การสำรวจของเจมส์ เวบบ์ระบุหลุมดำมวลมหาศาลที่เกิดขึ้นก่อนดาราจักรในจักรวาลยุคแรกเริ่ม

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ พบหลักฐานของหลุมดำมวลมหาศาลซึ่งมีขนาดใหญ่อยู่แล้วในการก่อตัว การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าวัตถุนี้อาจปรากฏขึ้นก่อนกาแล็กซีของมันเองในเอกภพยุคแรกเริ่ม การค้นพบล่าสุดนี้ท้าทายแบบจำลองดั้งเดิมที่อธิบายต้นกำเนิดและการเติบโตของวัตถุจักรวาลเหล่านี้

นักวิจัยชี้ให้เห็นว่าหลุมดำซึ่งอยู่หลังบิกแบงประมาณ 700 ล้านปี ไม่ได้เป็นไปตามการล่มสลายของดาวฤกษ์มวลมากในช่วงคลาสสิก ผลการศึกษามุ่งเน้นไปที่วัตถุที่เรียกว่า Abell2744-QSO1 บ่งชี้ถึงการก่อตัวขนาดใหญ่ในระยะเริ่มแรก โดยไม่จำเป็นต้องมีกาแลคซีที่จัดตั้งขึ้นแล้วเพื่อการพัฒนา ความหมายมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจฟิสิกส์ดาราศาสตร์

Discovery ท้าทายสถานการณ์รูปแบบคลาสสิก

นักวิทยาศาสตร์ตั้งสมมติฐานมานานหลายทศวรรษว่าหลุมดำมวลมหาศาลเกิดจากการล่มสลายของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ภายในกาแลคซีที่มีอยู่ วัตถุในจักรวาลเหล่านี้ตามทฤษฎีดั้งเดิมจะค่อยๆ เติบโต พวกมันจะดูดซับสสารและรวมตัวกับหลุมดำอื่น ๆ ในเวลาหลายพันล้านปีเพื่อไปถึงมวลมหึมาของพวกมัน

อย่างไรก็ตาม แบบจำลองดั้งเดิมนี้พบว่าเป็นการยากที่จะอธิบายว่าเทห์ฟากฟ้าเหล่านี้บางส่วนมีมวลเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์หลายล้านหรือพันล้านดวงในช่วงแรกของประวัติศาสตร์จักรวาลได้อย่างไร ความเร็วของการเติบโตในช่วงแรกๆ ของจักรวาลทำให้เกิดปริศนาต่อนักดาราศาสตร์ ข้อสังเกตใหม่ของเจมส์ เวบบ์เป็นอีกทางเลือกหนึ่ง บ่งชี้ว่าหลุมดำบางหลุมอาจก่อตัวขึ้นในขนาดที่มากอยู่แล้ว ดังนั้นการพึ่งพากาแลคซีขนาดใหญ่สำหรับอาหารเริ่มแรกจะหมดไป โรแบร์โต ไมโอลิโน จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และผู้ร่วมวิจัย กล่าวถึงการค้นพบนี้ว่าเป็น “การค้นพบที่น่าทึ่ง” เขาเน้นย้ำว่ามันแสดงถึงการแก้ไขสถานการณ์ดั้งเดิมเกี่ยวกับการก่อตัวและการเติบโตของหลุมดำทั้งหมด

วัตถุ Abell2744-QSO1 สังเกตการณ์ห่างออกไป 13 พันล้านปีแสง

วัตถุ Abell2744-QSO1 มีชื่อเล่นว่า “จุดสีแดงเล็กๆ” มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1,300 ปีแสง แสงของมันเดินทางมากกว่า 13 พันล้านปีจนกระทั่งถูกจับโดยเครื่องมือของ James Webb กล้องโทรทรรศน์อวกาศบันทึกภาพ QSO1 ที่แตกต่างกันสามภาพ สิ่งนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากผลของเลนส์โน้มถ่วง ปรากฏการณ์นี้เกิดจากกระจุกกาแลคซี Abell 2744 หรือที่รู้จักในชื่อ “กระจุกแพนโดร่า” เลนส์โน้มถ่วงจะขยายแสงจากวัตถุที่อยู่ห่างไกล ทำให้สามารถสังเกตโครงสร้างระยะไกลในจักรวาลได้อย่างละเอียด

