หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3: ดาวสีดำขนาดยักษ์
ครบรอบ 50 ปี นักบินอวกาศ ‘อะพอลโล่’ เหยียบดวงจันทร์
ครบรอบ 50 ปี นักบินอวกาศ ‘อะพอลโล่’ เหยียบดวงจันทร์
กรกฎาคม 26, 2019
ค้นพบหลุมดำลึกลับ และมันเก่าแก่ที่สุด! ก่อตัวขึ้นมาในยุคเริ่มแรกของจักรวาล (Cloaked Black Hole PSO167-13)
ค้นพบหลุมดำลึกลับแห่งใหม่ และมันเก่าแก่ที่สุด! ก่อตัวขึ้นมาในยุคเริ่มแรกของจักรวาล (Cloaked Black Hole PSO167-13)
สิงหาคม 16, 2019
หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3: ดาวสีดำขนาดยักษ์

แนวคิดของวัตถุที่มีมวลมากเสียจนไปส่งผลให้แม้แต่แสงก็ไม่อาจหนีออกมาได้พ้นนั้นได้ถูกนำเสนอขึ้นเป็นครั้งแรกโดยนักบุกเบิกบาทหลวงชาวอังกฤษที่ชื่อ ‘จอห์น มิเชลล์’ (John Michell) ในปี ค.ศ. 1784 การคำนวณอย่างง่ายของมิเชลกล่าวว่า เมื่อวัตถุที่มีความหนาแน่นเช่นเดียวกับดวงอาทิตย์ และเมื่อมันมีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าดวงอาทิตย์ที่ 500 เท่าละก็ นั่นก็จะไปส่งผลทำให้ความเร็วหลุดพ้นบนพื้นผิวของดาว ก็จะมีมากเสียจนแม้แต่แสงก็หนีออกมาไม่ได้!

(บทความนี้ต่อจากบทความที่แล้ว ในชื่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 2: เมื่อแรงโน้มถ่วงสูงเสียจน แสงก็หนีออกมาไม่ได้)

ซึ่งมิลเชลตั้งข้อสังเกตได้ถูกบางส่วน ที่บอกว่าอาจมีวัตถุมวลมหาศาลอยู่ในอวกาศจริง แต่สำหรับการตรวจหาหลุมดำที่ไม่มีการเปล่งแสงในตัวเองออกมาในสมัยนั้น เป็นเรื่องที่ยากมากที่จะตรวจหาด้วยกล้องโทรทรรศน์กระจก จึงทำให้สันนิษฐานของดาวทรงกลมสีดำจึงยังคงเป็นเพียงเรื่องที่ยังพิสูจน์ไม่ได้ แต่ถึงอย่างนั้นการจุดประเด็นดาวยักษ์สีดำของมิลเชลนี้เอง ก็ได้ไปทำให้นักวิชาการในเวลานั้นตื่นเต้นมากกับการมีอยู่ของดาวขนาดยักษ์ที่ไม่สามารถมองเห็นได้ เพราะมันฟังดูลึกลับและชวนน่าสงสัยเหลือเกิน

John Michell
จอห์น มิเชลล์ ผู้ให้ข้อเสนอว่าอาจมีดาวที่มีมวลมากเสียจนแสงก็หนีออกมาไม่ได้อยู่ (25 ธันวาคม 1724 – 29 เมษายน 1793)

แต่เมื่อเข้าสู่ช่วงต้นศตวรรษที่ 19 เมื่อการค้นพบคุณสมบัติใหม่ของแสงโดย ‘เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์’ (James Clerk Maxwell) ในปี ค.ศ. 1865 ที่พบว่า มันมีพฤติกรรมเหมือนกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับคลื่นวิทยุ ก็ไปส่งผลให้ความสนใจในเรื่องการมีอยู่ของดาวขนาดยักษ์จึงเริ่มลดลง เพราะถ้าแสงมีคุณสมบัติเป็นคลื่นมากกว่าที่จะเป็นข้อมูลล่ะก็ มันก็ไม่มีความชัดเจนเลยว่า ด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงใดๆ จะไปมีผลต่อการหลบหนีของคลื่นแสงได้ ซึ่งการมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพสมัยใหม่นี้เอง ก็ได้ไปหักล้างในข้อสังเกตของจอห์น มิเชลล์ไป ในเรื่องของแสง ที่ถูกยิงขึ้นมาจากดาวฤกษ์มวลมหาศาลว่า มันจะถูกทำให้เดินทางช้าลงโดยแรงโน้มถ่วงของดาว จนถึงขั้นแสงได้หยุดการเคลื่อนที่ และย้อนตกกลับมายังพื้นผิวของดาว

