หลุมดำมีน้ำหนักมากกว่าพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ในเอกภพยุคแรกแม้จะมีความต้องการเฉลี่ยก็ตาม
เมื่อมองเข้าไปในระยะเริ่มต้นของเอกภพที่มีอายุ 13,800 ล้านปี กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ได้ตรวจพบกาแล็กซีที่ดำรงอยู่เพียง 700
ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเป็นเรื่องที่น่าฉงนว่า หลุมดำ ที่ศูนย์กลางของมันมีน้ำหนักมากกว่าพันล้านเท่าของมวล ดวงอาทิตย์ ได้อย่างไรในเมื่อเอกภพยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น การสังเกตการณ์ของเจมส์ เวบบ์ได้รับการออกแบบมาเพื่อดูกลไกการป้อนอาหารอย่างใกล้ชิด
แต่กลับไม่พบสิ่งผิดปกติใดๆ เห็นได้ชัดว่าหลุมดำเติบโตในลักษณะเดียวกันกับปัจจุบันอยู่แล้วแต่ผลลัพธ์มีความสำคัญยิ่งกว่า: อาจแสดงให้เห็นว่านักดาราศาสตร์รู้เกี่ยวกับการก่อตัวของกาแล็กซีน้อยกว่าที่พวกเขาคิดไว้ แต่การวัดผลก็ไม่ได้น่าผิดหวังเลย ตรงกันข้ามพันล้านปีแรกของประวัติศาสตร์จักรวาลเป็นความท้าทาย : หลุมดำที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จักในใจกลางกาแล็กซีมีมวลมากอย่างน่าประหลาดใจ พวกมันมีมวลมากและรวดเร็วได้อย่างไร
การสังเกตการณ์ใหม่ที่อธิบายไว้ที่นี่มีหลักฐานที่ชัดเจนที่ขัดแย้งกับคำอธิบายที่เสนอมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ “โหมดการป้อนอาหารที่มีประสิทธิภาพสูง” สำหรับหลุมดำที่เก่าแก่ที่สุดขีดจำกัดการเติบโตของหลุมดำมวลยิ่งยวดดวงดาวและกาแล็กซีมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมหาศาลในช่วง 13,800 ล้านปีที่ผ่านมาซึ่งเป็นอายุขัยของจักรวาล กาแล็กซีมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีมวลมากขึ้นไม่ว่าจะด้วยการกินก๊าซโดยรอบหรือ (บางครั้ง) โดยการรวมตัวกันนักดาราศาสตร์สันนิษฐานมาเป็นเวลานานว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดในใจกลางกาแล็กซีจะค่อยๆ เติบโตไปพร้อมกับกาแล็กซีเอง
แต่การเติบโตของหลุมดำไม่สามารถเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วได้สสารที่ตกลงบนหลุมดำจะก่อตัวเป็น “จานรวมมวล” ที่หมุนวน ร้อน และสว่าง เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นรอบๆ หลุมดำมวลยิ่งยวดผลลัพธ์ที่ได้คือนิวเคลียสกาแลกซีที่มีการเคลื่อนไหววัตถุที่สว่างที่สุดที่เรียกว่าควาซาร์ ถือเป็นวัตถุท้องฟ้าที่สว่างที่สุดในจักรวาลทั้งหมดแต่ความสว่างนั้นจำกัดปริมาณสสารที่ตกลงไปในหลุมดำได้ แสงสร้างแรงกดดัน ซึ่งสามารถป้องกันไม่ให้สสารอื่นๆ ตกลงมาได้
หลุมดำมีมวลมากและเร็วขนาดนี้ได้อย่างไร นั่นเป็นเหตุผลที่นักดาราศาสตร์ประหลาดใจเมื่อในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาการสังเกตควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลเผยให้เห็นหลุมดำที่อายุน้อยมากซึ่งมีมวลมากถึง 10 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์แสงต้องใช้เวลาในการเดินทางจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลมายังเรา
ดังนั้นการมองวัตถุที่อยู่ห่างไกลจึงหมายถึงการมองย้อนไปในอดีตอันไกลโพ้น เราเห็นควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลที่สุดในยุคที่เรียกว่า “รุ่งอรุณของจักรวาล” ซึ่งน้อยกว่าหนึ่งพันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง เมื่อดวงดาวและกาแลกซีดวงแรกก่อตัวขึ้นการอธิบายหลุมดำมวลมากในยุคแรกๆ เหล่านี้ถือเป็นความท้าทายอย่างมากสำหรับแบบจำลองวิวัฒนาการของกาแลกซีในปัจจุบันเป็นไปได้หรือไม่ว่าหลุมดำยุคแรกมีประสิทธิภาพในการเพิ่มมวลก๊าซได้ดีกว่าหลุมดำ ในยุคปัจจุบันมาก?
