หลุมดำมวลมหาศาลคืออะไร?

Send

ในปี 1971 นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ Donald Lynden-Bell และ Martin Rees ตั้งสมมติฐานว่าหลุมดำมวลมหาศาล (SMBH) อาศัยอยู่ที่ใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือกของเรา สิ่งนี้อิงจากการทำงานกับกาแลคซีวิทยุซึ่งแสดงให้เห็นว่าพลังงานจำนวนมากที่แผ่ออกมาจากวัตถุเหล่านี้เกิดจากก๊าซและสสารถูกกักขังไว้ในหลุมดำที่ใจกลาง

ในปี 1974 หลักฐานแรกของ SMBH นี้ถูกค้นพบเมื่อนักดาราศาสตร์ตรวจพบแหล่งวิทยุขนาดใหญ่ที่มาจากใจกลางกาแลคซีของเรา ภูมิภาคนี้ซึ่งพวกเขาชื่อ Sagittarius A * นั้นมีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ของเรามากกว่า 10 ล้านเท่า ตั้งแต่การค้นพบนักดาราศาสตร์พบหลักฐานว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซีที่เป็นเกลียวและรูปไข่ส่วนใหญ่ในเอกภพที่สังเกตได้

รายละเอียด:

หลุมดำมวลมหาศาล (SMBH) นั้นแตกต่างจากหลุมดำมวลต่ำในหลายวิธี สำหรับผู้เริ่มต้นเนื่องจาก SMBH มีมวลมากกว่าหลุมดำขนาดเล็กพวกเขาก็มีความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่าเช่นกัน นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าด้วยวัตถุทรงกลมทั้งหมดปริมาตรเป็นสัดส่วนโดยตรงกับลูกบาศก์ของรัศมีในขณะที่ความหนาแน่นขั้นต่ำของหลุมดำนั้นแปรผกผันกับจตุรัสมวล

นอกจากนี้พลังน้ำขึ้นน้ำลงในบริเวณใกล้เคียงกับขอบฟ้าเหตุการณ์ยังลดลงอย่างมีนัยสำคัญสำหรับหลุมดำขนาดใหญ่ เช่นเดียวกับความหนาแน่นแรงดึงขึ้นลงของวัตถุที่ขอบฟ้าเหตุการณ์จะแปรผกผันกับกำลังสองของมวล ดังนั้นวัตถุจะไม่ประสบกับแรงคลื่นอย่างมีนัยสำคัญจนกว่าจะลึกลงไปในหลุมดำมาก

รูปแบบ:

วิธีการสร้าง SMBH ยังคงเป็นเรื่องของการถกเถียงทางวิชาการมากมาย นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ส่วนใหญ่เชื่อว่าพวกเขาเป็นผลมาจากการควบรวมหลุมดำและการเพิ่มขึ้นของสสาร แต่ที่ "เมล็ดพันธุ์" (เช่นบรรพบุรุษ) ของหลุมดำเหล่านี้มาจากไหนก็เป็นที่ซึ่งความขัดแย้งเกิดขึ้น ปัจจุบันสมมติฐานที่ชัดเจนที่สุดคือพวกมันเป็นเศษซากของดาวมวลสูงหลายดวงที่ระเบิดขึ้นซึ่งเกิดจากการรวมตัวของสสารในใจกลางกาแลคซี

อีกทฤษฎีหนึ่งคือก่อนที่ดาวดวงแรกจะก่อตัวขึ้นในกาแลคซีของเราเมฆก๊าซขนาดใหญ่ก็ยุบตัวกลายเป็น“ ดาวฤกษ์ qausi” ซึ่งไม่เสถียรต่อการก่อกวนในแนวรัศมี จากนั้นมันก็กลายเป็นหลุมดำประมาณ 20 เท่าของมวลดวงอาทิตย์โดยไม่จำเป็นต้องมีการระเบิดของซุปเปอร์โนวา เมื่อเวลาผ่านไปมันจะสะสมมวลอย่างรวดเร็วเพื่อที่จะกลายเป็นตัวกลางแล้วหลุมดำมวลมหาศาล

ในรูปแบบอื่นกลุ่มดาวฤกษ์หนาแน่นพบแกนกลางยุบตัวอันเป็นผลมาจากการกระจายความเร็วในแกนกลางซึ่งเกิดขึ้นที่ความสัมพันธ์เชิงความเร็วเนื่องจากความจุความร้อนติดลบ สุดท้ายมีทฤษฎีว่าหลุมดำดั่งเดิมอาจถูกสร้างขึ้นโดยตรงจากแรงกดดันภายนอกทันทีหลังจากบิกแบง ทฤษฎีเหล่านี้และทฤษฎีอื่น ๆ ยังคงเป็นทฤษฎีในขณะนี้

