หลุมดำที่เกิดจาก การย้อนกลับของบิ๊กแบง อาจเป็นคำอธิบายของพลังงานมืด


ในช่วงแรกเอกภพชะลอการขยายตัวเนื่องจากอิทธิพลของมวลสารและแรงโน้มถ่วง แต่ราว 5 พันล้านปีที่ผ่านมา พลังงานมืดเริ่มมีบทบาท ทำให้การขยายตัวของเอกภพกลับมาเร่งขึ้นอีกครั้ง - Cr. ESA

สิ่งนี้มีแนวโน้มที่จะพาเราเข้าใกล้การค้นพบธรรมชาติที่แท้จริงของพลังงานมืด และอาจทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของหลุมดำได้ลึกซึ้งขึ้นด้วย

งานวิจัยใหม่ชี้ให้เห็นว่า เมื่อมีหลุมดำเกิดขึ้นจาก "การย้อนกลับของบิ๊กแบงขนาดเล็ก" มีจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ในเอกภพที่มีอายุ 14.6 พันล้านปี พลังของพลังงานมืดก็ดูเหมือนจะเพิ่มขึ้นจนมีอิทธิพลครอบงำ และยังคงเปลี่ยนแปลงมาจนถึงปัจจุบัน

พลังงานมืดเป็นชื่อที่ตั้งขึ้นเพื่ออธิบายแรงลึกลับที่ทำให้การขยายตัวของเอกภพเร่งขึ้นในยุคปัจจุบัน ซึ่งเป็นปัญหาที่ยังคงสร้างความกังวลให้กับนักวิทยาศาสตร์เพราะไม่มีใครทราบว่าพลังงานมืดคืออะไร แต่กลับครอบครองสัดส่วนถึง 70% ของพลังงาน/มวลในเอกภพ อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้เป็นเช่นนี้เสมอไป ก่อนที่พลังงานมืดจะเริ่มมีอิทธิพล มวลสารและแรงโน้มถ่วงเคยมีบทบาทสำคัญในเอกภพ โดยสามารถชะลอการขยายตัวที่เกิดจากบิ๊กแบงจนเกือบหยุดลงได้

แต่พลังงานมืดเริ่มมีบทบาทสำคัญราว 5 พันล้านปีที่ผ่านมา ทำให้การขยายตัวของเอกภพกลับมาเร่งขึ้นอีกครั้ง ปัญหาคือไม่มีใครทราบว่าพลังงานมืดมาจากไหนหรือการเปลี่ยนจากยุคที่มวลสารครอบงำไปสู่ยุคที่พลังงานมืดมีอิทธิพลเกิดขึ้นได้อย่างไร

เพื่อตอบปัญหานี้ ทีมวิทยาศาสตร์ได้ตั้งคำถามว่า ที่ใดในเอกภพยุคปัจจุบันที่แรงโน้มถ่วงมีความรุนแรงเหมือนกับช่วงแรกเริ่มของเอกภพ คำตอบคือ บริเวณใจกลางของหลุมดำเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ ทีมวิจัยจึงสรุปว่าหลุมดำอาจมีความสัมพันธ์เชื่อมโยง "ในระดับจักรวาล" กับพลังงานมืด


ภาพของโปรโตคลัสเตอร์ PHz G191.24+62.04 ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่กำเนิดขึ้นเมื่อ 11 พันล้านปีก่อน ซึ่งถ่ายโดย JWST นอกจากนี้ บริเวณดังกล่าวยังเกิดหลุมดำขึ้นอย่างรวดเร็วอีกด้วย - Cr. NASA, ESA, CSA, Maria Polletta (INAF), Hervé Dole (Paris), Brenda Frye (UofA), Jordan C. J. D'Silva (UWA), Anton M. Koekemoer (STScI), Jake Summers (ASU), Rogier Windhorst (ASU)

"ตามทฤษฎีความสัมพันธ์ในระดับจักรวาล (cosmological coupling hypothesis) หลุมดำมีการเชื่อมโยงกับการขยายตัวของเอกภพและเต็มไปด้วยพลังงานมืดที่เพิ่มขึ้นเมื่อเอกภพขยายตัว"

Gregory Tarlé ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยมิชิแกน กล่าวกับ Space.com

