นักดาราศาสตร์จีนพบหลักฐานทางสเปกตรัมว่า หลุมดำฉีกดาวดวงเดิมถึงสองครั้ง

แสงวาบสองครั้งชี้ว่ามีดาวดวงหนึ่งรอดชีวิต

ดูเหมือนว่าดาวดวงหนึ่งจะรอดจากการเข้าใกล้หลุมดำมวลมหาศาล ก่อนจะกลับมาอีกครั้งและสูญเสียสสารไปเพิ่มเติม นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน (USTC) ระบุเหตุการณ์ที่เกิดซ้ำนี้ว่า AT 2022dbl หลังจากดาวเริ่มสว่างขึ้นอีกครั้งในเดือนมกราคม 2024 เบาะแสสำคัญที่สุดคือความคล้ายคลึงอย่างชัดเจนของแสงที่ปล่อยออกมาระหว่างการสว่างวาบทั้งสองครั้ง

ผลการค้นพบเผยแพร่เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม 2024 ในวารสาร The Astrophysical Journal Letters ในประกาศผลการวิจัย USTC ระบุว่า AT 2022dbl เป็นเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัลบางส่วนที่เกิดซ้ำครั้งแรกซึ่งยืนยันได้ด้วยสเปกโทรสโกปี หรือการศึกษาแสงที่แยกออกเป็นความยาวคลื่นองค์ประกอบ

เหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัล หรือ TDE เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนผ่านเข้าใกล้หลุมดำมวลมากพอที่แรงโน้มถ่วงจะฉีกสสารออกจากดาว สสารดังกล่าวทำให้เกิดแสงวาบสว่างขณะเคลื่อนเข้าหาหลุมดำ หากเป็นการรบกวนเพียงบางส่วน ดาวบางส่วนจะรอดชีวิต ทำให้มีโอกาสเกิดการเข้าใกล้อีกครั้ง

AT 2022dbl มีความสำคัญเพราะนักวิจัยไม่ได้เพียงบันทึกวัตถุที่สว่างขึ้นสองครั้งเท่านั้น แสงวาบทั้งสองมีลักษณะการปล่อยแสงที่สอดคล้องกันอย่างมาก รวมถึงลักษณะที่เกี่ยวข้องกับไนโตรเจน ลักษณะเหล่านี้สนับสนุนข้อสรุปของทีมว่า สสารที่เกี่ยวข้องในทั้งสองช่วงเหตุการณ์น่าจะมาจากดาวดวงเดียวกัน

การค้นพบนี้ยังเปลี่ยนแนวทางที่นักดาราศาสตร์อาจใช้ตีความการฉีกทำลายดาวฤกษ์ที่ดูเหมือนเป็นเหตุการณ์ทั่วไปด้วย ทีมวิจัยระบุว่า หากพิจารณาแสงวาบแต่ละครั้งแยกกัน แสงวาบของ AT 2022dbl ต่างดูเหมือน TDE ทั่วไป แต่การติดตามวัตถุนี้ต่อเนื่องเผยให้เห็นเรื่องราวที่ซับซ้อนกว่า นั่นคือดาวดวงหนึ่งดูเหมือนจะสูญเสียสสารจากการเข้าใกล้หลุมดำหลายครั้ง แทนที่จะหายไปในเหตุการณ์เดียว

หลุมดำดึงสสารออกจากดาวได้อย่างไร

หลุมดำดึงดูดด้านของดาวที่อยู่ใกล้หลุมดำมากกว่าแรงที่กระทำต่อด้านที่อยู่ไกลออกไป เมื่อความแตกต่างนี้มีมากพอ มันจะยืดดาวและอาจฉีกสสารดาวออกมา ความแตกต่างของแรงดึงดูดนี้คือแรงไทดัล ซึ่งเป็นที่มาของชื่อเหตุการณ์ดังกล่าว

คำว่า “การพอกพูนมวล” หมายถึงการที่สสารรวมตัวอยู่รอบวัตถุและเคลื่อนเข้าหาวัตถุนั้นภายใต้แรงโน้มถ่วง ใน TDE เศษซากของดาวจะร้อนขึ้นและปล่อยรังสีออกมาระหว่างกระบวนการดังกล่าว นักดาราศาสตร์ตรวจจับแสงวาบที่เกิดขึ้น ซึ่งช่วยให้ศึกษาการเข้าใกล้ที่เกิดขึ้นไกลเกินกว่าจะสังเกตได้โดยตรง

