XRISM พบกระแสสสารร้อนด้านในที่อาจขับเคลื่อนเจ็ตทรงพลังของหลุมดำ

หลุมดำที่กลืนกินสสารอย่างรวดเร็วเผยขอบเขตสำคัญบริเวณด้านใน

หลุมดำมวลยิ่งยวดที่อยู่ห่างออกไปราว 420 ล้านปีแสงอาจมีเจ็ตทรงพลังจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและอุณหภูมิของสสารที่ตกลงสู่หลุมดำ การสังเกตกาแล็กซี 3C 120 บ่งชี้ว่า จานสสารที่ค่อนข้างเย็นและแบนราบสิ้นสุดลงก่อนถึงหลุมดำ โดยเหลือบริเวณด้านในที่เต็มไปด้วยพลาสมาซึ่งร้อนกว่ามาก และอาจเป็นแหล่งรวมตัวของสนามแม่เหล็กกำลังสูง

ทีมนักวิจัยที่นำโดยรองศาสตราจารย์ฮิโรฟุมิ โนดะ จากมหาวิทยาลัยโทโฮกุ และรองศาสตราจารย์คาซึฮิโระ ฮาดะ จากมหาวิทยาลัยเทศบาลนาโกยา นำข้อมูลจากภารกิจ XRISM ของญี่ปุ่น ซึ่งมีชื่อเต็มว่า X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission มาผสานกับการวัดจากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุนานาชาติ 3 เครือข่าย เครื่องมือเหล่านี้ช่วยเชื่อมโยงโครงสร้างของสสารที่ไหลเข้ากับเจ็ตแคบที่พุ่งออกมาใกล้หลุมดำ

ผลการศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal Letters เมื่อวันที่ 19 ตุลาคม 2026 ช่วยตอบปริศนาที่ว่า หลุมดำกลืนกินสสารได้อย่างรวดเร็ว พร้อมกับปล่อยกระแสพลาสมาทรงพลังที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงได้อย่างไร ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าจานสสารที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงที่หลุมดำกลืนกินสสารอย่างรวดเร็ว ไม่เหมาะนักต่อการรวมสนามแม่เหล็กที่จำเป็นต่อกระบวนการนี้

ข่าวประกาศผลการวิจัยของมหาวิทยาลัยโทโฮกุ ซึ่งเผยแพร่เมื่อวันที่ 20 ตุลาคม เสนอคำตอบที่เป็นไปได้ว่า จานสสารชั้นนอกที่เย็นกว่าจะเปลี่ยนเป็นกระแสสสารร้อนด้านใน ทำให้เกิดสภาวะที่สนามแม่เหล็กอาจดึงพลังงานจากการหมุนของหลุมดำและส่งพลังงานนั้นเข้าสู่เจ็ต

เหตุใด 3C 120 จึงเป็นปริศนา

3C 120 อยู่ในทิศทางของกลุ่มดาววัว หลุมดำใจกลางกาแล็กซีมีมวลราว 60 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และทั้งกลืนกินสสารโดยรอบอย่างรวดเร็วและผลิตเจ็ตทรงพลัง คุณสมบัติทั้งสองอย่างนี้ทำให้มันเป็นเป้าหมายที่เหมาะสำหรับศึกษาว่าการป้อนสสารกับการผลิตเจ็ตเกี่ยวข้องกันอย่างไร

สสารที่เข้าใกล้หลุมดำมักมีการเคลื่อนที่ด้านข้างอยู่บ้าง จึงโคจรเข้าด้านในแทนที่จะตกลงไปตรง ๆ สสารจะรวมตัวเป็นจานพอกพูนมวล ซึ่งแรงเสียดทานและกระบวนการอื่น ๆ ทำให้วัสดุร้อนขึ้นจนปล่อยแสงและรังสีชนิดอื่นออกมา นักดาราศาสตร์ศึกษารังสีเหล่านี้เพื่อทำความเข้าใจบริเวณที่ไม่สามารถตรวจสอบได้โดยตรง

