หลุมดำมวลมหาศาลเผชิญกับการชะลอตัวเนื่องจากขาดก๊าซเย็น

การเติบโตของหลุมดำมวลมหาศาลได้ชะลอตัวลงอย่างต่อเนื่องในช่วงหมื่นล้านปีที่ผ่านมา นักวิจัยมาถึงข้อสรุปนี้หลังจากวิเคราะห์ข้อมูลจากกาแลคซีประมาณ 1.3 ล้านแห่งและหลุมดำที่ยังคุกรุ่นอยู่ 8,000 แห่ง สาเหตุหลักคือความพร้อมใช้ของก๊าซเย็นลดลง ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่วัตถุเหล่านี้ใช้เพื่อเพิ่มมวล

หลุมดำมวลยวดยิ่งมีมวลเท่ากับล้านหรือพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และอยู่ที่ใจกลางกาแลคซีส่วนใหญ่ รวมทั้งทางช้างเผือกด้วย แรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของมันมีอิทธิพลต่อการกำเนิดดาวฤกษ์และวิวัฒนาการของกาแลคซี การแผ่รังสีเอกซ์จากก๊าซร้อนใกล้กับขอบฟ้าเหตุการณ์ทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้อัตราการสะสมซึ่งก็คือความเร็วที่หลุมดำกลืนกินสสาร

หลุมดำมวลมหาศาลคืออะไร

หลุมดำมวลมหาศาลรวมมวลมากจนมีปริมาตรน้อยมาก ไม่มีอะไรหนีพ้นขอบฟ้าเหตุการณ์ แม้แต่แสง วัตถุเหล่านี้มีอิทธิพลต่อก๊าซและดาวฤกษ์ที่อยู่รอบๆ ส่งผลต่อการพัฒนาของกาแลคซีต้นทางในช่วงหลายพันล้านปี

กาแลคซีส่วนใหญ่มีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ที่แกนกลางของมัน ในกรณีของทางช้างเผือก วัตถุใจกลางมีมวลประมาณสี่ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าดาวยักษ์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการควบคุมกิจกรรมของดาวฤกษ์และพลศาสตร์ของก๊าซระหว่างดวงดาว

ช่วงเวลาสูงสุดของกิจกรรมจักรวาล

ประมาณหมื่นล้านปีก่อน จักรวาลได้ผ่านช่วงที่เรียกว่าเที่ยงจักรวาล ในเวลานี้ ทั้งการกำเนิดดาวฤกษ์และการเติบโตของหลุมดำถึงระดับสูงสุดในประวัติศาสตร์จักรวาล กาแลคซีมีก๊าซเย็นสำรองจำนวนมาก ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการกำเนิดดาวดวงใหม่และการเพิ่มมวลเป็นนิวเคลียสที่มีกัมมันตภาพรังสี

การสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จากกล้องโทรทรรศน์ เช่น จันทรา XMM-นิวตัน และ eROSITA ทำให้สามารถเปรียบเทียบกิจกรรมของหลุมดำในเวลาที่ต่างกันได้ ความเข้มของการปล่อยรังสีเอกซ์จะระบุอัตราการบริโภคสสารโดยตรง ในตอนเที่ยงของจักรวาล กิจกรรมนี้แข็งแกร่งกว่าที่เป็นอยู่ในปัจจุบันมาก

สาเหตุหลักที่ทำให้ชะลอตัว

การที่แหล่งกักเก็บก๊าซเย็นในกาแลคซีหมดสิ้นลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปอธิบายถึงอัตราการเติบโตที่ลดลง เมื่อเวลาผ่านไป ก๊าซที่มีอยู่จะถูกแปลงเป็นดาวฤกษ์ ถูกขับออกจากการระเบิดของซุปเปอร์โนวา หรือได้รับความร้อนและถูกกำจัดออกไปโดยลมและไอพ่นพลังงานจากหลุมดำเอง หากไม่มีการเติมเต็มอย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุที่ใช้เติมเชื้อเพลิงให้กับนิวเคลียสที่ทำงานอยู่จะลดลง

