ภาพนี้แสดงการเรนเดอร์ของศิลปินภายในขอบเขตของควาซาร์ที่ขับเคลื่อนโดยหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลาง เมื่อดิสก์ก๊าซและฝุ่นตกลงไปในหลุมดำอุณหภูมิสูงจะสร้างแสง ความแตกต่างของแสงนี้สามารถช่วยให้นักดาราศาสตร์วัดมวลของหลุมดำได้
(ภาพ: © Nahks Tr'Ehnl / Catherine Grier (Penn State) / การทำงานร่วมกันของ SDSS)
หลุมดำมอนสเตอร์ซ่อนตัวอยู่ในใจกลางของกาแลคซีส่วนใหญ่ในจักรวาลและตอนนี้เทคนิคใหม่กำลังช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการตรวจสอบมวลของหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในเอกภพแม้ว่าพวกมันจะนอนอยู่ที่กึ่งกลางไกลมาก กาแลคซี วิธีการใหม่นี้สามารถปรับปรุงความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์ได้อย่างมากว่าพฤติกรรมเหล่านี้ก่อตัวและวิวัฒนาการอย่างไรและพวกมันมีอิทธิพลต่อวิวัฒนาการกาแลคซีอย่างไร
“ นี่เป็นครั้งแรกที่เราตรวจวัดมวลโดยตรงสำหรับหลุมดำมวลมหาศาลจำนวนมากที่อยู่ห่างไกลออกไป” Catherine Grier เพื่อนหลังปริญญาเอกที่ Penn State กล่าวในแถลงการณ์จากการสำรวจสโลนดิจิตอลสกาย (SDSS) Grier นำโครงการเพื่อวัดมวลของหลุมดำมวลมหาศาลที่เรียกว่ามวลมหาศาลโดยใช้ข้อมูล SDSS เธอรายงานผลวันอังคาร (9 มกราคม) ที่การประชุม American Astronomical Society ใน National Harbor, Maryland
"การวัดใหม่เหล่านี้และการวัดในอนาคตเช่นพวกเขาจะให้ข้อมูลที่สำคัญสำหรับผู้ที่ศึกษาว่ากาแลคซีเติบโตและพัฒนาตลอดเวลาในอวกาศอย่างไร" Grier กล่าว [ภาพ: หลุมดำแห่งจักรวาล]
หลุมดำขนาดใหญ่
จากการสำรวจกาแลคซีมาหลายทศวรรษนักดาราศาสตร์ตั้งทฤษฎีว่าใจกลางกาแลคซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่งมีหลุมดำมวลมหาศาล (SMBH) สัตว์มหึมาเหล่านี้สามารถมีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ของโลกหลายล้านล้านเท่า หลุมดำไม่กระจายแสงหรือสะท้อนแสงดังนั้นจึงไม่สามารถมองเห็น SMBH เหล่านี้ได้โดยตรง แต่เมื่อแรงโน้มถ่วงของ SMBH ดึงฝุ่นและก๊าซจากกาแลคซีรอบข้างมันสร้างดิสก์หมุนวนของวัสดุที่ตกลงไปในหลุมดำ วัสดุที่ทำให้เกิดความร้อนขึ้นและเริ่มแผ่แสงทำให้หลุมดำ "มองเห็น" (แม้ว่าจะเป็นทางอ้อม) ในบางกรณีแสงจากดิสก์เหล่านี้จะสว่างกว่าดาวทั้งหมดในกาแลคซี กาแลคซีที่สว่างอย่างน่าเหลือเชื่อเหล่านี้เรียกว่านิวเคลียสกาแล็กซี่แบบแอคทีฟ (AGN) AGN ที่สว่างที่สุดเรียกว่าควาซาร์ซึ่งนักดาราศาสตร์สามารถมองเห็นได้ทั่วทั้งจักรวาลที่มองเห็น พวกเขาบ่งบอกถึงการปรากฏตัวของหลุมดำมวลมหาศาลตามคำแถลง
หลุมดำมีคุณสมบัติที่วัดได้เพียงสามอย่างเท่านั้นคือมวลการหมุนและการชาร์จดังนั้นการคำนวณมวลจึงเป็นส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจหลุมดำแต่ละแห่ง ในกาแลคซีใกล้เคียงนักดาราศาสตร์สามารถสังเกตว่ากลุ่มดาวและก๊าซเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ ใจกลางกาแลคซีและใช้การเคลื่อนไหวเหล่านั้นเพื่อลดมวลของหลุมดำกลาง แต่กาแล็กซีที่อยู่ห่างไกลอยู่ไกลมากจนกล้องโทรทรรศน์ไม่สามารถแก้ปัญหาดวงดาวและเมฆของวัตถุรอบ ๆ หลุมดำได้
เทคนิคที่รู้จักกันในชื่อการทำแผนที่เสียงก้องทำให้นักดาราศาสตร์สามารถวัดมวลของหลุมดำที่อยู่ห่างไกลเหล่านี้ได้ ก่อนอื่นนักวิจัยเปรียบเทียบความสว่างของก๊าซที่แผ่ออกไปในพื้นที่รอบนอกของกาแลคซีกับความสว่างของก๊าซที่พบในบริเวณด้านในของกาแลคซี (บริเวณด้านในนี้ใกล้กับหลุมดำมาก ๆ เรียกว่าเขตต่อเนื่อง) ก๊าซในภูมิภาคต่อเนื่องส่งผลกระทบต่อก๊าซที่เคลื่อนที่เร็วออกไป อย่างไรก็ตามแสงต้องใช้เวลาในการเดินทางออกไปข้างนอกหรือสะท้อนกลับทำให้เกิดความล่าช้าระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่เห็นในภูมิภาคด้านในและผลกระทบต่อภูมิภาคด้านนอก การวัดความล่าช้าเผยให้เห็นว่าดิสก์ด้านนอกของก๊าซอยู่ไกลจากหลุมดำมากแค่ไหน เมื่อรวมกับอัตราการหมุนรอบกาแลคซีสิ่งนี้ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถวัดมวลของ SMBH ได้ Grier บอก Space.com ในอีเมล
แต่กระบวนการช้าลงอย่างเจ็บปวด ในการสังเกตผลกระทบของเสียงก้องกาแลคซีแต่ละแห่งจะต้องได้รับการศึกษาซ้ำแล้วซ้ำอีกเป็นเวลาหลายเดือนในขณะที่ควาซาร์ไกลโพ้นอาจใช้เวลาหลายปีในการสังเกตซ้ำนักวิจัยกล่าวในแถลงการณ์ ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมานักดาราศาสตร์สามารถใช้เทคนิคการสั่นสะเทือนได้เพียงประมาณ 60 SMBHs ในกาแลคซีใกล้เคียงและควาซาร์ไกลโพ้นจำนวนหนึ่ง
ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงการจัดทำแผนที่การสั่นสะเทือน SDSS Grier และเพื่อนร่วมงานของเธอได้เริ่มทำแผนที่ SMBHs เร็วกว่าที่เป็นไปได้ก่อนหน้านี้ กุญแจสำคัญในการทำแผนที่ที่เร็วกว่านี้มาจากกล้องโทรทรรศน์มุมมองกว้างโดยเฉพาะของโครงการซึ่งตั้งอยู่ที่หอสังเกตการณ์ Apache Point ใน Sunspot, New Mexico ซึ่งสามารถรวบรวมข้อมูลในควาซาร์หลาย ๆ ตัวในเวลาเดียวกันตาม Grier ขณะนี้กำลังสำรวจรอยฟ้าซึ่งมีประมาณ 850 ควาซาร์
นักวิจัยได้สังเกตควาซาร์ด้วยกล้องโทรทรรศน์แคนาดา - ฝรั่งเศส - ฮาวายในฮาวายและสจ๊วตบอคกล้องโทรทรรศน์ในรัฐแอริโซนาเพื่อทำการสอบเทียบการตรวจวัดวัตถุที่สลัวอย่างไม่น่าเชื่อ โดยรวมแล้วนักวิจัยได้วัดความล่าช้าของการสั่นสะเทือนเป็นเวลา 44 ควาซาร์และพวกเขาใช้การวัดเหล่านั้นเพื่อคำนวณมวลหลุมดำตั้งแต่ 5 ล้านถึง 1.7 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ของโลก
“ นี่เป็นก้าวสำคัญของวิทยาศาสตร์ควาซาร์” แอรอนบาร์ ธ ศาสตราจารย์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเออร์ไวน์ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการวิจัยของทีมกล่าวในแถลงการณ์ "พวกเขาแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าการวัดที่ยากลำบากเหล่านี้สามารถทำได้ในโหมดการผลิตจำนวนมาก"
การวัดใหม่เพิ่มจำนวนการตรวจวัดมวลทางช้างเผือกของ SMBH ทั้งหมดประมาณสองในสาม เนื่องจากกาแลคซีเหล่านี้อยู่ห่างไกลมากการตรวจวัดใหม่เผยให้เห็นมวลของ SMBH จากเวลาย้อนหลังไปจนถึงเมื่อเอกภพมีอายุเพียงครึ่งเดียวของยุคปัจจุบัน
เมื่อทำการสังเกตการณ์ 850 ควาซาร์ด้วยกล้องโทรทรรศน์ SDSS อย่างต่อเนื่องเป็นเวลาหลายปีทีมจะทำการเก็บข้อมูลเป็นเวลาหลายปีซึ่งจะช่วยให้พวกเขาสามารถตรวจสอบมวลของควาซาร์ที่น้อยกว่าซึ่งไม่สามารถวัดความล่าช้าได้นานกว่าหนึ่งปี
"การได้รับการสำรวจควาซาร์เป็นเวลาหลายปีเป็นสิ่งสำคัญในการได้รับการวัดที่ดี" เย่วเฉินผู้ช่วยศาสตราจารย์ของมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์และผู้วิจัยหลักของโครงการทำแผนที่การสะท้อนเสียง SDSS กล่าว “ ในขณะที่เราดำเนินโครงการของเราเพื่อเฝ้าติดตามควาซาร์ที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ในอีกหลายปีข้างหน้าเราจะสามารถเข้าใจได้ดีขึ้นว่าหลุมดำมวลมหาศาลเติบโตและพัฒนาได้อย่างไร”
หลังจากขั้นตอนที่สี่ในปัจจุบันของ SDSS สิ้นสุดในปี 2020 ระยะที่ห้าคือ SDSS-V จะเริ่มขึ้น SDSS-V มีโปรแกรมใหม่ที่เรียกว่า Black Hole Mapper ซึ่งนักวิจัยวางแผนที่จะวัดมวลของ SMBH ในควาซาร์มากกว่า 1,000 ควาร์กสังเกตการณ์ที่น้อยกว่าและควาซาร์ที่เก่ากว่าโครงการการทำแผนที่เสียงก้องใด ๆ
“ นักทำแผนที่ Black Hole จะทำให้เราก้าวเข้าสู่ยุคของการทำแผนที่ก้องกังวานเหนือหลุมดำในระดับอุตสาหกรรมอย่างแท้จริง” Niel Brandt ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่ Penn State และสมาชิก SDSS ที่ยาวนานกล่าวในแถลงการณ์ "เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับวัตถุลึกลับเหล่านี้มากขึ้นกว่าเดิม"