โดยทั่วไปคาดว่าการป้อนสสารอย่างรวดเร็วจะก่อให้เกิดจานสสารที่ค่อนข้างเย็นและบางในเชิงเรขาคณิต ซึ่งทอดยาวเข้าไปใกล้หลุมดำ ในที่นี้ คำว่าเย็นเป็นการเปรียบเทียบกับพลาสมาที่ร้อนกว่ามากบริเวณใกล้ศูนย์กลาง จานบางมีความหนาในแนวตั้งน้อยเมื่อเทียบกับความกว้าง คล้ายแผ่นที่แบนราบ

อุปสรรคอยู่ที่สนามแม่เหล็ก คำอธิบายหลักประการหนึ่งของเจ็ตทรงพลังระบุว่า ต้องมีสนามแม่เหล็กกำลังสูงใกล้หลุมดำที่กำลังหมุน เชื่อกันว่าจานบางรักษาโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่จำเป็นไว้ได้ยากกว่า ส่วนกระแสสสารร้อนด้านในที่หนากว่าจะเอื้อต่อการเกิดสนามแม่เหล็กมากกว่า ดังนั้นตำแหน่งที่จานเปลี่ยนรูปแบบจึงเป็นหัวใจของการศึกษา

XRISM อ่านโครงสร้างจานจากธาตุเหล็ก

XRISM ซึ่งเป็นภารกิจขององค์การสำรวจอวกาศญี่ปุ่น ตรวจพบรังสีเอกซ์ที่ปล่อยจากธาตุเหล็กในสสารรอบหลุมดำของ 3C 120 ธาตุเหล็กปล่อยรังสีที่ระดับพลังงานเฉพาะ จึงปรากฏเป็นลักษณะเด่นที่สังเกตได้ เรียกว่าเส้นการแผ่รังสีในสเปกตรัมรังสีเอกซ์ สเปกตรัมคือการแยกรังสีตามระดับพลังงาน

เส้นเหล็กจะเปลี่ยนรูปร่างเมื่ออยู่ใกล้หลุมดำ สสารที่เคลื่อนเข้าหาหรือออกห่างจากผู้สังเกตจะทำให้ระดับพลังงานของรังสีที่ตรวจรับเปลี่ยนไป ขณะเดียวกัน แรงโน้มถ่วงมหาศาลใกล้หลุมดำก็เปลี่ยนระดับพลังงานของรังสีเอกซ์ที่หลุดออกมา ผลจากทั้งสองอย่างทำให้เส้นดังกล่าวแผ่กว้างและบิดเบี้ยว

นักวิจัยใช้ความบิดเบี้ยวดังกล่าวประเมินว่าจานสสารที่ค่อนข้างเย็นทอดยาวเข้าด้านในไปได้ไกลเพียงใด มหาวิทยาลัยระบุว่าขอบด้านในอยู่ห่างจากหลุมดำราว 20 เท่าของรัศมีหลุมดำ ส่วนคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ระบุขอบเขตนี้เป็นประมาณ 20 รัศมีความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นมาตรวัดระยะทางที่อิงกับมวลของหลุมดำ

ทีมวิจัยอนุมานว่าภายในขอบเขตดังกล่าว สสารเปลี่ยนผ่านเป็นกระแสไหลร้อนที่หนาในเชิงเรขาคณิต คาดว่าพลาสมาในบริเวณนั้นมีอุณหภูมิสูงถึงหลายร้อยล้านองศา พลาสมาคือก๊าซที่อิเล็กตรอนแยกตัวออกจากอะตอม ทำให้สสารมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กอย่างเข้มข้น

กล้องโทรทรรศน์วิทยุติดตามเจ็ตเข้าด้านใน

การสังเกตการณ์ด้วยคลื่นวิทยุในช่วงเวลาใกล้เคียงกันช่วยเติมเต็มภาพอีกด้านหนึ่ง ทีมวิจัยใช้เครือข่าย Global Millimeter VLBI Array, Very Long Baseline Array และ East Asian VLBI Network ติดตามเจ็ตขณะเรียวแคบลงเมื่อเข้าใกล้หลุมดำ