ราศีธนู A *:

มีหลักฐานหลายบรรทัดชี้ไปที่การมีอยู่ของ SMBH ที่ใจกลางกาแลคซีของเรา ในขณะที่ไม่มีการสังเกตโดยตรงจากราศีธนู A * การปรากฏตัวของมันได้รับการอนุมานจากอิทธิพลที่มีต่อวัตถุรอบข้าง สิ่งที่น่าสังเกตมากที่สุดคือ S2 ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่โคจรรอบวงรีรอบ ๆ แหล่งวิทยุ Sagittarius A *

S2 มีระยะเวลาการโคจร 15.2 ปีและไปถึงระยะทางที่น้อยที่สุดคือ 18 พันล้านกม. (11.18 พันล้านไมล์, 120 AU) จากศูนย์กลางของวัตถุศูนย์กลาง มีเพียงวัตถุมวลยวดยิ่งเท่านั้นที่สามารถอธิบายได้เนื่องจากไม่มีสาเหตุอื่นที่สามารถมองเห็นได้ และจากพารามิเตอร์การโคจรของ S2 นักดาราศาสตร์สามารถประมาณขนาดและมวลของวัตถุได้

ยกตัวอย่างเช่นการเคลื่อนไหวของ S2s ทำให้นักดาราศาสตร์คำนวณว่าวัตถุที่อยู่ใจกลางวงโคจรของมันนั้นจะต้องมีมวลดวงอาทิตย์ไม่น้อยกว่า 4.1 ล้านดวง (8.2 ×10³³เมตริกตัน; 9.04 ×10³³ตันสหรัฐ) นอกจากนี้รัศมีของวัตถุนี้จะต้องน้อยกว่า 120 AU มิฉะนั้น S2 จะชนกับมัน

อย่างไรก็ตามหลักฐานที่ดีที่สุดจนถึงปัจจุบันจัดทำขึ้นในปี 2551 โดย Max Maxck Institute สำหรับฟิสิกส์ต่างดาวและกลุ่ม Galactic Center ของ UCLAs การใช้ข้อมูลที่ได้รับมาเป็นระยะเวลา 16 ปีโดยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากและกล้องโทรทรรศน์เคคของ ESO พวกเขาไม่เพียง แต่สามารถประมาณระยะทางถึงใจกลางกาแลคซีของเราได้อย่างแม่นยำ (27,000 ปีแสงจากโลก) แต่ยังติดตามวงโคจรของดาว มีความแม่นยำอันยิ่งใหญ่

ในฐานะ Reinhard Genzel หัวหน้าทีมจาก Max-Planck-Institute สำหรับฟิสิกส์ต่างดาวกล่าวว่า:

“มุมมองที่น่าทึ่งที่สุดของการศึกษาระยะยาวของเราคือการส่งมอบสิ่งที่ถือว่าเป็นหลักฐานเชิงประจักษ์ที่ดีที่สุดที่หลุมดำมวลมหาศาลมีอยู่จริง วงโคจรของดาวฤกษ์ในใจกลางกาแลคซีแสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของมวลศูนย์กลางของมวลดวงอาทิตย์สี่ล้านดวงนั้นจะต้องเป็นหลุมดำโดยปราศจากข้อสงสัยอันสมเหตุสมผล "

ข้อบ่งชี้อีกประการหนึ่งของการปรากฏตัวของราศีธนู A * s เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 5 มกราคม 2015 เมื่อองค์การนาซ่ารายงานว่าเปลวไฟเอ็กซ์เรย์ที่ทำลายสถิติมาจากใจกลางกาแลคซีของเรา จากการอ่านจากหอดูดาวจันทราเอ็กซ์เรย์พวกเขารายงานการปล่อยมลพิษที่สว่างกว่าปกติ 400 เท่า สิ่งเหล่านี้คิดว่าเป็นผลมาจากการที่ดาวเคราะห์น้อยตกลงไปในหลุมดำหรือโดยการพัวพันของเส้นสนามแม่เหล็กภายในก๊าซที่ไหลเข้ามา

กาแลคซีอื่น ๆ :

นักดาราศาสตร์ยังพบหลักฐานของ SMBHs ที่ใจกลางกาแลคซีอื่น ๆ ในกลุ่มท้องถิ่นและอื่น ๆ สิ่งเหล่านี้รวมถึง Andromeda Galaxy (M31) และดาราจักรรูปไข่ M32 และดาราจักรชนิดก้นหอยที่อยู่ไกล NGC 4395 สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับความจริงที่ว่าดาวและเมฆก๊าซที่อยู่ใกล้ใจกลางของกาแลคซีเหล่านี้แสดงความเร็วที่เพิ่มขึ้น

