นักดาราศาสตร์ได้ทราบว่าหลุมดำมวลมหาศาล (SMBHs) อาศัยอยู่ในใจกลางกาแลคซีที่มีมวลมากที่สุด หลุมดำเหล่านี้ซึ่งมีตั้งแต่ร้อยแสนจนถึงพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์มีอิทธิพลอย่างมากต่อสสารที่อยู่รอบ ๆ และเชื่อว่าเป็นสาเหตุของ Active Galactic Nuclei (AGN) ตราบใดที่นักดาราศาสตร์รู้จักพวกเขาพวกเขาพยายามเข้าใจว่า SMBH ก่อตัวและพัฒนาอย่างไร
ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้สองทีมนักวิจัยระหว่างประเทศสองทีมรายงานการค้นพบหลุมดำคู่ที่ค้นพบใหม่ห้าคู่ที่ใจกลางกาแลคซีไกลโพ้น การค้นพบนี้สามารถช่วยให้นักดาราศาสตร์สร้างความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับวิธีการที่ SMBH ก่อตัวและเติบโตเมื่อเวลาผ่านไปไม่ต้องพูดถึงว่าการรวมตัวของหลุมดำก่อให้เกิดคลื่นแรงโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งที่สุดในจักรวาลได้อย่างไร
ผู้สมัครหลุมดำคู่สี่คนแรกได้รับรายงานในงานวิจัยเรื่อง“ Buried AGNs ในการควบรวมกิจการขั้นสูง: การเลือกสีกลาง - อินฟราเรดในฐานะ Finder คู่ AGN” ซึ่งนำโดย Shobita Satyapal ศาสตราจารย์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยจอร์จเมสัน การศึกษานี้ได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์ใน วารสาร Astrophysical และเพิ่งปรากฏออนไลน์
การศึกษาครั้งที่สองซึ่งรายงานผู้สมัครหลุมดำคู่ที่ห้านำโดย Sarah Ellison ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัย Victoria เผยแพร่เมื่อเร็ว ๆ นี้ใน ประกาศรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์ ภายใต้ชื่อ“ การค้นพบนิวเคลียสกาแลกติกแบบ Dual Active ที่มี ~ 8 kpc Separation”. การค้นพบหลุมดำทั้งห้าคู่นี้เป็นเรื่องที่โชคร้ายมากเพราะคู่นั้นหายากมาก
ดังที่โชบิตะ Satyapal อธิบายไว้ในแถลงการณ์ของจันทรา:
“ นักดาราศาสตร์พบว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ทั่วเอกภพ แต่แม้ว่าเราคาดการณ์ว่าพวกเขาจะเติบโตอย่างรวดเร็วเมื่อพวกเขามีปฏิสัมพันธ์ แต่การเติบโตหลุมดำมวลยวดยิ่งคู่หายาก“
คู่หลุมดำถูกค้นพบโดยการรวมข้อมูลจากเครื่องมือภาคพื้นดินและอวกาศที่แตกต่างกัน สิ่งนี้รวมถึงข้อมูลออปติคัลจาก Sloan Digital Sky Survey (SDSS) และกล้องโทรทรรศน์กล้องส่องทางไกลขนาดใหญ่ภาคพื้นดิน (LBT) ในรัฐแอริโซนาด้วยข้อมูลใกล้อินฟราเรดจากการสำรวจช่องมองภาพรังสีอินฟราเรด Wide-Field Infrared Explorer (WISE) และ X-ray จากจันทราขององค์การนาซ่า หอดูดาว X-ray
เพื่อประโยชน์ในการศึกษาของพวกเขา Satyapal, Ellison และทีมงานของพวกเขาพยายามที่จะตรวจจับ AGN คู่ซึ่งเชื่อว่าเป็นผลมาจากการควบรวมของกาแลคซี พวกเขาเริ่มต้นด้วยการให้คำปรึกษาข้อมูลออปติคัลจาก SDSS เพื่อระบุกาแลคซีที่ดูเหมือนจะอยู่ในกระบวนการของการรวม ข้อมูลจากการสำรวจ WISE ทั้งหมดบนท้องฟ้านั้นถูกใช้เพื่อระบุกาแลคซีที่แสดง AGN ที่ทรงพลังที่สุด
จากนั้นพวกเขาศึกษาข้อมูลจาก Advanced CCD Imaging Spectrometer (ACIS) และ LBT ของ Chandra เพื่อระบุกาแลคซีทั้งเจ็ดที่ดูเหมือนจะอยู่ในขั้นตอนการรวมตัวกัน การศึกษาที่นำโดย Ellison ยังอาศัยข้อมูลทางแสงจากกาแลคซีใกล้เคียง Mapping ในการสำรวจ Apache Point Observatory (MaNGA) เพื่อระบุหนึ่งในคู่ของหลุมดำใหม่
จากข้อมูลที่รวมกันพวกเขาพบว่ากาแลคซีที่รวมกันห้าแห่งจากทั้งหมดเจ็ดแห่งเป็นโฮสต์ AGN คู่ที่เป็นไปได้ซึ่งแยกจากกันโดยน้อยกว่า 10 kiloparsecs (มากกว่า 30,000 ปีแสง) นี่คือหลักฐานที่ได้จากข้อมูลอินฟราเรดที่ได้จาก WISE ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่บอกล่วงหน้าของหลุมดำมวลมหาศาลที่เติบโตอย่างรวดเร็ว
