กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ตรวจพบหลุมดำที่มีอายุ 570 ล้านปี หลังเกิดบิ๊กแบง

ข้อเท็จจริงที่ว่า เอกภพที่เราอาศัยอยู่นั้นเต็มไปด้วยหลุมดำมากมาย เป็นข้อเท็จจริงที่นักวิทยาศาสตร์ทราบเป็นอย่างดี แต่ทว่า หลุมดำที่อยู่ห่างไกลออกไปหลายร้อยล้านปีแสงกลับมืดสลัวเกินกว่าที่จะตรวจจับได้ในอดีต จากข้อจำกัดด้านการสังเกตการณ์นี้ ทำให้ในเดือนธันวาคมปี 2021 ได้มีการปล่อยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope; JWST) ขึ้นสู่อวกาศเพื่อการสังเกตการณ์ดาราศาสตร์เชิงลึกในอนาคต 

นักวิจัยในทีมวิเคราะห์ภาพถ่ายอวกาศเชิงลึกจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ หรือ Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey เป็นนักวิจัยกลุ่มแรกที่ได้มีโอกาสถอดรหัสภาพหลุมดำความละเอียดสูงที่อยู่ห่างไกลออกไปหลายร้อยล้านปีแสงนี้

เมื่อภาพหลุมดำใจกลางกาแล็กซียุคแรกเริ่มปรากฏขึ้น

นักวิจัยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ตรวจพบหลุมดำใจกลางกาแล็กซี CEERS 1019 ซึ่งมีอายุเพียง 570 ล้านปีหลังเกิดบิ๊กแบง นับเป็นภาพหลุมดำที่มีอายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา อีกทั้งมวลของหลุมดำ CEERS 1019 ยังน้อยกว่ามวลของหลุมดำอื่น ๆ ในเอกภพยุคแรกเริ่มอีกด้วย

ภาพหลุมดำ CEERS 1019 นั้น ไม่ได้ปรากฏเป็นหลุมดำที่มีแสงวนอยู่โดยรอบ แต่ปรากฏเป็นกระจุกดาวสว่างสามจุด โดยนักวิจัยกล่าวว่า หลุมดำ CEERS 1019 นี้ ดูดกลืนแก๊สเข้าไปมากเท่าที่จะดูดกลืนได้ แต่ในขณะเดียวกันก็เกิดการระเบิดของดาวดวงใหม่รอบ ๆ หลุมดำด้วย Jeyhan Kartaltepe จากสถาบันเทคโนโลยีโรเชสเตอร์ หนึ่งในสมาชิกทีม CEERS กล่าวว่า “เราไม่ค่อยจะได้เห็นโครงสร้างลักษณะนี้ในกาแล็กซีที่อยู่ไกลออกไป โดยการรวมตัวกันของกาแล็กซี อาจมีผลต่อปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำ”

นอกจากนี้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ยังได้ตรวจพบอีก 11 กาแล็กซีที่มีอายุ 470 – 675 ล้านปี ภายใต้การควบคุมของทีม CEERS นำโดย Steven Finkelstein จากมหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน ซึ่งทีม CEERS คือทีมวิเคราะห์ภาพถ่ายความละเอียดสูงในย่านอินฟราเรดช่วงใกล้และช่วงกลางที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ รวมถึงสเปกตรัมของภาพ ซึ่งนำไปสู่การค้นพบในครั้งนี้อีกด้วย

จากกราฟ แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างมวลของหลุมดำกับอายุของเอกภพ โดยหลุมดำทั้งสามนี้ถูกตรวจจับโดยทีม CEERS หลุมดำที่อยู่ห่างไกลที่สุดที่ตรวจจับได้ คือ CEERS 1019 ซึ่งเป็นหลุมดำที่มีอายุ 570 ล้านปี ถัดมาคือ CEERS 746 มีอายุราว 1 พันล้านปี และ CEERS 2782 มีอายุ 1.1 พันล้านปีหลังการเกิดบิ๊กแบง

จากกราฟแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างความสว่างสัมพัทธ์ของแสงกับความยาวคลื่นแสง เส้นกราฟสีเหลืองแสดงถึงปริมาณแก๊สไฮโดรเจนที่เคลื่อนที่รอบ ๆ หลุมดำด้วยความเร็วสูง ส่วนสีม่วงคือปริมาณของแก๊สที่เคลื่อนที่อย่างช้า ๆ ในกาแล็กซี ซึ่งเป็นผลมาจากกระบวนการเกิดของดาว

สิ่งที่น่าสนใจไม่ได้มีแค่อายุของกาแล็กซี CEERS 1019 เท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงมวลของหลุมดำอีกด้วย โดยหลุมดำ CEERS 1019 นี้ มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 9,000,000 เท่า แต่กลับน้อยกว่าหลุมดำที่มีอายุใกล้เคียงกัน ซึ่งโดยปกติจะมีมวลประมาณ 1,000,000,000 เท่าของดวงอาทิตย์ และตรวจจับได้ง่ายกว่า เพราะมีความสว่างค่อนข้างมากเมื่อเทียบกับหลุมดำ CEERS 1019 