Tarlé อธิบายว่าสิ่งนี้อาจเกิดขึ้นเพราะเมื่อหลุมดำก่อตัวขึ้นจากการตายและการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำอื่น มันมีความคล้ายคลึงกับบิ๊กแบงที่เกิดขึ้นในทิศทางย้อนกลับ ในกระบวนการนี้ สสารของดาวขนาดใหญ่ที่กลายเป็นหลุมดำจะกลายเป็นพลังงานมืดในระหว่างการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงจนสมบูรณ์

หากหลุมดำประกอบด้วยพลังงานมืด ทีมวิจัยเสนอว่ามันอาจเชื่อมโยงกับโครงสร้างของเอกภพและเป็นตัวขับเคลื่อนการขยายตัวของเอกภพให้เร่งขึ้น แม้ว่าพวกเขาจะยังไม่ทราบรายละเอียดทั้งหมดเกี่ยวกับกลไกนี้ แต่พวกเขามีหลักฐานยืนยันว่ากระบวนการนี้กำลังเกิดขึ้นจริง

"การค้นพบใหม่ครั้งนี้ให้หลักฐานยืนยันว่าหลุมดำที่มีการเชื่อมโยงในระดับจักรวาลอาจเป็นพลังงานมืดของเอกภพได้อย่างแท้จริง" Tarlé กล่าว "สิ่งนี้มีแนวโน้มที่จะพาเราเข้าใกล้การค้นพบธรรมชาติที่แท้จริงของพลังงานมืด และอาจทำให้เราเข้าใจธรรมชาติของหลุมดำได้ลึกซึ้งขึ้นด้วย"

ที่มา: https://www.space.com/dark-energy-black-hole-connection

###########################################################

ฮับเบิลจับภาพการชนและระเบิดของดาวนิวตรอน ก่อกำเนิดหลุมดำและ อะตอมแรกเริ่ม


ภาพประกอบดาวนิวตรอนสองดวงที่ชนกันทำให้เกิดหลุมดำ - Cr. O.S. SALAFIA, G. GHIRLANDA, CXC/NASA, GSFC, B. WILLIAMS ET AL

นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นการสร้างอะตอม เราสามารถวัดอุณหภูมิของสสารและสังเกตฟิสิกส์ขนาดเล็กในระเบิดอันห่างไกลนี้ได้

นักดาราศาสตร์ได้เฝ้าสังเกตการชนครั้งใหญ่ระหว่างดาวนิวตรอนสองดวง ซึ่งส่งผลให้เกิดหลุมดำขนาดเล็กที่สุดที่เคยพบเห็น และสร้างธาตุโลหะหายาก เช่น ทอง เงิน และยูเรเนียม

ทีมวิจัยถ่ายภาพเหตุการณ์ชนอันรุนแรงนี้ ซึ่งเกิดขึ้นห่างออกไป 130 ล้านปีแสง ในกาแล็กซี NGC 4993 ด้วยเครื่องมือหลากหลายชนิด รวมถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล การสังเกตนี้อาจจะช่วยให้เราเห็นภาพรวมของ "อดีต ปัจจุบัน และอนาคต" ของการรวมตัวกันของดาวนิวตรอน ซึ่งอาจไขความลับเกี่ยวกับต้นกำเนิดของธาตุที่หนักกว่าเหล็ก ซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นได้แม้แต่ในดาวที่มีมวลมหาศาลที่สุด

การชนและรวมตัวของดาวนิวตรอนนี้ก่อให้เกิดแสงระเบิดที่ทรงพลังเรียกว่า "กิโลโนวา" เมื่อเศษซากจากเหตุการณ์นี้ขยายตัวด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง กิโลโนวาจะส่องสว่างโดยมีความสว่างเทียบเท่ากับแสงของดวงอาทิตย์หลายร้อยล้านดวง

ทีมนักวิจัยที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์จากศูนย์ Cosmic DAWN ที่สถาบันนีลส์ บอร์ ได้ภาพใหม่ของการรวมตัวของดาวนิวตรอนขณะศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์กิโลโนวา

