หลุมดำ Goldilocks ใหม่

แผนภาพที่มีสีสันของเส้นโค้งที่ลากผ่านวัตถุระหว่างดาวสว่างกับโลก

หลุมดำมวลปานกลาง ซึ่งใหญ่กว่าหลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์แต่ละดวง แต่เล็กกว่าหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางกาแลคซี่ ควรมีอยู่ตามทฤษฎี ตอนนี้นักดาราศาสตร์บอกว่าพวกเขาได้พบโดยการตรวจจับ aรังสีแกมมาระเบิดนั่นก็คือเลนส์โน้มถ่วงโดยหลุมดำ ในแผนภาพนี้ แสดงการระเบิดของรังสีแกมมาทางด้านขวา หลุมดำขนาดใหญ่ที่อยู่ตรงกลางทำหน้าที่เป็นเลนส์ นั่นคือไฟดัดจากการระเบิดของรังสีแกมมา รูปภาพโดย Carl Knox/ OzGrav/มหาวิทยาลัยเมลเบิร์น.


หนึ่งหลุมดำมวลปานกลางเป็นความเชื่อมโยงที่ขาดหายไประหว่างหลุมดำอีกสองประเภท –มหาศาลที่ซุ่มอยู่ที่ใจกลางกาแลคซี่ – และหลุมดำที่เป็นตัวเอกมักก่อตัวขึ้นในระเบิดที่เกิดขึ้นเมื่อดาวมวลมากระเบิดเป็นมหานวดารา. นักดาราศาสตร์เชื่อที่นั่นควรมีหลุมดำขนาดกลางจำนวนมากอยู่รอบๆ แต่การพบหลุมดำนั้นทำได้ยาก อย่างไรก็ตาม ในสัปดาห์นี้ นักดาราศาสตร์ได้ตีพิมพ์การค้นพบใหม่ของหลุมดำ 'โกลดิล็อกส์' ที่ค้นหามาอย่างยาวนาน ซึ่งไม่ใหญ่พอที่จะเรียกว่ามีมวลมหาศาล ไม่เล็กพอที่จะจัดเป็นหลุมดำดาวฤกษ์ธรรมดา โดยมีมวลถึง 55,000 ดวงดวงอาทิตย์ มวลของหลุมดำนี้ตกลงตรงกลางระหว่างอีกสองชนิด

นักดาราศาสตร์ที่ตีพิมพ์การค้นพบของพวกเขาในpeer-reviewedวารสารดาราศาสตร์ธรรมชาติเมื่อวันที่ 29 มีนาคม 2564


หลุมดำมีชื่อเสียงในการกลืนกินทุกสิ่งที่เข้าใกล้เกินไป รวมถึงแสงด้วย แต่หากจะเปรียบเทียบกัน การค้นพบหลุมดำขั้นกลางนี้อาจฉายแสงเกี่ยวกับคำถามสำคัญทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์: หลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวอย่างไร? นักดาราศาสตร์เจมส์ เพย์นเตอร์ที่มหาวิทยาลัยเมลเบิร์นเป็นผู้เขียนนำการศึกษานี้ พระองค์ตรัสว่าคำแถลง:

แม้ว่าเราจะรู้ว่าหลุมดำมวลมหาศาลเหล่านี้แฝงตัวอยู่ในแกนของดาราจักรส่วนใหญ่ แต่ถ้าไม่ใช่กาแลคซีทั้งหมด เราไม่เข้าใจว่ายักษ์ใหญ่เหล่านี้สามารถเติบโตได้มากขนาดนี้ในยุคของจักรวาลได้อย่างไร

หลุมดำระดับกลางนั้นสังเกตได้ไม่ง่าย พวกมันไม่ได้ถูกนำหน้าด้วยการระเบิดซูเปอร์โนวาขนาดใหญ่อย่างที่มักเป็นหลุมดำที่เป็นตัวเอก นอกจากนี้ยังมีขนาดเล็กกว่าและแอคทีฟน้อยกว่าหลุมดำมวลมหาศาลด้วยแรงดึงดูดน้อยกว่าเพื่อนำวัสดุของจักรวาลเข้ามาเรืองแสงดิสก์เสริมแรงที่สามารถสังเกตได้ เช่น ที่วิทยุหรือเอกซเรย์ความยาวคลื่น ดังนั้น เพื่อที่จะมองเห็นหลุมดำระดับกลางได้จริงๆ คุณจะต้องมองหาผลกระทบที่อาจมีต่อสภาพแวดล้อมโดยรอบ

ชายหนุ่มที่มีผมสีบลอนด์เข้ม

นักดาราศาสตร์ James Paynter จากมหาวิทยาลัยเมลเบิร์นเป็นผู้เขียนนำการศึกษาที่ตรวจพบหลุมดำมวลปานกลางที่เข้าใจยาก รูปภาพผ่านเจมส์ เพย์นเตอร์.




ในกรณีนี้ นักดาราศาสตร์พบหลุมดำระดับกลางโดยการตรวจจับบางสิ่งที่อยู่ด้านหลัง: สัญญาณจาก aรังสีแกมมาระเบิด! รังสีแกมมาระเบิดจะปล่อยแสงวาบสั้นๆ (เศษเสี้ยววินาทีถึงหนึ่งชั่วโมง) ด้วยพลังงานสูงสุด (รังสีแกมมาในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า).

การระเบิดของรังสีแกมมาโดยเฉพาะนี้มีความยาวครึ่งวินาที คิดว่าน่าจะเกิดจากดาวสองดวงที่รวมตัวกัน แต่ที่ทำให้มันพิเศษเป็นพิเศษคือการปล่อยมลพิษคือเลนส์โน้มถ่วงในลักษณะที่นักดาราศาสตร์ไม่ได้เห็นแสงวาบจากรังสีแกมมาเพียงครั้งเดียวเท่านั้น แต่สองครั้ง. กล่าวอีกนัยหนึ่งการระเบิดมี 'เสียงสะท้อน' ซึ่งเป็นของแถมสำหรับหลุมดำที่ยืนอยู่ในทางของแสงที่เข้ามา สิ่งที่เกิดขึ้นคือมวลทั้งหมดที่อยู่ในหลุมดำมีพลังมากพอที่จะหักเหแสงจากการปะทุขณะที่มันผ่านไป ในลักษณะที่นักดาราศาสตร์สังเกตวาบไฟเดียวกันสองครั้ง

หลุมดำระดับกลางไม่เพียงแต่ตรวจจับได้ยากเท่านั้น แต่ขณะนี้ยังมีความเข้าใจเพียงเล็กน้อยว่าหลุมดำก่อตัวขึ้นได้อย่างไร ไม่มีดาวดวงใดที่สามารถสร้างหลุมดำหนักได้ (เมื่อเทียบกับดาวฤกษ์) แนวคิดหนึ่งคือพวกเขาก่อตั้งขึ้นในบิ๊กแบงEric Thraneจากมหาวิทยาลัยโมนาชอธิบายว่า:

หลุมดำที่เพิ่งค้นพบนี้อาจเป็นวัตถุโบราณ - หลุมดำยุคแรกเริ่ม - สร้างขึ้นในเอกภพยุคแรกก่อนที่ดาวฤกษ์และดาราจักรกลุ่มแรกจะก่อตัวขึ้น หลุมดำในยุคแรกๆ เหล่านี้อาจเป็นเมล็ดของหลุมดำมวลมหาศาลที่อาศัยอยู่ในหัวใจของดาราจักรในปัจจุบัน


อีกทฤษฎีหนึ่งคือ พวกมันอาจก่อตัวขึ้นจากหลุมดำดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กกว่าซึ่งกินมวลมากขึ้นโดยการกลืนกินสสารที่เข้ามาเมื่อเวลาผ่านไป หรือรวมเข้ากับหลุมดำที่เป็นตัวเอกอื่นๆ และแนวคิดที่สามก็คือดาวมวลสูงในกระจุกดาวหนาแน่นจะจบลงด้วยการชนกันแบบหนีไม่พ้น ตามมาด้วยการยุบตัวของผลิตภัณฑ์การชนกันให้กลายเป็นหลุมดำระดับกลาง

นอกจากนี้ยังมีวิธีอื่นๆ นอกเหนือจากเลนส์โน้มถ่วงในการตรวจจับวัตถุที่เป็นหลุมดำระดับกลาง ตัวอย่างเช่น NASAรายงานในปี 2020 หลุมดำระดับกลางที่มีขนาดใกล้เคียงกันซึ่งมีน้ำหนักถึง 50,000 มวลดวงอาทิตย์ของเรา ซึ่งทำให้เกิดการแผ่รังสีเอกซ์หลังจากดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เกินไปถูกแยกออกจากกัน

ในปี 2019 นักดาราศาสตร์ตรวจพบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง (GW190521) จากหลุมดำสองหลุมที่รวมตัวกัน การควบรวมกิจการทำให้เกิดหลุมดำที่มีมวลมากขึ้น ซึ่งมีมวลดวงอาทิตย์ถึง 142 เท่าก็นับเป็นหลุมดำระดับกลางเช่นกัน

Rachel Websterศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเมลเบิร์นกล่าวว่าการค้นพบใหม่เหล่านี้ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถก้าวไปสู่การวิจัยวิวัฒนาการของหลุมดำได้มากขึ้น เธอพูด:


เมื่อใช้ตัวเลือกหลุมดำใหม่นี้ เราสามารถประมาณจำนวนทั้งหมดของวัตถุเหล่านี้ในจักรวาล เราคาดการณ์ว่าอาจเป็นไปได้เมื่อ 30 ปีที่แล้ว และเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นที่ได้พบตัวอย่างที่ชัดเจน

จากการวิจัยนี้ นักดาราศาสตร์ประเมินว่ามีหลุมดำมวลปานกลางถึง 46,000 หลุมในย่านทางช้างเผือก

บรรทัดด้านล่าง: นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบหลุมดำระดับกลาง ซึ่งเป็นจุดเชื่อมโยงระหว่างหลุมดำมวลมหาศาลและดาวฤกษ์ขนาดเล็กที่ขาดหายไป ผ่านเลนส์โน้มถ่วงจากการระเบิดของรังสีแกมมาในพื้นหลัง

ที่มา: หลักฐานของหลุมดำมวลปานกลางจากการระเบิดของรังสีแกมมาเลนส์โน้มถ่วง

ทางมหาวิทยาลัยเมลเบิร์น