หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 2: เมื่อแรงโน้มถ่วงสูงเสียจน แสงก็หนีออกมาไม่ได้
ทฤษฎีสมคบคิด การค้นพบมนุษย์ต่างดาว ของ อะพอลโล 20 (ลวงโลก)
ทฤษฎีสมคบคิด การค้นพบมนุษย์ต่างดาว ของ อะพอลโล 20 (ลวงโลก)
เมษายน 29, 2019
ดาวเคราะห์น้อย อาโพฟิส มีโอกาสชนโลก ในปี 2029
ดาวเคราะห์น้อย อาโพฟิส มีโอกาสชนโลก ในปี 2029
พฤษภาคม 6, 2019

วัตถุที่สนามแรงโน้มถ่วงสูง (gravitational fields) จนไปทำให้แม้แต่แสงก็ไม่อาจหนีออกมาได้นั้น เคยได้ถูกพิจารณาถึงความเป็นไปได้ครั้งแรกในศตวรรษที่ 18 โดย นักปรัชญาและบาทหลวงชาวอังกฤษที่ชื่อ ‘จอห์น มิเชลล์’ (John Michell) และนักคณิตศาสตร์ฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศษที่ชื่อ ‘ปีแยร์-ซีมง ลาปลัส’ (Pierre-Simon Laplace) แต่ถึงอย่างนั้น สำหรับการแก้โจทย์ปัญหาสมัยใหม่ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ที่กล่าวถึงคุณสมบัติของหลุมดำเอาไว้อย่างละเอียดในความเป็นจริง ได้ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันที่ชื่อ ‘คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์’ (Karl Schwarzschild) ในปี 1915 ที่ว่ากันว่าเขาคือบุคคลแรกของโลกที่สามารถแก้โจทย์ในสมการที่จัดได้ว่าซับซ้อนที่สุดอย่างทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้สำเร็จ (แต่ในภายหลังจากที่เขาแก้สมการสุดโหดนี้สำเร็จ ในปีถัดไปเขาก็ต้องจบชีวิตลงด้วยโรค ‘เพมฟิกัส’ (pemphigus) อย่างน่าเสียดาย)

(บทความนี้ต่อจากบทความที่แล้ว ในชื่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 1: หลุมดำมีทางออกเสมอ)

ซึ่งต่อมาในภายหลัง ‘เดวิด ฟิงเกิลชไตน์’ (David Finkelstein) ก็ได้ตีความหมายของอาณาบริเวณอวกาศภายใต้ความโน้มถ่วงอนันต์จนไม่อาจมีสิ่งใดหลุดรอดออกมาได้ (แม้แต่แสง) ก็ได้ถูกเผยแพร่ไว้ในปี ค.ศ. 1958 โดยเอาเข้าจริงๆแล้วในก่อนหน้านั้น หลุมดำนั้นได้ถูกพิจารณามาอย่างยาวนานตามหลักทางคณิตศาสตร์ และแล้วเมื่อโลกฟิสิกส์เข้าได้เข้าสู่ ยุคปีทศวรรษที่ 1960 หลุมดำจึงเริ่มเป็นที่สนใจให้แก่วงการฟิสิกส์กันอย่างกว้างขวาง เพราะประการแรกเลยก็คือ มันมีความเป็นไปได้ตามการทำนายในทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และประการที่สองก็คือ มีการค้นพบใหม่ในทางดาราศาสตร์ของดาวปริศนาที่มีขนาดเล็กเพียง 10 กิโลเมตร แต่กลับมีมวลมหาศาลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 2 เท่า ซึ่งดาวดวงนั้นก็คือ ‘ดาวนิวตรอน’ (Neutron Star) มันถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1967 โดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ชื่อ ‘โจเซลิน เบลล์ เบอร์เนลล์’ (Jocelyn Bell Burnell) และด้วยการค้นพบดาวนิวตรอนนี้เองจึงเป็นการจุดกระแสให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้เชื่อมั่นยิ่งขึ้นไปอีกว่า สนามแรงโน้มถ่วงก็สามารถทรุดตัวลงมา (Gravitationally Collapsed) จนกลายเป็นหลุมดำได้เช่นกัน หากมีมวลมากกว่าดาวนิวตรอน!

