ระหว่างหลุมดำกับกาแล็กซี อะไรเกิดก่อนกัน คำถามไก่กับไข่นี้ยังคงเป็นปริศนา นักวิทยาศาสตร์เคยเชื่อว่ากาแล็กซีเกิดก่อน แต่ข้อมูลใหม่จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ยืนยันพบหลุมดำมวลยิ่งยวดเก่าแก่เกิดขึ้นก่อนที่จะมีกาแล็กซีมาล้อมรอบ นับว่าเป็นการค้นพบที่อาจจะพลิกความเข้าใจครั้งใหม่ของเอกภพวิทยาอีกครั้งหนึ่ง
เป็นเรื่องที่อธิบายได้ยากมากว่าหลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black hole) ก่อตัวขึ้นมาได้อย่างไรในยุคที่จักรวาลยังมีอายุน้อย เดิมทีเราเชื่อว่ากาแล็กซีแรกเริ่มยุบตัวลงและก่อเกิดเป็นหลุมดำ แต่ทฤษฎีนี้นำมาซึ่งคำถามว่าทำไมหลุมดำเหล่านี้ถึงมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ในหลักล้านถึงพันล้านเท่าได้ทั้งที่เป็นช่วงเวลาเริ่มต้นของเอกภพ ปัจจุบันมีการตรวจพบหลุมดำมวลยิ่งยวดเหล่านี้จำนวนหลายพันแห่งในเอกภพยุคแรกเริ่ม ความสามารถในการเติบโตอย่างรวดเร็วของหลุมดำเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร นับว่าเป็นปริศนาในงานด้านจักรวาลวิทยาเป็นอย่างมาก
ล่าสุด กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope) ของนาซาได้ตรวจพบหลุมดำมวลยิ่งยวดดึกดำบรรพ์ แต่กลับไม่มีร่องรอยการยุบตัวของดาวฤกษ์ ทั้งไม่มีกาแล็กซีที่มีมวลมากกว่าคอยป้อนสสารและพลังงานให้แก่หลุมดำ (host galaxy) หลักฐานชิ้นนี้อาจทำให้เราต้องคิดใหม่เกี่ยวกับกำเนิดและวิวัฒนาการของหลุมดำ
การค้นพบนี้อาศัยข้อมูลจากการสังเกตการณ์วัตถุท้องฟ้าในตำแหน่ง Abell2744-QSO1 (หรือเรียกสั้น ๆ ว่า QSO1) ซึ่งเป็นวัตถุประเภท “จุดสีแดงเล็ก ๆ” (little red dot) ที่มีอายุเก่าแก่ย้อนไปถึงช่วง 700 ล้านปีหลังเหตุการณ์บิ๊กแบง (Big Bang) หรือเมื่อราว 13,000 ล้านปีก่อน"
แม้ว่าจุด QSO1 จะมีความกว้างเพียง 1,300 ปีแสง และแสงจากวัตถุนี้ต้องเดินทางมานานกว่า 13,000 ล้านปีกว่าจะมาถึงโลกของเรา แต่การศึกษากลับทำได้ง่ายกว่าจุดแดงเล็กอื่น ๆ ส่วนใหญ่ อันเนื่องจากปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lensing) จากกระจุกกาแล็กซี Abell 2744 (กระจุกกาแล็กซีแพนโดรา) ทำให้ QSO1 ทั้งขยายใหญ่ขึ้นและปรากฏเป็นสามภาพในตำแหน่งที่แตกต่างกันสามแห่งบนท้องฟ้าจึงง่ายต่อการสำรวจ
ภาพถ่ายพื้นที่สำรวจ QSO1 จะพบว่ามีจุดสีแดงเหล่านี้เกิดขึ้นมากถึง 3 จุดจากปรากฏการณ์เลนส์แรงโน้มถ่วง ทำให้กลายเป็นจุดที่ง่ายต่อการสำรวจมากที่สุดจุดหนึ่งบนท้องฟ้า ที่มา NASA
การศึกษา QSO1 ในช่วงแรกเผยให้เห็นหลักฐานว่า วัตถุนี้อาจเป็นเพียงกลุ่มก้อนก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมที่เรืองแสงและกำลังโคจรรอบหลุมดำมวลยิ่งยวดโบราณ นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าหลุมดำดวงนี้มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 40 ล้านเท่า แต่เช่นเดียวกับหลุมดำในยุคแรกเริ่มอื่น ๆ ที่ค้นพบโดยกล้องเว็บบ์ ค่าที่ได้นั้นยังฟันธงไม่ได้ว่าเป็นจริง เนื่องจากการวัดมวลของหลุมดำในเอกภพยุคแรกเริ่มทั้งหมดเป็นการวัดทางอ้อม โดยอิงจากสมมติฐานที่เราเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำในเอกภพใกล้โลก (local universe) ของเรา เราไม่รู้เลยว่าสมมติฐานเหล่านั้นจะใช้ได้กับเอกภพที่ห่างไกลออกไปได้หรือไม่
