นักดาราศาสตร์ไม่สามารถเข้าใจได้ว่าทำไมหลุมดำบางหลุมจึงใหญ่โตเร็วนัก

พฤติกรรมเหล่านี้ท้าทายความคาดหวังว่าหลุมดำกินได้เร็วแค่ไหนการมีอยู่ของหลุมดำมวลมหาศาลในเอกภพยุคแรกนั้นไม่เคยมีความหมายสำหรับนักดาราศาสตร์เลย การพบเห็นตั้งแต่ปีพ.ศ. 2549 ได้แสดงให้เห็นว่าสัตว์ประหลาดขนาดมหึมาที่มีมวลอย่างน้อยหนึ่งพันล้านดวงอาทิตย์ได้เข้ามาแทนที่แล้วเมื่อจักรวาลมีอายุน้อยกว่าหนึ่งพันล้านปี ซึ่งเร็วเกินไปสำหรับพวกมันที่จะก่อตัวขึ้นด้วยวิธีธรรมดา

นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี 

ปริยัมวาดา นาตาราจัน จากมหาวิทยาลัยเยลกล่าว แต่จนถึงปัจจุบัน นักดาราศาสตร์ได้พบหลุมดำมวลมหาศาลมากกว่า 100 หลุมที่ดำรงอยู่ก่อนเอกภพมีอายุ 950 ล้านปี “ตอนนี้พวกมันมีเยอะเกินไปที่จะคลั่งไคล้” เธอกล่าว “คุณต้องมีคำอธิบายโดยธรรมชาติว่าสิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร”

สมมติฐานทั่วไปคือหลุมดำเหล่านี้เกิดขนาดใหญ่อย่างไม่คาดคิด หรือเติบโตอย่างรวดเร็ว แต่การค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้ท้าทายแม้กระทั่งทฤษฎีเหล่านั้น และอาจบังคับให้นักดาราศาสตร์ต้องคิดใหม่ว่าหลุมดำเหล่านี้เติบโตอย่างไร ในจักรวาลสมัยใหม่ หลุมดำมักก่อตัวขึ้นจากดาวมวลสูงที่ยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของพวกมันเองเมื่อถึงจุดสิ้นสุดของชีวิต พวกมันมักจะเริ่มต้นจากมวลดวงอาทิตย์ที่มีขนาดเล็กกว่า 100 เท่า และสามารถเติบโตได้โดยการรวมตัวกับหลุมดำอีกอันหนึ่ง ( SN: 3/19/16, หน้า 10 ) หรือโดย การเพิ่ม ก๊าซจากสิ่งแวดล้อมของพวกมัน ( SN Online: 12/6/17 )

ก๊าซนั้นมักจะจัดตัวเป็นจานที่หมุนวนเป็นหลุมดำ โดยแรงเสียดทานทำให้จานร้อนจนถึงอุณหภูมิที่ร้อนจัด ซึ่งทำให้เกิดแสงจ้าที่มองเห็นได้ตลอดหลายพันล้านปีแสง หลุมดำเหล่านี้กินแก๊สเรียกว่าควาซาร์ ยิ่งควาซาร์กินเร็วเท่าไร ดิสก์ของมันก็จะยิ่งสว่างขึ้นเท่านั้น

แต่แสงจากก๊าซนั้นก็จำกัดการเติบโตของหลุมดำเช่นกัน: โฟตอนของจานสว่างผลักวัสดุสดออกไป นั่นกำหนดขีด จำกัด ทางกายภาพว่าหลุมดำมวลหนึ่งสามารถเติบโตได้เร็วแค่ไหน นักดาราศาสตร์อธิบายว่าหลุมดำกินเข้าไปได้เร็วเพียงใดด้วยคำที่เรียกว่าอัตราส่วนเอดดิงตัน โดยวัดความสว่างที่แท้จริงของหลุมดำเทียบกับความสว่างที่มันจะเกิดขึ้นหากมันกินเข้าไปให้เร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้

เครื่องให้อาหารจู้จี้จุกจิก

นักดาราศาสตร์ได้วัดอัตราส่วนเอดดิงตันสำหรับหลุมดำมวลมหาศาลเพียง 20 แห่งในเอกภพยุคแรกเท่านั้น ส่วนใหญ่ดูเหมือนจะกินที่ขีด จำกัด ตรงกันข้ามกับควาซาร์ในจักรวาลปัจจุบันที่กินด้วยความเร็วประมาณหนึ่งในสิบนั้น อัตราการป้อนที่โกรธจัดนั้นยังคงดูท้าทายขนาดมหึมาของหลุมดำ: หลุมดำมวล 100 พลังงานแสงอาทิตย์ที่เพิ่มขึ้นที่ขีด จำกัด ควรใช้เวลาประมาณ 800 ล้านปีในการเข้าถึงมวลดวงอาทิตย์หนึ่งพันล้านดวง แม้จะคำนึงถึงว่ามันจะกินเร็วขึ้นตาม มันเติบโตขึ้น และ 800 ล้านปีนั้นยังไม่รวมเวลาที่เมล็ดหลุมดำเริ่มก่อตัว

