มวลและการเคลื่อนที่ของดาว

ด้วยความสว่างที่มากกว่ากาแลคซีทั้งหมด (เช่น สว่างกว่าดวงอาทิตย์ของเราหลายพันล้านเท่า) ในช่วงเวลาสั้น ๆ (เดือนถึงปี) เหตุการณ์ที่เพิ่มขึ้นทำให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สามารถศึกษาหลุมดำมวลมหาศาล (SMBHs) จากระยะทางทางจักรวาลวิทยา ซึ่งเป็นการเปิดหน้าต่างสู่พื้นที่ส่วนกลาง ของกาแล็กซีอื่นที่สงบนิ่งหรืออยู่เฉยๆ จากการสำรวจเหตุการณ์ ``แรงโน้มถ่วงแรง'' เหล่านี้ โดยที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพิจารณาว่าสสารมีพฤติกรรมอย่างไร TDE จึงให้ข้อมูลเกี่ยวกับหนึ่งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดในจักรวาล: ขอบฟ้าเหตุการณ์ -- จุดที่ไม่มีวันหวนกลับ -- ของหลุมดำ TDE มักจะ "ทำครั้งเดียวจบ" เนื่องจากสนามแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของ SMBH ทำลายดาวฤกษ์ หมายความว่า SMBH จะจางหายไปในความมืดภายหลังการลุกจ้าที่เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในบางกรณี แกนกลางที่มีความหนาแน่นสูงของดาวสามารถอยู่รอดจากอันตรกิริยาแรงโน้มถ่วงกับ SMBH ทำให้สามารถโคจรรอบหลุมดำได้มากกว่าหนึ่งครั้ง นักวิจัยเรียกสิ่งนี้ว่า TDE บางส่วนที่เกิดซ้ำ ทีมนักฟิสิกส์ ซึ่งรวมถึง Thomas Wevers ผู้เขียนหลัก Fellow of the European Southern Observatory และผู้ร่วมเขียน Eric Coughlin ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่ Syracuse University และ Dheeraj R. "DJ" Pasham นักวิทยาศาสตร์การวิจัยที่ Kavli Institute for Astrophysics ของ MIT และการวิจัยอวกาศได้เสนอแบบจำลองสำหรับ TDE บางส่วนที่เกิดซ้ำ การค้นพบของพวกเขาตีพิมพ์ในAstrophysical Journal Lettersอธิบายการจับภาพดาวฤกษ์โดย SMBH การลอกวัสดุแต่ละครั้งที่ดาวเข้ามาใกล้หลุมดำ และความล่าช้าระหว่างเวลาที่วัสดุถูกลอกออกและเมื่อดึงวัสดุกลับมายังหลุมดำอีกครั้ง ผลงานของทีมนี้เป็นผลงานแรกที่พัฒนาและใช้แบบจำลองโดยละเอียดของ TDE บางส่วนที่เกิดซ้ำเพื่ออธิบายการสังเกต คาดการณ์เกี่ยวกับคุณสมบัติการโคจรของดาวฤกษ์ในกาแลคซีอันไกลโพ้น และทำความเข้าใจกระบวนการการหยุดชะงักของกระแสน้ำบางส่วน ทีมงานกำลังศึกษา TDE ที่รู้จักกันในชื่อ AT2018fyk (AT ย่อมาจาก ``Astrophysical Transient'') ดาวดวงนี้ถูกจับโดย SMBH ผ่านกระบวนการแลกเปลี่ยนที่เรียกว่า "Hills capture" ซึ่งเดิมดาวเป็นส่วนหนึ่งของระบบดาวคู่ (ดาวสองดวงที่โคจรรอบกันและกันภายใต้แรงดึงดูดระหว่างกัน) ซึ่งถูกฉีกออกจากกันโดยสนามแรงโน้มถ่วงของ หลุมดำ ดาวอีกดวงหนึ่ง (ที่ไม่ถูกจับ) ถูกขับออกจากใจกลางกาแล็กซีด้วยความเร็วประมาณ 1,000 กม./วินาที ซึ่งเรียกว่าดาวฤกษ์ที่มีความเร็วสูง เมื่อเชื่อมต่อกับ SMBH แล้ว ดาวฤกษ์ที่ปล่อยพลังงานจาก