หรือฝุ่นอาจส่งผลต่อการประมาณมวลของควาซาร์ในลักษณะที่ทำให้บรรดานักวิจัยประเมินมวลของหลุมดำยุคแรกเกินจริง? ขณะนี้มีการเสนอคำอธิบายมากมายแต่ไม่มีคำอธิบายใดที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางการพิจารณาการเติบโตของหลุมดำในยุคแรกอย่างใกล้ชิด
การตัดสินใจว่าคำอธิบายใดถูกต้องหรือไม่นั้นจำเป็นต้องมีภาพรวมของควาซาร์ที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นกว่าที่เคยมีมาก่อน
ด้วยการถือกำเนิดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ JWST โดยเฉพาะเครื่องมืออินฟราเรดกลาง MIRI ของกล้องโทรทรรศน์ ทำให้ความสามารถของนักดาราศาสตร์ในการศึกษาควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในการวัดสเปกตรัมควาซาร์ที่อยู่ห่างไกล MIRI มีความไวต่อเครื่องมือใดๆ ก่อนหน้านี้ถึง 4,000 เท่า
เครื่องมืออย่าง MIRI สร้างขึ้นโดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ โดยมีนักวิทยาศาสตร์ วิศวกร และช่างเทคนิคทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิด
โดยธรรมชาติแล้วกลุ่มนักวิทยาศาสตร์จะสนใจเป็นอย่างยิ่งในการทดสอบว่าเครื่องมือของพวกเขาทำงานได้ดีตามที่วางแผนไว้หรือไม่ เพื่อแลกกับการสร้างเครื่องมือ
กลุ่มวิจัยมักจะได้รับเวลาสังเกตการณ์จำนวนหนึ่ง ในปี 2019 ซึ่งเป็นช่วงหลายปีก่อนที่ JWST จะเปิดตัว กลุ่มวิจัย MIRI European Consortium ได้ตัดสินใจใช้เวลาส่วนหนึ่งนี้ในการสังเกตควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลที่สุดที่รู้จักในขณะนั้น ซึ่งเป็นวัตถุที่มีชื่อเรียกอีกอย่างว่า J1120+0641การสังเกตหลุมดำที่เก่าแก่ที่สุดแห่งหนึ่ง การวิเคราะห์การสังเกตเป็นหน้าที่ของดร. ซาราห์ บอสแมน นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากสถาบันดาราศาสตร์มักซ์พลังค์ (MPIA) และสมาชิกกลุ่มพันธมิตร MIRI ในยุโรป การมีส่วนร่วมของ MPIA ต่อเครื่องมือ MIRI
ได้แก่ การสร้างชิ้นส่วนภายในที่สำคัญจำนวนหนึ่งบอสแมนได้รับการขอให้เข้าร่วมกลุ่มความร่วมมือ MIRI โดยเฉพาะเพื่อนำผู้เชี่ยวชาญมาช่วยในการใช้เครื่องมือนี้เพื่อศึกษาเอกภพยุคแรก โดยเฉพาะหลุมดำมวลยิ่งยวดแห่งแรก การสังเกตดังกล่าวดำเนินการในเดือนมกราคม 2023 ระหว่างรอบการสังเกตครั้งแรกของ JWST และกินเวลานานประมาณสองชั่วโมงครึ่ง ถือเป็นการศึกษาควาซาร์ในช่วงอินฟราเรดกลางครั้งแรกในช่วงรุ่งอรุณของจักรวาลเพียง 770 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง (เรดชิฟต์ z=7) ข้อมูลดังกล่าวไม่ได้มาจากภาพ
แต่มาจากสเปกตรัม: การสลายตัวของแสงของวัตถุในลักษณะรุ้งเป็นองค์ประกอบที่มีความยาวคลื่นต่างกันการติดตามฝุ่นและก๊าซที่เคลื่อนที่เร็ว
