นักวิทย์ใช้พัลซาร์จำกัดมวลหลุมดำมหายักษ์คู่ในยุคเริ่มต้นจักรวาลเป็นครั้งแรก

กล้อง James Webb เคยเจอหลุมดำมหายักษ์ที่หนักผิดปกติในจักรวาลยุคแรกๆ บางตัวหนักระดับพันล้านเท่าดวงอาทิตย์ทั้งที่เกิดขึ้นไม่ถึง 1,000 ล้านปีหลังบิกแบง นักดาราศาสตร์ยังงงว่ามันโตเร็วขนาดนี้ได้ยังไง

ล่าสุดทีมวิจัยนำโดย Yiqin Chen จาก Beijing Normal University ตีพิมพ์งานใน Physical Review Letters ใช้เทคนิค pulsar timing array หรือเครือข่ายดาวนิวตรอนหมุนเร็วที่กระพริบสม่ำเสมอเหมือนนาฬิกาจักรวาล มาจับคลื่นความถี่แรงโน้มถ่วงจากคู่หลุมดำมหายักษ์ที่โคจรกันในยุคเริ่มต้นจักรวาล

จุดยากคือคลื่นจากยุคไกลโพ้นแบบนี้จะถูกยืดด้วยการขยายตัวของเอกภพ (redshift) ถ้าไม่คิดผลนี้เข้าไปจะคำนวณมวลผิดพลาด ทีมของ Chen จึงพัฒนาวิธีใหม่ที่คิดผล redshift เข้าไปด้วย และพบว่าคลื่นที่ถูกยืดจะสว่างขึ้นจนชดเชยความจางที่เกิดจากระยะทางไกลได้

พวกเขาวิเคราะห์ข้อมูล 18 ปีจากพัลซาร์ 30 ดวงของ Parkes Pulsar Timing Array ในออสเตรเลีย แล้วจับคู่กับเป้าหมาย 2 แห่ง คือควาซาร์สว่างจัดที่สังเกตพบในช่วงไม่ถึง 900 ล้านปีหลังบิกแบง และกาแล็กซีไกลที่สุดแห่งหนึ่งที่ JWST เคยเจอ ซึ่งสังเกตพบในช่วงไม่ถึง 300 ล้านปีหลังบิกแบง

ผลคือทีมสามารถตัดความเป็นไปได้ของคู่หลุมดำที่มีมวลราว 10,000 ล้านเท่าดวงอาทิตย์หรือมากกว่านั้นในทั้งสองเป้าหมาย นับเป็นการจำกัดมวลคู่หลุมดำมหายักษ์ในยุค cosmic dawn ด้วยคลื่นแรงโน้มถ่วงโดยตรงครั้งแรก

ทีมวิจัยบอกว่าเมื่อ Parkes รวมข้อมูลกับเครือข่ายพัลซาร์อื่น และเมื่อหอสังเกตการณ์อนาคตอย่าง Square Kilometer Array มาช่วยจับเวลาพัลซาร์ให้แม่นขึ้น ขีดจำกัดเหล่านี้ควรจะแคบลงไปอีก ซึ่งอาจช่วยอธิบายได้ว่าหลุมดำมหายักษ์โผล่ขึ้นมาเร็วขนาดนี้ในประวัติศาสตร์จักรวาลได้อย่างไร