หลุมดำใจกลางกาแล็กซี CEERS 1019 มีความคล้ายคลึงกับหลุมดำใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งมีมวลประมาณ 4,600,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แต่จากการที่หลุมดำ CEERS 1019 มีความสว่างและอายุน้อยมาก ทำให้ยากต่อการอธิบายถึงกระบวนการเกิดหลุมดำหลังเกิด Bigbang 

ภาพนี้เกิดจากการนำภาพที่ได้จากอุปกรณ์ NIRCamera บนกล้องเจมส์ เว็บบ์ มาต่อกัน เปรียบเสมือนการถ่ายภาพในมุมกว้าง ซึ่งห้วงอวกาศบริเวณนี้ยังถูกถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลอีกด้วย

จากการที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ มีเทคโนโลยีที่มีความล้ำสมัยติดไปด้วย ทำให้ข้อมูลที่ได้มีความแม่นยำ และนำมาวิเคราะห์ได้ง่าย Rebecca Larson จากมหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน ผู้ที่ศึกษาวิจัยเรื่องนี้กล่าวว่า “การมองไปที่วัตถุที่อยู่แสนไกลนี้ ไม่เพียงแต่ทำให้เราทราบถึงการมีอยู่ของหลุมดำ แต่ยังทำให้เราได้ข้อมูลเกี่ยวกับหลุมดำใจกลางทางช้างเผือกของเราอีกด้วย” โดยจากการวิเคราะห์แถบสเปกตรัมทำให้ทีมวิจัยสามารถอธิบายได้ว่าแถบสเปกตรัมนั้นมาจากหลุมดำหรือกาแล็กซี อีกทั้งยังสามารถคำนวณปริมาณแก๊สที่หลุดเข้าไปในหลุมดำและอัตราการก่อตัวของดวงดาวได้

วิเคราะห์ภาพหลุมดำที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์

จากภาพแสดงให้เห็นหลุมดำ CEERS 2782 และ CEERS 746 ซึ่งเป็นหลุมดำในช่วงเอกภพยุคแรกเริ่ม สเปกตรัมข้างต้นแสดงให้เห็นถึงระยะห่างจากกาแล็กซีแม่ (Host galaxies) และทำให้ทราบว่า แสงที่ตรวจจับได้นั้นเป็นแสงที่ปลดปล่อยออกมาในช่วงเวลาไหนของเอกภพ

เมื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของหลุมดำ CEERS 2782 พบว่า หลุมดำ CEERS 2782 มีอายุประมาณ 1.1 พันล้านปีหลังเกิดบิ๊กแบง และปลดปล่อยแสงออกมาตั้งแต่ประมาณ 12.7 ล้านปีก่อน ส่วนเมื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของหลุมดำ CEERS 746 พบว่าเกิดก่อนหลุมดำ CEERS 2782 โดยเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1 พันล้านปีหลังเกิดบิ๊กแบง และถูกบดบังด้วยฝุ่นในเอกภพบางส่วน โดย Kocevski กล่าวว่า “การที่หลุมดำถูกบดบังโดยฝุ่นเหล่านี้ทำให้ทราบว่าในกาแล็กซีมีดาวเคราะห์เกิดขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่อง”

หลุมดำ CEERS 2782 และหลุมดำ CEERS 746 มีมวลค่อนข้างน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับมวลของหลุมดำที่มีระยะห่างใกล้เคียงกับหลุมดำทั้งสอง โดยมีมวลเพียง 10 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ปัจจุบัน นักดาราศาสตร์เชื่อว่ามีหลุมดำมวลน้อยเป็นจำนวนมากรอการค้นพบอยู่ ซึ่งในอดีต นักดาราศาสตร์ไม่สามารถตรวจจับหลุมดำที่มีมวลและความสว่างปรากฏน้อยขนาดนี้ได้ แต่ด้วยเทคโนโลยีบนกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ทำให้สามารถตรวจจับและวิเคราะห์ภาพถ่ายหลุมดำได้อย่างละเอียด

หลุมดำ CEERS 24 และ CEERS 23 ปลดปล่อยพลังงานเมื่อประมาณ 13.3 พันล้านปีก่อน และ CEERS 3 ปลดปล่อยพลังงานเมื่อ 13.2 ล้านปีก่อน โดยทั้งสามถูกค้นพบในอดีตแล้ว เพียงแต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ทำให้นักดาราศาสตร์ทราบถึงข้อมูลที่ละเอียดและแม่นยำมากกว่าในอดีต

ในปัจจุบัน การศึกษาเกี่ยวกับเอกภพยุคแรกเริ่มยังเป็นการศึกษาในเชิงทฤษฎีเป็นส่วนใหญ่ การค้นพบของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ไม่เพียงแต่ทำให้เราได้เห็นภาพอวกาศเบื้องลึกเพียงเท่านั้น แต่ยังทำให้เราได้ภาพที่ละเอียดและแม่นยำ พร้อมที่จะวิเคราะห์ข้อมูล โดยในอนาคต ข้อมูลที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ อาจสามารถใช้อธิบายถึงการก่อตัวของหลุมดำในยุคแรกเริ่มได้

เรียบเรียงโดย ณัฐกิตติ์ นามชู

อ้างอิง

Early Universe Revelation: Webb Detects Most Distant Active Supermassive Black Hole