นักดาราศาสตร์เปรียบเทียบวงโคจรของดาวฤกษ์ S2 ที่โคจรอยู่ใกล้หลุมดำมวลยวดยิ่ง “ซาจิทาเรียส เอ สตาร์ (Sagittarius A*)” จากการสังเกตการณ์จริง กับการทำนายด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป พบผลลัพธ์ที่ได้ตรงกันอย่างแม่นยำ

as20200720 3 01

ภาพจำลองดาวฤกษ์ S2 ที่หมุนควงรอบหลุมดำ Sgr A*

Credit : ESO/L. Calçada

 

ดาวฤกษ์ S2 เป็นดาวฤกษ์ที่โคจรรอบหลุมดำมวลยวดยิ่งซาจิทาเรียส เอ สตาร์ หรือ “Sgr A*” ที่อยู่บริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา  S2 มีวงโคจรเป็นรูปวงรีที่รีมาก มีคาบการโคจรประมาณ 16 ปี อยู่ห่างจาก Sgr A* เพียง 17 ชั่วโมงแสง หรือประมาณ 4 เท่าของระยะทางจากดวงอาทิตย์ถึงดาวเนปจูน นับเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้หลุมดำใจกลางทางช้างเผือกมากที่สุดดวงหนึ่ง แรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของหลุมดำทำให้ S2 มีอัตราเร็วในวงโคจรได้สูงถึงร้อยละ 3 ของความเร็วแสงเลยทีเดียว

จากการสังเกตการณ์ S2 มาเป็นเวลานาน นักดาราศาสตร์จึงทราบว่า ดาวฤกษ์ S2 จะโคจรครบรอบในตำแหน่งที่ต่างกันไปในแต่ละครั้ง หรือมีวงโคจรที่หมุนควงไปเรื่อย ๆ ทำให้ลักษณะวงโคจรที่เกิดขึ้นคล้ายรูปทรงทางเรขาคณิต (spirograph) ที่เราเคยวาดจากไม้บรรทัดฟันเฟืองสมัยตอนเป็นเด็ก นักดาราศาสตร์เรียกปรากฏการณ์เช่นนี้ว่า “การหมุนควงของชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild precession)”

นักดาราศาสตร์ค้นพบการหมุนควงของชวาทซ์ชิลท์ครั้งแรกจากวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ และเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่ช่วยสนับสนุนทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ ซึ่งการค้นพบในครั้งนี้นับเป็นครั้งแรกที่พบปรากฏการณ์ดังกล่าวกับดาวฤกษ์ที่โคจรรอบหลุมดำมวลมหาศาล

 

as20200720 3 02

แผนภาพอธิบายเมื่อดาฤกษ์ S2 โคจรเข้าใกล้หลุมดำแล้วทำให้มีสีเลื่อนไปทางสีแดงมากขึ้น

Credit : ESO/M. Kornmesser

 

แต่นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ใช้ดาวฤกษ์ S2 ในการยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เนื่องจากนักดาราศาสตร์เฝ้าสังเกตการณ์ดาวฤกษ์ S2 เป็นเวลาประมาณ 2 ทศวรรษ จนกระทั่งปี พ.ศ. 2560 มีการค้นพบว่าขณะที่ดาวฤกษ์ S2 เข้าใกล้หลุมดำ แสงที่เปล่งออกมาจะยืดออกจนมีสีเลื่อนไปทางสีแดง (redshift) เป็นผลจากแรงโน้มถ่วงมหาศาลขณะที่ดาวโคจรเข้าใกล้หลุมดำ ซึ่งการศึกษาครั้งนั้นทำให้นักดาราศาสตร์สามารถใช้ดาวฤกษ์ S2 ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้เป็นครั้งแรก

ล่าสุด งานวิจัยนำทีมโดย Roberto Abuter นำข้อมูลจากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ VLT ที่เริ่มเก็บข้อมูลดาวฤกษ์ดวงนี้ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2535 – 2562 มาวิเคราะห์ใหม่อีกครั้ง โดยใช้อุปกรณ์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ในการวิเคราะห์ข้อมูล ทำให้ได้ข้อมูลที่มีความละเอียดมากขึ้น ซึ่งผลการวิเคราะห์ระบุว่า ดาวฤกษ์ดวงนี้กำลังหมุนควงรอบหลุมดำเช่นเดียวกันกับดวงพุธที่หมุนควงรอบดวงอาทิตย์ 

 

วิดีโอแสดงวงโคจรของดาวฤกษ์ S2 รอบหลุมดำ Sgr A*

Credit : ESO/L. Calçada

 

ผลลัพธ์ข้างต้น สามารถคำนวณค่ามวลของหลุมดำ Sgr A* ได้ โดยมีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งลักษณะวงโคจรของดาวฤกษ์สอดคล้องกับสมการของไอน์สไตน์อย่างมาก ช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถศึกษาอวกาศรอบ ๆ วัตถุเหล่านี้ได้ กล่าวคือ หากมีศึกษาการหมุนควงของดาวฤกษ์ดวงนี้ต่อไป แล้วพบว่าวงโคจรไม่สอดคล้องกับสมการ จะบ่งชี้ว่าบริเวณนั้นมีวัตถุอื่นซุกซ่อนอยู่ เช่น สสารมืด หรือหลุมดำขนาดเล็ก ที่เข้ามารบกวนวงโคจรของ S2

การศึกษาวงโคจรของดาวฤกษ์​ S2 ในครั้งนี้ ถือเป็นผลการศึกษาที่สำคัญ เนื่องจากเป็นองค์ความรู้ที่ได้จากการศึกษาดาวฤกษ์เพียงดวงเดียวเท่านั้น และศึกษาอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานับทศวรรษ ทำให้เกิดการค้นพบสำคัญหลายครั้งที่ช่วยย้ำความอัจฉริยะภาพของไอน์สไตน์ ที่สามารถคิดค้นทฤษฎีอันเหนือจินตนาการนี้ขึ้นมาได้เมื่อ 100 ปีที่แล้ว

 

อ้างอิง :

https://www.sciencealert.com/a-star-dancing-around-a-supermassive-black-hole-is-another-win-for-relativity

https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/04/aa37813-20/aa37813-20.html

 

เรียบเรียง : นางสาวฟ้าประกาย เจียรคุปต์ - เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์ สดร.

 

| Category: ข่าวดาราศาสตร์ | Hits: 1162