แสงก็คือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง หากลำแสงสีขาวเคลื่อนผ่านแท่งปริซึม มันแยกคลื่นแสงออกมาในมความถี่ต่างๆ โดยแสงสีแดงจะมีความยาวคลื่นมากที่สุด และแสงสีม่วงมีความยาวคลื่นที่สั้นสุด
แสงก็คือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง หากลำแสงสีขาวเคลื่อนผ่านแท่งปริซึม มันแยกคลื่นแสงออกมาในมความถี่ต่างๆ โดยแสงสีแดงจะมีความยาวคลื่นมากที่สุด และแสงสีม่วงมีความยาวคลื่นที่สั้นสุด (ภาพจาก wikipedia/ Lucas V. Barbosa)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ในปี ค.ศ. 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้พัฒนาทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปขึ้นมา เพื่อมาอธิบายว่าความโน้มถ่วงจะไปมีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของแสงได้อย่างไร

และไม่กี่เดือนต่อมา หลังจากที่ไอน์สไตน์ได้เผยแพร่ทฤษฎีทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ‘คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์’ (Karl Schwarzschild) ก็ค้นพบวิธีแก้โจทย์ปัญหาในสมการสนามของไอน์สไตน์ได้สำเร็จ เพื่อมาอธิบายถึงสนามความโน้มถ่วงของจุดศูนย์กลางมวลทรงกลม ที่พบว่าความโน้มถ่วงในสมการนี้มันมีพฤติกรรมที่ประหลาดมาก ในชื่อที่รู้จักกันว่า ‘รัศมี ชวาทซ์ชิลท์’ (Schwarzschild radius) ซึ่งเป็นที่อยู่ของภาวะเอกฐาน อันมีค่าไม่สิ้นสุดตามสมการของไอน์สไตน์ ซึ่งขณะนั้นยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ว่าลักษณะธรรมชาติของพื้นผิวภายใน ของหลุมดำนั้นจะมีลักษณะเช่นไรกันแน่

คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ ผู้แก้โจทย์ปัญหาในสมการของไอน์สไตน์ได้สำเร็จ
คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ ผู้แก้โจทย์ปัญหาในสมการของไอน์สไตน์ได้สำเร็จ

ต่อมาในปี ค.ศ. 1924 ‘อาเทอร์ เอ็ดดิงตัน’ (Arthur Eddington) ก็ได้ออกมาแสดงให้เห็นว่าภาวะเอกฐานสามารถเลือนหายไปได้ภายหลังมีการเปลี่ยนพิกัดจุด ตามสมการของเขาที่ชื่อว่า ‘เอ็ดดิงตัน-ฟิงเกิลชไตน์ โคออดิเนทส์’ (Eddington–Finkelstein coordinates) ซึ่งอธิบายถึงระบบพิกัดคู่สำหรับเรขาคณิตชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild geometry) ในหลุมดำทรงกลมสมมาตร ซึ่งปรับตัวเข้าสู่รัศมีโค้งของพื้นที่ว่างเปล่า หรือที่เรียกกันว่า ‘เนา จีโอเดสิคส์’ (null geodesics) ซึ่ง null geodesics ก็คือ เส้นแบ่งเขตอนุภาคโฟตอนของหลุมดำกับพื้นที่ว่างในอวกาศ ที่พบว่าภายในพรมแดนของเขตรัศมีนี้ทุกสิ่งจะเคลื่อนที่เข้าไปสู่ใจกลางมวล หรือไม่ก็หลุดพ้นออกมา อีกทั้งตามสมการของ เอ็ดดิงตัน-ฟิงเกิลชไตน์ โคออดิเนทส์ ยังแสดงให้เห็นว่าแท้จริงแล้วภาวะเอกฐานภายในรัศมีชวาทซ์ชิลท์นั้นไม่ได้เป็นจุดเชิงกายภาพแต่อย่างใด ซึ่งข้อมูลนี้ยังตรงกับสิ่งที่ ‘ฌอร์ฌ เลอแม็ทร์’ (Georges Lemaître) ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยคาทอลิกเลอเฟินตระหนักในปี ค.ศ. 1933 ที่กล่าวว่า ภาวะเอกฐานภายในรัศมีชวาทซ์ชิลท์นั้น ไม่ได้มีลักษณะเชิงกายภายด้วยเช่นกัน