การสังเกตเบื้องต้นของจุดสีแดงนี้บ่งชี้ว่า QSO1 อาจเป็นเมฆไฮโดรเจนและฮีเลียมอันกว้างใหญ่ มันหมุนรอบหลุมดำมวลมหาศาลซึ่งมีมวลประมาณ 40 ล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม การวัดโดยตรงแบบใหม่ที่ดำเนินการโดยทีมวิจัยได้ปรับประมาณการนี้ ข้อมูลล่าสุดระบุว่าวัตถุนี้มีมวลดวงอาทิตย์ประมาณ 50 ล้านดวง ความแตกต่างนี้ตอกย้ำความแม่นยำของวิธีการสังเกตแบบใหม่

เครื่องมือ NIRSpec ช่วยให้สามารถตรวจวัดมวลได้โดยตรง

ทีมนักวิจัยใช้เครื่องมือ NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) บนกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ NIRSpec เป็นเครื่องมือสำคัญในการทำแผนที่การเคลื่อนที่ของก๊าซในบริเวณรอบๆ หลุมดำ นอกจากนี้ เครื่องมือยังทำให้สามารถระบุองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะของพื้นที่นี้ได้

นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าไฮโดรเจนรอบๆ Abell2744-QSO1 มีการเคลื่อนไหวที่ชัดเจน:

• การหมุนของเคพเปลเรียน: ก๊าซหมุนรอบตัวในลักษณะคล้ายกับการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์
• องค์ประกอบทางเคมี: NIRSpec ช่วยระบุองค์ประกอบที่มีอยู่ โดยให้เบาะแสเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมเริ่มต้นของหลุมดำ
• การทำแผนที่ความเร็ว: เครื่องมือนี้สร้างแผนที่ความเร็วของก๊าซโดยละเอียด ซึ่งจำเป็นต่อการคำนวณมวล

วิธีการสังเกตการหมุนของก๊าซโดยละเอียดทำให้สามารถคำนวณมวลของหลุมดำมวลมหาศาลได้โดยตรง ความสามารถของ NIRSpec ในการวัดที่แม่นยำในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดได้เปิดหน้าต่างใหม่ให้กับดาราศาสตร์ฟิสิกส์

นัยสำหรับแบบจำลองการก่อตัวของจักรวาล

การค้นพบหลุมดำ Abell2744-QSO1 ถือเป็นก้าวสำคัญในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ มันเสนอมุมมองอีกทางหนึ่งเกี่ยวกับการก่อตัวของหลุมดำมวลมหาศาล ก่อนหน้านี้ ทฤษฎีที่มีอยู่เสนอแนะการเติบโตอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยเริ่มจากการล่มสลายของดวงดาวและการรวมตัวกันของวัตถุในเวลาต่อมา ในทางกลับกัน แบบจำลองใหม่เสนอว่าหลุมดำเหล่านี้บางส่วนอาจมีมวลมากตั้งแต่แรกเริ่ม พวกมันจะไม่ขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของดาราจักรที่ก่อตัวสมบูรณ์แล้วในการกำเนิดครั้งแรก

การเปลี่ยนกระบวนทัศน์นี้เปิดช่องทางใหม่ในการวิจัยเพื่อทำความเข้าใจจักรวาลในยุคแรกเริ่ม มันบังคับให้นักวิทยาศาสตร์ประเมินลำดับเหตุการณ์และกลไกการก่อตัวของโครงสร้างจักรวาลอีกครั้ง การมีอยู่ของหลุมดำขนาดใหญ่ในระยะเริ่มแรกในจักรวาลทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับความหนาแน่นของสสาร นอกจากนี้ยังตั้งคำถามถึงสภาพทางกายภาพของจักรวาลทันทีหลังบิ๊กแบง สิ่งตีพิมพ์ใน Nature และประกาศรายเดือนของ Royal Astronomical Society ให้รายละเอียดเกี่ยวกับการค้นพบนี้ พวกเขาสร้างพื้นฐานใหม่สำหรับการสืบสวนทางดาราศาสตร์ในอนาคต