ความลึกลับของหลุมดำในสมการทางคณิตศาสตร์
ความลึกลับของหลุมดำในสมการทางคณิตศาสตร์ (© ALEXANDR GNEZDILOV/GETTY IMAGES-2017)

โดยตามทฤษฎีความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์แล้วคาดว่า หลุมดำสามารถเกิดขึ้นมาได้จากใจกลางของดาวฤกษ์ที่พังทลายลงมา (ต้องเป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ตั้งแต่ 20 เท่าขึ้นไป) ซึ่งในวาระสุดท้ายของวงจรชีวิตดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ก็คือ ความดันอันเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วงภายในแกนกลางจะสามารถเอาชนะแรงผลักจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันของดาวฤกษ์ได้ และไปส่งให้ทำให้เกิดหลุมดำขึ้น ณ ใจกลางดาวที่ค่อยๆดูดมวลสารของดาวเข้าไป จนเกิดการปะทุของแรงผลักในเฮือกสุดท้าย ด้วยการระเบิดออกมาอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ‘มหานวดารา’ หรือ ‘ซูเปอร์โนวา’ (supernova) ขึ้น ซึ่งภายหลังจากที่หลุมดำได้ถือกำเนิดขึ้นมันจะเริ่มค่อยๆก่อตัวขึ้นมา โดยการเริ่มดูดกินมวลสารที่อยู่โดยรอบมันเป็นอันดับแรก และหากมีดาวฤกษ์ผู้โชคร้ายได้โคจรเข้าไปใกล้แล้วละก็ มันก็อาจถูกดูดกลืนมวลสารเข้าสู่หลุมดำไปได้เช่นกัน ที่เห็นอย่างชัดเจนเลยก็คือระบบดาวฤกษ์คู่ ที่สหายของมันอาจกลายร่างไปเป็นหลุมดำไปได้ ในขณะเดียวกัน หลุมดำก็ยังสามารถรวมตัวกันเองจนมีขนาดที่ใหญ่โตขึ้นไปได้อีก!

อีกทั้งภายหลังจากการรวมตัวกันของหลุมดำนั้นมันจะก่อให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปแบบของคลื่นแรงโน้มถ่วงกระจายตัวออกมา และขยายออกไปสู่อวกาศได้ด้วยเร็วเท่ากับแสง! ซึ่งปัจจุบันการรวมตัวกันของหลุมดำนั้นได้รับการยืนยันแล้วว่ามันมีอยู่จริง รวมถึงคลื่นแรงโน้มถ่วง (Gravitational Wave) ก็ด้วย

อีกทั้งนักวิทยาศาสตร์ยังพบอีกว่ายังมีหลุมดำอีกประเภทหนึ่งที่มีมวลขนาดใหญ่มากในระดับหลายล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งมันก่อตัวขึ้นมาจากใจกลางกาแล็กซี่ต่างๆอีกด้วย โดยหลุมดำประเภทนี้เราจะเรียกมันว่า ‘หลุมดำมวลยวดยิ่ง’ (Supermassive Black Holes) ซึ่งปัจจุบันก็เป็นที่ทราบกันแล้วว่ามันมีอยู่จริง แถมยังสามารถถ่ายรูปเอาไว้ได้อีกต่างหาก (ของหลุมดำที่ชื่อ M87 และจากการตรวจสอบอย่างละเอียดก็พบว่า มันมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 6,500 ล้านเท่า)

ภาพของหลุมดำ M87 เมื่อเทียบกับขนาดของระบบสุริยะ (© EHT/ NSF)
ภาพของหลุมดำ M87 เมื่อเทียบกับขนาดของระบบสุริยะ (© EHT/ NSF)

แม้เราจะไม่สามารถองเห็นภายในหลุมดำได้ แต่การศึกษาหลุมดำเราก็สามารถมองเห็นมันได้ผ่านปฏิสัมพันธ์กับสสารอื่นๆที่หมุนวนอยู่โดยรอบตัวหลุมดำ รวมถึงรัศมีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เช่นแสงที่โค้งอยู่โดยรอบสนามความโน้มถ่วงเป็นต้น ส่วนสสารที่ตกลงสู่หลุมดำสามารถก่อตัวขึ้นกลายเป็นจานพอกพูนมวลขึ้นได้ (Accretion Disk) ซึ่งมีความร้อนในระดับพันล้านเคลวิน (อันเนื่องมาจากการเสียดสีกันของสสาร ที่หมุนด้วยความเร็วหลายพันกิโลเมตรต่อวินาที) และจากความร้อนดังกล่าวก็ได้ไปก่อให้เกิดการแผ่รังแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูงอย่าง รังสีแกมมา และรังสี X ขึ้นมาได้ และด้วยการแผ่รังสีความร้อนนี้ๆเอง การถ่ายรูปหลุมดำเพื่อศึกษาโครงสร้างของมัน นักวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีความละเอียด ในการตรวจจับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นความถี่สูง เพื่อจับภาพของหลุมดำ และยิ่งถ้านักดาราศาสตร์ตรวจพบวงโคจรดาวฤกษ์ที่ผิดปกติไป เช่นการที่มันโคจรรอบอะไรบางสิ่งที่มองไม่เห็น เราก็จะสามารถกำหนดได้ถึงที่ตั้งของหลุมดำได้แม่นยำยิ่งขึ้น ซึ่งการสำรวจดังกล่าวยังสามารถใช้ในการสอดส่องหาถึงความเป็นไปได้ของดาวนิวตรอนได้อีกด้วย

หลุมดำคู่ที่โคจรเป็นวงกลมรอบศูนย์กลางมวล
หลุมดำคู่ที่โคจรเป็นวงกลมรอบศูนย์กลางมวล (© AURORE SIMONNET/LIGO/CALTECH/MIT/SONOMA STATE)

และในวิธีเดียวกันนี้เอง นักดาราศาสตร์ก็สามารถระบุถึงการมีอยู่ของ stellar black hole หรือหลุมดำที่เกิดจากดาวฤกษ์ได้ง่ายยิ่งขึ้น หากหลุมดำนั้นคือส่วนหนึ่งของระบบดาวแฝด (ที่โคจรเป็นวงกลมรอบศูนย์กลางมวล) อีกทั้งจากการที่นักดาราศาสตร์ได้ลองหันกล้องโทรทรรศน์วิทยุไปยัง ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือก ก็พบว่า ณ ที่แห่งนั้นดูเหมือนจะมีการแผ่รังสีพลังงานสูงออกมาจริง จนกลายมาเป็นที่ทราบกันว่าสิ่งๆนี้ก็คือหลุมดำที่ชื่อ Sagittarius A* ซึ่งมันคือหลุมดำมวลยวดยิ่งขนาดประมาณ 4.3 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์โดยหลุมดำประเภทนี้เราจะสามารถพบเจอได้ ในใจกลางกาแล็กซี่ทุกกาแล็กซี่

ลำท่อคู่ที่ตั้งฉากกันขนาดความยาวแต่ละด้านกว่า 4 กิโลเมตร ก่อตั้งเมื่อ พ.ศ. 2535 โดยคิป ธอร์น และโรนัลด์ เดรเวอร์
ลำท่อคู่ที่ตั้งฉากกันขนาดความยาวแต่ละด้านกว่า 4 กิโลเมตร ก่อตั้งเมื่อ พ.ศ. 2535 โดยคิป ธอร์น และโรนัลด์ เดรเวอร์ (LIGO Lab | Caltech | MIT)

และเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ปี ค.ศ. 2016 ด้วยวามร่วมมือของหอสังเกตการณ์วิทยาศาสตร์ LIGO ก็เคยได้ประกาศการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรก ซึ่งหอสังเกตการณ์วิทยาศาสตร์ LIGO นี้มีอุปกรณ์พิเศษ โดยการยิงเลเซอร์สะท้อนไปกลับภายในท่อตั้งฉากกัน 2 ท่อ ที่มีความยาวท่อละ 4 กิโลเมตร วิธีสังเกตพฤติกรรมของคลื่นแรงโน้มถ่วงก็คือ มันจะส่งผลทำให้ปริภูมิ-เวลา (Space-Time) ได้เกิดการยืดและหด (แม้แต่ตัวเราก็ด้วย) แต่การยืดหดของปริภูมิ-เวลา จะเกิดขึ้นให้เห็นในปริมาณที่เล็กน้อยมากๆจนเราแทบจะไม่รู้สึกอะไรเลย แต่ด้วยท่อความยาวนับ 4 กิโลเมตรของหอสังเกตการณ์วิทยาศาสตร์ LIGO นี้เอง มันจึงสามารถตรวจจับคลื่นไหวเล็กๆนี้ได้ แม้จะมีความต่างกันของขนาดความยาวในท่อทั้งสองที่ระดับขนาดของอะตอมก็ตาม (ความเปลี่ยนแปลงของความยาวที่ 10^(-18) เมตร) โดยการตรวจวัดที่ได้นี้ก็พบว่าคลื่นแรงโน้มถ่วงดังกล่าว มันถูกส่งออกมาจากหลุมดำแฝดที่อยู่ห่างไกลจากโลก 1.3 พันล้านปีแสง โดยในภายหลังการรวมตัวกันเป็นหลุมดำทั้งสองนี้เอง ก็ไปส่งผลทำให้มันมีมีขนาดใหญ่ขึ้นกว่าเดิม พร้อมกับปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของคลื่นแรงโน้มถ่วงกระจายออกมาเทียบเท่ากับปริมาณของมวลที่ศูนย์หายไปในหลุมดำใหม่นี้ (ก็คือหลุมดำแฝดนี้มีมวลใหญ่กว่าดวงอาทิตย์อยู่ที่ราวๆ 36 เท่า และ 29 เท่า โดยในภายหลังการรวมตัวกัน มวลของมันกลับมีค่าที่ 62 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แทนที่จะเป็น 65 ที่เป็นเช่นนั้นก็เนื่องจากมวลในอีกกว่า 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ที่เหลือนั้น ได้ถูกแปรเปลี่ยนไปเป็นพลังงานของคลื่นแรงโน้มถ่วงที่แผ่ขยายออกไปทั่วจักรวาลนั่นเอง)

ผังการทำงานของเครื่องตรวจจับขั้นสูง LIGO

และเมื่อวันที่ 10 เมษายน ปี ค.ศ. 2019 ภาพแรกของหลุมดำก็สามารถถูกถ่ายเอาไว้ได้โดย Event Horizon Telescope ซึ่งเป็นโครงการของเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุจำนวน 8 ตัว ที่กระจายกันอยู่ตามที่ต่างๆของโลก ก็สามารถประมวลผลภาพของหลุมดำแรกออกมาให้เราได้รับชมกันได้ในที่สุด ซึ่งหลุมดำดังกล่าวคือหลุมดำ มวลยวดยิ่งที่อยู่ ณ ใจกลางกาแล็กซี่ Messier 87 ที่อยู่ห่างไกลจากเราประมาณ 55 ล้านปีแสง ซึ่งจากการตรวจวัดก็พบว่ามันมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์เราถึง 6,500 ล้านเท่า และมีขนาดใหญ่กว่าระบบสุริยะเรา! ถึงขนาดที่ว่าแม้แต่ยานวอยเอเจอร์ 1 ที่ว่ากันว่าคือสิ่งประดิษฐ์ของมนุษย์ที่ไปได้ไกลที่สุดในอวกาศแล้ว ก็ยัง วนๆอยู่แค่ปลายขอบของ Event Horizon เท่านั้น โดย Event Horizon หรือ ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์’ มันก็คือพรมแดนด่านสุดท้าย ที่กั้นระหว่างจักรวาลของเรากับจักรวาลใหม่ ที่ว่ากันว่าหากเราก้าวข้ามผ่าน ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์’ ไปแล้วละก็ การคิดหวนกลับคืนออกมานั้น แทบไม่มีทางเป็นไปได้!

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 1

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 2

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 4

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
YouTube
กลับสู่บนสุด