USTC อธิบายว่า TDE ทั่วไปจะสว่างขึ้นอย่างรวดเร็วภายในเวลาหลายสิบวัน จากนั้นค่อย ๆ จางลงในช่วงหลายเดือนหรือหลายปี การรบกวนเพียงบางส่วนอาจมีรูปแบบคล้ายกัน จุดเด่นคือดาวยังรอดชีวิตและอาจยังอยู่ในวงโคจรที่พามันเข้าใกล้หลุมดำอีกครั้ง

สำหรับ AT 2022dbl นักวิจัยตีความการเกิดแสงวาบขึ้นอีกครั้งและสเปกตรัมที่สอดคล้องกันว่าเป็นหลักฐานของกระบวนการที่เกิดซ้ำ แสงให้ข้อมูลเกี่ยวกับสสารที่ถูกดึงออกจากดาว ขณะที่การกลับมาสว่างอีกครั้งแสดงให้เห็นว่ากิจกรรมดังกล่าวเริ่มขึ้นใหม่

เหตุใดสเปกตรัมที่สอดคล้องกันจึงสำคัญ

สเปกตรัมคือการแยกแสงตามความยาวคลื่น คล้ายกับปริซึมที่กระจายแสงที่มองเห็นได้ออกเป็นสีต่าง ๆ อะตอมและไอออนจะสร้างลักษณะเฉพาะที่ความยาวคลื่นบางค่า นักดาราศาสตร์ใช้ลักษณะเหล่านี้ศึกษาส่วนประกอบและสภาพทางกายภาพของสสารที่ปล่อยแสง

แสงวาบทั้งสองครั้งของ AT 2022dbl มีลักษณะของเส้นการปล่อยแสงที่คล้ายคลึงกันอย่างยิ่ง USTC เน้นลักษณะที่บ่งชี้ว่ามีธาตุบางชนิดในปริมาณสูงผิดปกติ ซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในดาว ลักษณะที่ตรงกันยังรวมถึงเส้นการปล่อยแสง N III ซึ่งเกิดจากอะตอมไนโตรเจนที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปสองตัว

ทีมวิจัยตีความความคล้ายคลึงทางเคมีนี้ว่าเป็นข้อบ่งชี้สำคัญว่า สสารในเหตุการณ์ทั้งสองครั้งมาจากดาวดวงเดียวกัน เหตุผลของทีมเชื่อมโยงช่วงเวลาที่กิจกรรมเริ่มขึ้นใหม่เข้ากับองค์ประกอบที่แสงเผยให้เห็น กล่าวคือ วัตถุสว่างวาบอีกครั้ง และแสงที่ปล่อยออกมาก็มีลายเซ็นทางเคมีที่ใกล้เคียงกันอย่างมาก

ก่อนหน้านี้ ผู้สมัครที่อาจเป็นเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัลซ้ำได้รับการสนับสนุนเป็นหลักจากกราฟแสง ซึ่งแสดงความสว่างที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา USTC ระบุว่ากรณีเหล่านั้นไม่มีหลักฐานที่หนักแน่นในระดับใกล้เคียงกันนอกเหนือจากความสว่างที่เปลี่ยนไป และยังไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง AT 2022dbl มีการเปรียบเทียบสเปกตรัมระหว่างแสงวาบ จึงทำให้คำอธิบายเรื่องการรบกวนบางส่วนที่เกิดซ้ำมีหลักฐานจากการสังเกตการณ์ที่หนักแน่นขึ้น

การตรวจจับแสงวาบครั้งที่สอง

ทีม USTC ปรับปรุงกราฟแสงของเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัลที่รู้จักอยู่แล้วเป็นประจำ เพื่อค้นหากิจกรรมที่เกิดขึ้นใหม่ การติดตามอย่างต่อเนื่องทำให้นักวิจัยสังเกตเห็น AT 2022dbl สว่างขึ้นในเดือนมกราคม 2024 และจัดการสังเกตการณ์ได้ขณะที่แสงวาบครั้งใหม่ยังอยู่ระหว่างการพัฒนา

ทีมเริ่มติดตามด้วยดาวเทียม Swift และเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลกของหอดูดาวลาสคัมเบรส หรือ LCOGT การสังเกตการณ์เหล่านี้วัดเหตุการณ์ในหลายย่านความยาวคลื่น ทำให้ทีมมีข้อมูลการเปลี่ยนแปลงของรังสีที่ครอบคลุมกว่าการวัดเพียงย่านเดียว