สมการรัศมีชวาทซ์ชิลท์ ซึ่งจุดศูนย์กลายในนั้นคือภาวะเอกฐาน ภาพโดย wikipedia/ Sandstorm de

อีกทั้งในปี ค.ศ. 1926 อาเทอร์ เอ็ดดิงตัน ยังได้แสดงความเห็นเสริมไว้ในหนังสือของเขาไปอีกว่า มันมีความเป็นไปได้ที่มวลของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ จะสามารถบีบอัดลงมาสู่ภายในเขตรัศมีชวาทซ์ชิลท์ เพราะทฤษฎีของไอน์สไตน์นั้นช่วยให้เราสามารถแยกแยะถึงความหนาแน่นของดวงดาวในอวกาศได้ เช่นดาวยักษ์ใหญ่แดง ‘บีเทลจุส’ (Betelgeuse) เป็นต้น

นั้นก็คือดาวฤกษ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 250 ล้านกิโลเมตร ก็อาจมีความหนาแน่นไปไม่มากกว่าดวงอาทิตย์ของเราก็ได้ อีกทั้งผลจากความโน้มถ่วงก็ยังสามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆดังนี้

ประการแรก ด้วยแรงโน้มถ่วงที่มากพอ จะสามารถทำให้แสงก็ไม่อาจหลีกหนีออกมาได้พ้น ซึ่งการแผ่รังสีจากภายในนั้นก็จะย้อนตกกลับมาได้เหมือนดั่งกับการโยนก้อนหินขึ้นฟ้าบนโลก ที่มันมักจะตกคืนมาสู่พื้นผิวโลกเสมอ

ประการที่สอง การเคลื่อนผ่านไปทางแดงของเส้นสเปกตรัมจะยิ่งมีค่ามากขึ้น หากแสงมีการเคลื่อนตัวออกไปจากแหล่งกำเนิด

ประการที่สาม หากมีมวลสารที่มากพอ มันสามารถก่อให้เกิดความโค้งของกาลอวกาศขึ้นมาอยู่โดยรอบตัวของดาวได้

ในปี ค.ศ. 1931 ดร.สุพรหมัณยัน จันทรเศขร นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกันเชื้อสายอินเดีย ก็เคยได้ใช้สมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาคำนวณหาว่า จะต้องมีมวลจำนวนเท่าไหร่ วัตถุจึงจะเริ่มไม่มีความเสถียร จนเป็นที่รู้จักกันใน ค่าขีดจำกัดจันทรเศขร ที่ 1.4 M☉ (the Chandrasekhar limit at 1.4 M☉) โดยค่าดังกล่าว คือค่าของมวลมากที่สุดของดาวแคระขาว คือค่าประมาณ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

 ดร.สุพรหมัณยัน จันทรเศขร นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกันเชื้อสายอินเดีย ผู้ค้นพบค่าขีดจำกัดจันทรเศขร ที่ 1.4  ที่จะไปส่งผลให้วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์กลายเป็นดาวแคราะขาว
ดร.สุพรหมัณยัน จันทรเศขร นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกันเชื้อสายอินเดีย ผู้ค้นพบค่าขีดจำกัดจันทรเศขร ที่ 1.4 ที่จะไปส่งผลให้วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์กลายเป็นดาวแคราะขาว (19 ตุลาคม 1910 – 21 สิงหาคม 1995) ภาพจาก chandra.harvard.edu

แต่หลังจากที่ ดร.สุพรหมัณยันได้นำเสนอค่าขีดจำกัดนั้นไป เขาก็ถูกคัดค้านอย่างรุนแรงจากกลุ่มนักฟิสิกส์ชื่อดังหลายๆท่านในยุคนั้นเช่น ‘อาร์เธอร์ เอดดิงตัน’ (Arthur Eddington) และ ‘เลฟ ดาวิโดวิช ลันเดา’ (Lev Davidovich Landau) ในเรื่องของการที่จะต้องมีกลไกอะไรบางอย่าง จะสามารถมาหยุดยั้งการล่มสลายของแกนดาวได้

เปรียบเทียบขนาดของดาวแคระขาวกับโลก ภาพจาก NASA, S. Charbinet

แต่ปัจจุบันเราก็ทราบกันแล้วว่าสันนิษฐานของ ดร.สุพรหมัณยัน นั้นถูกต้องบางส่วน นั่นก็คือ หากดาวแคระขาวมีมวลสูงกว่าขีดจำกัดจันทรเศขร มันก็จะยุบตัวลงมากลายเป็นดาวนิวตรอน (Neutron Star) ที่มีความเสถียร

แต่ในปี ค.ศ. 1939 ‘เจ. โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์’ (J. Robert Oppenheimer) และนักฟิสิกส์ท่านอื่นๆ ได้เคยทำนายเอาไว้ว่า ดาวนิวตรอนที่มีมวลเหนือกว่าค่าขีดจำกัดจันทรเศขรที่ระดับหนึ่ง มันก็จะสามารถยุบตัวลงมากลายเป็นหลุมดำได้! ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อ ค่าขีดจำกัดทอลแมน-ออพเพนไฮเมอร์-โวลคอฟ (the Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit หรือเรียกๆย่อๆว่า TOV limit) ที่บอกว่าดาวนิวตรอนจะคงสภาพอยู่ได้ที่มวลระหว่าง 1.5 ถึง 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (แต่ภายหลังตรวจจับ การรวมตัวกันของดาวนิวตรอนคู่ที่ชื่อ GW170817 ซึ่งคาดว่าภายหลังการรวมตัวกันมันน่าจะกลายสภาพไปเป็นหลุมดำได้ จึงได้มีการเปลี่ยนค่าขีดจำกัดทอฟ (TOV limit) เพิ่มไปเป็น 2.17)

การรวมตัวกันของดาวนิวตรอนคู่ที่ชื่อ GW170817  ได้ปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงมหาศาลออกมาด้วยความเร็วแสง
การรวมตัวกันของดาวนิวตรอนคู่ที่ชื่อ GW170817 ได้ปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วงมหาศาลออกมาด้วยความเร็วแสง (ภาพจาก CXC/M. Weiss; X-ray: NASA/CXC/Trinity University/D. Pooley et al.)

อีกทั้งออพเพนไฮเมอร์ และเพื่อนร่วมงานของเขายังได้ตีความถึง ภาวะเอกฐาน ณ เขตแดนรัศมีชวาทซ์ชิลท์ด้วยว่ามันเป็นสถานที่ๆเวลานั้นจะหยุดเดิน

อย่างไรก็ตามการที่เรารู้สึกว่าเวลา ณ ภาวะเอกฐานนั้นหยุดเดิน นั่นก็เป็นเพียงมุมมองจากผู้สังเกตการณ์จากภายนอกเท่านั้น ไม่ใช่มุมมองของผู้ถูกสังเกตภายในหลุมดำแต่อย่างใด เพื่อให้เห็นภาพก็คือ หากเรากำลังมองดูนักบินอวกาศที่กำลังตกลงไปสู่หลุมดำ เราจะเห็นได้ว่านักบินอวกาศผู้นั้นดูเหมือนราวกับถูกแช่แข็งให้ค้างอยู่แบบนั้น ตรงขอบรัศมีชวาทซ์ชิลท์ แต่หากสลับกลับมาดูมุมมองของนักบินอวกาศ เขาก็จะรู้สึกว่าเขาไม่ได้ถูกแช่แข็งแต่อย่างใด เพราะนาฬิกาของเขาก็ยังคงเดินไปแบบปกติ