เครือข่ายเหล่านี้ผสานการวัดจากกล้องโทรทรรศน์ที่อยู่ห่างกันมากด้วยเทคนิคอินเตอร์เฟอโรเมทรีเส้นฐานยาวมาก หรือ VLBI วิธีนี้ช่วยให้นักดาราศาสตร์แยกรายละเอียดได้คมชัดกว่าที่กล้องโทรทรรศน์วิทยุเพียงตัวเดียวจะทำได้ ในการศึกษานี้ เทคนิคดังกล่าวช่วยให้ติดตามเจ็ตย้อนเข้าไปใกล้จุดกำเนิดได้

จากรูปร่างของเจ็ต นักวิจัยประเมินว่าฐานของเจ็ตมีรัศมีไม่เกินราว 10 เท่าของรัศมีหลุมดำ เมื่อนำข้อมูลมาพิจารณาร่วมกัน ทีมวิจัยระบุว่าจุดกำเนิดของเจ็ตอยู่ภายในกระแสสสารร้อนด้านในที่ตรวจพบจากการวัดรังสีเอกซ์ และอยู่ใกล้หลุมดำ

โนดะ รองศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยโทโฮกุและหนึ่งในหัวหน้าทีมวิจัย อธิบายว่าการผสานข้อมูลสังเกตการณ์มีความสำคัญอย่างไร:

การศึกษาหลุมดำเดียวกันด้วยกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์และวิทยุที่ล้ำสมัย ทำให้เรามองเห็นทั้งพลาสมาร้อนที่ล้อมรอบหลุมดำและเจ็ตที่พุ่งออกมาจากมัน เราจึงเชื่อมโยงสภาพแวดล้อมสุดขั้วใกล้หลุมดำเข้ากับการก่อกำเนิดของเจ็ตได้โดยตรง

การหมุนอาจเป็นแหล่งพลังงานของเจ็ต

คำอธิบายที่ทีมวิจัยเสนอเชื่อมโยงองค์ประกอบสามอย่าง ได้แก่ หลุมดำที่กำลังหมุน กระแสพลาสมาร้อนที่ไหลเข้า และสนามแม่เหล็กกำลังสูง จานสสารชั้นนอกที่เย็นกว่าจะป้อนสสารเข้ามา ส่วนบริเวณใกล้หลุมดำ กระแสสสารที่ร้อนและหนากว่าจะเอื้อต่อการสะสมตัวของสนามแม่เหล็ก

สนามแม่เหล็กเหล่านั้นอาจดึงพลังงานบางส่วนจากการหมุนของหลุมดำ แล้วส่งพลังงานเข้าสู่กระแสพลาสมาแคบ ๆ คำอธิบายเชิงทฤษฎีหลักของกระบวนการนี้เรียกว่า กลไก Blandford-Znajek กล่าวอย่างง่ายคือ สนามแม่เหล็กเชื่อมโยงสภาพแวดล้อมที่หมุนอยู่ใกล้หลุมดำเข้ากับสสารที่ถูกเร่งให้พุ่งออกไป

ดังนั้น เจ็ตจึงได้รับพลังงานจากบริเวณใกล้หลุมดำ ขณะที่สสารส่วนอื่นยังคงตกลงด้านใน ระบบนี้จึงมีการเคลื่อนที่ที่เชื่อมโยงกันสองทิศทาง คือสสารไหลเข้าด้านใน และกระแสที่ไหลออกด้านนอกพร้อมนำพลังงานเข้าสู่กาแล็กซีโดยรอบ

