สมาคมดาราศาสตร์ไทย

พบหลุมดำมวลต่ำที่สุด แค่ 3.3 มวลสุริยะ

พบหลุมดำมวลต่ำที่สุด แค่ 3.3 มวลสุริยะ

4 พ.ย. 2562
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
นักดาราศาสตร์คณะหนึ่ง ได้ค้นพบหลุมดำมวลดาวฤกษ์ดวงใหม่ที่มีมวลต่ำที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา และนับเป็นหลุมดำประเภทใหม่ที่มีการค้นพบเป็นครั้งแรกอีกด้วย

เมื่อดาวฤกษ์มวลสูงได้เผาผลาญเชื้อเพลิงไปจนหมด จะระเบิดออกเป็นซูเปอร์โนวาที่สว่างไสว แก่นดาวที่เหลือหลังจากการระเบิดจะยุบลงไปเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งอาจจะเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ

นักดาราศาสตร์พบหลุมดำมวลดาวฤกษ์มาแล้วหลายดวง ทั้งหมดมีมวลอยู่ในช่วง 5-15 มวลสุริยะ ส่วนดาวนิวตรอนก็พบจำนวนไม่น้อยเช่นกัน ส่วนใหญ่มีมวลไม่เกิน 2.1 มวลสุริยะ หากแก่นดาวที่ยุบตัวนั้นมีมวลเกิน 2.5 มวลสุริยะจะกลายเป็นหลุมดำ

ดาวยักษ์กับหลุมดำมวลต่ำที่โคจรรอบกันเป็นระบบดาวคู่ ตามจินตนาการของศิลปิน  (จาก Sci-News.com)


วิธีทั่วไปที่นักดาราศาสตร์ใช้ค้นหาหลุมดำที่อยู่ในดาราจักรทางช้างเผือกก็คือวัดความเข้มของรังสีเอกซ์ที่แผ่ออกมาจากบริเวณใกล้เคียงกับหลุมดำ 

ในปี 2560 หอสังเกตการณ์ไลโกได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากหลุมดำมวลประมาณ 31 มวลสุริยะชนเข้ากับหลุมดำมวล 25 มวลสุริยะ นับเป็นการค้นพบที่สั่นสะเทือนวงการดาราศาสตร์ที่สุดครั้งหนึ่ง ไม่เพียงแต่เป็นการพิสูจน์ว่าคลื่นความโน้มถ่วงมีจริง และหอสังเกตการณ์ไลโกทำงานได้จริงแล้ว ยังเป็นครั้งแรกที่พบหลุมดำที่มีมวลระดับหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้ย่านของมวลหลุมดำแผ่กว้างขึ้นไปอีก การวัดคลื่นความโน้มถ่วงจึงเป็นอีกวิธีหนึ่งในการค้นหาหลุมดำที่อยู่ห่างไกลระดับต่างดาราจักรได้ และเหมาะสำหรับการค้นหาหลุมดำที่มีมวลสูงมากระดับเป็นสิบเท่าของดวงอาทิตย์

อย่างไรก็ตาม ยังคงมีช่องว่างของช่วงมวลระหว่างหลุมดำที่มีมวลต่ำสุดกับดาวนิวตรอนที่มีมวลมากที่สุดอยู่ นักดาราศาสตร์ยังไม่เคยพบวัตถุมวลแน่นที่มีมวลอยู่ในช่วงดังกล่าวเลย

นักดาราศาสตร์กลุ่มหนึ่งที่นำโดย ศาสตราจารย์ทอดด์ ทอมป์สัน จากมหาวิทยาลัยโอไฮโอสเตต สงสัยว่าน่าจะมีหลุมดำที่มีมวลอยู่ในช่วงดังกล่าว แต่ตรวจไม่พบด้วยวิธีที่ใช้อยู่ในปัจจุบันเนื่องจากไม่แผ่รังสีใด ๆ ออกมา โดยสันนิษฐานว่าหลุมดำประเภทนี้น่าจะอยู่ในระบบดาวคู่ นั่นหมายความว่าประกอบด้วยหลุมดำหนึ่งดวงกับดาวฤกษ์อีกหนึ่งดวงโคจรรอบกันในระยะที่ห่างมากพอที่ดาวฤกษ์จะไม่ถูกหลุมดำสหายนั้นกลืนกินไป ซึ่งหลุมดำในระบบเช่นนี้จะไม่แผ่รังสีเอกซ์ออกมาให้ตรวจจับได้ 

ผังแสดงการวัดการเคลื่อนที่ของดาวโดยอาศัยหลักของการเลื่อนดอพเพลอร์ (จาก Las Cumbres Observatory)


เนื่องจากเป็นหลุมดำที่ไม่เปล่งรังสีใด ๆ การค้นหาหลุมดำนี้จึงใช้วิธีวัดรังสีโดยตรงไม่ได้ ต้องค้นหาทางอ้อมโดยมองหาดาวฤกษ์ที่มีการส่ายไปมาซึ่งเกิดจากความโน้มถ่วงของหลุมดำ

คณะของ ศ.ทอมป์สันจึงเริ่มค้นหาโดยอาศัยข้อมูลจากโครงการอะโพจี (APOGEE--Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) ซึ่งเป็นการบันทึกสเปกตรัมของดาวฤกษ์ประมาณ 100,000 ดวงในดาราจักรทางช้างเผือก ร่วมกับข้อมูลจากโครงการอัสแซสซิน (ASAS-SN -- All-Sky Automated Survey for Supernovae) สเปกตรัมของดาวจะบอกได้ว่าดาวดวงใดกำลังโคจรรอบวัตถุดวงอื่นหรือไม่ โดยสังเกตความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลง หากมีการเปลี่ยนแปลงไปมาเป็นรายคาบ ก็แสดงว่าดาวดวงนั้นกำลังโคจรรอบวัตถุดวงอื่นอยู่

ในจำนวนดาวแสนดวงนี้ พบว่ามีราวสองร้อยดวงที่น่าสนใจเป็นพิเศษ และดวงที่พิเศษที่สุดคือดาวที่มีชื่อว่า แมส เจ 05215658+4359220 (2MASS J05215658+4359220) ดาวดวงนี้อยู่ในห่างออกไป 12,068 ปีแสงในทิศทางของกลุ่มดาวสารถี เป็นดาวยักษ์ที่ดูเหมือนกับกำลังโคจรรอบวัตถุมวลสูงที่มองไม่เห็นอยู่ด้วยคาบ 83 วัน

เมื่อคำนวณหามวลของวัตถุที่มองไม่เห็นนี้พบว่ามีมวล 3.3 มวลสุริยะ หรืออย่างต่ำที่สุดก็ไม่น้อยกว่า 2.6 มวลสุริยะ ซึ่งเท่ากับมวลสูงสุดของดาวนิวตรอนเท่าที่เป็นได้ในทางทฤษฎี ดังนั้นวัตถุนี้ หากเป็นดาวนิวตรอน ก็จะเป็นดาวนิวตรอนที่มีมวลมากที่สุดเท่าที่เคยพบ หรืออีกทางหนึ่งที่เป็นไปได้มากกว่าก็คือ เป็นหลุมดำมวลต่ำที่มีมวลอยู่ในย่านที่ไม่เคยมีใครเคยตรวจพบมาก่อน 

หากวัตถุดังกล่าวเป็นหลุมดำจริง ก็ยังเป็นการพิสูจน์ว่าวิธีการค้นหาหลุมดำโดยการวัดการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ในระบบดาวคู่นี้ได้ผลจริงอีกด้วย