ค้นพบ “เมล็ดพันธุ์หลุมดำ” ในจักรวาลยุคบรรพกาลเป็นครั้งแรก
ที่มาของภาพ, Getty Images
หนึ่งในปริศนาสำคัญของวิชาจักรวาลวิทยา (cosmology) ได้แก่คำถามที่ว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดยักษ์ในยุคโบราณ สามารถจะถือกำเนิดและเติบโตรวดเร็วจนมีมวลมหาศาลยิ่งกว่าดวงอาทิตย์นับล้านเท่าได้อย่างไร ทั้งที่เหตุการณ์บิ๊กแบงหรือกำเนิดเอกภพเพิ่งผ่านพ้นไปได้ไม่กี่ร้อยล้านปีเท่านั้น
ปริศนาข้อนี้กำลังจะได้รับคำตอบในไม่ช้า หลังนักดาราศาสตร์ค้นพบหลักฐานที่แสดงถึงการมีอยู่ของ “เมล็ดพันธุ์หลุมดำ” (black hole seed) ในเอกภพยุคแรกเริ่ม ซึ่งเมล็ดพันธุ์ที่จะเจริญเติบโตไปเป็นหลุมดำยักษ์เหล่านี้ ก็คือหลุมดำที่มีมวลราว 40 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แต่มีกำเนิดที่ผิดแปลกแตกต่างจากหลุมดำทั่วไปในยุคปัจจุบัน
หลุมดำยุคโบราณที่เป็นเมล็ดพันธุ์ของหลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดยักษ์ ไม่ได้เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ที่สิ้นอายุขัย แต่ถือกำเนิดจากการยุบตัวของกลุ่มก๊าซมวลมหาศาลโดยตรง โดยมักจะอยู่ในดาราจักรหรือกาแล็กซีอายุเก่าแก่ที่ห่างไกลออกไปในห้วงอวกาศลึก ซึ่งมีชื่อเรียกว่า “กาแล็กซีหลุมดำขนาดใหญ่ผิดปกติ” (Outsize Black Hole Galaxies - OBGs)
กาแล็กซี OBG เหล่านี้ ถือกำเนิดขึ้นในยุคบรรพกาลและหาพบได้ยากมาก โดยบางแห่งเริ่มก่อตัวขึ้นเป็นรูปเป็นร่างเมื่อเหตุการณ์บิ๊กแบงผ่านไปได้เพียง 400 ล้านปีเท่านั้น
ล่าสุดทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ นำโดยดร.อากอส บ็อกดาน จากศูนย์เพื่อการศึกษาดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งม.ฮาร์วาร์ดและสถาบันสมิธโซเนียน (CfA Harvard & Smithsonian) ได้ค้นพบกาแล็กซีชนิด OBG นี้เป็นครั้งแรก ระหว่างสำรวจเควซาร์หรือควอซาร์ (quasar) ยุคโบราณ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST) และกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์จันทรา (CXO) เข้าช่วย
ที่มาของภาพ, Getty Images
เควซาร์คือหลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดมหึมาที่กำลังตื่นตัวและดูดกลืนสสารต่าง ๆ เข้าไปจำนวนมาก ทำให้เกิดแสงเจิดจ้าขึ้นโดยรอบที่สว่างไสวยิ่งกว่าดาวทุกดวงในกาแล็กซีนั้นรวมกัน ซึ่งปรากฏการณ์นี้ทำให้ทีมผู้วิจัยค้นพบเมล็ดพันธุ์ของหลุมดำยุคบรรพกาลในกาแล็กซีที่ชื่อว่า UHZ1
เมื่อเทียบอัตราการเติบโตของหลุมดำมวลยิ่งยวดที่เป็นศูนย์กลางของเควซาร์ใน UHZ1 กับอัตราการเติบโตที่ควรจะเป็นของหลุมดำมวลยิ่งยวดในยุคบรรพกาลที่โตขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ทีมผู้วิจัยพบว่าหลุมดำที่เป็นศูนย์กลางของเควซาร์ใน UHZ1 มีการสะสมมวลในอัตราที่ทัดเทียมกับเมล็ดพันธุ์ของหลุมดำในทางทฤษฎี ซึ่งหมายความว่ามันสามารถโตขึ้นได้ถึง 10,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ภายในช่วงระยะเวลาหลายร้อยล้านปี
“ด้วยเหตุนี้ การค้นพบดาราจักรที่อาจจัดได้ว่าเป็นกาแล็กซีชนิด OBG แห่งแรก จึงถือเป็นหลักฐานที่ยืนยันถึงการดำรงอยู่ของเมล็ดพันธุ์หลุมดำ ซึ่งเมล็ดพันธุ์นี้สามารถจะเติบโตไปเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดยักษ์ได้ในเวลาอันสั้น จากการยุบตัวฉับพลันของมวลสารในห้วงอวกาศยุคบรรพกาล” ทีมผู้วิจัยกล่าวสรุป
เมล็ดพันธุ์ที่หนักอึ้งช่วยเร่งการเติบโตของหลุมดำได้อย่างไร