นักวิจัยยังได้สเปกตรัมคุณภาพสูงในช่วงต้นจากกล้องโทรทรรศน์เฮล หรือ P200 ที่หอดูดาวพาโลมาร์ในสหรัฐฯ สเปกตรัมดังกล่าวช่วยระบุการปะทุครั้งใหม่ว่าเป็นเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัล และทำให้สามารถเปรียบเทียบกับแสงวาบครั้งแรกซึ่งเป็นหลักฐานสำคัญได้

ขั้นตอนสำคัญมีดังนี้:

• มกราคม 2024: ทีมตรวจพบว่า AT 2022dbl กลับมาสว่างขึ้น และเริ่มสังเกตการณ์ด้วย Swift, LCOGT และกล้องโทรทรรศน์เฮลของหอดูดาวพาโลมาร์
• 9 สิงหาคม 2024: ผลการศึกษาเผยแพร่ใน The Astrophysical Journal Letters ภายใต้ชื่อ The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl

การตรวจพบการกลับมาสว่างตั้งแต่ช่วงต้นมีความสำคัญ เพราะแสงวาบเปลี่ยนแปลงไปขณะพัฒนา การสังเกตการณ์อย่างรวดเร็วทำให้นักวิจัยได้สเปกตรัมจากช่วงต้นของเหตุการณ์ครั้งที่สอง พร้อมข้อมูลที่ติดตามการเปลี่ยนแปลงของความสว่าง

ต้นกำเนิดที่อาจมาจากดาวคู่

นักวิจัยเสนอว่าดาวที่รอดชีวิตอาจเคยเป็นสมาชิกของระบบดาวคู่ ซึ่งหมายถึงดาวสองดวงที่โคจรรอบกัน การเข้าใกล้หลุมดำอาจทำให้ดาวทั้งคู่แยกจากกัน และทำให้ดาวดวงหนึ่งถูกหลุมดำจับไว้ในวงโคจร

ตามคำอธิบายนี้ ดาวที่ถูกจับไว้จะโคจรเป็นวงรีที่มีความรีสูงมาก ค่าความรีบอกว่าวงโคจรยืดยาวเพียงใด วงโคจรที่เกือบเป็นวงกลมทำให้วัตถุอยู่ห่างในระยะค่อนข้างคงที่ ส่วนวงโคจรที่ยืดยาวมากจะพาวัตถุออกไปไกล ก่อนจะนำกลับเข้าใกล้อีกครั้ง

การโคจรผ่านเข้าใกล้แต่ละครั้งจึงอาจทำให้ดาวเผชิญแรงไทดัลอย่างรุนแรง ดึงสสารออกไปเพิ่มและก่อให้เกิดแสงวาบครั้งใหม่ คำอธิบายนี้ชี้ให้เห็นกลไกทางกายภาพที่ทำให้ดาวรอดจากการเข้าใกล้ครั้งหนึ่ง แล้วกลับมาเสียสสารอีกครั้งในภายหลัง

ต้นกำเนิดจากระบบดาวคู่และวงโคจรที่เสนอมานี้ยังเป็นการตีความผลการสังเกตการณ์ของทีมวิจัย ประกาศผลไม่ได้ระบุวันที่แน่นอนว่าแสงวาบครั้งต่อไปจะเกิดขึ้นเมื่อใด การติดตามอย่างต่อเนื่องจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ค้นหากิจกรรมเพิ่มเติมและเปรียบเทียบเหตุการณ์ในอนาคตกับสองครั้งแรก

ผลต่อการศึกษาการฉีกทำลายดาวฤกษ์

AT 2022dbl ทำให้นักดาราศาสตร์ที่จำแนกเหตุการณ์เหล่านี้เผชิญโจทย์ในทางปฏิบัติ แสงวาบจากการรบกวนดาวเพียงบางส่วนอาจดูเหมือนแสงวาบจาก TDE ทั่วไป นักวิจัยระบุว่า พฤติกรรมของแสงวาบแต่ละครั้งแยกไม่ออกจากเหตุการณ์ทั่วไป

ดังนั้น การศึกษาที่สังเกตแสงวาบเพียงครั้งเดียวอาจนับดาวที่ยังรอดชีวิตรวมอยู่ในกลุ่มวัตถุที่ตีความว่าเกิดการรบกวนเพียงครั้งเดียวด้วย USTC ระบุว่า งานวิจัยเกี่ยวกับ TDE ในย่านแสงที่มองเห็นได้ส่วนใหญ่มองข้ามการรบกวนบางส่วนที่เกิดซ้ำ ขณะที่การค้นพบนี้ชี้ว่าเหตุการณ์เช่นนี้อาจพบได้บ่อยกว่าที่เคยคาดไว้

