หลุมดำคืออะไร สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติคลายสงสัย หลังเผยภาพหลุมดำครั้งแรก

ภาพถ่ายหลุมดำที่มีการเปิดเผยเมื่อวานนี้ (10 เม.ย.) ได้รับความสนใจจากคนทั่วโลก เนื่องจากเป็นภาพแรกในประวัติศาสตร์มนุษย์ เหตุนี้ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ จึงเขียนและเผยแพร่บทความชิ้นหนึ่งในวันนี้ (11 เม.ย.) เพื่อคลายข้อสงสัย

>> เผยภาพ "หลุมดำ" ครั้งแรกในประวัติศาสตร์มวลมนุษยชาติ

หลุมดำคืออะไร?

หลุมดำคือวัตถุที่หนาแน่นที่สุดอย่างหนึ่งในเอกภพ เมื่อมีมวลจำนวนมากมารวมตัวกันอยู่ในปริมาตรขนาดเล็ก แรงโน้มถ่วงของมวลเหล่านี้จะมีมากพอที่จะดูดทุกอย่างเข้าไปภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันได้ เปรียบเทียบกันแล้ว บนพื้นโลกของเรามีความเร็วหลุดพ้น 11.2 กม./วินาที นั่นหมายความว่าหากเรายิงกระสุนที่ความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาทีจากพื้นโลก

กระสุนนี้จะหลุดพ้นออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้และไม่ตกกลับลงมาอีก และหากเรายิงกระสุนออกไปด้วยความเร็วที่ต่ำกว่านี้ กระสุนก็จะใช้เวลาสักพักหนึ่งในอากาศก่อนที่จะตกกลับมาใหม่ สำหรับหลุมดำแล้วนั้นแรงโน้มถ่วงนั้นมีค่าสูงมากเสียจนความเร็วหลุดพ้นจากบริเวณที่เรียกว่า "ขอบฟ้าเหตุการณ์" (Event Horizon) มีค่าเท่ากับความเร็วของแสง ซึ่งเป็นความเร็วที่สูงที่สุดในเอกภพ

หมายความว่าไม่มีวัตถุใดแม้กระทั่งแสงจะสามารถหลุดพ้นออกมาจากหลุมดำได้ แม้กระทั่งเราฉายไฟฉากออกมาจากภายใน Event Horizon อนุภาคของแสงที่ออกมาก็ไม่สามารถหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของมันได้

ทำไมเราจึงสามารถเห็นหลุมดำ

คำตอบง่ายๆ ก็คือเราไม่สามารถเห็นภายในหลุมดำได้ อย่างไรก็ตาม เราสามารถสังเกตเห็นมวลและแสงที่วนอยู่รอบๆ หลุมดำได้ ภายในบริเวณของขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นบริเวณที่ไม่มีวัตถุใด หรือแม้กระทั่งแสงสามารถหลุดออกมาได้

หมายความว่าหากนักบินอวกาศคนหนึ่งอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ ไม่ว่าเขาจะฉายไฟฉายไปในทิศทางใด ทุกทิศทางต่างก็นำไปสู่ singularity ในบริเวณกลางของหลุมดำทั้งนั้น (แม้ว่าจะหันออกมาจากศูนย์กลางก็ตาม) เนื่องจากแม้กระทั่งกาลอวกาศ (spacetime) ก็กำลังตกลงไปสู่ศูนย์กลางของหลุมดำด้วยความเร็วมากกว่าแสง

หากนักบินอวกาศอยู่ภายนอกของขอบฟ้าเหตุการณ์ นักบินอวกาศก็จะยังสามารถฉายไฟฉายออกมาภายนอกได้ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาล จะทำให้แสงที่ปล่อยออกมามีทิศทางบิดเบี้ยวไป

ทำไมภาพที่ได้จึงมีรูปร่างเช่นนี้?

ภาพที่เห็นเป็นภาพที่สอดคล้องกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์เอาไว้เกี่ยวกับหลุมดำไม่ผิดเพี้ยน นี่เป็นภาพที่เราเห็นจากแกนหมุนของหลุมดำ เนื่องจากหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงสูงพอที่จะสามารถดึงให้แสงวนไปรอบๆ ได้ ที่ระยะห่าง 1.5 เท่าของขอบฟ้าเหตุการณ์ จะมีสิ่งที่เรียกว่า photon sphere (อ่านว่าโฟตอนสเฟียร์) อยู่ ซึ่งเป็นบริเวณสุดท้ายที่แสงจะสามารถโคจรไปรอบๆ หลุมดำได้