โดยทั่วไปแล้ว การเติบโตของหลุมดำมวลยิ่งยวดในยุคปัจจุบัน อย่างเช่นหลุมดำซาจิตทาเรียสเอสตาร์ (SgrA*) ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก หรือหลุมดำ M87 ที่เราสามารถบันทึกภาพได้เมื่อหลายปีก่อน ไม่ใช่เรื่องผิดแปลกที่เป็นปริศนาคาใจนักดาราศาสตร์เท่าใดนัก
นั่นเป็นเพราะหลุมดำยักษ์เหล่านี้มีเวลาสะสมมวลยาวนาน ทำให้ค่อย ๆ เติบโตขึ้นจนมีขนาดมหึมาได้เมื่อเวลาผ่านไปหลายพันล้านปี โดยมันอาจกลืนกินกลุ่มฝุ่นและก๊าซไปเป็นปริมาณมหาศาล หรืออาจรวมตัวเข้ากับหลุมดำอีกแห่งหนึ่ง จนมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายพันล้านเท่าได้ไม่ยาก
อย่างไรก็ตาม การจะให้คำอธิบายต่อการเติบโตของหลุมดำยักษ์ยุคบรรพกาล ซึ่งสามารถขยายตัวขึ้นอย่างรวดเร็วจนมีมวลนับพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ได้ ภายในระยะเวลาไม่ถึง 500 ล้านปีนั้น ถือว่าเป็นเรื่องที่ทำได้ยากอย่างยิ่ง
ดร.จอน เรแกน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Maynooth University ของสาธารณรัฐไอร์แลนด์ กล่าวเปรียบเปรยให้ผู้สื่อข่าวของเว็บไซต์ Space.com ฟังว่า “เรื่องนี้ก็เหมือนกับเวลาที่คุณเดินไปตามถนน แล้วบังเอิญพบกับพ่อแม่วัยใสคู่หนึ่ง สิ่งที่น่าแปลกใจก็คือ พวกเขามีลูกวัยเริ่มหัดเดินเตาะแตะที่สูงพอ ๆ กับพ่อแม่มาด้วย”
อะไรที่ทำให้เด็กน้อยโตเร็วได้ขนาดนั้น ? คำถามนี้เกิดขึ้นในทำนองเดียวกันกับหลุมดำยักษ์ยุคบรรพกาล ซึ่งถือกำเนิดขึ้นในห้วงจักรวาลที่ยังมีอายุเก่าแก่ไม่มากนัก
ที่มาของภาพ, Getty Images
ในอดีตเคยมีผู้ตั้งสมมติฐานที่มีความเป็นไปได้สูงเพื่ออธิบายเรื่องนี้ โดยคาดว่าหลุมดำในยุคโบราณสะสมมวลเพิ่มขึ้นได้อย่างรวดเร็ว เพราะเติบโตขึ้นมาจาก “เมล็ดพันธุ์หลุมดำ” หรือหลุมดำขนาดเล็กกว่าที่มีการสะสมมวลเป็นพื้นฐานเอาไว้ล่วงหน้าก่อนแล้ว
สมมติฐานนี้มีอยู่สองแนวทางด้วยกัน บ้างก็เชื่อว่าหลุมดำยักษ์ยุคบรรพกาลสามารถเติบโตจาก “เมล็ดพันธุ์น้ำหนักเบา” หรือหลุมดำขนาดย่อมที่มีมวลตั้งแต่ 10-100 เท่าของดวงอาทิตย์ได้ โดยหลุมดำที่เป็นเมล็ดพันธุ์นี้เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์รุ่นแรก ๆ ของจักรวาล
อย่างไรก็ตาม สมมติฐานในอีกแนวทางหนึ่งเชื่อว่า เมล็ดพันธุ์ของหลุมดำยักษ์จะต้องหนักอึ้งเป็นพิเศษ โดยจะต้องมีมวลเริ่มต้นอย่างน้อย 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่เป็นทุนเดิม ซึ่งหลุมดำที่เป็นเมล็ดพันธุ์ชนิดหนักอึ้งเหล่านี้ เกิดจากการยุบตัวโดยตรงของกลุ่มฝุ่นและก๊าซในห้วงอวกาศยุคบรรพกาล (Direct Collapse Black Holes - DCBH)
ดร.เรแกน เปรียบเทียบให้เห็นภาพว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดขนาดยักษ์ที่เติบโตขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ก็เหมือนกับเด็กวัยหัดเดินที่ตัวโตเท่าพ่อแม่ได้ เนื่องจากแค่แรกเกิดมาก็ตัวสูงใหญ่เกินวัยหลายเท่าอยู่แล้ว
เมื่อพิจารณาถึงสมมติฐานในสองแนวทางดังกล่าว มีเพียงแนวคิดเรื่องเมล็ดพันธุ์ของหลุมดำที่หนักอึ้งเท่านั้น ที่สามารถจะให้กำเนิดกาแล็กซีชนิด OBG ในยุคบรรพกาลได้ ดังนั้นการค้นพบกาแล็กซี UHZ1 ที่สอดคล้องกับสมมติฐานข้างต้น จึงถือเป็นหลักฐานเชิงรูปธรรมชิ้นแรกที่ยืนยันความถูกต้องของแนวคิดนี้
อย่างไรก็ตาม ทีมผู้วิจัยระบุว่ายังคงต้องมีการตรวจสอบความถูกต้องของข้อมูลเพิ่มเติมอีก เพื่อให้แน่ใจว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดอายุเก่าแก่ มีความเชื่อมโยงเกี่ยวข้องกับหลุมดำมวลมากที่เป็นเมล็ดพันธุ์จากยุคบรรพกาลจริง