การศึกษา QSO1 ในครั้งนี้นับเป็นครั้งแรกที่สามารถวัดมวลของหลุมดำมวลยิ่งยวดดึกดำบรรพ์ได้โดยตรง ไม่ใช่การคาดเดาโดยใช้องค์ความรู้ของหลุมดำในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เครื่องมือวิเคราะห์สเปกตรัมเต็มลานสายตา (integral field unit หรือ IFU) บนอุปกรณ์วัดสเปกตรัมในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ (near-infrared spectrograph หรือ NIRSpec) ของกล้องเจมส์ เว็บบ์ ติดตามผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อก๊าซที่หมุนวนอยู่รอบ ๆ พร้อมทั้งทำแผนที่การกระจายตัวของธาตุต่าง ๆ ในกลุ่มก๊าซด้วย เมื่อทีมวิจัยวิเคราะห์ความเร็วของการหมุนตามระยะห่างจากศูนย์กลาง ก็พบว่าก๊าซมีการเคลื่อนที่แบบเคปเลอร์ (Keplerian motion) ซึ่งหมายความว่าวัตถุนี้โคจรรอบจุดศูนย์กลางในลักษณะเดียวกับที่ดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราโคจรรอบดวงอาทิตย์
การโคจรและเคลื่อนที่แบบเคปเลอร์นี้เป็นการบอกว่ามวลส่วนใหญ่ของ QSO1 รวมตัวกันอยู่ที่หลุมดำตรงใจกลาง หากรอบจุดแห่งนี้มีดาวฤกษ์โคจรล้อมรอบเป็นจำนวนมากและการกระจายตัวของมวลรอบจุดแห่งนี้ไม่สมดุล ก๊าซก็จะไม่เกิดการหมุนแบบเคปเลอร์ที่สมบูรณ์แบบเช่นนี้เลย
จากการที่ก๊าซต่าง ๆ โคจรรอบหลุมดำแบบเรียบง่าย ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถนำข้อมูลความเร็วของก๊าซมาใช้ในการคำนวณมวลของหลุมดำได้โดยตรง ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน
ทีมนักวิทยาศาสตร์คำนวณว่าหลุมดำดวงนี้มีมวล 50 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นขนาดที่ใหญ่มาก แต่ที่น่าตกใจกว่านั้นคือ มวลของหลุมดำนั้นมีสัดส่วนอย่างน้อยสองในสามของมวลทั้งหมดในตำแหน่งจุด QSO1 ตัวเลขสัดส่วนนี้มากกว่าในกาแล็กซีใกล้เคียงหลายพันเท่า ซึ่งปกติแล้วหลุมดำมวลยิ่งยวดจะมีสัดส่วนเพียงเศษเสี้ยวเล็ก ๆ ของมวลรวมของกาแล็กซีแม่เท่านั้น
นอกจากนี้ แผนที่องค์ประกอบของสสารจาก IFU ยังช่วยสนับสนุนผลการคำนวณดังกล่าว ข้อมูลจากการวัดสเปกตรัมแสดงให้เห็นว่าก๊าซทั่วทั้งตำแหน่ง QSO1 เกือบทั้งหมดเป็นไฮโดรเจนและฮีเลียม และมีธาตุหนักอย่างออกซิเจนอยู่เป็นสัดส่วนที่น้อยมากด้วยค่าความเป็นโลหะ (metallicity) ต่ำกว่า 0.5% ของดวงอาทิตย์ QSO1 จึงเป็นหนึ่งในสิ่งแวดล้อมของกาแล็กซีที่บริสุทธิ์ที่สุดเท่าที่เคยมีการวัดมา ทำให้เรามั่นใจว่า สภาพแวดล้อมนี้เกิดขึ้นในช่วงเวลาที่เอกภพมีอายุที่น้อยมากและแทบจะไม่มีดาวฤกษ์หรือกาแล็กซีโอบอุ้มระบบนี้อยู่
มวลที่ใหญ่เกินขนาดของ QSO1 เมื่อเทียบกับกาแล็กซีแม่ บ่งชี้ว่าวัตถุนี้อาจไม่ได้ก่อตัวขึ้นทีละนิดจากการรวมตัวและกลืนกินของหลุมดำมวลดาวฤกษ์ (stellar-mass black holes) ที่มีขนาดเล็กกว่ามาก แต่มีขนาดใหญ่มาแต่กำเนิด ส่งผลให้ตำแหน่ง QSO1 เป็นหลักฐานว่าหลุมดำในยุคแรกเริ่มนั้นเกิดจากการยุบตัวโดยตรง (direct collapse black holes) ซึ่งเคยเป็นเพียงทฤษฎีแต่ยังไม่ได้รับการยืนยัน
นั่นหมายความว่า หลุมดำที่ตำแหน่ง QSO1 กำลังทำหน้าที่เป็นแกนกลางเพื่อสร้างกาแล็กซีขึ้นมารอบ ๆ ตัวเอง ซึ่งทีมวิจัยกำลังเร่งศึกษาวัตถุคล้ายกันนี้เพิ่มเติมเพื่อยืนยันว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นทั่วไปในเอกภพยุคแรกหรือไม่
เรียบเรียงโดย จิรสิน อัศวกุล
พิสูจน์อักษร ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
ที่มาข้อมูล : NASA
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