สิ่งที่ใกล้หลุมดำที่สุดที่เราจะสามารถเห็นได้จึงเป็นวงแหวนของ photon sphere ก่อนที่จะเข้าไปสู่ความมืดสนิท เราจึงเห็นเป็นบริเวณที่มืดสนิทที่ถูกล้อมไปด้วยวงกลมสว่าง (แต่ระยะห่างที่เราเห็นจะมากกว่า 1.5 เท่าเล็กน้อย เนื่องจากแสงจะถูกเบี่ยงเบนออกไปด้วยแรงโน้มถ่วง)

ถัดออกมาเราจะเห็นมวลก๊าซที่กำลังอยู่ในจานพอกพูนมวลที่กำลังตกลงไปสู่หลุมดำ นอกจากนี้มวลที่กำลังหมุนในทิศทางที่หันมาหาผู้สังเกตจะมีความสว่างขึ้นเล็กน้อย ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า relativistic beaming ดังที่ปรากฏในภาพทางด้านล่างของหลุมดำ

ทำไมก่อนหน้านี้เราไม่เห็นหลุมดำ

การจะมองเห็นหลุมดำนั้นเป็นเรื่องที่ยากมาก เพราะว่าหลุมดำเป็นวัตถุที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก หากเราสามารถบีบอัดดวงอาทิตย์ให้กลายเป็นหลุมดำได้ จะมีขนาดเพียงแค่ 3 กม. เพียงเท่านั้นเอง ในขณะที่โลกของเราจะกลายเป็นหลุมดำที่มีขนาดไม่กี่มิลลิเมตร การที่จะสามารถสังเกตเห็นหลุมดำได้จึงจำเป็นต้องอาศัยหลุมดำที่มีมวลมาก หรือที่เรียกว่า "หลุมดำมวลยิ่งยวด" (supermassive black hole: SMBH) และอยู่ใกล้เรามากที่สุด

SMBH ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด ก็คือ Sagittarius A* ที่อยู่ในใจกลางทางช้างเผือกของเรานั่นเอง ซึ่งมีมวล 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แต่ก็ยังมีขนาดเพียง 8% ของระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ แต่หลุมดำที่โครงการ Event Horizon Telescope (EHT อีเอชที) สังเกตนี้ เป็น SMBH ที่อยู่ในใจกลางของกาแล็กซี M87 ซึ่งมีมวลถึง 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีขนาดประมาณเท่ากับระบบสุริยะ ซึ่งเป็นหลุมดำที่มีขนาดเชิงมุมปรากฏจากโลกใหญ่กว่าหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือกของเรา แม้กระทั่งที่ระยะห่างออกไปถึงกว่า 55 ล้านปีแสง

แล้ว EHT บันทึกภาพนี้ได้อย่างไร

การที่จะมองรายละเอียดที่เล็กมากๆ เราจำเป็นที่จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ขนาดใหญ่มากๆ นี่เป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมเราจึงมีความพยายามที่จะสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในปัจจุบันก็ยังไม่สามารถแยกแยะรายละเอียดของหลุมดำที่มีขนาดเพียงระบบสุริยะที่อยู่ห่างออกไป 55 ล้านปีแสงได้

วิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้ ก็คือวิธีที่เรียกว่า interferometry โดยการรวมแสงจากระยะห่างที่ไกลมากๆ เราอาจจะเปรียบเทียบได้ว่า หากภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่คือการนำแสงที่อยู่ปลายด้านหนึ่งของกระจกกล้องโทรทรรศน์ ไปรวมกับแสงที่มาจากปลายอีกด้านหนึ่ง หากเราสามารถมีกล้องสองตัวที่อยู่ห่างกันหลายพันกิโลเมตร แล้วนำแสงที่ได้นั้นมารวมกัน เราก็จะสามารถจำลองภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เป็นพันกิโลเมตรได้

และวิธี interferometry นี้ก็คือวิธีที่ทำให้ EHT สามารถบันทึกภาพหลุมดำนี้ได้เป็นครั้งแรก แต่เนื่องจาก interferometry ในช่วงความยาวคลื่นแสงนั้นทำได้ยากกว่ามาก EHT จึงใช้การสังเกตการณ์ทางคลื่นวิทยุ จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุจำนวนมากที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วโลกรวมไปถึงที่ขั้วโลกใต้ และทำการติดตั้งนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูง ในการบันทึกเวลาเพื่อที่จะสามารถนำสัญญาณวิทยุที่ถูกบันทึกเอาไว้ใน ณ เสี้ยววินาทีเดียวกัน มาสามารถรวมกันเพื่อจำลองราวกับพื้นผิวโลกของเราทั้งใบกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ กล้องหนึ่ง