สำหรับ 3C 120 นักวิจัยเสนอว่าการเปลี่ยนจากจานสสารบางด้านนอกเป็นกระแสสสารหนาด้านใน ทำให้การเคลื่อนที่ทั้งสองทิศทางเกิดขึ้นร่วมกันได้ โครงสร้างสนามแม่เหล็กที่แน่ชัดและวิธีถ่ายโอนพลังงานจากการหมุนไปยังเจ็ตยังเป็นประเด็นที่ต้องศึกษาต่อ

การเปลี่ยนโครงสร้างเชื่อมโยงผลการวัดเข้าด้วยกัน

ชื่อบทความวิจัย "Disk truncation triggers relativistic jet launching of a highly accreting supermassive black hole" สะท้อนความเชื่อมโยงที่เสนอไว้ การสิ้นสุดของจานหมายถึงส่วนจานที่เย็นและบางจบลงก่อนจะไปถึงหลุมดำ ส่วนคำว่าเชิงสัมพัทธภาพหมายถึงการเคลื่อนที่ที่เร็วมากจนจำเป็นต้องใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เพื่อทำความเข้าใจ

การวัดรังสีเอกซ์ระบุตำแหน่งขอบด้านในของจานที่เย็นกว่า ส่วนการวัดคลื่นวิทยุติดตามเจ็ตเข้าไปยังบริเวณด้านในขอบเขตดังกล่าว เมื่อนำมาพิจารณาร่วมกัน ผลสังเกตการณ์ช่วยให้นักวิจัยอธิบายเชิงพื้นที่ได้ว่า เหตุใดระบบที่ป้อนสสารอย่างรวดเร็วจึงยังคงมีสภาวะเอื้อต่อการเกิดเจ็ตทรงพลัง

ผลการศึกษานี้ระบุความเชื่อมโยงได้ชัดเจนกว่าการเพียงพบจานสสารและเจ็ตอยู่รอบวัตถุเดียวกัน งานวิจัยเชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของจานกับตำแหน่งที่เจ็ตเริ่มก่อตัว ทำให้สสารที่ไหลเข้าและไหลออกอยู่ในภาพทางกายภาพเดียวกัน

3C 120 มีประโยชน์เป็นพิเศษเพราะกลืนกินสสารค่อนข้างรวดเร็ว งานวิจัยเปรียบเทียบกับกาแล็กซีกัมมันต์ที่กลืนกินสสารน้อยกว่า เช่น M87 ซึ่งก่อนหน้านี้กระแสสสารร้อนและหนาช่วยสนับสนุนคำอธิบายด้านสนามแม่เหล็กของการผลิตเจ็ต ผลการศึกษาใหม่นี้ขยายการตรวจสอบไปยังสภาพแวดล้อมการป้อนสสารอีกแบบหนึ่ง

เหตุใดผลการศึกษาจึงสำคัญเกินกว่ากาแล็กซีเดียว

เจ็ตนำพลังงานออกจากบริเวณโดยรอบหลุมดำมวลยิ่งยวด เมื่อปะทะกับก๊าซในกาแล็กซีและบริเวณรอบ ๆ ก็อาจเปลี่ยนสภาวะที่เอื้อต่อการก่อตัวของดาวฤกษ์ การทำความเข้าใจกลไกใกล้หลุมดำจึงช่วยให้นักวิจัยศึกษาการเปลี่ยนแปลงในสเกลที่ใหญ่กว่ามากได้

ผลการศึกษา 3C 120 แสดงความเชื่อมโยงที่เป็นรูปธรรมระหว่างสเกลเหล่านั้น กล่าวคือ โครงสร้างของสสารที่ไหลเข้าอาจช่วยกำหนดได้ว่าเจ็ตทรงพลังจะก่อตัวขึ้นหรือไม่ ขอบเขตที่อยู่ใกล้หลุมดำอาจส่งผลต่อการถ่ายเทพลังงานไปยังบริเวณที่อยู่ไกลออกไปมาก