ความแตกต่างนี้มีความสำคัญต่อการนับจำนวนเหตุการณ์และศึกษาวิธีที่ดาวสูญเสียสสารใกล้หลุมดำ ประชากรดาวที่กลับมาเกิดเหตุซ้ำมีประวัติแตกต่างจากประชากรที่แสงวาบแต่ละครั้งหมายถึงการเข้าใกล้ครั้งสุดท้ายของดาวคนละดวง AT 2022dbl เป็นกรณีรูปธรรมให้นักวิจัยใช้พิจารณาทบทวนการนับจำนวนและแบบจำลองทางกายภาพเหล่านั้น

แนวทางการสังเกตการณ์ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน การตรวจสอบวัตถุที่รู้จักเป็นประจำอาจเผยกิจกรรมที่พลาดไปหากอาศัยเพียงการสังเกตการณ์เพื่อค้นพบครั้งแรก ในกรณีนี้ การวัดความสว่างอย่างต่อเนื่อง การตอบสนองอย่างรวดเร็ว และสเปกโทรสโกปีที่ทำร่วมกันได้ให้หลักฐานสำคัญ

ทีมวิจัยและการค้นหาตัวอย่างเพิ่มเติม

ผู้เขียนคนแรกของงานวิจัยคือ เจ๋ออวี่ หลิน นักศึกษาปริญญาเอกจาก USTC ซึ่งมีศาสตราจารย์สวี คง และนักวิจัยสมทบหนิง เจียง เป็นอาจารย์ที่ปรึกษาร่วม เจียง ศาสตราจารย์ถิงกุ้ย หวัง และคง เป็นผู้เขียนที่รับผิดชอบการติดต่อ สถาบันที่ร่วมมือกันประกอบด้วยหอดูดาวดาราศาสตร์แห่งชาติ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน มหาวิทยาลัยอู่ฮั่น มหาวิทยาลัยฮิโรชิมา มหาวิทยาลัยเกียวโต และสถาบันฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งอินเดีย

โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจากหลายหน่วยงาน รวมถึงมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติจีน กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน โครงการการบินอวกาศที่มีมนุษย์ควบคุมของจีน มูลนิธิถัง และหน่วยงานระดับมณฑลอานฮุย

นักวิจัยคาดว่าจะใช้กล้องโทรทรรศน์สำรวจสนามกว้าง หรือ WFST ซึ่งรู้จักในชื่อกล้องโทรทรรศน์สำรวจโมจื่อ เพื่อค้นหาเหตุการณ์แบบ AT 2022dbl เพิ่มเติม USTC และหอดูดาวจื่อจินซานร่วมกันพัฒนากล้องโทรทรรศน์นี้ และเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัลเป็นหนึ่งในเป้าหมายหลักทางวิทยาศาสตร์ของกล้อง

การค้นพบตัวอย่างเพิ่มเติมจะทำให้นักดาราศาสตร์มีดาวและแสงวาบให้เปรียบเทียบมากขึ้น AT 2022dbl แสดงให้เห็นคุณค่าของการค้นหาเหตุการณ์ใหม่ควบคู่กับการติดตามวัตถุที่รู้จักอย่างต่อเนื่อง วัตถุที่จางลงไปแล้วอาจยังมีเหตุการณ์ที่สังเกตได้เกิดขึ้นอีกในอนาคต

ประเด็นสำคัญ

• นักวิจัยจาก USTC ตรวจพบว่า AT 2022dbl กลับมาสว่างขึ้นในเดือนมกราคม 2024
• สเปกตรัมที่คล้ายกันจากแสงวาบสองครั้งสนับสนุนข้อสรุปว่า หลุมดำดึงสสารออกจากดาวดวงเดิมสองครั้ง
• ทีมระบุว่านี่เป็นเหตุการณ์การรบกวนด้วยแรงไทดัลบางส่วนที่เกิดซ้ำครั้งแรกซึ่งยืนยันได้ด้วยสเปกโทรสโกปี
• ดาวเทียม Swift, LCOGT และกล้องโทรทรรศน์เฮลของหอดูดาวพาโลมาร์ให้ข้อมูลการสังเกตการณ์แสงวาบครั้งที่สอง
• ผลการศึกษาเผยแพร่เมื่อวันที่ 9 สิงหาคม 2024 ใน The Astrophysical Journal Letters
• นักวิจัยเสนอว่าดาวที่ถูกจับไว้โคจรเป็นวงรียืดยาว และวางแผนค้นหาตัวอย่างเพิ่มเติมด้วย WFST