นเป็นประเด็นถกเถียงในหมู่นักดาราศาสตร์มานานหลายทศวรรษ
นักดาราศาสตร์ใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์เจมินีนอร์ธในฮาวาย ซึ่งเป็นหนึ่งในครึ่งหนึ่งของหอดูดาวนานาชาติเจมินีที่ดำเนินการโดย NOIRLab ของสถาบันฟิสิกส์แห่งชาติ เพื่อวิเคราะห์หลุมดำไบนารี่มวลมหาศาลที่อยู่ในกาแลคซีทรงรี B2 0402+379 มันเป็นหลุมดำไบนารี่มวลมหาศาลเพียงหลุมเดียวที่ได้รับการเห็นในรายละเอียดเพียงพอที่จะมองเห็นวัตถุทั้งสองแยกจากกัน และบันทึกระยะทางที่สั้นที่สุดที่วัดได้โดยตรงเพียง 24 ปีแสง แม้ว่าระยะใกล้ดังกล่าวถือเป็นการควบรวมกิจการที่ทรงพลัง แต่การตรวจสอบเพิ่มเติมเผยให้เห็นว่าทั้งคู่ติดอยู่ที่ระยะห่างนี้มานานกว่าสามพันล้านปี ซึ่งทำให้เกิดคำถาม: อะไรคือสาเหตุของความล่าช้า
เพื่อให้เข้าใจไดนามิกของระบบนี้และการควบรวมที่หยุดชะงักได้ดีขึ้น ทีมงานจึงหันไปใช้ข้อมูลที่เก็บถาวรจาก Gemini North Multi-Object Spectrograph (GMOS) ซึ่งช่วยให้พวกเขาสามารถระบุความเร็วของดาวฤกษ์ในบริเวณใกล้เคียงกับหลุมดำได้
Roger Romani ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและผู้ร่วมเขียนรายงานกล่าวว่า "ความไวที่น่าทึ่งของ GMOS ช่วยให้เราทำแผนที่ความเร็วที่เพิ่มขึ้นของดาวฤกษ์ขณะที่พวกมันเข้าใกล้ใจกลางกาแลคซีได้" ต้องขอบคุณสิ่งนี้ เราจึงสามารถสรุปเกี่ยวกับมวลรวมของหลุมดำที่มีอยู่ได้"
ทีมงานประเมินว่ามวลของหลุมดำไบนารี่มีค่าเป็น 28 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ทำให้ทั้งคู่เป็นหลุมดำไบนารีที่หนักที่สุดเท่าที่เคยวัดมา การวัดนี้ไม่เพียงแต่ให้บริบทที่มีคุณค่าสำหรับการก่อตัวของระบบดาวคู่และประวัติของดาราจักรเจ้าบ้านเท่านั้น แต่ยังยืนยันทฤษฎีที่มีมายาวนานว่ามวลของหลุมดำไบนารีมวลมหาศาลมีบทบาทสำคัญในการสกัดกั้นการควบรวมที่อาจเกิดขึ้น
"ที่เก็บข้อมูลของหอดูดาวนานาชาติเจมิไน ประกอบไปด้วยเหมืองทองคำของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่ยังไม่ได้ใช้" มาร์ติน สติล ผู้อำนวยการโครงการ NSF ของหอดูดาวนานาชาติเจมินี กล่าว การวัดมวลของหลุมดำไบนารี่มวลมหาศาลนี้เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากการวิจัยใหม่ที่กำลังตรวจสอบเอกสารสำคัญอันอุดมสมบูรณ์นี้
การทำความเข้าใจว่ารูปแบบดาวคู่นี้สามารถช่วยทำนายได้ว่ามันจะรวมกันหรือไม่และเมื่อใด เบาะแสหลายประการบ่งชี้ว่าทั้งคู่ก่อตัวขึ้นจากการรวมตัวกันของกาแลคซีหลายแห่ง ประการแรก B2 0402+379 เป็น "กระจุกฟอสซิล" ซึ่งเป็นผลมาจากการรวมตัวกันของดาวฤกษ์และก๊าซของกระจุกกาแลคซีทั้งหมดเป็นกาแลคซีขนาดใหญ่เพียงแห่งเดียว นอกจากนี้ การมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาล XNUMX หลุมเมื่อรวมกับมวลรวมขนาดใหญ่ของพวกมัน แสดงให้เห็นว่าพวกมันก่อตัวขึ้นจากการรวมตัวกันของหลุมดำขนาดเล็กกว่าหลายหลุมจากกาแลคซีต่างๆ