AT2018fyk จะถูกปลดออกจากเปลือกนอกของมันซ้ำๆ ทุกครั้งที่มันเคลื่อนผ่านจุดที่ใกล้กับหลุมดำมากที่สุด ชั้นนอกของดาวฤกษ์ที่หลุดลอกออกมาก่อตัวเป็นจานเพิ่มความสว่าง ซึ่งนักวิจัยสามารถศึกษาโดยใช้กล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์และรังสีอัลตราไวโอเลต/ออปติคัลที่สังเกตแสงจากดาราจักรไกลโพ้น จากข้อมูลของ Wevers การมีโอกาสศึกษา TDE บางส่วนให้ข้อมูลเชิงลึกอย่างไม่เคยมีมาก่อนเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลและพลวัตการโคจรของดาวฤกษ์ในใจกลางกาแลคซี "จนถึงขณะนี้ มีข้อสันนิษฐานว่าเมื่อเราเห็นผลที่ตามมาของการเผชิญหน้าอย่างใกล้ชิดระหว่างดาวฤกษ์กับหลุมดำมวลมหาศาล ผลลัพธ์จะเป็นอันตรายต่อดาวฤกษ์ นั่นคือ ดาวฤกษ์จะถูกทำลายอย่างสิ้นเชิง" เขากล่าว "แต่ตรงกันข้ามกับ TDE อื่นๆ ทั้งหมดที่เรารู้จัก เมื่อเราเล็งกล้องโทรทรรศน์ของเราไปยังตำแหน่งเดิมอีกครั้งในอีกหลายปีต่อมา เราพบว่ามันกลับมาสว่างอีกครั้ง สิ่งนี้ทำให้เราเสนอว่าแทนที่จะทำให้เสียชีวิต เป็นส่วนหนึ่งของ ดาว ฤกษ์ รอดชีวิตจากการเผชิญหน้าครั้งแรกและกลับไปยังตำแหน่งเดิมเพื่อปลดเปลื้องวัสดุอีกครั้ง อธิบายขั้นตอนการทำให้สว่างอีกครั้ง" ตรวจพบครั้งแรกในปี 2018 ในตอนแรก AT2018fyk ถูกมองว่าเป็น TDE ธรรมดา เป็นเวลาประมาณ 600 วันที่แหล่งกำเนิดสว่างอยู่ในเอ็กซ์เรย์ แต่จากนั้นก็มืดลงอย่างกะทันหันและตรวจไม่พบ ซึ่งเป็นผลมาจากแกนกลางของดาวฤกษ์ที่หลงเหลืออยู่กลับคืนสู่หลุมดำ Dheeraj R. Pasham นักฟิสิกส์ของ MIT อธิบาย Pasham กล่าวว่า "เมื่อแกนกลางกลับสู่หลุมดำ มันจะขโมยก๊าซทั้งหมดออกจากหลุมดำโดยแรงโน้มถ่วง และผลที่ตามมาคือไม่มีสิ่งใดที่จะสะสมและด้วยเหตุนี้ระบบจึงมืด" Pasham กล่าว ยังไม่ชัดเจนในทันทีว่าอะไรเป็นสาเหตุของการลดลงอย่างรวดเร็วในความส่องสว่างของ AT2018fyk เนื่องจากโดยปกติแล้ว TDE จะสลายตัวอย่างราบรื่นและค่อยเป็นค่อยไป ไม่ฉับพลัน ในการปล่อยแสงออกมา แต่ประมาณ 600 วันหลังจากการลดลง แหล่งที่มาก็พบอีกครั้งว่าเป็นรังสีเอกซ์ที่สว่างสดใส สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยเสนอว่าดาวดวงนี้รอดชีวิตจากการเผชิญหน้าอย่างใกล้ชิดกับ SMBH ในครั้งแรกและอยู่ในวงโคจรรอบหลุมดำ จากการสร้างแบบจำลองโดยละเอียด การค้นพบของทีมชี้ให้เห็นว่าระยะเวลาการโคจรของดาวฤกษ์รอบหลุมดำนั้นอยู่ที่ประมาณ 1,200 วัน และใช้เวลาประมาณ 600 วันกว่าที่วัสดุที่หลั่งออกมาจากดาวจะกลับสู่หลุมดำและเริ่มสะสม แบบจำลองของพวกเขายังจำกัดขนาดของดาวที่จับได้ ซึ่งพวกเขาเชื่อว่ามีขนาดเท่ากับดวงอาทิตย์ สำหรับดาวคู่ดั้งเดิม ทีมเชื่อว่าดาวทั้งสองดวงอยู่ใกล้กันมากก่อนที่หลุมดำจะแยกออกจากกัน ซึ่งน่าจะโคจรรอบกันทุกๆ 2-3 วัน แล้วดวงดาวจะรอดพ้นจากความตายได้อย่างไร? ทุกอย่างขึ้นอยู่กับความใกล้ชิดและวิถี หากดาวชนกับหลุมดำและผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งเป็นเกณฑ์ที่ความเร็วที่จำเป็นในการหนีออกจากหลุมดำมีความเร็วมากกว่าความเร็วแสง ดาวฤกษ์จะถูกหลุมดำกลืนกิน หากดาวฤกษ์ผ่านเข้าไปใกล้หลุมดำมากและข้ามรัศมีที่เรียกว่า "รัศมีไทดัล" ซึ่งแรงไทดัลของหลุมนั้นแรงกว่าแรงโน้มถ่วงที่ทำให้ดาวอยู่ด้วยกัน มันก็จะถูกทำลาย ในแบบจำลองที่พวกเขาเสนอ วงโคจรของดาวมาถึงจุดที่ใกล้ที่สุดซึ่งอยู่นอกรัศมีกระแสน้ำ แต่ไม่ผ่านทั้งหมด: วัสดุบางส่วนที่พื้นผิวดาวถูกปล้นโดยหลุมดำ แต่ วัสดุที่ตรงกลางยังคงไม่บุบสลาย กระบวนการของดาวฤกษ์ที่โคจรรอบ SMBH สามารถเกิดขึ้นได้อย่างไรหรือหากเกิดขึ้นซ้ำๆ หลายครั้งเป็นคำถามทางทฤษฎีที่ทีมวางแผนที่จะตรวจสอบด้วยการจำลองในอนาคต Eric Coughlin นักฟิสิกส์ของ Syracuse อธิบายว่าพวกเขาประมาณการระหว่าง 1 ถึง 10% ของมวลของดาวฤกษ์ที่สูญเสียไปในแต่ละครั้งที่มันผ่านหลุมดำ โดยมีช่วงกว้างเนื่องจากความไม่แน่นอนในการสร้างแบบจำลองการปล่อยก๊าซจาก TDE "หากการสูญเสียมวลอยู่ที่ระดับ 1% เท่านั้น เราคาดว่าดาวดวงนี้จะอยู่รอดสำหรับการเผชิญหน้าอีกหลายครั้ง ในขณะที่ถ้ามันใกล้กว่า 10% ดาวฤกษ์อาจถูกทำลายไปแล้ว" Coughlin กล่าว ทีมจะจับตาดูท้องฟ้าในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเพื่อทดสอบคำทำนายของพวกเขา จากแบบจำลองของพวกเขา พวกเขาคาดการณ์ว่าแหล่งที่มาจะหายไปอย่างกะทันหันในราวเดือนมีนาคม พ.ศ. 2566 และสว่างขึ้นอีกครั้งเมื่อสสารที่เพิ่งลอกใหม่สะสมตัวบนหลุมดำในปี พ.ศ. 2568 ทีมงานกล่าวว่าการศึกษาของพวกเขานำเสนอแนวทางใหม่สำหรับการติดตามและตรวจสอบแหล่งการติดตามที่ตรวจพบในอดีต ผลงานยังเสนอกระบวนทัศน์ใหม่สำหรับการกำเนิดแสงแฟลร์ซ้ำๆ จากใจกลางกาแลคซีภายนอก "ในอนาคต มีแนวโน้มว่าจะมีการตรวจสอบระบบต่างๆ มากขึ้นสำหรับแสงแฟลร์ในช่วงดึก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโครงการนี้ได้แสดงภาพทางทฤษฎีของการจับภาพดาวฤกษ์ผ่านกระบวนการแลกเปลี่ยนพลวัตและการหยุดชะงักของกระแสน้ำบางส่วนที่ตามมาซ้ำแล้วซ้ำเล่า" Coughlin กล่าว "เราหวังว่าแบบจำลองนี้จะสามารถใช้อนุมานคุณสมบัติของหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ห่างไกล และทำความเข้าใจเกี่ยวกับ "ข้อมูลประชากร" ของหลุมดำเหล่านั้น ซึ่งเป็นจำนวนของหลุมดำภายในช่วงมวลที่กำหนด ซึ่งมิฉะนั้นจะทำได้โดยตรงได้ยาก" ทีมงานกล่าวว่าแบบจำลองยังคาดการณ์ที่ทดสอบได้หลายอย่างเกี่ยวกับกระบวนการหยุดชะงักของกระแสน้ำ และด้วยการสังเกตเพิ่มเติมของระบบเช่น AT2018fyk แบบจำลองควรให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับฟิสิกส์ของเหตุการณ์การหยุดชะงักของกระแสน้ำบางส่วนและสภาพแวดล้อมที่รุนแรงรอบหลุมดำมวลมหาศาล