หลุมดำของดาวฤกษ์ที่หนักที่สุดในกาแลคซีของเรามีมวลมากกว่าที่เราคิด

เมื่อหนึ่งในพวกเรา (อิลยา แมนเดล) เริ่มเรียนระดับบัณฑิตศึกษาที่ California Institute of Technology เมื่อ 20 ปีก่อน เขาได้รับการต้อนรับด้วยการเดิมพันที่แขวนอยู่บนผนังด้านนอกสำนักงานของที่ปรึกษาระดับปริญญาเอกของเขา คิป ธอร์น การเดิมพันอย่างหนึ่งในปี 1974 คือการเดิมพันกับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี Stephen Hawking ว่าแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ของกาแลคซีที่สังเกตได้ที่เรียกว่า “Cygnus X-1” เป็นหลุมดำที่กินก๊าซร้อนหรือไม่

สามทศวรรษต่อมา Cygnus X-1 เป็นของขวัญที่มอบให้อย่างต่อเนื่อง 

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารScienceทีมงานของเรารายงานว่าหลุมดำ Cygnus X-1 นั้นหนักกว่าที่เคยคิดไว้ โดยมีน้ำหนักประมาณ 21 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

สิ่งนี้ทำให้มันกลายเป็นหลุมดำของดาวฤกษ์ที่หนักที่สุด ซึ่งก่อตัวขึ้นจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ ซึ่งเคยตรวจพบโดยไม่ต้องใช้คลื่นความโน้มถ่วง ผลปรากฏว่า Cygnus X-1 ยังคงมีความลึกลับมากมาย

การวัดที่อัปเดตจากมันบังคับให้เราต้องทบทวนความเข้าใจเกี่ยวกับดาวมวลมากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัตราที่พวกมันสูญเสียมวลไปในกระแสลมของดาวฤกษ์

Cygnus X-1 ตั้งอยู่ภายในทางช้างเผือกห่างจากโลกประมาณ 7,200 ปีแสง ประกอบด้วยสิ่งที่เรารู้ว่าเป็นหลุมดำในวงโคจร 5.6 วันรอบดาวคู่หูมวลมหึมา

ก๊าซบางส่วนที่ถูกพัดออกจากพื้นผิวของดาวฤกษ์โดยลมดาวฤกษ์ที่แรงจัดถูกหลุมดำจับไว้ ก๊าซจะหมุนวนเข้าหาหลุมดำ ก่อตัวเป็น “ดิสก์สะสม”

เครื่องบินไอพ่นอันทรงพลัง (ซึ่งเนื้อหายังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ ) ยังถูกปล่อยออกจากหลุมดำใกล้ ๆ ด้วยความเร็วแสง

เราต้องการวัดมวลของหลุมดำ แต่การจะทำเช่นนั้น เราต้องรู้ก่อนว่ามันอยู่ห่างจากโลกมากน้อยเพียงใด

เมื่อโลกเคลื่อนที่ไปรอบดวงอาทิตย์ เราจะเห็น Cygnus X-1 จากจุดต่างๆ ที่มองเห็นได้ ดูเหมือนว่าจะเลื่อนไปมาเล็กน้อยกับวัตถุพื้นหลังที่อยู่นิ่ง ซึ่งเราเรียกว่า “พารัลแลกซ์”

จำนวนการเคลื่อนที่เพียงเล็กน้อยนี้ช่วยให้เราคำนวณระยะทาง

ระหว่างเรากับ Cygnus X-1 แต่เพื่อการวัดที่แม่นยำ เราต้องคำนึงถึงการเคลื่อนที่ในวงโคจรของหลุมดำรอบดาวฤกษ์ข้างเคียงด้วย

ด้วยเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์วิทยุเราสร้างแผนที่วงโคจรของหลุมดำด้วยความแม่นยำของตำแหน่งเทียบเท่ากับการกำหนดตำแหน่งของวัตถุบนดวงจันทร์ให้อยู่ภายในระยะสิบเซนติเมตร

โดยใช้ระยะทางของเรากับ Cygnus X-1 และความสว่างและอุณหภูมิของดาวฤกษ์ เราคำนวณขนาดของดาวฤกษ์ ด้วยความรู้นี้และการเคลื่อนที่ที่วัดได้ของดาวระหว่างการโคจรรอบหลุมดำ เราสามารถกำหนดมวลของหลุมดำได้

มันมีมวลมากกว่าที่เคยคิดไว้ เกือบ 50% โดยมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 21 เท่า

การได้เห็นซากดาวฤกษ์ที่หนักขนาดนี้ในกาแลคซีของเราทำให้เข้าใจได้ว่าดาวฤกษ์มวลมากสามารถสูญเสียไปกับลมของดาวฤกษ์ได้อย่างไร โดยทั่วไปแล้ว ยิ่งดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่และส่องสว่างมากเท่าใด อัตราการสูญเสียมวลก็จะยิ่งเร็วขึ้นเท่านั้น

ดาวฤกษ์บางดวงสูญเสียมวลก๊าซเทียบเท่ากับมวลโลก (หรือมากกว่า) ในแต่ละวัน มวลจะสูญเสียเร็วขึ้นหากดาวมีธาตุหนักเข้มข้นสูง โดยเฉพาะธาตุเหล็ก

หลุมดำถูกสร้างขึ้นเมื่อดาวมวลมากยุบตัวเอง ดังนั้น คาดว่าหลุมดำที่หนักที่สุดจะก่อตัวขึ้นจากการตายของดาวฤกษ์มวลมากที่มีความเข้มข้นของธาตุเหล็กต่ำที่สุด เนื่องจากหลุมดำเหล่านี้จะคงมวลไว้ได้มากที่สุดจนกระทั่งตาย

ความเข้มข้นของธาตุเหล็กในกาแลคซีทางช้างเผือกของเราในปัจจุบันบ่งชี้ว่าแม้แต่ดาวฤกษ์ที่มีน้ำหนักหลายร้อยเท่าของมวลดวงอาทิตย์เมื่อแรกเกิดก็อาจสูญเสียมันมากพอที่จะทิ้งเศษซากคนเดินดินไว้เบื้องหลัง ซึ่งมีมวลเพียงไม่กี่เท่าของดวงอาทิตย์

การค้นพบหลุมดำที่มีมวลเป็น 21 เท่าของดวงอาทิตย์บอกเราว่าลมของดาวฤกษ์เหล่านี้ไม่น่าจะแรงขนาดนั้น หมายความว่าเราต้องปรับแบบจำลองของเราใหม่เล็กน้อยว่าดาวฤกษ์สูญเสียมวลผ่านลมของมันอย่างไร

น่าจะไม่ใช่แหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง

Cygnus X-1 ก็น่าสนใจเช่นกัน เพราะมันอาจเป็นกรอบจากภาพยนตร์ที่แสดงการก่อตัวของคู่ของหลุมดำ ซึ่งต่อมารวมตัวกันเพื่อสร้างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง

คลื่นเหล่านี้สามารถสังเกตได้โดยใช้เครื่องมือขั้นสูง เช่น Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) ในสหรัฐอเมริกา

จากการวัดใหม่ของเรา ดาวฤกษ์ใน Cygnus X-1 มีน้ำหนักมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ถึง 40 เท่า ดังนั้นจึงมีมวลมากพอที่จะก่อตัวเป็นหลุมดำในวันหนึ่ง

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะเป็นการดึงดูดใจที่จะพูดว่า Cygnus X-1 ให้การเชื่อมโยงระหว่างดาวฤกษ์คู่หนึ่งกับหลุมดำที่รวมตัวกัน ซึ่งย่อมมาพร้อมกับความท้าทายของมันเอง

ตัวอย่างเช่น ดังที่อธิบายไว้ในเอกสารประกอบบทความ Science ของเราที่ตีพิมพ์ใน Astrophysical Journal หลุมดำ Cygnus X-1 กำลังหมุนบนแกนของมันเองเกือบจะเร็วพอๆ กับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอนุญาต

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว หลุมดำที่รวมตัวกันในแหล่งกำเนิดของ LIGO มีการหมุนที่ช้ากว่ามาก สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าเส้นทางที่หลุมดำก่อตัวขึ้นอาจแตกต่างออกไปบ้าง

ในรายงานอีกฉบับหนึ่งเราโต้แย้งว่า Cygnus X-1 จะไม่สร้างแหล่งกำเนิดคลื่นความโน้มถ่วง เพราะหลังจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ข้างเคียง หลุมดำสองหลุมที่อยู่ห่างกันเกินกว่าจะรวมกันได้

ยังคงมีคำถามมากมายเกี่ยวกับประวัติและการก่อตัวของ Cygnus X-1 รวมถึงอนาคตของมัน อาจมีการเดิมพันอีกสองสามรายการที่ต้องทำและแก้ไข

Credit : เว็บสล็อต / ยูฟ่าสล็อต เว็บตรง