นอกจากนี้ข้อมูลของจันทราแสดงให้เห็นแหล่งรังสีเอกซ์ที่แยกจากกันอย่างใกล้ชิดซึ่งสอดคล้องกับหลุมดำที่มีความสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ข้อมูลอินฟราเรดและเอ็กซ์เรย์นี้ยังแนะนำว่าหลุมดำมวลมหาศาลถูกฝังอยู่ในฝุ่นและก๊าซจำนวนมาก ดังที่เอลลิสันระบุการค้นพบเหล่านี้เป็นผลมาจากการทำงานอย่างหนักซึ่งประกอบด้วยการเรียงลำดับผ่านข้อมูลความยาวคลื่นหลายช่วง:
“ งานของเราแสดงให้เห็นว่าการรวมตัวเลือกอินฟราเรดกับการติดตามเอ็กซ์เรย์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากในการค้นหาคู่หลุมดำเหล่านี้ รังสีเอกซ์และรังสีอินฟราเรดสามารถทะลุเมฆก๊าซและฝุ่นที่คลุมเครือรอบหลุมดำคู่เหล่านี้และต้องมีการมองเห็นที่คมชัดของจันทราเพื่อแยกพวกมันออก”
ก่อนการศึกษานี้หลุมดำที่กำลังเติบโตน้อยกว่าสิบคู่ได้รับการยืนยันจากการศึกษาด้วยรังสีเอกซ์และส่วนใหญ่เกิดขึ้นโดยบังเอิญ งานล่าสุดนี้ซึ่งตรวจจับคู่ของหลุมดำห้าคู่โดยใช้ข้อมูลที่รวมกันจึงเป็นทั้งโชคดีและสำคัญ นอกเหนือจากการยืนยันสมมติฐานที่ว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งนั้นเกิดจากการรวมตัวของหลุมดำขนาดเล็กการศึกษาเหล่านี้ก็มีนัยสำคัญสำหรับการวิจัยคลื่นความโน้มถ่วง
“ เป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องเข้าใจว่าคู่ของหลุมดำมวลยวดยิ่งนั้นมีความสำคัญอย่างไรเพื่อช่วยในการทำนายสัญญาณสำหรับหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง” Satyapa กล่าว “ ด้วยการทดลองในสถานที่และที่กำลังจะเกิดขึ้นในอนาคตออนไลน์นี่เป็นเวลาที่น่าตื่นเต้นในการค้นคว้าหลุมดำที่ผสานกัน เราอยู่ในช่วงเริ่มต้นของยุคใหม่ในการสำรวจจักรวาล”
ตั้งแต่ปี 2559 มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงทั้งหมดสี่รายการโดยเครื่องมือเช่น Laser Interferometer Gravityational-Observatory (LIGO) และ VIRGO Observatory อย่างไรก็ตามการตรวจจับเหล่านี้เป็นผลมาจากการรวมตัวของหลุมดำซึ่งหลุมดำนั้นมีขนาดเล็กลงและมีมวลน้อยกว่ามากระหว่างแปดถึง 36 เท่าของมวลดวงอาทิตย์
ในทางกลับกันหลุมดำมวลมหาศาลนั้นมีมวลมากกว่าและน่าจะก่อให้เกิดคลื่นความโน้มถ่วงที่มีขนาดใหญ่กว่าเมื่อพวกมันเข้าใกล้กันมากขึ้น และในอีกไม่กี่ร้อยล้านปีเมื่อในที่สุดคู่เหล่านี้รวมเข้าด้วยกันพลังงานที่เกิดจากมวลที่ถูกแปลงเป็นคลื่นความโน้มถ่วงจะไม่น่าเชื่อ
ในปัจจุบันเครื่องตรวจจับอย่าง LIGO และราศีกันย์ไม่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่สร้างขึ้นโดยคู่หลุมดำมวลมหาศาล งานนี้ดำเนินการโดยอาร์เรย์เช่นหอดูดาวอเมริกาเหนือ Nanohertz สำหรับคลื่นความโน้มถ่วง (NANOGrav) ซึ่งอาศัยพัลซาร์มิลลิวินาทีความแม่นยำสูงเพื่อวัดอิทธิพลของคลื่นความโน้มถ่วงในอวกาศ
นอกจากนี้ยังคาดว่าเสาสัญญาณเลเซอร์อวกาศอินเตอร์เฟอเรเตอร์อวกาศ (LISA) ซึ่งจะเป็นเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเชิงพื้นที่แห่งแรกโดยเฉพาะนั้นคาดว่าจะช่วยในการค้นหาด้วย ในระหว่างนี้การวิจัยคลื่นความโน้มถ่วงได้รับประโยชน์อย่างมากจากความพยายามในการร่วมมือกันเช่นเดียวกับที่มีอยู่ระหว่าง Advanced LIGO และ Advanced Virgo
ในอนาคตนักวิทยาศาสตร์ยังคาดหวังว่าพวกเขาจะสามารถศึกษาการตกแต่งภายในของซุปเปอร์โนวาผ่านการวิจัยคลื่นแรงโน้มถ่วง นี่เป็นโอกาสที่จะเปิดเผยอย่างมากเกี่ยวกับกลไกที่อยู่เบื้องหลังการก่อตัวของหลุมดำ ระหว่างความพยายามอย่างต่อเนื่องทั้งหมดนี้กับการพัฒนาในอนาคตเราสามารถคาดหวังที่จะ "ได้ยิน" จักรวาลและพลังที่ทรงพลังที่สุดในการทำงาน
ต้องแน่ใจว่าได้ตรวจสอบแอนิเมชันนี้ที่แสดงให้เห็นว่าการควบรวมของคู่หลุมดำทั้งสองในท้ายที่สุดจะเป็นอย่างไรมารยาทของหอดูดาวเอ็กซ์เรย์จันทรา:
