ภาพแรกของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก: เขาตื่นเต้นอะไรกันนะ?
ย้อนไปในปี 2019 มีการประกาศว่ามนุษยชาติได้ถ่ายภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรก โดยเป็นภาพหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซียักษ์ที่ชื่อว่า Virgo A และเรียกหลุมดำนั้นว่า M87* ซึ่งอยู่ห่างจากทางช้างเผือกออกไปราวๆ 53.5 ล้านปีแสง และในวันที่ 12 พฤษภาคม 2022 หรือสามปีให้หลัง มนุษยชาติก็สามารถถ่ายภาพหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของตัวเองได้สำเร็จ
มีข้อสันนิษฐานว่ากาแล็กซีทุกดวงน่าจะมี “หลุมดำมวลยิ่งยวด” หรือ “Supermassive Black Hole” อยู่ ณ ใจกลาง อันเนื่องจากกาแล็กซีมีมวลมหาศาลและแรงโน้มถ่วงจะดึงมวลให้ตกลงไป ณ ใจกลาง เมื่อมีมวลสะสมมากขึ้น ขนาดของแรงโน้มถ่วงก็โตขึ้นจนถึงจุดที่ไม่อาจมีแรงต้านใดสามารถต้านทานการยุบตัวได้ ก่อเกิดเป็นหลุมดำมวลมหึมาที่มีมวลตั้งแต่หลักล้านถึงพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์
จากการศึกษาวงโคจรของดาวฤกษ์ ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก นักดาราศาสตร์ค่อนข้างมั่นใจว่ากาแล็กซีของเรามีหลุมดำยักษ์ที่น่าจะมีมวล 4.1 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ (เสมือนมีดวงอาทิตย์ 4 ล้านดวงอัดแน่นอยู่ในจุดที่ไม่มีขนาด) และมีรัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ประมาณ 12 ล้านกิโลเมตร (เล็กกว่าวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์)
จากการสังเกตทางดาราศาสตร์ เช่น การสังเกตเห็นดาวฤกษ์หลายดวงโคจรด้วยความเร็วสูง และการสังเกตเห็นการประทุของรังสี X แบบประหลาด นักดาราศาสตร์เชื่อกันมา 50 ปีแล้วว่า หลุมดำยักษ์ ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกนั้นน่าอยู่ตรงบริเวณที่เรียกว่า “Sagittarius A*” ซึ่งเขียนย่อว่า “Sgr A*” (อยู่แถวๆรอยต่อของกลุ่มดาวคนยิงธนู และกลุ่มดาวแมงป่อง) โดยอยู่ห่างจากโลกราวๆ 26,000 ปีแสง
แม้เราจะมีหลักฐานของการมีอยู่ของหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีบ้านเกิดของเรา แต่เรายังไม่เคยมองเห็นมันมาก่อนว่าหลุมดำนี้หน้าตาเป็นอย่างไร
ในความเป็นจริง เราจะไม่มีทางมองเห็นหลุมดำ เพราะหลุมดำดูดกลืนทุกสิ่งทุกอย่างแม้กระทั่งแสง แต่เราสามารถมองเห็นบริเวณรอบๆหลุมดำได้ ซึ่งเป็นอาณาบริเวณรอบๆขอบฟ้าเหตุการณ์ ที่เหล่าก๊าซร้อนกำลังหมุนวนและมีการปลดปล่อยแสงในย่านความถี่ต่างๆรวมทั้งรังสีในคลื่นวิทยุ หากเราสังเกตด้วยกล้องโทรทรรศน์และถ่ายภาพแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากก๊าซร้อนเหล่านี้ เราก็สามารถบอกใครๆได้ว่า นั่นคือ “ภาพถ่ายของหลุมดำ”
ภาพหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของเราหรือ Sgr A* นั้นไม่ได้ถ่ายง่ายๆ เนื่องจาก Sgr A* มีขอบฟ้าเหตุการณ์ที่มีขนาดเล็กและอยู่ที่ระยะ 26,000 ปีแสง ส่งผลให้เมื่อมองจากโลกภาพของหลุมดำจะเล็กมาก เทียบได้กับการมองหาโดนัทที่วางอยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ เราคงต้องส่องดูหลุมดำนี้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่มากๆ
โดยกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในที่ตั้งอยู่บนพื้นโลกได้ ก็คงต้องเป็น “โลกเอง”
นักดาราศาสตร์ใช้ Very-Long-Baseline Interferometry (VLBI) ซึ่งเป็นเทคนิคการแทรกสอดของแสงที่รวบรวมมาจากข้อมูลการวัดที่ได้จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่กระจายอยู่ทั่วโลกภายใต้โครงการที่ชื่อว่า Event Horizon Telescope (EHT) ซึ่งเป็นเทคนิคเดียวกับที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการถ่ายภาพแรกของหลุมดำ M87* โดยเทคนิคนี้จะให้ผลการสังเกตประหนึ่งว่า ใช้กล้องโทรทรรศน์ที่มี “หน้ากล้องใหญ่เท่ากับโลก”
แต่ก็ยังมีอีกหนึ่งอุปสรรคอันเป็นสาเหตุที่นักดาราศาสตร์ถ่ายภาพของหลุมดำมวลยิ่งยวด M87* ได้ก่อนภาพของหลุมดำมวลยิ่งยวด Sgr A* ในกาแล็กซีของตัวเอง
ขนาดขอบฟ้าเหตุการณ์ที่ค่อนข้างเล็กของหลุมดำในกาแล็กซีทางช้างเผือกส่งผลให้ก๊าซที่กำลังหมุนวนรอบหลุมดำด้วยความเร็วเข้าใกล้แสงใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีในการหมุนครบรอบ แต่เนื่องจากนักดาราศาสตร์ต้องเปิดหน้ากล้องไว้ขณะหนึ่งเพื่อรับแสงให้ได้มากพอที่จะสร้างภาพ แต่ภาพมีการขยับตลอดเวลา เปรียบได้กับการเปิดหน้ากล้องเพื่อถ่ายภาพของแมวที่กำลังวิ่งเป็นวงกลมไล่ตามหางตัวเอง
ซึ่งแตกต่างจากการถ่ายภาพของหลุมดำ M87* ก่อนหน้านี้ที่มีรัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์ใหญ่กว่าถึง 2 พันเท่า โดยก๊าซที่หมุนวนรอบ M87* ใช้เวลาราวๆสัปดาห์ถึงจะหมุนครบรอบ ซึ่งเมื่อทำการถ่ายภาพก็จะเสมือนกับการถ่ายภาพนิ่ง ซึ่งง่ายกว่าการถ่ายภาพของหลุมดำในกาแล็กซีทางช้างเผือกมาก
อย่างไรก็ตามอุปสรรคนี้ก็ไม่สามารถเอาชนะความพยายามของนักดาราศาสตร์ 300 คนในทีมของ Event Horizon Telescope ได้ พวกเขาใช้เทคนิคพิเศษในการปรับภาพเหล่านี้ และเผยให้เห็นถึงภาพของหลุมดำ ณ ใจกลางทางช้างเผือก Sgr A* ได้เป็นครั้งแรก
ภาพนี้พิสูจน์ให้รู้ว่า หลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางทางช้างเผือกมีอยู่จริง!
ภาพนี้เผยให้เห็นว่ารอบๆหลุมดำระยะใกล้นั้นมีลักษณะเป็นเช่นไร
ภาพนี้บ่งบอกว่าหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก Sgr A* มีความคล้ายคลึงกับภาพของหลุมดำ M87* ที่ถ่ายได้ก่อนหน้านี้ แม้ทั้งคู่จะอยู่ในกาแล็กซีต่างชนิดกันและมีมวลต่างกันกว่าพันเท่า (หลุมดำ M87* มีมวล 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ขณะที่ Sgr A* มีมวล 4.1 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ )
ภาพจาก https://www.eso.org/public/images/eso2208-eht-mwe/
นั่นถือได้ว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ของไอน์สไตน์ อธิบาย “Space-Time” หรือ “อวกาศ-เวลา” รอบๆวัตถุมวลมากไว้อย่างแม่นยำ
ภาพทั้งสองมีลักษณะคล้าย “โดนัทเบี้ยว”
เหตุใดภาพ “โดนัทเบี้ยว” นี้จึงพิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ฃรอบหลุมดำได้?
ขอย้อนกลับไปที่ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับหลุมดำ
หลุมดำคือวัตถุที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์ เนื่องจากมีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนอะไรก็ต้านไว้ไม่อยู่ ต้องยุบตัวดึงดูดกันไปเรื่อยๆจนมวลทั้งหมดไปรวมกันอยู่ที่จุด “Singularity” ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีขนาด แต่บริเวณรอบๆหลุมดำนั้นเกิดความโค้งของ “อวกาศ-เวลา” อย่างมาก
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำนายไว้ว่า จะมีขอบเขตที่รอบหลุมดำที่ไม่ว่าอะไรหลุดเข้าไปที่อาณาบริเวณนี้จะไม่มีทางหนีรอดออกจากหลุมดำได้ เพราะความเร็วที่ต้องใช้ในการหนีออกจากหลุมดำ ณ จุดนั้นคือ “ความเร็วแสง” และไม่มีอะไรเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง
ขอบเขตนี้คือ “Event Horizon” หรือ “ขอบฟ้าเหตุการณ์” โดยขอบเขตของขอบฟ้าเหตุการณ์จะถูกกำหนดโดย “รัศมี Schwarzschild” ซึ่งจะขึ้นกับมวลของหลุมดำ โดยหลุมดำที่มีมวลมากก็จะมีรัศมี Schwarzschild ที่ใหญ่กว่าหลุมดำที่มีมวลน้อย หรือมีขอบเขตในการดูดกลืนมวลมากขึ้นนั่นเอง
นั้นหมายความว่าเราจะมองไม่เห็นอะไรภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ เนื่องจากแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดออกมาได้ บริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์จะปรากฏดำมืดสนิท
สำหรับหลุมดำแบบไม่หมุน ถัดออกไปจากขอบฟ้าเหตุการณ์ประมาณ 1.5 เท่าของรัศมี Schwarzschild เป็นขอบเขตที่เรียกว่า “Photon Sphere” หรือ “ทรงกลมโฟตอน” ซึ่งบริเวณนี้แสงยังไม่ถูกดูดเข้าไปในหลุมดำทันที แต่จะถูกบังคับให้เคลื่อนที่โคจรรอบหลุมดำ อย่างไรก็ตามวงโคจรนี้ไม่เสถียร แสงมีทางเลือกเพียงสองทางคือ ไม่เคลื่อนที่เข้าหาหลุมดำก็เคลื่อนที่ออกจากหลุมดำไปเลย
ระยะปลอดภัยที่แสงจะไม่ถูกดูดเข้าไปหากเคลื่อนที่เข้าหาหลุมดำ อยู่ที่ระยะ 2.6 เท่าของของรัศมี Schwarzschild และเป็นระยะที่เราเห็นแสงจุดแรกห่างจากใจกลางของหลุมดำ เราเรียกบริเวณนี้ว่า “เขตเงา” ของหลุมดำ
ถัดไปเป็นระยะ 3 เท่าของรัศมี Schwarzschild สสารที่มีมวล เช่น ก๊าซ กำลังหมุนรอบหลุมดำด้วยความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสง เราเรียกกลุ่มก๊าซที่กำลังโคจรหมุนรอบหลุมดำนี้ว่า “Accretion Disk” แสงส่วนใหญ่ที่เดินทางเฉียดเข้าไปในหลุมดำมาจากการแผ่รังสีของ Accretion Disk นี่เอง
ภาพถ่ายของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซี Sgr A* และหลุมดำ M87* เผยให้เห็นภาพของเขตเงา และ Accretion Disk ของหลุมดำอย่างชัดเจน โดยภาพของหลุมดำทั้งสองจึงมีความคล้ายคลึงกันมาก
หากทุกอย่างเป็นไปตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ รอบหลุมดำทุกดวงจะมีภาพหน้าตาแบบนี้เสมอ
เพื่อให้เข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้น ให้ลองพิจารณาความเป็นไปของแสงที่กำลังเดินทางเข้าใกล้หลุมดำขณะที่เรากำลังมองหลุมดำนั้นอยู่
เนื่องจากแสงส่วนใหญ่บริเวณรอบหลุมดำมาจากการแผ่รังสีของ Accretion Disk เราจึงควรพิจารณาทุกความเป็นไปได้ของการวางตัวของ Accretion Disk ซึ่งอาจตั้งฉาก ขนาน หรือเอียงในมุมมองของผู้สังเกต แต่ไม่ว่า Accretion Disk จะวางตัวอย่างไร ความโค้งงอของ “อวกาศ-เวลา” ที่ถูกทำนายโดยไอน์สไตน์ จะส่งผลให้ภาพถ่ายของหลุมดำจะปรากฏเป็นรูป “โดนัทเบี้ยว” เสมอ
เราลองเริ่มต้นคิดถึงแสงจาก Accretion Disk ที่อยู่ด้านหน้าหลุมดำในมุมมองของเรา โดยแสงที่พุ่งเข้าหลุมดำตรงๆในขอบเขตของ Event Horizon ก็จะโดนดูดเข้าไปอย่างไม่มีข้อสงสัย
แสงที่พุ่งเข้าหาหลุมดำในขอบเขตที่ไกลจาก Event Horizon นิดหน่อย จะยังไม่ถูกดูดเข้าไปทันที แต่จะถูกเบนให้เข้าใกล้หลุมดำมากขึ้น แต่ในที่สุดแสงนี้ก็จะถูกเบนเข้าหลุมดำด้านหลัง และถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ
ส่วนที่ระยะ “Photon Sphere” แสงยังไม่ถูกดูดเข้าไปทันที แต่จะถูกเบนไปอย่างมาก ในที่สุดจะเบนเข้าไปข้างในระยะของ “Photon Sphere” และจะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำอีกเช่นกัน
ระยะปลอดภัยที่แสงจะไม่ถูกดูดเข้าไปหากเคลื่อนที่เข้าหาหลุมดำคือระยะ “เขตเงา” ซึ่งเป็นระยะที่เราเห็นแสงจุดแรกห่างจากใจกลางของหลุมดำ ภายในเขตเงาจะมืดสนิท
อย่างไรก็ตาม แสงที่เคลื่อนที่เฉียดเข้าเขตเงาจะถูกเบนไปจากแนวเดิมอย่างสุดโต่ง เช่น หากแสงเดินทางเข้าหาหลุมดำด้านบน มันจะถูกเบนแล้วอ้อมหลุมดำมาทางด้านล่าง
แสงที่เดินทางเฉียดหลุมดำด้านล่าง ก็จะถูกเบนและอ้อมไปทางด้านบน
ส่วนแสงที่เดินทางเฉียดหลุมดำด้านซ้าย จะอ้อมหลุมดำแล้วจะพุ่งออกมาทางด้านขวา เช่นเดียวกับแสงที่เดินทางเฉียดใกล้หลุมดำทางขวาจะมาปรากฏทางด้านซ้าย
การเบนแบบนี้ให้ภาพที่เป็นเหมือนภาพสะท้อนในกระจก
หากแสงอยู่ไกลออกไปจาก “เขตเงา” มากขึ้นการเบนก็จะน้อยลง
ผู้อ่านที่อ่านมาถึงตรงนี้อาจสงสัยว่า หาก Accretion Disk กำลังบังหลุมดำอยู่ ก็ควรมีแสงที่แผ่ออกมาในทิศทางที่ควรจะเดินทางมาหาเรา ทำให้เกิดแถบสว่าง “บัง” รูโดนัทไว้สิ
แต่สิ่งที่เกิดขึ้นคือ แสงที่แผ่ออกมาในทิศทางที่ควรจะเดินทางมาหาเราโดยตรงจาก Accretion Disk จะถูก “อวกาศ-เวลา” ที่โค้งงอ “อย่างหนัก” บังคับให้แสงเดินทางอ้อมกลับไปทางด้านหลังหลุมดำ และจะโผล่ออกมาจากทางด้านหลังนอกเขตเงาก่อนที่จะเดินทางมาหาเรา
ดังนั้นไม่ว่า Accretion Disk จะวางตัวในแนวที่กำลังบดบังหลุมดำไว้ในมุมมองของเรา แต่เราจะไม่มีทางเห็นภาพที่ Accretion Disk คาดผ่านเขตเงาของหลุมดำเลย และเราจะเห็นภาพของบริเวณรอบหลุมดำเป็น “โดนัทที่มีรูตรงกลาง” เสมอ
ที่น่าสนใจคือเราสามารถเห็นแสงที่มาจาก Accretion Disk ด้านหลังหลุมดำได้ด้วย
ส่วนสาเหตุที่ภาพหลุมดำจะ “ไม่เคยสมมาตร” เลย ก็เพราะ Accretion Disk นี้หมุนรอบหลุมดำด้วยความเร็วสูงมาก เมื่อมันหมุนเข้าหาหรือออกจากเราจะเกิดปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler’s effect) ขึ้น ทำให้แสงที่มาจากส่วนของ Accretion Disk ที่กำลังหมุนเข้าหาเราสว่างขึ้น ในขณะที่แสงที่มาจากส่วนของ Accretion Disk ที่กำลังหมุนออกจากเราจะสว่างน้อยกว่า
วงแหวนนรอบเขตเงาจึงสว่างไม่เท่ากัน จะมีด้านหนึ่งมืดกว่าอีกด้านหนึ่งเสมอ ปรากฏเป็นรูป “โดนัทเบี้ยว” ซึ่งสอดคล้องกับภาพถ่ายของหลุมดำมวลยิ่งยวด Sgr A* ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ของภาพของหลุมดำ M87* ในกาแล็กซี Virgo A
ดังนั้นรูปภาพของหลุมดำที่คล้าย “โดนัทเบี้ยว” จึงเป็นข้อพิสูจน์ว่า หลุมดำนั้นอธิบายได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้อย่างชัดเจน
หากไอน์สไตน์มีโอกาสเห็นภาพนี้คงต้องปลาบปลื้มจนน้ำตาไหล....
เขียนโดย: มณี
อ้างอิง:
- 7
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