ข้อบ่งชี้อีกประการหนึ่งคือ Active Galactic Nuclei (AGN) ซึ่งมีคลื่นวิทยุไมโครเวฟอินฟาเรดออพติคอลอัลตร้าไวโอเล็ต (UV) คลื่นรังสีเอกซ์และรังสีแกมมาเป็นระยะ ๆ มาจากบริเวณที่มีอากาศเย็น (ก๊าซและฝุ่นละออง) ) ที่ใจกลางกาแลคซีที่ใหญ่กว่า ในขณะที่การแผ่รังสีไม่ได้มาจากหลุมดำตัวเองอิทธิพลของวัตถุขนาดใหญ่ที่มีต่อสสารโดยรอบเชื่อว่าเป็นสาเหตุ

ในระยะสั้นก๊าซและฝุ่นจะก่อตัวเป็นดิสก์สะสมที่ใจกลางกาแลคซีซึ่งโคจรรอบหลุมดำมวลยวดยิ่ง แรงโน้มถ่วงที่ไม่น่าเชื่อในภูมิภาคนี้บีบอัดวัสดุของดิสก์จนกว่าจะถึงเคลวินหลายล้านองศาซึ่งจะสร้างรังสีที่สดใสและพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า โคโรน่าของวัสดุที่ร้อนจัดอยู่เหนือแผ่นสะสมมวลสารและสามารถกระจายโฟตอนได้มากถึงพลังงานเอ็กซ์เรย์

การทำงานร่วมกันระหว่างสนามแม่เหล็กหมุนวนของ SMBH และดิสก์เพิ่มมวลรวมยังสร้างไอพ่นสนามแม่เหล็กอันทรงพลังซึ่งยิงวัสดุด้านบนและด้านล่างของหลุมดำด้วยความเร็วสัมพัทธภาพ (เช่นที่เศษส่วนที่สำคัญของความเร็วแสง) เครื่องบินไอพ่นเหล่านี้สามารถขยายได้หลายแสนปีแสงและเป็นแหล่งกำเนิดรังสีที่มีโอกาสพบเป็นครั้งที่สอง

เมื่อกาแลคซีแอนโดรเมด้ารวมกับของเราเองในอีกไม่กี่พันล้านปีหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ตรงกลางจะรวมเข้ากับของเราเองทำให้เกิดมวลที่ยิ่งใหญ่และทรงพลังมากขึ้น ปฏิสัมพันธ์นี้มีแนวโน้มที่จะเตะดาวหลายดวงออกจากกาแล็กซี่รวมของเรา (สร้างดาวอันธพาล) และมีแนวโน้มที่จะทำให้นิวเคลียสกาแลคซีของเรา

การศึกษาหลุมดำยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และสิ่งที่เราได้เรียนรู้ในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาเพียงอย่างเดียวนั้นทั้งน่าตื่นเต้นและน่าเกรงขาม ไม่ว่าพวกมันจะมีมวลต่ำกว่าหรือมวลมหาศาลหลุมดำเป็นส่วนสำคัญของจักรวาลของเราและมีบทบาทอย่างแข็งขันในการวิวัฒนาการ

ใครจะรู้ว่าเราจะพบอะไรเมื่อเรามองลึกเข้าไปในจักรวาล? บางทีบางวันเราเทคโนโลยีและความกล้าอย่างเต็มที่จะมีอยู่เพื่อที่เราจะได้พยายามสูงสุดภายใต้ม่านของขอบฟ้าเหตุการณ์ คุณนึกภาพออกไหม

เราได้เขียนบทความที่น่าสนใจมากมายเกี่ยวกับหลุมดำที่ Space Magazine นี่คือเหนือกว่าข้อสงสัยที่สมเหตุสมผลใด ๆ : หลุมดำมวลมหาศาลในใจกลางกาแลคซีของเรา X-Ray Flare Echo เผยหลุมดำมวลมหาศาล Torus คุณจะชั่งน้ำหนักหลุมดำมวลมหาศาลได้อย่างไร? ใช้อุณหภูมิและเกิดอะไรขึ้นเมื่อหลุมดำมวลมหาศาลปะทะกัน?

นักดาราศาสตร์ก็มีบางตอนที่เกี่ยวข้องในเรื่อง นี่คือตอนที่ 18: หลุมดำใหญ่และเล็กและตอนที่ 98: ควาซาร์

มีอะไรให้สำรวจเพิ่มเติม: ตอนของ Quasars ของนักดาราศาสตร์และหลุมดำใหญ่และเล็ก

แหล่งที่มา: