สมาคมดาราศาสตร์ไทย

หลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่มีมวลมากที่สุด

หลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่มีมวลมากที่สุด

20 พ.ค. 2567
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
ห่างจากโลกออกไปเพียงไม่ถึงสองพันปีแสงในทิศทางของกลุ่มดาวนกอินทรี ยักษ์ล่องหนตนหนึ่งซุ่มซ่อนอยู่โดยไม่มีใครเห็นมาเป็นเวลานาน จนกระทั่งถูกตรวจพบโดยดาวเทียมไกอา โดยการช่วยเหลือของดาวฤกษ์ข้างเคียง

หลุมดำดวงนี้มีชื่อว่า ไกอาบีเอช 3 (Gaia BH3) หรือ บีเอช 3 (BH3) อยู่ห่างจากระบบสุริยะเพียง 1,924 ปีแสง ทำให้เป็นหลุมดำที่อยู่ใกล้ระบบสุริยะที่สุดเป็นอันดับสอง 

การค้นพบหลุมดำเพิ่มสักดวงอาจไม่ใช่เรื่องน่าแปลกอะไรนัก แต่การที่พบว่าหลุมดำดวงนี้อยู่ไม่ไกลจากโลก และมีมวลสูงที่สุดในบรรดาหลุมดำมวลดาวฤกษ์ทั้งหมด มันก็ชวนให้น่าตกใจไม่น้อย 

ภาพในจินตนาการของศิลปินของระบบดาวคู่ที่ดาวดวงหนึ่งคือดาวฤกษ์และอีกดวงหนึ่งคือหลุมดำ  (จาก International Gemini Observatory NOIRLab NSF AURA J. da Silva Spaceengine M. Zamani.)

หลุมดำมีสองจำพวกใหญ่ ๆ จำแนกตามย่านของมวล ได้แก่ หลุมดำมวลดาวฤกษ์ หลุมดำประเภทนี้มีมวลใกล้เคียงกับดาวฤกษ์มวลสูงทั่วไป และหลุมดำมวลยวดยิ่ง มีมวลสูงมากในระดับหลายล้านหรือหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ พบอยู่ตามใจกลางดาราจักรเกือบทุกดาราจักร

หลุมดำมวลดาวฤกษ์เกิดจากดาวฤกษ์ที่หมดอายุขัยยุบตัวลง หลุมดำประเภทนี้อาจมีมวลได้มากถึงราว 65 เท่าของดวงอาทิตย์

นักดาราศาสตร์ประเมินว่าในดาราจักรทางช้างเผือกของเรามีหลุมดำมวลดาวฤกษ์อยู่มากถึง 100 ล้านดวง แต่การค้นหาวัตถุชนิดนี้ทำได้ยากมาก เพราะหลุมดำไม่เปล่งแสง การค้นหาโดยการตรวจจับรังสีหรืออนุภาคจากหลุมดำโดยตรงจึงเป็นไปไม่ได้ การตรวจหาพบหลุมดำจึงต้องตรวจหาทางอ้อม วิธีหนึ่งคือตรวจหารังสีที่อยู่ใกล้หลุมดำ เมื่อมีสสารตกลงสู่หลุมดำ ขณะที่สสารใกล้ถึงปากเหวของหลุมดำจะมีความร้อนสูงและแผ่รังสีออกมาให้ตรวจจับได้ สสารดังกล่าวอาจเป็นเนื้อดาวจากดาวดวงอื่นที่บังเอิญผ่านมาใกล้ หรือมาจากดาวสหายในกรณีที่อยู่ในระบบดาวคู่ แต่หากไม่มีสสารใดมาป้อนสู่หลุมดำ หลุมดำก็จะอยู่ในสภาพจำศีล ไม่แผ่รังสีใด ๆ เลย จึงไม่มีทางตรวจพบด้วยวิธีนี้ได้ 

สำหรับหลุมดำจำศีล ก็ยังมีอีกหนทางที่จะตรวจหาได้หากหลุมดำดังกล่าวเป็นสมาชิกของระบบดาวคู่ หมายความว่ามีดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่งอยู่ไม่ไกลออกไป และทั้งสองก็โคจรรอบซึ่งกันและกัน เมื่อสังเกตผ่านกล้องโทรทรรศน์ จะมองเห็นดาวฤกษ์เพียงดวงเดียวกำลังโคจรรอบสิ่งที่มองไม่เห็นอยู่ ซึ่งตีความได้ว่าวัตถุที่มองไม่เห็นนั้นคือหลุมดำนั่นเอง 

เมื่อพบว่ามีดาวฤกษ์ที่กำลังโคจรรอบสิ่งที่มองไม่เห็น อาจหมายความว่าสิ่งที่มองไม่เห็นนั้นคือหลุมดำ (จาก ESO/L. Calçada)

หลุมดำไกอาบีเอช ก็ถูกค้นพบด้วยวิธีหลังนี้เอง โดยยานที่ชื่อว่า ไกอา

ไกอาเป็นหอสังเกตการณ์ลอยฟ้ายานที่โคจรรอบดวงอาทิตย์โดยอยู่ที่ตำแหน่งแอลสองของระบบโลก-ดวงอาทิตย์ เข้าประจำการมาตั้งแต่ปี 2556 ภารกิจของไกอาคือสร้างแผนที่สามมิติที่แสดงตำแหน่งของดาวในดาราจักรทางช้างเผือกด้วยความแม่นยำสูงที่สุดเท่าที่เคยมีการสร้างกันมา ยิ่งสำรวจเป็นเวลานานเท่าใด การวัดตำแหน่งก็ยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น

บีเอช เป็นสมาชิกของระบบดาวคู่ วัตถุทั้งสองอยู่ห่างจากกัน 16 เท่าของระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ โคจรรอบกันทุก 11.6 ปี และหลุมดำมีมวลประมาณ 32.7 มวลสุริยะ นับเป็นหลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่มีมวลมากที่สุดที่เคยพบในดาราจักรทางช้างเผือก 

เปรียบเทียบขนาดของหลุมดำไกอาบีเอช กับหลุมดำอีกสองดวงที่อยู่ใกล้โลก (จาก ESO/M. Kornmesser)

ดาวสหายของบีเอช เป็นดาวฤกษ์ขนาดเล็ก มีมวลราว 76 เปอร์เซ็นต์ของดวงอาทิตย์ แต่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ถึงห้าเท่า มีธาตุหนักน้อยมาก แสดงว่าดาวดวงนี้มีอายุมาก ธาตุในดาวเป็นธาตุรุ่นแรกที่เกิดขึ้นมาพร้อมเอกภพ และไม่พบว่ามีร่องรอยของธาตุจากดาวฤกษ์ที่เป็นต้นกำเนิดของหลุมดำบีเอช พามาขณะที่เกิดซูเปอร์โนวา นั่นแสดงว่าดาวทั้งสองเพิ่งมาโคจรรอบกันหลังจากที่หลุมดำเกิดขึ้นแล้ว

การที่หลุมดำมวลดาวฤกษ์ตรวจหาได้ยากมาก ทำให้จนถึงปัจจุบันมีหลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่พบและยืนยันได้ราว 20 ดวงเท่านั้น 

การค้นพบนี้ทำให้เกิดคำถามขึ้นมาว่า มีหลุมดำประเภทเดียวกันนี้อีกมากน้อยเพียงใด บีเอช คงจะไม่ใช่หลุมดำดวงสุดท้ายของไอกา นักดาราศาสตร์เชื่อว่าเมื่อข้อมูลจากไกอามีมากขึ้นและถูกนำมาวิเคราะห์มากขึ้น จะพบหลักฐานหลุมดำประเภทเดียวกันกับบีเอช อีกไม่น้อย