• การก่อตัวดาวฤกษ์ใช้ก๊าซระหว่างดวงดาวในปริมาณมาก
• การระเบิดของซูเปอร์โนวาทำให้ร้อนขึ้นและขับก๊าซที่เหลือบางส่วนออกไป
• เจ็ตส์และการแผ่รังสีจากหลุมดำกวาดล้างวัตถุจากบริเวณใจกลาง
• ก๊าซเย็นน้อยลงส่งผลให้อัตราการสะสมลดลง
• กระบวนการนี้ส่งผลต่อทั้งการกำเนิดดาวฤกษ์และการเติบโตของหลุมดำ

ลำดับนี้แสดงให้เห็นว่ากาแลคซีสูญเสียความสามารถในการดำรงกิจกรรมเข้มข้นเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไร อัตราการสะสมเฉลี่ยลดลงอย่างมากตั้งแต่เที่ยงจักรวาล

ข้อมูลได้มาอย่างไร

นักดาราศาสตร์ได้รวมข้อมูลจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์หลายแห่งเพื่อทำแผนที่กิจกรรมของหลุมดำหลายพันแห่งในระยะทางและเวลาที่ต่างกัน การวิเคราะห์รวมวัตถุกัมมันต์ประมาณ 8,000 ชิ้น และทำให้สามารถแยกผลกระทบของมวล จำนวนหลุมดำที่เพิ่มขึ้น และอัตราการใช้ของแต่ละบุคคลได้

ผลการวิจัยระบุว่าการชะลอตัวหลักมาจากอัตราการเพิ่มมวลต่อหลุมดำที่ลดลง ไม่ใช่แค่จากการลดจำนวนวัตถุกัมมันต์หรือมวลเฉลี่ยของวัตถุเหล่านั้นเท่านั้น การปล่อยรังสีเอกซ์ที่น้อยลงในปัจจุบันสะท้อนโดยตรงถึงปริมาณการใช้สสารที่ลดลง การศึกษาที่ข้ามกับการสังเกตในย่านความยาวคลื่นอื่นๆ เสริมสถานการณ์การขาดแคลนเชื้อเพลิง

ผลกระทบต่อวิวัฒนาการของดาราจักร

เมื่อมีก๊าซเย็นน้อยลง กาแลคซีจึงก่อตัวดาวฤกษ์น้อยลงและมีแกนกลางที่ส่องสว่างน้อยลง กาแลคซีหลายแห่งมีสีแดงมากขึ้นและมีก๊าซน้อยลง และเข้าสู่ช่วงของกิจกรรมที่ลดลง หลุมดำมวลมหาศาลยังคงปรากฏอยู่ แต่ส่วนใหญ่จะมีการเติบโตที่ช้าหรือเกือบหยุดนิ่ง

สถานการณ์นี้มีส่วนทำให้จักรวาลวุ่นวายน้อยกว่าในวัยหนุ่มของเขา ในระยะยาว จักรวาลมีแนวโน้มที่จะถูกครอบงำโดยดาวฤกษ์อายุมาก ดาวเคราะห์เด็กกำพร้า และหลุมดำที่มีมวลรวมอยู่แล้ว การสังเกตการณ์ช่วยวาดภาพประวัติศาสตร์จักรวาลและชะตากรรมในอนาคตของโครงสร้างขนาดใหญ่

มุมมองสำหรับการสังเกตใหม่

กล้องโทรทรรศน์ทั้งในปัจจุบันและในอนาคตจะต้องจัดทำแผนที่กิจกรรมในรังสีเอกซ์และแถบอื่นๆ ต่อไปเพื่อปรับแต่งแบบจำลองวิวัฒนาการ การรวมข้อมูลจากเครื่องมือต่างๆ ทำให้สามารถทดสอบสมมติฐานต่างๆ เกี่ยวกับปริมาณการใช้สสารและการตอบรับอย่างมีพลังของหลุมดำบนกาแลคซีต้นสังกัดของมันได้

ผลลัพธ์ล่าสุดตอกย้ำความเชื่อมโยงระหว่างปริมาณก๊าซและอัตราการเติบโตของดาวฤกษ์และหลุมดำ พวกเขาเสนอเบาะแสเกี่ยวกับการที่เอกภพเปลี่ยนจากระยะแอคทีฟไปสู่สภาวะสงบที่สังเกตได้ในปัจจุบัน