"ดร.วันเฉลิม" นักวิจัย NARIT ค้นพบและยืนยันการเปลี่ยนแปลงของ “เจ็ตหลุมดำมวลยิ่งยวด” โพลาไรเซชันรอบเจ็ตหลุมดำมวลยิ่งยวดในระดับที่ไม่เคยพบมาก่อน โดยเห็นโครงสร้างของมวลวสสสารและสนามแม่เหล็ก โดยงานวิจัยได้ถูกตีพิมพ์ในวารสารต่างประเทศ

ดร.วันเฉลิม ความใหม่ นักวิจัยจากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) (สดร. หรือ NARIT) ร่วมทีมนักวิจัยนานาชาติ ศึกษาเจ็ตหลุมดำมวลยิ่งยวด ใช้การสังเกตการณ์โพลาไรเซชัน ผสานข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุและเครือข่ายกล้องหลายแห่งทั่วโลก ได้พบหลักฐานการเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันรอบเจ็ตหลุมดำมวลยิ่งยวดในระดับที่ไม่เคยพบมาก่อน และยังสอดคล้องกับการลุกวาบหลายระลอก เผยให้เห็นโครงสร้างอันสลับซับซ้อนของมวลสารและสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำ งานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ใน The Astrophysical Journal

หลุมดำ เป็นที่รู้จักจากแรงโน้มถ่วงมหาศาล แต่สสารที่อยู่รอบหลุมดำไม่ได้ตกลงไปทั้งหมด สสารบางส่วนที่หลุดพ้นจากขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ อาจถูกเร่งและขับออกเป็นลำแคบ ๆ เรียกว่า “เจ็ต” ประกอบด้วยพลาสมา หรือสสารที่มีอนุภาคมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่อย่างอิสระ และสามารถพุ่งออกไปด้วยความเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง

เป้าหมายงานวิจัยครั้งนี้คือ “OJ 287” เป็นวัตถุประเภทเบลซาร์ (Blazar) อยู่ห่างจากโลกประมาณ 4 พันล้านปีแสง ในทิศทางของกลุ่มดาวปู เบลซาร์เป็นชนิดของนิวเคลียสกาแล็กซีกัมมันต์ (AGN) ที่มีทิศของเจ็ตชี้ตรงมายังโลกพอดี ทำให้สามารถสังเกตเห็นการลุกวาบเมื่อมวลสารของเจ็ตพุ่งชนกับมวลสารที่รายล้อมอยู่ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาโครงสร้างสนามแม่เหล็กและมวลสารรอบหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง อย่างไรก็ตาม สนามแม่เหล็กนั้นเป็นสิ่งที่มองไม่เห็น และไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง ไม่ว่าจะในช่วงคลื่นใดก็ตาม หนึ่งในวิธีสังเกตสนามแม่เหล็กโดยอ้อม จะศึกษาผ่าน “โพลาไรเซชัน” ของคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมา

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเกิดขึ้นจากการแกว่งของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า โดยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแกว่งได้หลายทิศทาง แต่ปรากฏการณ์บางชนิดจะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในทิศทางหนึ่งมากกว่าทิศทางอื่น เราเรียกกระบวนการนี้ว่า “โพลาไรเซชัน” ยกตัวอย่าง เวลาเราขับรถ แสงที่สะท้อนจากพื้นถนนจะมีทิศการแกว่งสนามไฟฟ้าในแนวที่ขนานไปกับพื้นถนนมากกว่าแนวอื่น ด้วยเหตุนี้แว่นกันแดดสำหรับขับรถบางประเภทจึงสามารถเลือกที่จะตัดเฉพาะแสงที่มีทิศโพลาไรเซชันในแนวนี้เป็นพิเศษ ทำให้สบายต่อสายตา ในลักษณะคล้ายกันนี้ โครงสร้างของสนามแม่เหล็กและสสารอันสลับซับซ้อนรอบหลุมดำก็จะทำให้แสงที่ปล่อยออกมานั้นมีทิศของโพลาไรเซชันเปลี่ยนแปลงไป การศึกษาโพลาไรเซชันของเจ็ทรอบหลุมดำจึงเป็นวิธีหนึ่งที่นักดาราศาสตร์สามารถวัด และศึกษาทิศทางของสนามแม่เหล็กและมวลสารรอบ ๆ หลุมดำได้

ดร. วันเฉลิม ความใหม่ นักวิจัยด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์วิทยุ สดร. เปิดเผยว่า ทีมวิจัยได้รวบรวมข้อมูลของ OJ 287 ตั้งแต่ปี ค.ศ. 2012-2023 จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ KVN ในประเทศเกาหลีใต้ เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA ในประเทศชิลี และหอสังเกตการณ์วิทยุ Metsähovi ในประเทศฟินแลนด์ ร่วมกับข้อมูลโพลาไรเซชันในช่วงแสงที่ตามองเห็นจากงานวิจัยก่อนหน้า เพื่อนำมาวิเคราะห์ข้อมูลยาวต่อเนื่องกว่าหนึ่งทศวรรษ นับเป็นการศึกษาเจ็ตที่มีระยะเวลาต่อเนื่องยาวนานที่สุด ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถยืนยันปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำ

แม้ว่าตามปกติแล้ว ทิศของโพลาไรเซชันจะมีการแกว่งเล็กน้อย ตามความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กและมวลสารรอบหลุมดำ แต่ในระหว่างปี ค.ศ. 2015 - 2017 นั้น ทีมวิจัยกลับพบกับการเปลี่ยนแปลงทิศของโพลาไรเซชันปริศนาอย่างต่อเนื่อง คิดเป็นทิศทางการบิดไปของโพลาไรเซชันกว่า 300 องศา ภายในระยะเวลาเพียง 1 ปีครึ่ง ซึ่งนับเป็นการเปลี่ยนแปลงของทิศโพลาไรเซชันที่สูงที่สุด และยังไม่เคยยืนยันได้มาก่อนรอบเจ็ตใด ๆ

ดร. วันเฉลิม กล่าวเพิ่มเติมว่า นอกจากการเปลี่ยนทิศของโพลาไรเซชันแล้ว ทีมวิจัยยังได้นำข้อมูลการลุกจ้ารอบ ๆ OJ 287 ที่ติดตามตลอดช่วงปี ค.ศ. 2012-2023 มาเปรียบเทียบกัน การลุกจ้านั้นเป็นปรากฏการณ์ที่พบได้ทั่วไปรอบเบลซาร์ และมักเกิดจากมวลสารใหม่ที่ส่งออกมาทางเจ็ต เมื่ออนุภาคมีประจุถูกเร่งออกมาด้วยความเร็วสูง หรือปะทะเข้ากับมวลสารที่มีอยู่เดิมรอบหลุมดำ จะเปล่งแสงออกมาในช่วงคลื่นวิทยุ สังเกตได้เป็นการลุกจ้า (flare) ที่สว่างเพิ่มขึ้นอย่างเฉียบพลัน มักเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่สม่ำเสมอ และทำนายได้ยาก แต่สิ่งที่ทำให้การลุกจ้ารอบ OJ 287 ต่างออกไป คือทีมนักวิจัยได้ค้นพบว่ามีอัตราการลุกจ้าที่เพิ่มขึ้นเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะในช่วงระหว่างปี ค.ศ. 2015-2017 ซึ่งเป็นช่วงเดียวกันกับที่เกิดการเปลี่ยนโพลาไรเซชันครั้งใหญ่

การเปลี่ยนแปลงทั้งโพลาไรเซชันและการลุกจ้าที่สัมพันธ์กันนี้ อาจไม่ได้เป็นเพียงเรื่องบังเอิญ แต่บ่งบอกได้ถึงกระบวนการภายในของหลุมดำที่เปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากโพลาไรเซชันเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กเป็นอย่างมาก การบิดของทิศโพลาไรเซชันจึงน่าจะบ่งบอกถึงการบิดของสนามแม่เหล็ก หรือโครงสร้างรอบ ๆ หลุมดำ ในขณะที่การลุกจ้านั้นบ่งบอกถึงการปะทะของเจ็ตเข้ากับมวลสารรอบหลุมดำ ข้อมูลทั้งสองนี้บ่งชี้ว่าระหว่างปี ค.ศ. 2015-2017 อาจมีบริเวณเปล่งรังสีที่กำลังเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างต่าง ๆ ภายในเจ็ตที่สอดคล้องกับโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่บิดเป็นเกลียว

แม้ว่าเคยมีการศึกษาการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันในเบลซาร์อื่น ๆ มาก่อนหน้านี้ แต่ยังไม่เคยได้รับการยืนยันถึงการเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันถาวรในรูปแบบนี้มาก่อน ดังนั้นงานวิจัยนี้ที่ศึกษาข้อมูลเป็นระยะเวลายาวนานถึงกว่าหนึ่งทศวรรษ ช่วยให้ยืนยันได้ว่าการเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นจริง และเป็นการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างภายในของหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ยังไม่เคยมีใครสังเกตได้มาก่อน นอกจากนี้ ยังเป็นไปได้ว่าการเปลี่ยนแปลงในลักษณะนี้อาจไม่ได้เกิดขึ้นบ่อย เนื่องจากจะต้องขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น เรขาคณิตของทิศการเปล่งรังสี ลักษณะของสนามแม่เหล็ก และมุมมองของผู้สังเกต ที่จะต้องสอดคล้องกันพอดี บวกกับการที่เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเพียง 1.5 ปี ตลอดระยะเวลากว่า 10 ปีของการศึกษา จึงบ่งชี้ว่านี่อาจจะเป็นหนึ่งในเหตุการณ์ที่ “หาดูได้ยาก” ของหลุมดำมวลยิ่งยวด

ปัจจุบัน นักดาราศาสตร์ยังมีข้อมูลจากการเฝ้าติดตามการเปลี่ยนแปลงของเจ็ตหลุมดำมวลยิ่งยวดไม่มากนัก จึงยังบอกไม่ได้ว่าเหตุการณ์ที่พบครั้งนี้เกิดขึ้นบ่อยเพียงใด หากมีข้อมูลเพิ่มขึ้นในอนาคต เราอาจพบว่าเหตุการณ์นี้เป็นเพียงเรื่องปกติ แต่เพิ่งสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจนเป็นครั้งแรกก็เป็นได้ ดังนั้น การติดตามการลุกจ้าและโพลาไรเซชันเซชันของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมาจากเบลซาร์อย่างต่อเนื่องเช่นนี้ จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะช่วยให้เข้าใจการเคลื่อนที่ของสสารและสนามแม่เหล็กภายในเจ็ตได้ดีขึ้น รวมถึงวิธีวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันรูปแบบใหม่ที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นในการศึกษาครั้งนี้ จะนำมาใช้ศึกษาและทำความเข้าใจสภาพแวดล้อมรอบหลุมดำมวลยิ่งยวดได้ดียิ่งขึ้นต่อไป.