แต่นักฟิสิกส์ Myungshin Im จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติโซลในเกาหลีใต้และเพื่อนร่วมงานกังวลว่าการสังเกตครั้งก่อนไม่มีผู้กินที่จู้จี้จุกจิกเพราะคนที่กินเร็วจะสว่างกว่าและมองเห็นได้ง่ายกว่า หากหลุมดำมวลมหาศาลในยุคแรกๆ บางหลุมเป็นพวกกินขี้เกียจ ขนาดที่ใหญ่ยิ่งของพวกมันยิ่งน่าสงสัยมากขึ้นไปอีก และอาจตัดทฤษฎีบางอย่างออกไปว่าพวกมันเติบโตอย่างไร ดังนั้นทีมจึงตั้งใจค้นหาควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลที่หรี่ลงในการสังเกตการวิ่งที่หอดูดาว Las Campanas ในชิลีในเดือนกันยายน 2558

นักวิจัยพบว่าIMS J2204+0112ซึ่งเป็นหลุมดำที่มีมวลดวงอาทิตย์นับพันล้านเท่ากำลังกินที่หนึ่งในสิบของความเร็วที่จำกัดไว้ และมาจากตอนที่เอกภพมีอายุประมาณ 940 ล้านปี แต่ด้วยอัตราการป้อน หลุมดำไม่ควรโตเต็มที่จนกว่าจักรวาลจะมีอายุ 8 พันล้านปี ทีมงานรายงานบน arXiv.org 9 กุมภาพันธ์

“เราแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่ามีควาซาร์ที่มีอัตราส่วนเอดดิงตันต่ำในเอกภพยุคแรก” อิมกล่าว  

IMS J2204+0112 เป็นควาซาร์ที่กินช้าที่สุดที่มีแสงสลัวที่สุด แต่ก็ไม่ได้อยู่คนเดียว นักฟิสิกส์ Chiara Mazzucchelli จากสถาบัน Max Planck สำหรับดาราศาสตร์ในเยอรมนีและเพื่อนร่วมงานรายงานว่ามีหลุมดำขนาดมหึมาจำนวน 11แห่งที่เกิดขึ้นเมื่อจักรวาลมีอายุน้อยกว่า 800 ล้านปีในAstrophysical Journalเมื่อเดือนพฤศจิกายนที่ผ่านมา

โดยเฉลี่ยแล้ว quasars เหล่านั้นมีน้ำหนักประมาณ 1.62 พันล้านมวลดวงอาทิตย์ แต่กินที่ประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วที่ จำกัด ทีมงานรายงาน น่าแปลกที่หลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในกลุ่มนั้น HSC J1205-0000 มีอัตราการป้อนที่ต่ำที่สุด: หลุมดำนั้นมีมวล 4.7 พันล้านเท่าดวงอาทิตย์ แต่กินเข้าไปเพียง 6 เปอร์เซ็นต์ของขีดจำกัด เป็นเรื่องแปลกที่จะพบหลุมดำขนาดมหึมาที่มีความอยากอาหารตะกละในเอกภพยุคแรก แต่ผู้กินที่จู้จี้จุกจิกเหล่านี้ยิ่งยากที่จะอธิบาย

นักดาราศาสตร์หวังว่าการมองย้อนเวลากลับไปจะช่วยค้นหาหลุมดำ “เมล็ดพืช” ที่อาจเติบโตเป็นยักษ์ได้ หากหลุมดำบางหลุมเริ่มมีขนาดใหญ่ ตั้งแต่ 10,000 ถึง 1 ล้านมวลดวงอาทิตย์ หลุมดำเหล่านั้นอาจขยายใหญ่ขึ้นได้โดยการรวมเข้าด้วยกันหรือเพิ่มขึ้นที่ขีดจำกัดเอดดิงตัน  

Avi Loeb นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดกล่าวว่า “ถ้าคุณเริ่มต้นด้วยเมล็ดพันธุ์ขนาดใหญ่เช่นนี้ แสดงว่าคุณมีจุดเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว” “ถ้าอย่างนั้นคุณไม่จำเป็นต้องใช้เวลามากพอที่จะเติบโตเป็นพันล้านเท่าดวงอาทิตย์”

แต่นักทฤษฎีพยายามมา 15 ปีเพื่อค้นหาว่าหลุมดำขนาดใหญ่ดังกล่าวสามารถก่อตัวได้อย่างไรตั้งแต่แรก แนวคิดหนึ่งคือ เมฆก๊าซมวลสูงหรือดาวมวลมหาศาลยุบตัวลงสู่หลุมดำมวลมหาศาลโดยตรง