หลังจากการควบรวมกาแลคซี หลุมดำมวลมหาศาลจะไม่ชนกันแบบตรงหน้า แต่พวกมันกลับเริ่มบินผ่านกันและกันไปจนอยู่ในวงโคจรที่จำกัด ในแต่ละรอบ พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากหลุมดำไปยังดวงดาวที่อยู่รอบๆ เมื่อสูญเสียพลังงาน ทั้งคู่ก็ถูกดึงเข้ามาใกล้มากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งห่างกันหลายปีแสง ซึ่งรังสีความโน้มถ่วงเข้าครอบงำและรวมเข้าด้วยกัน กระบวนการนี้ถูกสังเกตโดยตรงในหลุมดำมวลดาวฤกษ์คู่หนึ่ง โดยตัวอย่างแรกถูกบันทึกในปี 2015 ด้วยการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง แต่ไม่เคยมีการสังเกตพบในระบบดาวคู่มวลยิ่งยวด
ด้วยความรู้ใหม่เกี่ยวกับมวลขนาดใหญ่มากของระบบ ทีมงานสรุปได้ว่าต้องใช้ดาวจำนวนมากมากในการชะลอวงโคจรของระบบดาวคู่ให้มากพอที่จะนำพวกมันเข้ามาใกล้กันมากขึ้น ในกระบวนการนี้ ดูเหมือนว่าหลุมดำจะผลักสสารรอบตัวเกือบทั้งหมดออกไป ทำให้แกนดาราจักรไม่มีดาวและก๊าซ เมื่อไม่มีวัตถุใดที่จะชะลอวงโคจรของทั้งคู่ได้อีก การควบรวมกิจการจึงหยุดชะงักในขั้นตอนสุดท้าย
“กาแลคซีที่มีคู่หลุมดำเบากว่าปกติดูเหมือนจะมีดาวฤกษ์และมวลมากพอที่จะมาบรรจบกันอย่างรวดเร็ว” โรมานีกล่าว “เนื่องจากคู่นี้มีน้ำหนักมาก จึงต้องใช้ดาวและแก๊สจำนวนมากเพื่อให้งานสำเร็จ แต่ระบบดาวคู่ได้เคลียร์กาแลคซีใจกลางของสสารดังกล่าว ปล่อยให้มันแข็งตัวและพร้อมสำหรับการศึกษาของเรา”
ไม่ว่าพวกเขาจะเอาชนะความซบเซาและรวมเข้าด้วยกันในล้านปีในที่สุดหรือคงอยู่ในบริเวณขอบวงโคจรตลอดไปก็ยังคงต้องรอดูกันต่อไป หากพวกมันรวมกัน คลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจะมีพลังมากกว่าคลื่นที่เกิดจากการรวมหลุมดำมวลดาวฤกษ์ถึง 100 ล้านเท่า
เป็นไปได้ว่าทั้งคู่สามารถเอาชนะระยะทางสุดท้ายนี้ผ่านการควบรวมกาแลคซีอีกครั้งหนึ่ง ซึ่งจะหายใจเอาวัสดุเพิ่มเติมเข้าสู่ระบบหรืออาจเป็นหลุมดำที่สาม เพื่อทำให้วงโคจรของทั้งคู่ช้าลงมากพอที่จะรวมเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาจากสถานะของ B2 0402+379 ในฐานะกระจุกฟอสซิลแล้ว การควบรวมกาแลคซีครั้งใหม่จึงไม่น่าเป็นไปได้
"เรากำลังรอคอยที่จะศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับแกนกลางของ B2 0402+379 ซึ่งเราจะเห็นว่ามันมีก๊าซอยู่เท่าใด" Tirth Surti นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและเป็นผู้เขียนรายงานฉบับนี้ กล่าว “นี่จะทำให้เราเข้าใจมากขึ้นว่าหลุมดำมวลมหาศาลสามารถรวมตัวกันเมื่อเวลาผ่านไปได้หรือไม่ หรือพวกมันจะยังคงเป็นระบบดาวคู่หรือไม่”
อ่าน: