ทีมนักดาราศาสตร์ได้ค้นพบหลักฐานที่น่าเชื่อถือที่สุดของปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนที่เรียกว่า "Lense-Thirring precession" หรือที่รู้จักกันในชื่อ "Frame dragging" ซึ่งหลุมดำที่กำลังหมุนอย่างรวดเร็วได้ลากโครงสร้างของกาลอวกาศ (Spacetime) ให้หมุนตามการเคลื่อนที่ของมัน การสังเกตนี้ถือเป็นของขวัญที่แท้จริงสำหรับนักฟิสิกส์ทั่วโลก เนื่องจากเป็นการยืนยันคำทำนายที่ทำไว้เมื่อกว่าศตวรรษที่แล้ว
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นั้นทำนายไว้อย่างไร ?
ปรากฏการณ์การหมุนวนของกาลอวกาศนี้มีที่มาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General relativity) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เมื่อปี ค.ศ. 1915 ซึ่งทำนายว่าวัตถุที่มีมวลจะบิดเบี้ยวโครงสร้างของกาลอวกาศและเวลา รวมกันเป็นกาลอวกาศ แรงโน้มถ่วงจึงเกิดขึ้นจากผลกระทบทางเรขาคณิตนี้ โดยยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด ผลกระทบต่อกาลอวกาศและอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงก็จะมากขึ้นเท่านั้น
ต่อมาในปี ค.ศ. 1918 แนวคิดเรื่องวัตถุที่หมุนได้ขนาดใหญ่สามารถลากกาลอวกาศตามไปด้วยก็ได้รับการยืนยันด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย โจเซฟ เลนส์ (Josef Lense) และฮันส์ เธอร์ริง (Hans Thirring) แต่ในตอนนั้นเป็นการแก้สมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein's Field Equations) หรือยืนยันในเชิงทฤษฎีคณิตศาสตร์ ไม่ได้เป็นการสังเกตหลุมดำจริง ๆ
การสังเกต "หลุมดำที่กำลังกินอาหาร"
การค้นพบครั้งล่าสุดนี้เกิดขึ้นจากการสังเกตดาวฤกษ์ที่กำลังสั่นคลอนในวงโคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังฉีกและดูดกลืนสสารของดาว โดยทีมนักดาราศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (Cardiff University) ในสหราชอาณาจักร
ทีมงานได้ตรวจสอบเหตุการณ์ที่เรียกว่า Tidal Disruption Event หรือ TDE) ซึ่งถูกกำหนดชื่อเอาไว้ว่า AT2020afhd
TDE เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์โคจรเข้าใกล้หลุมดำมวลมหาศาลมากเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วงมหาศาลฉีกดาวออกเป็นชิ้น ๆ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า "Spaghettification" สสารที่ถูกฉีกออกมานี้จะพันรอบหลุมดำกลายเป็นแผ่นจานรวมมวล (Accretion disk)
โคซิโม อินเซร์รา (Cosimo Inserra) สมาชิกวิจัยในทีมจากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (Cardiff University) กล่าวว่า "การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงหลักฐานที่น่าเชื่อถือที่สุดของปรากฏการณ์ Lense-Thirring precession โดยหลุมดำกำลังลากกาลอวกาศไปพร้อมกับมันในลักษณะเดียวกับที่ลูกข่างหมุนดึงน้ำรอบ ๆ มันให้เกิดน้ำวน"
หลักฐานการสั่นคลอน (The Wobble)
นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ข้อมูลรังสีเอกซ์ที่รวบรวมโดยยานอวกาศของ NASA คือ Neil Gehrels Swift Observatory หรือ Swift) และข้อมูลคลื่นวิทยุจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุภาคพื้นดิน Karl G. Jansky Very Large Array หรือ VLAในการตรวจสอบ
การดึงกาลอวกาศนี้ส่งผลให้เกิดการสั่นคลอน (The Wobble) ในวงโคจรของสสารในจานรวมมวลรอบหลุมดำ ขณะสังเกต AT2020afhd ทีมงานได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่เป็นจังหวะของทั้งรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุ ซึ่งบ่งชี้ว่าจานรวมมวลและลำไอพ่นของหลุมดำกำลังสั่นคลอนไปพร้อมกัน โดยการเคลื่อนไหวนี้จะเกิดซ้ำทุก ๆ 20 วันบนโลก
หลังจากนั้นทีมงานพบว่าสัญญาณวิทยุของ AT2020afhd แสดงการเปลี่ยนแปลงระยะสั้น ซึ่งไม่สามารถมาจากพลังงานที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำเองได้ การสร้างแบบจำลองข้อมูลจาก Swift และ VLA ยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นผลมาจากการดึงกาลอวกาศ (Frame-dragging) การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันคำทำนายของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในอดีตเท่านั้น แต่ยังมอบวิธีการใหม่แก่นักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาการหมุนของหลุมดำ และวิธีการที่พวกมันดูดกลืนสสาร
งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances เมื่อวันพุธที่ 10 ธันวาคม
สรุปข่าว
ทีมนักดาราศาสตร์ได้ค้นพบหลักฐานที่น่าเชื่อถือที่สุดของปรากฏการณ์ที่ซับซ้อนที่เรียกว่า "Lense-Thirring precession" หรือที่รู้จักกันในชื่อ "Frame dragging" ซึ่งหลุมดำที่กำลังหมุนอย่างรวดเร็วได้ลากโครงสร้างของกาลอวกาศ (Spacetime) ให้หมุนตามการเคลื่อนที่ของมัน การสังเกตนี้ถือเป็นของขวัญที่แท้จริงสำหรับนักฟิสิกส์ทั่วโลก เนื่องจากเป็นการยืนยันคำทำนายที่ทำไว้เมื่อกว่าศตวรรษที่แล้ว
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นั้นทำนายไว้อย่างไร ?
ปรากฏการณ์การหมุนวนของกาลอวกาศนี้มีที่มาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General relativity) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เมื่อปี ค.ศ. 1915 ซึ่งทำนายว่าวัตถุที่มีมวลจะบิดเบี้ยวโครงสร้างของกาลอวกาศและเวลา รวมกันเป็นกาลอวกาศ แรงโน้มถ่วงจึงเกิดขึ้นจากผลกระทบทางเรขาคณิตนี้ โดยยิ่งวัตถุมีมวลมากเท่าใด ผลกระทบต่อกาลอวกาศและอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงก็จะมากขึ้นเท่านั้น
ต่อมาในปี ค.ศ. 1918 แนวคิดเรื่องวัตถุที่หมุนได้ขนาดใหญ่สามารถลากกาลอวกาศตามไปด้วยก็ได้รับการยืนยันด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย โจเซฟ เลนส์ (Josef Lense) และฮันส์ เธอร์ริง (Hans Thirring) แต่ในตอนนั้นเป็นการแก้สมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein's Field Equations) หรือยืนยันในเชิงทฤษฎีคณิตศาสตร์ ไม่ได้เป็นการสังเกตหลุมดำจริง ๆ
การสังเกต "หลุมดำที่กำลังกินอาหาร"
การค้นพบครั้งล่าสุดนี้เกิดขึ้นจากการสังเกตดาวฤกษ์ที่กำลังสั่นคลอนในวงโคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาลที่กำลังฉีกและดูดกลืนสสารของดาว โดยทีมนักดาราศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (Cardiff University) ในสหราชอาณาจักร
ทีมงานได้ตรวจสอบเหตุการณ์ที่เรียกว่า Tidal Disruption Event หรือ TDE) ซึ่งถูกกำหนดชื่อเอาไว้ว่า AT2020afhd
TDE เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์โคจรเข้าใกล้หลุมดำมวลมหาศาลมากเกินไป ทำให้แรงโน้มถ่วงมหาศาลฉีกดาวออกเป็นชิ้น ๆ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่า "Spaghettification" สสารที่ถูกฉีกออกมานี้จะพันรอบหลุมดำกลายเป็นแผ่นจานรวมมวล (Accretion disk)
โคซิโม อินเซร์รา (Cosimo Inserra) สมาชิกวิจัยในทีมจากมหาวิทยาลัยคาร์ดิฟฟ์ (Cardiff University) กล่าวว่า "การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงหลักฐานที่น่าเชื่อถือที่สุดของปรากฏการณ์ Lense-Thirring precession โดยหลุมดำกำลังลากกาลอวกาศไปพร้อมกับมันในลักษณะเดียวกับที่ลูกข่างหมุนดึงน้ำรอบ ๆ มันให้เกิดน้ำวน"
หลักฐานการสั่นคลอน (The Wobble)
นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ข้อมูลรังสีเอกซ์ที่รวบรวมโดยยานอวกาศของ NASA คือ Neil Gehrels Swift Observatory หรือ Swift) และข้อมูลคลื่นวิทยุจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุภาคพื้นดิน Karl G. Jansky Very Large Array หรือ VLAในการตรวจสอบ
การดึงกาลอวกาศนี้ส่งผลให้เกิดการสั่นคลอน (The Wobble) ในวงโคจรของสสารในจานรวมมวลรอบหลุมดำ ขณะสังเกต AT2020afhd ทีมงานได้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่เป็นจังหวะของทั้งรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุ ซึ่งบ่งชี้ว่าจานรวมมวลและลำไอพ่นของหลุมดำกำลังสั่นคลอนไปพร้อมกัน โดยการเคลื่อนไหวนี้จะเกิดซ้ำทุก ๆ 20 วันบนโลก
หลังจากนั้นทีมงานพบว่าสัญญาณวิทยุของ AT2020afhd แสดงการเปลี่ยนแปลงระยะสั้น ซึ่งไม่สามารถมาจากพลังงานที่ปล่อยออกมาจากหลุมดำเองได้ การสร้างแบบจำลองข้อมูลจาก Swift และ VLA ยืนยันว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นผลมาจากการดึงกาลอวกาศ (Frame-dragging) การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่ยืนยันคำทำนายของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในอดีตเท่านั้น แต่ยังมอบวิธีการใหม่แก่นักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาการหมุนของหลุมดำ และวิธีการที่พวกมันดูดกลืนสสาร
งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances เมื่อวันพุธที่ 10 ธันวาคม
ที่มารูปภาพ : NASA, Wikipedia
