ทีมนักดาราศาสตร์สร้างประวัติศาสตร์วัดความเร็วและทิศทาง การดีดตัวของหลุมดำหลังการรวมตัวได้สำเร็จเป็นครั้งแรก!

นักดาราศาสตร์ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญ ในการวัดทั้งความเร็วและทิศทางของการดีดตัวของหลุมดำที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่จากการรวมตัวของหลุมดำสองแห่ง โดยอาศัยการวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้จากเหตุการณ์ GW190412 เมื่อปี ค.ศ. 2019 การค้นพบครั้งนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันถึงปรากฏการณ์ที่เกิดจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ แต่ยังเปิดประตูสู่การศึกษาเหตุการณ์สุดขั้วในจักรวาลด้วยวิธีการใหม่ ๆ อีกด้วย

คลื่นความโน้มถ่วง กุญแจสำคัญในการไขปริศนาหลุมดำ

#คลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) คือระลอกคลื่นในปริภูมิ-เวลา (#spacetime) ที่แผ่ออกมาจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของวัตถุที่มีมวลมหาศาล เช่น การชนกันของหลุมดำหรือดาวนิวตรอน ไอน์สไตน์เคยทำนายการมีอยู่ของคลื่นชนิดนี้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1916 แต่ด้วยความอ่อนแรงของมัน ทำให้ต้องใช้เวลาเกือบศตวรรษกว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถตรวจจับได้เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 2015 ด้วยเครื่องตรวจวัด LIGO ตั้งแต่นั้นมา มีการตรวจพบเหตุการณ์การรวมตัวของหลุมดำเกือบ 300 ครั้ง ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแผนที่ประชากรหลุมดำและทดสอบขีดจำกัดของแรงโน้มถ่วงได้

หนึ่งในผลลัพธ์ที่น่าทึ่งของการรวมตัวของหลุมดำคือ “การดีดตัว” (recoil) เมื่อหลุมดำสองแห่งรวมตัวกัน หลุมดำที่เกิดขึ้นใหม่จะปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงออกมาอย่างไม่สมมาตรในทิศทางต่าง ๆ กัน ความไม่สมมาตรนี้จะผลักให้หลุมดำที่รวมตัวแล้วดีดตัวออกไปในทิศทางตรงกันข้าม ความเร็วของการดีดตัวอาจสูงถึงหลายพันกิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเร็วพอที่จะทำให้หลุมดำหลุดหนีจากแรงโน้มถ่วงของกาแล็กซีที่มันอาศัยอยู่ได้เลยทีเดียว

วัดการดีดตัวของหลุมดำได้อย่างไร?

ทีมวิจัยจากสถาบัน IGFAE ในสเปน นำโดย ศาสตราจารย์ฮวน คัลเดอรอน-บุสติโย (Prof. Juan Calderon-Bustillo) ได้ใช้การวิเคราะห์คลื่นความโน้มถ่วงจากเหตุการณ์ GW190412 ซึ่งเป็นการรวมตัวกันของหลุมดำที่มีมวลไม่เท่ากัน ศาสตราจารย์คัลเดอรอน-บุสติโยอธิบายว่า คลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดจะแตกต่างกันไปตามทิศทางที่ปล่อย เปรียบเสมือนการฟังวงดนตรีออร์เคสตราจากตำแหน่งที่ต่างกันในห้องโถง แต่ละตำแหน่งจะได้รับเสียงหรือคลื่นที่ผสมผสานกันในสัดส่วนที่ไม่เหมือนกัน ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถคำนวณตำแหน่งและทิศทางของแหล่งกำเนิดคลื่นได้อย่างแม่นยำ

ทีมวิจัยพบว่าหลุมดำที่เกิดจากเหตุการณ์ GW190412 มีความเร็วในการดีดตัวมากกว่า 50 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งเร็วพอที่จะหลุดออกจากกระจุกดาวทรงกลม (globular cluster) ได้ นอกจากนี้ พวกเขายังสามารถระบุทิศทางการดีดตัวเมื่อเทียบกับโลกและทิศทางการหมุนของระบบหลุมดำเดิมได้ด้วย ดร. โคสตาฟ จันทรา (Dr. Koustav Chandra) จากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียสเตตกล่าวว่า นี่เป็นหนึ่งในปรากฏการณ์เพียงไม่กี่อย่างที่เราสามารถสร้างภาพการเคลื่อนที่ 3 มิติของวัตถุที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสงได้ โดยอาศัยแค่ระลอกคลื่นในปริภูมิ-เวลาเท่านั้น

การวัดทิศทางการดีดตัวของหลุมดำนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการศึกษาการรวมตัวของหลุมดำในอนาคต ซัมซัน ลีออง (Samson Leong) นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยจีนแห่งฮ่องกงอธิบายว่า การรวมตัวของหลุมดำในสภาพแวดล้อมที่หนาแน่น เช่น ใจกลางกาแล็กซีที่มีพลังงานสูง (Active Galactic Nuclei – AGN) อาจปล่อยสัญญาณแสงที่เรียกว่า “แสงวาบ” (flares) ออกมาได้ การที่นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดทิศทางการดีดตัวของหลุมดำได้จะช่วยให้พวกเขาสามารถแยกแยะได้ว่า สัญญาณแสงและคลื่นความโน้มถ่วงที่ตรวจพบนั้นมีความเกี่ยวข้องกันจริง ๆ หรือเป็นเพียงความบังเอิญเท่านั้น ซึ่งจะช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจปรากฏการณ์อันซับซ้อนเหล่านี้ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นในอนาคต

ข้อมูลอ้างอิง: Sci Tech Daily