นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้หลุมดำที่ใจกลางกาแล็กซีของเรา

อนุภาคหลุมดำหลบหนี

ภาพจำลองหลุมดำด้านหน้าเมฆแมเจลแลนใหญ่ (เครดิตรูปภาพ: Alain R. | Wikimedia Commons)





แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะสงสัยมาระยะหนึ่งแล้วว่าหลุมดำขนาดยักษ์แฝงตัวอยู่ที่ใจกลางดาราจักรของเรา แต่พวกเขาก็ยังไม่สามารถพูดได้แน่ชัดว่านี่คือคำอธิบายของพฤติกรรมแปลก ๆ ที่สังเกตพบที่นั่น ตอนนี้นักวิจัยใกล้ที่จะสามารถจินตนาการถึงพื้นที่นี้และสำรวจฟิสิกส์ในที่ทำงานมากขึ้นกว่าเดิม ซึ่งอาจทำให้กระจ่างเกี่ยวกับความขัดแย้งครั้งใหญ่ระหว่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม

ที่ใจกลางทางช้างเผือก นักดาราศาสตร์เห็นสิ่งแปลกประหลาดบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ดวงดาวประมาณโหลดูเหมือนจะโคจรรอบวัตถุที่มองไม่เห็น พบดาวดวงหนึ่งโคจรรอบ 16 ปีรอบสิ่งที่มองไม่เห็น โดยเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ยากจะจินตนาการถึง 3,000 ไมล์ (5,000 กิโลเมตร) ต่อวินาที เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ดวงอาทิตย์เคลื่อนผ่านอวกาศด้วยความเร็ว 220 กิโลเมตรต่อวินาที

ตามกฎการเคลื่อนที่ วงโคจรของดาวทั้งสิบดวงเหล่านี้ควรเกิดจากแรงดึงดูดของบางอย่าง วัตถุขนาดมหึมาใจกลางดาราจักร . ทว่ากล้องโทรทรรศน์ไม่ได้สังเกตสิ่งใดที่นั่น



'สิ่งที่สำคัญจริงๆ คือวงโคจรทั้งหมดมีจุดสนใจร่วมกัน' นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Mark Reidof จาก Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics กล่าวในระหว่างการประชุม American Physical Society ที่เพิ่งสรุปเมื่อเดือนเมษายน 2012 ว่ามีจุดหนึ่งบนท้องฟ้าและมี คุณไม่สามารถมองเห็นภาพในตำแหน่งนี้'

นอกจากนี้ ทั้งหมดนี้กำลังเกิดขึ้นในภูมิภาคที่มีความกว้างเพียง 100 เท่าของระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ซึ่งเล็กมากในรูปแบบกาแล็กซี่ของสิ่งต่างๆ [ ภาพถ่าย: หลุมดำแห่งจักรวาล ]

อย่างไรก็ตาม มีคลื่นวิทยุที่แผ่ออกมาจากบริเวณนี้เพียงเล็กน้อย ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่า ราศีธนู A* (ออกเสียงว่า 'ราศีธนู เอ-สตาร์') เมื่อเปรียบเทียบกับการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์รอบๆ ทางช้างเผือก นักวิจัยสามารถระบุได้ว่าวัตถุนี้แทบจะไม่เคลื่อนที่เลย – น้อยกว่า 1 กิโลเมตร (0.62 ไมล์) ต่อวินาที ซึ่งช้ากว่าอัตราที่โลกหมุนรอบ ดวงอาทิตย์.



ถ้าราศีธนู A* เป็นวัตถุที่มีมวลปานกลาง ก็น่าจะถูกแรงโน้มถ่วงของวัตถุที่อยู่ใกล้ดึงดึงและสัมผัสได้ถึงการเคลื่อนไหวบางอย่าง

Reid กล่าวถึงความนิ่งที่ชัดเจนของวัตถุ: 'วิธีเดียวที่สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็คือถ้าราศีธนู A* ผูกติดอยู่กับวัตถุขนาดใหญ่มาก เมื่อคุณทำการวิเคราะห์ คุณจะได้รับขีดจำกัดมวลดวงอาทิตย์ที่ต่ำกว่า 4 ล้านดวง'

ขีดจำกัดความหนาแน่นของหลุมดำ



นักดาราศาสตร์ไม่สามารถมองเห็นศูนย์กลางดาราจักรได้ดีพอที่จะวัดขนาดที่แน่นอนของราศีธนู A* แต่สามารถพูดได้อย่างแน่นอนว่ารัศมีของมันไม่เกินสองในสิบของระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์

หมายความว่า ณ ใจกลางของทางช้างเผือก มีบางสิ่งที่บรรจุมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่ในบริเวณที่สามารถเข้าไปในวงโคจรของดาวพุธได้ และโดยพื้นฐานแล้วมองไม่เห็น ทำให้เกิดแสงน้อยกว่าดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ที่โคจรอยู่มาก มัน.