ทีมวิจัยกำลังดำเนินการสังเกตการณ์ร่วมกันเพิ่มเติมกับหลุมดำที่มีมวลมากกว่า โดยใช้ XRISM และหอดูดาววิทยุทั่วโลก นักวิจัยยังวางแผนเปรียบเทียบผลการวัดกับแบบจำลองทางทฤษฎีและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อทดสอบว่าเรขาคณิตที่เสนอนี้อธิบายพฤติกรรมของสสารและสนามแม่เหล็กได้ดีเพียงใด

โนดะอธิบายเป้าหมายของการศึกษาระยะต่อไปว่า:

เป้าหมายต่อไปของเราคือการสร้างภาพที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นว่า สสาร สนามแม่เหล็ก และการหมุนของหลุมดำมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรในสภาพแวดล้อมสุดขั้วเหล่านี้ การทำความเข้าใจกระบวนการนี้อาจช่วยให้เราเข้าใจได้ดีขึ้นด้วยว่า หลุมดำมวลยิ่งยวดมีอิทธิพลต่อวิวัฒนาการของกาแล็กซีและโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพอย่างไร

การตีพิมพ์และการสังเกตการณ์ระยะต่อไป

งานวิจัยนี้ผสานภารกิจรังสีเอกซ์ของญี่ปุ่นเข้ากับเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ครอบคลุมหลายภูมิภาค การวัดที่เสริมกันเป็นหัวใจของวิธีการนี้ โดยรังสีเอกซ์เผยสภาวะภายในกระแสพอกพูนมวล ส่วนการสังเกตการณ์วิทยุติดตามโครงสร้างของเจ็ต

ลำดับการตีพิมพ์และแผนติดตามผลมีดังนี้:

• 19 ตุลาคม 2026: The Astrophysical Journal Letters ตีพิมพ์งานวิจัยที่นำโดยโนดะและฮาดะ
• 20 ตุลาคม 2026: มหาวิทยาลัยโทโฮกุประกาศผลการศึกษาและอธิบายการสังเกตการณ์ร่วมด้วยรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุ
• ระยะต่อไป: ทีมวิจัยกำลังดำเนินการสังเกตการณ์ร่วมกับหลุมดำที่มีมวลมากกว่า และเปรียบเทียบผลกับแบบจำลองและการจำลอง

บทความมี DOI 10.3847/2041-8213/aeaa2c รายละเอียดการตีพิมพ์เหล่านี้ระบุไว้ในประกาศผลการศึกษาฉบับทางการด้วย การใช้วิธีสังเกตการณ์แบบเดียวกันกับหลุมดำอีกแห่งจะช่วยให้ทีมวิจัยตรวจสอบได้ว่า การเปลี่ยนผ่านเชิงโครงสร้างที่พบใน 3C 120 ปรากฏในระบบอื่นด้วยหรือไม่

ประเด็นสำคัญ

• XRISM และเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 3 เครือข่ายศึกษากาแล็กซี 3C 120 ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 420 ล้านปีแสง
• หลุมดำของกาแล็กซีมีมวลราว 60 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ กลืนกินสสารอย่างรวดเร็วพร้อมปล่อยเจ็ตทรงพลัง
• การวัดรังสีเอกซ์บ่งชี้ว่าจานสสารที่เย็นและบางสิ้นสุดก่อนถึงหลุมดำ และเปลี่ยนเป็นกระแสสสารด้านในที่ร้อนกว่ามาก
• การสังเกตการณ์วิทยุติดตามจุดกำเนิดของเจ็ตไปยังบริเวณที่มีกระแสสสารร้อนดังกล่าว
• ทีมวิจัยเสนอว่าสนามแม่เหล็กที่รวมตัวกันในบริเวณนั้นสามารถดึงพลังงานจากการหมุนของหลุมดำเพื่อขับเคลื่อนเจ็ต
• การสังเกตการณ์เพิ่มเติมจะศึกษาหลุมดำที่มีมวลมากกว่า และทดสอบคำอธิบายนี้กับแบบจำลองทางทฤษฎีและการจำลอง