อวกาศ : หลุมดำมวลยิ่งยวดไม่จำเป็นต้องเกิดจากซูเปอร์โนวาเสมอไป

  • 8 กรกฎาคม 2019
ภาพจำลองเควซาร์ซึ่งเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ทำให้ใจกลางดาราจักรส่องสว่างเจิดจ้า เควซาร์ส่วนมากมีอายุเก่าแก่โดยเกิดขึ้นไม่เกิน 800 ล้านปีหลังบิ๊กแบง Image copyright NASA/CIS
คำบรรยายภาพ ภาพจำลองเควซาร์ซึ่งเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ทำให้ใจกลางดาราจักรส่องสว่างเจิดจ้า เควซาร์ส่วนมากมีอายุเก่าแก่โดยเกิดขึ้นไม่เกิน 800 ล้านปีหลังบิ๊กแบง

ปริศนาที่มีมานานของวงการฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ซึ่งว่าด้วยกำเนิดของหลุมดำมวลยิ่งยวดอายุเก่าแก่ที่ก่อตัวหลังยุคแรกเริ่มของจักรวาลไม่นานนั้น เพิ่งได้รับคำอธิบายที่ให้ความกระจ่างเพิ่มขึ้นในอีกขั้นหนึ่งแล้ว

ศาสตราจารย์ศานตนุ ภสุ และศาสตราจารย์อาร์ปัน ดาส จากมหาวิทยาลัยเวสเทิร์นของสหรัฐฯ ตีพิมพ์รายงานที่อธิบายถึงปรากฎการณ์ดังกล่าวลงในวารสาร The Astrophysical Journal Letters โดยชี้ว่าหลุมดำชนิดนี้เกิดและโตขึ้นอย่างรวดเร็วเหลือเชื่อด้วยเงื่อนไขพิเศษ คือไม่ได้ผ่านขั้นตอนการระเบิดของดาวฤกษ์หรือซูเปอร์โนวา (Supernova) ในแบบเดียวกับหลุมดำโดยทั่วไป

ตามปกติแล้วหลุมดำมักเป็นผลพวงจากการที่ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่สิ้นอายุขัย โดยเมื่อเชื้อเพลิงที่แกนกลางของดาวฤกษ์ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์อย่างน้อย 5 เท่าหมดลง แรงดันจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่ออกสู่ภายนอกจะเริ่มอ่อนล้า และแพ้ให้กับแรงโน้มถ่วงจากมวลของดาวฤกษ์เองซึ่งมีทิศทางตรงกันข้าม ทำให้เกิดการระเบิดอย่างรุนแรงหรือซูเปอร์โนวาขึ้น แล้วยุบตัวกลายเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำในที่สุด

เดิมทีนั้นนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดทั้งหมดถือกำเนิดขึ้นโดยวิธีนี้ และค่อย ๆ ขยายขนาดใหญ่ขึ้นจากการดูดกลืนมวลสารในอวกาศโดยรอบ ซึ่งกระบวนการนี้ต้องใช้เวลายาวนานหลายพันล้านปี ทำให้เกิดข้อสงสัยตามมาว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดอายุเก่าแก่ซึ่งถือกำเนิดและโตขึ้นอย่างรวดเร็ว ก่อนที่จะหยุดการขยายตัวอย่างฉับพลันในช่วงไม่เกิน 800 ล้านปีหลังเหตุการณ์บิ๊กแบงนั้น ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีการเดียวกัน

Image copyright TACC/UT- AUSTIN
คำบรรยายภาพ แบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นรูปทรงของกลุ่มก๊าซมวลมหาศาลในยุคต้นของจักรวาล ซึ่งเป็นเสมือน "เมล็ดพันธุ์" ที่พร้อมให้กำเนิดหลุมดำด้วยวิธียุบตัวอย่างฉับพลัน

ก่อนหน้านี้มีข้อสันนิษฐานว่า หลุมดำขนาดยักษ์จากยุคโบราณเหล่านี้อาจเกิดขึ้นได้ โดยไม่ต้องผ่านขั้นตอนการเป็นดาวฤกษ์และระเบิดแบบซูเปอร์โนวามาก่อน แต่สามารถเกิดจาก "การยุบตัวโดยตรง" (Direct collapse) ของกลุ่มเมฆก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมที่สะสมตัวจนหนาแน่นสูงและมีมวลมหาศาลได้

เมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมามีการค้นพบหลุมดำมวลยิ่งยวดอายุเก่าแก่ถึง 83 แห่งที่เข้าข่ายว่าจะเป็นวัตถุอวกาศประเภทนี้ ส่วนเมื่อปี 2017 ก็มีการค้นพบเควซาร์ (Quasar) หรือหลุมดำมวลยิ่งยวดอายุเก่าแก่ที่ทำให้ใจกลางดาราจักรกัมมันต์ส่องแสงสว่างเจิดจ้า ซึ่งเควซาร์แห่งนี้ถือกำเนิดขึ้นหลังเหตุการณ์บิ๊กแบงผ่านไปได้เพียง 690 ล้านปีเท่านั้น

ศ. ภสุ และศ. ดาส ได้ใช้การคำนวณและแบบจำลองคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่า การยุบตัวโดยตรงอย่างฉับพลันของกลุ่มก๊าซยุคโบราณขนาดมหึมา สามารถจะให้กำเนิดหลุมดำที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายพันล้านเท่าภายในช่วงเวลาระยะสั้น ๆ ได้ ซึ่งกระบวนการนี้เป็นไปตามหลักขีดจำกัดเอ็ดดิงตัน (Eddington limit) ที่ระบุว่าสมดุลระหว่างพลังการแผ่รังสีออกสู่ภายนอกและแรงโน้มถ่วงที่มุ่งเข้าสู่ภายใน มีบทบาทกำหนดระดับการส่องสว่างสูงสุดของวัตถุอวกาศ หรือในที่นี้คืออัตราการเติบโตสูงสุดของหลุมดำยุคโบราณได้

ศ. ภสุอธิบายเพิ่มเติมว่า "หลักการนี้เปิดโอกาสให้หลุมดำมวลยิ่งยวดที่เกิดขึ้นในยุคต้นของกำเนิดจักรวาลสะสมมวลและเติบโตขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ก่อนที่กระบวนการนี้จะสะดุดหยุดลงอย่างฉับพลันหลังจากนั้นไม่นาน เนื่องจากอิทธิพลการแผ่รังสีของดาวฤกษ์และหลุมดำอื่น ๆ ในห้วงอวกาศ"

อ่านข่าวนี้เพิ่มเติม