ตอนนี้ นั่นทำให้ความหนาแน่นของวัตถุนี้อยู่ที่ประมาณหนึ่งในแปดของขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับหลุมดำ ดังนั้นในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถพูดได้แน่ชัดว่าวัตถุนั้นเป็นหลุมดำ

'ถึงแม้ว่าจะมีคำอธิบายอื่น ๆ อยู่ก็ตาม แต่จริงๆ แล้วพวกมันจะยิ่งมหัศจรรย์กว่าหลุมดำมวลมหาศาลที่ค่อนข้างธรรมดาซึ่งเกือบจะอยู่ที่นั่นอย่างแน่นอน' เรดกล่าว

คำอธิบายที่แปลกใหม่อีกประการหนึ่งเหล่านี้คือมีลูกบอลที่ทำจากอนุภาคเฟอร์เมียนหนักที่ไม่ปรากฏชื่อ แต่ถึงกระนั้นลูกบอลดังกล่าวก็ไม่น่าจะมีความหนาแน่นที่จำเป็นในการอธิบายหลักฐานทั้งหมด

มองใกล้ขึ้น

เพื่อไขปริศนานี้ในที่สุด นักดาราศาสตร์ปรารถนาที่จะนึกภาพศูนย์กลางของดาราจักรโดยตรง ไม่เพียงแต่จะห่างไกลและเลือนลางมากเท่านั้น แต่ยังมองไม่เห็นบริเวณนี้เนื่องจากฝุ่นที่อยู่ระหว่างโลกกับโลก

นักดาราศาสตร์ได้เริ่มโครงการที่เรียกว่ากล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ เครื่องมือนี้จะรวมเอาหอสังเกตการณ์วิทยุหลายแห่งทั่วโลกเข้าไว้ด้วยกัน ทำให้พวกมันกลายเป็นอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ขนาดยักษ์ที่สามารถวัดค่าได้อย่างแม่นยำมาก ในที่สุด ความละเอียดควรจะคมชัดพอที่จะแยกแยะราศีธนู A*

จนถึงตอนนี้ กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ได้รวมหอดูดาวเพียงสามแห่งในฮาวาย แคลิฟอร์เนีย และแอริโซนา ไว้สำหรับเวลาการสังเกตระหว่าง 15 ถึง 20 ชั่วโมง แต่นักดาราศาสตร์หวังว่าจะเพิ่มสถานที่และเวลาสังเกตการณ์ในเร็วๆ นี้

'EHT ไม่ใช่ความฝัน มันไม่ได้อยู่บนกระดานวาดภาพ' Avery Broderickof Canada's University of Waterloo และ Perimeter Institute for Theoretical Physics กล่าว 'เป็นสิ่งที่ใช้ได้ผล'

หนึ่งในเป้าหมายของ Broderick ไม่ใช่แค่การกำหนดเพียงครั้งเดียวและสำหรับทั้งหมดหากราศีธนู A* เป็นหลุมดำ แต่ยังเป็นการพิสูจน์ฟิสิกส์ของวัตถุด้วย

การทดสอบสัมพัทธภาพทั่วไป

หลุมดำคร่อมสองทฤษฎีฟิสิกส์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุด: หนึ่งที่อธิบายขอบเขตของขนาดใหญ่มากและหนึ่งที่อธิบายจังหวัดของขนาดเล็กมาก

มวลที่ใหญ่มากของหลุมดำทำให้เกิดทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งอธิบายว่ามวลบิดเบือนโครงสร้างของอวกาศและเวลาอย่างไรเพื่อสร้างแรงโน้มถ่วง แต่คำอธิบายสำหรับมิติเชิงพื้นที่ที่เล็กมากของหลุมดำก็ต้องใช้กลศาสตร์ควอนตัมเช่นกัน [ รูปภาพ: บิ๊กแบงและจักรวาลยุคแรก ]

กลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังเข้ากันไม่ได้ เมื่อนำมารวมกันเพื่ออธิบายหลุมดำ สมการจะพังทลายลงและแนะนำว่าความหนาแน่นของหลุมดำนั้นไม่มีที่สิ้นสุด

แม้ว่ากล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์จะผลิตเพียงข้อมูลเบื้องต้นเท่านั้น โบรเดอริคและเพื่อนร่วมงานของเขาได้ใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อทดสอบการทำนายกาลอวกาศของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

'ถึงแม้จะมีข้อมูลที่มีอยู่ในปัจจุบัน เราก็สามารถพูดสิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับโครงสร้างลำดับที่สูงกว่าของหลุมดำทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้' โบรเดอริคกล่าว 'โดยหลักการแล้วเราจะสามารถแยกแยะความเบี่ยงเบนจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้

'ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปปลอดภัยแล้ว แต่มันจะไม่ปลอดภัยอีกต่อไป'

คุณสามารถติดตาม Clara Moskowitz ผู้ช่วยผู้จัดการฝ่ายจัดการของ guesswhozoo.com ได้ที่ ทวิตเตอร์ @Praewa_Peak ครับ. . ติดตาม guesswhozoo.com เพื่อรับข่าวสารล่าสุดเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์อวกาศและข่าวการสำรวจบน Twitter @Spacedotcom และต่อไป Facebook .