เจ็ตของหลุมดำคือลำแสงรังสีเอกซ์พลังงานสูงที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของอิเล็กตรอนขณะเคลื่อนที่รอบหลุมดำด้วยความเร็วสูง แต่กลไกที่ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านั้นผลิตรังสีเอกซ์พลังงานสูงได้นั้นยังคงเป็นที่ถกเถียงกันมาหลายทศวรรษ จนกระทั่งมีการสังเกตการณ์ระยะยาวครั้งล่าสุดของ IXPE นี้

เจ็ตของหลุมดำคือรังสีเอกซ์พลังงานสูงมากที่เกิดจากการปลดปล่อยพลังงานของสสารที่กำลังโคจรรอบจานพอกพูนมวลและกำลังตกลงไปในหลุมดำ เจ็ตของหลุมดำคือหนึ่งในปริศนาที่มีการถกเถียงมาตั้งแต่เมื่อราว 100 ปีก่อนแล้ว มนุษย์สังเกตเจ็ตของหลุมดำได้ครั้งแรกเมื่อปี 1918 เฮเบอร์ เคอร์ติส (Heber Curtis) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันจากหอดูดาวลิก (Lick Observatory) พบลำแสงประหลาดพุ่งออกมาจากใจกลางกาแล็กซีระหว่างการศึกษากาแล็กซี M87 (Messier 87) ซึ่งเคอร์ติสและนักดาราศาสตร์ในยุคนั้นยังไม่ทราบว่ามันคืออะไร เนื่องจากว่ายังไม่มีทฤษฎีหลุมดำ

ภาพถ่ายเจ็ตที่พุ่งออกมาจากหลุมดำใจกลางกาแลกซี่ M87 ที่โด่งดังโดยถูกถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ภาพจาก NASA

เราทราบว่าเจ็ตของหลุมดำจะพวยพุ่งออกจากด้านบนและด้านล่างของหลุมดำ ตั้งฉากกับจานพอกพูนมวล ลำแสงพุ่งทะยานออกจากหลุมดำในทิศทางเดียวคล้ายกับลำแสงเลเซอร์ โดยฟุ้งออกไปรอบ ๆ เช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดแสงอื่น ๆ เนื่องมาจากด้านบนและด้านล่างของหลุมดำเป็นบริเวณที่มีสสารอยู่น้อยที่สุดและสภาพของสนามแม่เหล็กที่ถูกบิดเป็นเกลียวทำให้ลำแสงที่พุ่งทะยานออกมาถูกบิดไปด้วย การบิดเกลียวนี้ทำให้แสงพุ่งออกไปในทิศทางเดียวและไม่ฟุ้งกระจายออกไปรอบนอกคล้ายกับแสงเลเซอร์

เราทราบว่าลำแสงที่พุ่งออกมาเป็นเจ็ตของหลุมดำนี้เป็นลำแสงในย่านรังสีเอกซ์ที่ต้องเกิดจากอิเล็กตรอนปลดปล่อยพลังงานออกมา แต่เรากลับไม่ทราบแน่ชัดว่ารังสีเอกซ์พลังงานสูงเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร อะไรเป็นเหมือนจุดเริ่มต้นหรือชนวนที่ทำให้เกิดลำแสงเหล่านี้ ก่อนหน้านี้มีสมมติฐานหลัก ๆ คือกระบวนการที่เรียกว่า Inverse Compton Scattering ซึ่งอนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูงไปชนกับโฟตอน (อนุภาคแสง) ที่มีพลังงานต่ำกว่า (Seed Photons) แล้วทำให้โฟตอนเหล่านั้นกลายเป็นรังสีเอกซ์ แต่คำถามสำคัญคือ โฟตอนพลังงานต่ำเหล่านั้นมาจากไหน?

นักวิทยาศาสตร์สร้างคำอธิบายไว้อยู่สองชุด ทฤษฎีแรกคือ Synchrotron Self-Compton (SSC) โฟตอนพลังงานต่ำเกิดขึ้นภายในลำพ่น ทฤษฎีที่สองคือ External Compton (EC) โฟตอนแรกเริ่มมาจากแหล่งภายนอกอย่างจานพอกพูนมวลของหลุมดำ

ภาพถ่ายของ 3C 84 จากการรวมภาพของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ IXPE และจันทราเข้าด้วยกัน ภาพจาก NASA

ด้วยความสงสัยนี้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ IXPE ในการส่องเข้าไปภายในกระจุกกาแล็กซีเพอร์ซิอัส (Perseus Cluster) ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 230 ล้านปีแสง มีเป้าหมายคือ กาแล็กซี 3C 84 (หรือที่รู้จักในชื่อ Perseus A) กาแล็กซีนี้มีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ตรงกลางและมีการพ่นลำอนุภาคพลังงานสูงออกมาเป็นจำนวนมาก การสังเกตการณ์ครั้งนี้เกิดขึ้นในช่วงต้นปี 2024 กินระยะเวลาสังเกตยาวนานถึง 600 ชั่วโมง หรือเทียบเท่า 25 วัน ซึ่งเป็นการสังเกตการณ์วัตถุบนท้องฟ้าตำแหน่งเดียวต่อเนื่องยาวนานที่สุด

ข้อมูลที่ได้รับจาก IXPE แสดงให้เห็นว่ารังสีเอกซ์จาก 3C 84 มีโพลาไรเซชันในระดับที่สอดคล้องกับแสงในช่วงคลื่นวิทยุและแสงที่ตามองเห็น และเป็นการยืนยันว่ารังสีเอกซ์มีต้นกำเนิดมาจากกระบวนการ Synchrotron Self-Compton ซึ่งมันแสดงให้เราเห็นว่าหลุมดำสามารถสร้างแสงขึ้นมาได้ด้วยตัวเองโดยไม่ต้องพึ่งพาสิ่งอื่นเลย

เพื่อให้ได้ข้อสรุปที่แม่นยำและชัดเจนขึ้น อนาคตจะมีการใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราและ NuSTAR ศึกษาหลุมดำอื่น ๆ ด้วยเพื่อแยกสัญญาณรังสีเอกซ์ที่มาจากลำพ่นของหลุมดำกับก๊าซร้อนจัดที่อยู่ล้อมรอบในกระจุกกาแล็กซีเพื่อให้ข้อมูลชัดเจนมากยิ่งขึ้น

ผลจากการศึกษาของ IXPE ในครั้งนี้ก็ตอกย้ำความสำคัญของการศึกษาหลุมดำและเทหวัตถุในอวกาศด้วยคุณสมบัติโพลาไรซ์ของแสงที่จะช่วยไขปริศนาเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กที่ประพฤติกับแสง ซึ่งจะช่วยทำความเข้าใจเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ได้อีกมาก

เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

ที่มาข้อมูล : NASA

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech

สรุปประเด็นให้โดย Generative AI

การสังเกตการณ์ระยะยาวของ IXPE ช่วยไขปริศนาของเจ็ตหลุมดำ