ยุคทองของการศึกษาหลุมดำ

ในปี ค.ศ. 1958 ‘เดวิด ฟิงเกิลชไตน์’ (David Finkelstein) ได้ออกมากำหนดว่ารัศมีชวาทซ์ชิลท์ก็คือพื้นผิวที่เรียกว่า ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์’ (Event Horizon) เขาบอกว่าหากเราก้าวข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้ว มันจะเป็นการเคลื่อนตัวเข้าสู่ศูนย์กลางในทิ้งทางเดียวอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้ไม่ได้ส่งผลขัดแย้งต่อผลลัพธ์ของออพเพนไฮเมอร์ แต่มันไปช่วยขยายความเข้าใจใหม่ที่เผยให้เห็นถึงมุมมองของผู้ถูกสังเกต ไม่เพียงเท่านั้น ฟิงเกิลชไตน์ยังได้เพิ่มวิธีแก้ปัญหาให้แก่สมการของชวาทซ์ชิลท์ในเรื่อง การตกลงสู่หลุมดำเอาไว้ด้วย

ภาพจำลองพัลซาร์ ซึ่งเป็นเหมือนประภาคารในอวกาศ พัลซาร์หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมาก ภาพจาก NASA/JPL-Caltech
ภาพจำลองพัลซาร์ ซึ่งเป็นเหมือนประภาคารในอวกาศ พัลซาร์หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูงมาก ภาพจาก NASA/JPL-Caltech

แต่ส่วนขยายที่สมบูรณ์นั้นได้เริ่มต้นขึ้นโดย ‘มาร์ติน เดวิด ครุสคัล’ (Martin David Kruskal) ที่ไปกระตุ้นให้เกิดการตีพิมพ์บทความวิชาการนี้สู่สาธารณะ และนั้บตั้งแต่นั้นมา ผลลัพธ์ดังกล่าวจึงเริ่มเข้าสู่ยุคทองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอย่างแท้จริง ที่เกี่ยวกับหัวข้องานวิจัยเรื่องหลุมดำ

ด้วยการเปิดใจยอมรับในเรื่องการมีอยู่ของหลุมดำนี้เอง จึงมีส่วนสำคัญเป็นอย่างมากต่อการค้นพบ ‘พัลซาร์’ (pulsars) แรก ในปี ค.ศ. 1967 โดย ‘โจเซลิน เบลล์ เบอร์เนลล์’ (Jocelyn Bell Burnell) ซึ่งแสดงให้ถึงดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง

จากการค้นพบทางดาราศาสตร์ใหม่ที่ไปยืนยันถึงการมีตัวตนอยู่จริงของดาวนิวตรอนนี้ ก็ไปเพิ่มความเชื่อมั่นให้นักวิทยาศาสตร์ไปอีกว่า “หลุมดำ” ก็อาจมีตัวตนอยู่ในจักรวาลแห่งนี้ได้เช่นกัน (ซึ่งก่อนนั้นในเรื่องที่เกี่ยวกับ พัลซาร์ หรือ หลุมดำ ยังถูกมองเป็นสิ่งมหัศจรรย์ในทางทฤษฎีอยู่เลย)

หลังจากมีการค้นพบพัลซาร์ขึ้นจริงๆก็นับได้ว่ามันได้ไปสั่นสะเทือนวงการดาราศาสตร์จริงๆ เพราะการมีอยู่ของพัลซาร์มันได้แสดงให้ถึงพลังทางธรรมชาติ ที่ไปทำให้วัตถุมวลหนาแน่นทุกชนิด ได้ยุบตัวลงมาสู่ความโน้มถ่วงที่พังทลายได้จริงๆ

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 1

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 2

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 3

อ่านต่อ หลุมดำ (Black Hole) บทที่ 4

แหล่งที่มาหลัก Black hole

Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
YouTube
กลับสู่บนสุด