"เราสามารถเห็นช่วงเวลาที่นิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนรวมตัวกันในแสงหลังการระเบิด" รัสมัส ดัมการ์ด นักวิจัยจากศูนย์ Cosmic DAWN กล่าวในแถลงการณ์ "นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นการสร้างอะตอม เราสามารถวัดอุณหภูมิของสสารและสังเกตฟิสิกส์ขนาดเล็กในระเบิดที่ห่างไกลนี้ได้"

"มันเหมือนกับการชื่นชมการแผ่รังสีพื้นหลังจักรวาลจากทุกทิศทาง แต่ครั้งนี้เราได้เห็นทุกอย่างจากภายนอก เราได้เห็นทั้งก่อน ระหว่าง และหลังช่วงเวลาที่อะตอมถือกำเนิดขึ้น"

ทองในเครื่องประดับของคุณเกิดจากเหตุการณ์รุนแรงที่สุดในจักรวาล ดาวนิวตรอนเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลอย่างน้อย 8 เท่าของดวงอาทิตย์ใช้พลังงานเชื้อเพลิงในการหลอมรวมนิวเคลียสจนหมดและไม่สามารถต้านทานแรงโน้มถ่วงของตัวเองได้อีกต่อไป

ชั้นนอกของดาวเหล่านี้จะถูกระเบิดออกในเหตุการณ์ซูเปอร์โนวา ทิ้งแกนดาวที่มีมวลระหว่าง 1 ถึง 2 เท่าของดวงอาทิตย์อัดแน่นจนเหลือขนาดเพียง 12 ไมล์ (ประมาณ 20 กิโลเมตร)

การยุบตัวของแกนกลางจะบีบให้อิเล็กตรอนและโปรตอนรวมตัวกัน กลายเป็นทะเลของอนุภาคที่เรียกว่า นิวตรอน สสารนี้มีความหนาแน่นสูงมาก โดยเพียงน้ำหนักหนึ่งก้อนขนาดเท่าก้อนน้ำตาลของสสารดาวนิวตรอนจะมีน้ำหนักถึง 1 พันล้านตันบนโลก ซึ่งเทียบเท่ากับการบีบช้าง 150 ล้านตัวลงในพื้นที่ขนาดเท่าก้อนน้ำตาล

จึงไม่แปลกใจเลยที่สสารสุดขั้วนี้มีบทบาทสำคัญในการสร้างธาตุที่หนักกว่าเหล็ก


ภาพประกอบแสดงให้เห็นกลุ่มเมฆของสสารที่พุ่งออกมาจากการชนกันของดาวนิวตรอน - Cr. NASA Goddard/CI Lab

ดาวนิวตรอนไม่ได้อยู่โดดเดี่ยวเสมอไป บางครั้งดาวที่ตายแล้วเหล่านี้จะอยู่ในระบบดาวคู่ โดยมีดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่งเป็นคู่โคจร ในบางกรณีที่หายาก ดาวคู่ที่ยังมีชีวิตอยู่นี้มีมวลมากพอที่จะกลายเป็นดาวนิวตรอนได้เช่นกัน และไม่ถูก "เตะออก" จากระบบโดยการระเบิดซูเปอร์โนวาที่สร้างดาวนิวตรอนดวงแรก

ผลลัพธ์คือระบบที่มีดาวนิวตรอนสองดวงโคจรรอบกันและกัน ดาวเหล่านี้มีความหนาแน่นสูงมากจนเมื่อมันหมุนรอบกันเอง จะสร้างคลื่นความโน้มถ่วง (gravitational waves) ซึ่งเป็นการกระเพื่อมในโครงสร้างของกาล-อวกาศ (สี่มิติที่ผสานกันระหว่างอวกาศและเวลา) คลื่นนี้จะกระจายไปในอวกาศและพาโมเมนตัมเชิงมุมออกไปด้วย

เมื่อระบบสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุม วงโคจรของดาวนิวตรอนจะรัดแน่นขึ้น หมายความว่าดาวนิวตรอนทั้งสองดวงจะเคลื่อนเข้าใกล้กันมากขึ้น ส่งผลให้คลื่นความโน้มถ่วงกระเพื่อมออกไปเร็วขึ้นเรื่อยๆ และพาโมเมนตัมเชิงมุมออกไปมากขึ้นเรื่อยๆ

