เมื่อวันที่ 12 พฤษภาคม ที่งานแถลงข่าวพร้อมกัน 9 ครั้งทั่วโลก นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้เปิดเผยภาพแรกของหลุมดำ

ที่ใจกลางทางช้างเผือก ในตอนแรก แม้จะดูน่ากลัว แต่ภาพวงแหวนแห่งแสงที่สร้างขึ้นอย่างอุตสาหะรอบๆ หลุมมืดใจกลางดาราจักรของเรา ดูเหมือนจะพิสูจน์สิ่งที่ผู้เชี่ยวชาญคาดไว้เท่านั้น นั่นคือ หลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือกนั้นมีอยู่จริง มันกำลังหมุน และเป็นไปตามของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

และเมื่อตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว สิ่งต่าง ๆ ก็ไม่ค่อยซ้อนกันจากความสว่างของเบเกิลของแสง นักวิจัยได้ประเมินว่าสสารตกลงไปที่ราศีธนู A* ได้เร็วเพียงใด ซึ่งเป็นชื่อที่ตั้งชื่อให้กับหลุมดำตรงกลางของทางช้างเผือก คำตอบคือ: ไม่เร็วเลย Priya Natarajanนักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยเยลกล่าวว่า “มันอุดตันจนเป็นหยดเล็กๆ น้อยๆ” เปรียบเทียบกาแล็กซีกับฝักบัวที่หัก อย่างไรก็ตาม มีเพียงหนึ่งในพันของสสารที่ไหลเข้าสู่ทางช้างเผือกจากสสารในอวกาศที่อยู่รอบๆ ทำให้มันไหลลงสู่หลุม “นั่นเป็นการเปิดเผยปัญหาใหญ่” ณัฐราจันท์กล่าว “แก๊สนี้จะไปไหน? เกิดอะไรขึ้นกับกระแส? เป็นที่ชัดเจนว่าเราต้องสงสัยความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเติบโตของหลุมดำ”

• บทความอื่น ๆ : abrakidabratoys.com

ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ได้ตระหนักถึงความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นและมีพลังระหว่างกาแลคซีหลายแห่งกับหลุมดำที่จุดศูนย์กลาง Ramesh Narayanนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าวว่า “มีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในภาคสนามจริงๆ “สิ่งที่น่าประหลาดใจก็คือหลุมดำมีความสำคัญในฐานะตัวสร้างและผู้ควบคุมว่าดาราจักรวิวัฒนาการอย่างไร”

หลุมขนาดยักษ์เหล่านี้ — ความเข้มข้นของสสารหนาแน่นจนแรงโน้มถ่วงขัดขวางไม่ให้แม้แต่แสงหลุดรอด — เหมือนกับเครื่องยนต์ของกาแลคซี่ แต่นักวิจัยเพิ่งเริ่มเข้าใจว่าพวกมันทำงานอย่างไร แรงโน้มถ่วงดึงฝุ่นและก๊าซเข้าสู่ใจกลางกาแลคซี ซึ่งก่อตัวเป็นจานสะสมกำลังหมุนรอบหลุมดำมวลมหาศาล ทำให้ร้อนขึ้นและกลายเป็นพลาสมาร้อนสีขาว จากนั้น เมื่อหลุมดำกลืนกินสสารนี้ (ไม่ว่าจะเป็นหยดเล็กๆ น้อยๆ หรือระเบิดอย่างกะทันหัน) พลังงานจะถูกพ่นกลับเข้าไปในกาแลคซีในกระบวนการป้อนกลับ “เมื่อคุณสร้างหลุมดำ คุณกำลังผลิตพลังงานและทิ้งมันลงสู่สิ่งแวดล้อมโดยรอบได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากระบวนการอื่นๆ ที่เรารู้จักในธรรมชาติ” Eliot Quataert กล่าวนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ข้อเสนอแนะนี้ส่งผลต่ออัตราการก่อตัวดาวฤกษ์และรูปแบบการไหลของก๊าซทั่วดาราจักร

แต่นักวิจัยมีความคิดที่คลุมเครือเกี่ยวกับตอนที่ “แอคทีฟ” ของหลุมดำมวลมหาศาลเท่านั้น ซึ่งทำให้พวกมันกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่านิวเคลียสดาราจักร (AGN) “กลไกการกระตุ้นคืออะไร? สวิตช์ปิดคืออะไร? นี่เป็นคำถามพื้นฐานที่เรายังคงพยายามค้นหาอยู่” Kirsten Hallจาก Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics กล่าว

การป้อนกลับของดาวฤกษ์ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา เป็นที่ทราบกันดีว่ามีผลคล้ายกับการป้อนกลับของ AGN ในระดับที่เล็กกว่า เครื่องยนต์ที่เป็นตัวเอกเหล่านี้มีขนาดใหญ่พอที่จะควบคุมดาราจักร “แคระ” ขนาดเล็กได้ง่าย ในขณะที่มีเพียงเครื่องยนต์ขนาดยักษ์ของหลุมดำมวลมหาศาลเท่านั้นที่สามารถครองวิวัฒนาการของดาราจักร “วงรี” ที่ใหญ่ที่สุดได้

ทางช้างเผือกซึ่งเป็นดาราจักรชนิดก้นหอยทั่วไปตั้งอยู่ตรงกลาง ด้วยสัญญาณที่ชัดเจนของกิจกรรมที่จุดศูนย์กลาง กาแลคซีของเรามีความคิดมานานแล้วว่าจะถูกครอบงำโดยผลสะท้อนกลับของดาวฤกษ์ แต่ข้อสังเกตล่าสุดหลายข้อแนะนำว่าผลป้อนกลับของ AGN เป็นตัวกำหนดรูปร่างด้วยเช่นกัน โดยการศึกษารายละเอียดของการทำงานร่วมกันระหว่างกลไกการป้อนกลับเหล่านี้ในดาราจักรบ้านเกิดของเรา และการต่อสู้กับปริศนาอย่างเช่น ความสลัวในปัจจุบันของ Sagittarius A* นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์หวังว่าจะเข้าใจว่ากาแลคซีและหลุมดำมีวิวัฒนาการร่วมกันอย่างไรโดยทั่วไป ทางช้างเผือก “กำลังกลายเป็นห้องทดลองทางดาราศาสตร์ที่มีพลังมากที่สุด” นาตาราจันกล่าว โดยทำหน้าที่เป็นพิภพเล็ก ๆ มัน “อาจถือกุญแจ”

เครื่องยนต์ทางช้างเผือกในช่วงปลายทศวรรษ 1990 นักดาราศาสตร์ยอมรับการมีอยู่ของหลุมดำในใจกลางดาราจักร เมื่อถึงเวลานั้น พวกเขาก็สามารถมองเห็นวัตถุที่มองไม่เห็นเหล่านี้ได้ใกล้ๆ มากพอที่จะสรุปมวลของพวกมันจากการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์รอบๆ ตัวพวกมัน ความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดได้เกิดขึ้น : ยิ่งดาราจักรมวลมาก หลุมดำใจกลางก็ยิ่งหนัก “สิ่งนี้แน่นมาก และมันเป็นการปฏิวัติโดยสิ้นเชิง หลุมดำกำลังคุยกับกาแลคซี่อยู่” Tiziana Di Matteoนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Carnegie Mellon กล่าว

ความสัมพันธ์นี้น่าประหลาดใจเมื่อคุณพิจารณาว่าหลุมดำซึ่งมีขนาดใหญ่เท่าที่เป็นอยู่นั้นเป็นเพียงเศษเสี้ยวหนึ่งของขนาดดาราจักร (ตัวอย่างเช่น ราศีธนู A* มีน้ำหนักประมาณ 4 ล้านดวงอาทิตย์ ในขณะที่ทางช้างเผือกวัดมวลดวงอาทิตย์ได้ประมาณ 1.5 ล้านล้านมวลดวงอาทิตย์) ด้วยเหตุนี้ แรงโน้มถ่วงของหลุมดำจึงดึงแรงเพียงใดก็ตามที่บริเวณด้านในสุดของดาราจักร

แบ่งปันบทความนี้คัดลอก!จดหมายข่าวรับนิตยสาร Quanta ส่งถึงกล่องจดหมายของคุณ

สมัครสมาชิกตอนนี้จดหมายข่าวล่าสุดสำหรับMartin Reesนักดาราศาสตร์ Royal แห่งสหราชอาณาจักร ข้อเสนอแนะของ AGN ได้เสนอวิธีธรรมชาติในการเชื่อมต่อหลุมดำขนาดค่อนข้างเล็กกับกาแลคซีโดยรวม สองทศวรรษก่อนหน้านั้น ในปี 1970 รีสตั้งสมมติฐานอย่างถูกต้องว่าหลุมดำมวลมหาศาลให้พลังงานแก่ไอพ่นเรืองแสงที่สังเกตพบในดาราจักรเรืองแสงสว่างไสวที่อยู่ห่างไกลบางแห่งที่เรียกว่าควาซาร์ เขายังเสนอร่วมกับโดนัลด์ ลินเดน-เบลล์ว่าหลุมดำจะอธิบายว่าทำไมจุดศูนย์กลางของทางช้างเผือกถึงเรืองแสง สิ่งเหล่านี้อาจเป็นสัญญาณของปรากฏการณ์ทั่วไปที่ควบคุมขนาดของหลุมดำมวลมหาศาลในทุกที่หรือไม่?

วงแหวนแสงสีส้มพร่ามัวล้อมรอบหลุมดำภาพแรกของราศีธนู A* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลมหาศาลของทางช้างเผือก ถ่ายโดยกลุ่มกล้องโทรทรรศน์วิทยุระดับโลกที่รู้จักกันในชื่อกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์

ความร่วมมือ EHT
แนวคิดก็คือว่ายิ่งหลุมดำกลืนสสารมากเท่าไหร่ มันก็จะยิ่งสว่างขึ้น พลังงานและโมเมนตัมที่เพิ่มขึ้นจะพัดก๊าซออกไปด้านนอก ในที่สุด แรงดันภายนอกจะหยุดไม่ให้ก๊าซตกลงไปในหลุมดำ “นั่นจะยุติการเติบโต นั่นคือเหตุผล” รีส์กล่าว หรือในคำพูดของดิ มัตเตโอ “หลุมดำกินแล้วกลืน” ดาราจักรขนาดใหญ่มากทำให้หลุมดำที่อยู่ตรงกลางมีน้ำหนักมากขึ้น ทำให้ยากต่อการเป่าก๊าซออกไปด้านนอก หลุมดำจึงขยายใหญ่ขึ้นก่อนที่มันจะกลืนเข้าไป

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์บางคนเชื่อว่าพลังงานของสสารที่ตกลงมาสามารถถูกขับออกมาในลักษณะที่น่าทึ่งได้ “ตอนที่ฉันทำวิทยานิพนธ์ เราทุกคนต่างหมกมุ่นอยู่กับหลุมดำที่ไม่มีวันหวนกลับ — แค่ก๊าซเข้าไป” Natarajan ผู้ช่วยพัฒนาแบบจำลอง AGN feedback แรกในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาของ Rees กล่าว “ทุกคนต้องทำอย่างระมัดระวังและรอบคอบ เพราะมันรุนแรงมาก”

การยืนยันแนวคิดข้อเสนอแนะเกิดขึ้นในสองสามปีต่อมา จากการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่พัฒนาโดย Di Matteo และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์Volker SpringelและLars Hernquist. “เราต้องการสร้างสวนสัตว์ที่น่าตื่นตาตื่นใจของกาแล็กซีที่เราเห็นในจักรวาลจริง” ดิ มัตเตโอกล่าว พวกเขารู้ภาพพื้นฐาน: กาแล็กซีเริ่มมีขนาดเล็กและหนาแน่นในเอกภพยุคแรก หมุนนาฬิกาไปข้างหน้าและแรงโน้มถ่วงทำให้คนแคระเหล่านี้แตกเป็นเสี่ยง ๆ จากการรวมตัวกันที่น่าตื่นตาตื่นใจ ก่อตัวเป็นวงแหวน วังวน ซิการ์ และทุกรูปทรงในระหว่างนั้น กาแล็กซีเติบโตในขนาดและความหลากหลาย จนกระทั่งหลังจากการชนกันมากพอ กาแล็กซีจะใหญ่และราบรื่น “มันจบลงด้วยการหยด” ดิ มัตเตโอ กล่าว ในการจำลอง เธอและเพื่อนร่วมงานของเธอสามารถสร้างก้อนกลมขนาดใหญ่ที่ไม่มีลักษณะเฉพาะเหล่านี้ขึ้นมาใหม่ ซึ่งเรียกว่าดาราจักรวงรี โดยการรวมดาราจักรชนิดก้นหอยหลายๆ ครั้งเข้าด้วยกัน แต่มีปัญหา