รูปร่างโดยรวมของสเปกตรัมอินฟราเรดกลาง (“คอนตินิวอัม”) เข้ารหัสคุณสมบัติของทอรัสฝุ่นขนาดใหญ่ที่ล้อมรอบดิสก์เพิ่มมวลในควาซาร์ทั่วไป ทอรัสนี้ช่วยนำสสารเข้าสู่ดิสก์เพิ่มมวลและ “ป้อน” หลุมดำ ข่าวร้ายสำหรับผู้ที่ชอบวิธีแก้ปัญหาหลุมดำขนาดใหญ่ในยุคแรกๆ ที่ต้องการใช้วิธีการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วแบบอื่นๆ ทอรัสและกลไกการป้อนในควาซาร์ในยุคแรกๆ
นี้ดูเหมือนจะเป็นแบบเดียวกันกับควาซาร์ในยุคใหม่ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือไม่มีแบบจำลองการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วของควาซาร์ในยุคแรกๆ ใดทำนายได้ นั่นคืออุณหภูมิของฝุ่นจะสูงขึ้นเล็กน้อยซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิ 1300 K ที่พบสำหรับฝุ่นที่ร้อนที่สุดในควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลออกไปประมาณร้อยเคลวิน ส่วนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าของสเปกตรัม ซึ่งถูกครอบงำโดยการแผ่รังสีจากดิสก์เพิ่มมวลเอง แสดงให้เห็นว่าสำหรับเราในฐานะผู้สังเกตการณ์ระยะไกล
แสงของควาซาร์ไม่ได้ถูกทำให้มืดลงด้วยฝุ่นที่มากกว่าปกติ ข้อโต้แย้งที่ว่าบางทีเราอาจประเมินมวลหลุมดำในช่วงแรกเกินจริงเนื่องจากมีฝุ่นเพิ่มขึ้นก็ไม่ใช่คำตอบเช่นกัน ควาซาร์ในช่วงแรก “ปกติอย่างน่าตกใจ” บริเวณเส้นกว้างของควาซาร์ ซึ่งเป็นที่ที่กลุ่มก๊าซโคจรรอบหลุมดำด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสงซึ่งช่วยให้สามารถอนุมานเกี่ยวกับมวลของหลุมดำ ความหนาแน่น และการแตกตัวเป็นไอออนของสสารโดยรอบได้ ก็ดูปกติเช่นกันจากคุณสมบัติเกือบทั้งหมดที่สามารถอนุมานได้จากสเปกตรัม J1120+0641 ก็ไม่ต่างจากควาซาร์ในช่วงเวลาต่อมา
“โดยรวมแล้ว การสังเกตการณ์ใหม่นี้ยิ่งเพิ่มความลึกลับเข้าไปอีก ควาซาร์ในช่วงแรกนั้นปกติอย่างน่าตกใจไม่ว่าเราจะสังเกตพวกมันในช่วงความยาวคลื่นใด ควาซาร์ก็แทบจะเหมือนกันในทุกยุคของจักรวาล” บอสแมนกล่าวไม่เพียงแต่หลุมดำมวลยวดยิ่งเท่านั้น แต่กลไกการป้อนอาหารของหลุมดำก็ดูเหมือนจะ “เติบโตเต็มที่” แล้วเมื่อจักรวาลมีอายุเพียง 5% ของอายุปัจจุบัน
ผลการศึกษานี้สนับสนุนแนวคิดที่ว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งเริ่มต้นด้วยมวลจำนวนมากตั้ง แต่แรกเริ่ม ตามศัพท์ดาราศาสตร์ นั่นคือหลุมดำเหล่านี้ “เป็นยุคดึกดำบรรพ์” หรือ “มีเมล็ดพันธุ์ขนาดใหญ่” หลุมดำมวลยวดยิ่งไม่ได้ก่อตัวขึ้นจากเศษซากของดาวฤกษ์ยุคแรก แต่กลับเติบโตอย่างรวดเร็วหลุมดำเหล่านี้ต้องก่อตัวขึ้นในช่วงแรกด้วยมวลเริ่มต้นอย่างน้อยหนึ่งแสนเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งสันนิษฐานว่าเกิดจากการยุบตัวของกลุ่มก๊าซขนาดใหญ่ในยุคแรก
.