เหตุการณ์นี้จะจบลงเมื่อดาวนิวตรอนเข้ามาใกล้กันมากพอจนแรงโน้มถ่วงมหาศาลดึงดูดดาวที่มีความหนาแน่นสูงยิ่งให้เข้ามาชนและรวมตัวกัน

การชนนี้จะพ่นสสารที่อุดมไปด้วยนิวตรอนออกมาด้วยอุณหภูมิหลายพันล้านองศา ซึ่งร้อนกว่าดวงอาทิตย์หลายพันเท่า อุณหภูมิที่ร้อนแรงนี้ใกล้เคียงกับอุณหภูมิของเอกภพในช่วงเวลาหนึ่งวินาทีหลังบิ๊กแบง


ภาพวาดของศิลปินที่แสดงให้เห็นดาวนิวตรอนที่ชนกันและส่งคลื่นความโน้มถ่วงในกาลอวกาศ - Cr. R. Hurt/Caltech-JPL

อนุภาคที่ถูกพ่นออกมา เช่น อิเล็กตรอนและนิวตรอน เคลื่อนไหวไปรอบ ๆ บริเวณที่เกิดจากการชนของดาวนิวตรอน ซึ่งพังทลายลงอย่างรวดเร็วและก่อตัวเป็นหลุมดำในหมอกของพลาสมาที่เย็นลงในอีกไม่กี่วันต่อมา

อะตอมในเมฆพลาสมาที่เย็นลงนี้จะจับตัวนิวตรอนอิสระผ่านกระบวนการจับนิวตรอนอย่างรวดเร็ว (r-process) และยังจับตัวอิเล็กตรอนอิสระ สร้างอนุภาคที่มีมวลสูงแต่ไม่เสถียรซึ่งจะสลายตัวอย่างรวดเร็ว การสลายตัวนี้ปล่อยแสงที่นักดาราศาสตร์เห็นเป็นกิโลโนวา และยังสร้างธาตุที่หนักกว่าเหล็ก เช่น ทอง เงิน และยูเรเนียม

ทีมวิจัยได้เห็นแสงหลังจากการชน ซึ่งแสดงการจับอนุภาคเพื่อสร้างธาตุหนัก เช่น สตรอนเทียมและอิตเทรียม โดยพวกเขาอนุมานว่ามีธาตุหนักอื่น ๆ เกิดขึ้นอีกมากมายหลังการชนของดาวนิวตรอนนี้

"สสารขยายตัวอย่างรวดเร็วและเพิ่มขนาดอย่างมาก จนใช้เวลาเป็นชั่วโมงกว่าแสงจะเดินทางผ่านการระเบิดนี้" Kasper Heintz นักวิจัยจากสถาบันนีลส์ บอร์ กล่าว "นี่คือเหตุผลที่เพียงแค่การสังเกตจากส่วนที่ไกลของการระเบิด เราก็สามารถมองย้อนกลับไปในช่วงประวัติของการระเบิดได้ ใกล้กับเรา อิเล็กตรอนจับกับนิวเคลียสของอะตอมแล้ว แต่ในส่วนที่อยู่ไกลจากหลุมดำที่เกิดใหม่ 'ปัจจุบัน' ที่นั่นยังเป็นเพียง 'อนาคต' เท่านั้น"

ผลลัพธ์จากการศึกษานี้เป็นไปได้เพราะความร่วมมือจากกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลกและในอวกาศ

"การระเบิดทางดาราศาสตร์นี้พัฒนาอย่างรวดเร็วในทุกชั่วโมง ดังนั้นไม่มีกล้องโทรทรรศน์ตัวใดสามารถติดตามเรื่องราวทั้งหมดได้" Albert Sneppen นักวิจัยจากสถาบันนีลส์ บอร์และหัวหน้าทีมวิจัยกล่าวในแถลงการณ์ "แต่ด้วยการรวมข้อมูลที่มีอยู่จากออสเตรเลีย แอฟริกาใต้ และกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เราสามารถติดตามพัฒนาการของมันได้อย่างละเอียดถี่ถ้วน"

งานวิจัยของทีมตีพิมพ์ในวารสาร Astronomy & Astrophysics

ที่มา: https://www.space.com/electrons-dance-black-hole-neutronstar-collision, https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2024/10/aa50317-24/aa50317-24.html