3 ปริศนาสำคัญที่ “ภาพถ่ายหลุมดำ” ไม่ได้ให้คำตอบ

ภาพด้านซ้ายเป็นภาพหลุมดำใจกลางเอ็ม87 ที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ จันทรา เอกซ์เรย์ แสดงให้เห็นลำสสาร รีเลทีวิสติค เจ็ท อย่างชัดเจน ส่วนภาพขวา คือภาพสภาพอาณาบริเวณโดยรอบหลุมดำใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 เดียวกันที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุในโครงการอีเอชที (ภาพ- NASA/CXC/Villanova University/J. Neilsen และ Event Horizon Telescope Collaboration)

ความสำเร็จของโครงการ อีเวนท์ ฮอไรซัน เทเลสโคป (อีเอชที) โครงการความร่วมมือนานาชาติของนักวิทยาศาสตร์หลากหลายประเทศร่วม 200 คน ไม่เพียงทำให้เราได้เห็นภาพถ่ายของหลุมดำ ใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 หรือ กาแล็กซี เวอร์โก เอ. ที่อยู่ห่างออกไปจากโลก 55 ล้านปีแสงได้เป็นครั้งแรกสุดในประวัติศาสตร์ของวงการดาราศาสตร์

หลุมดำใจกลางเอ็ม87 (ซึ่งในเวลานี้ ศาสตราจารย์ แลร์รี คิมูระ จากมหาวิทยาลัย ฮาวาย-ไฮโล ตั้งชื่อให้ว่า “Powehi-โพเวฮี”) ไม่ใช่หลุมดำที่ใกล้โลกที่สุด และไม่ใช่หลุมดำมวลยวดยิ่ง (ซุปเปอร์แมสซีฟ แบลค โฮล) ที่ใกล้โลกที่สุด แต่มีขนาดใหญ่มหึมา กินอาณาบริเวณเทียบเท่ากับระบบสุริยะของเราทั้งระบบ และมีมวลมากกว่ามวลของดวงอาทิตย์ถึง 6,500 ล้านเท่า จนกลายเป็น 1 ใน 2 สิ่งที่ใหญ่ที่สุดที่ปรากฏเหนือท้องฟ้าของโลก (อีกสิ่งที่ใหญ่มากเมื่อมองจากโลกคือ แซกิแทเรียส เอ” หลุมดำใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา) โครงการอีเอชที ใช้เวลา 2 ปี ในการระดมกล้องโทรทรรศน์วิทยุจาก 8 หอสังเกตการณ์อวกาศใน 6 ประเทศในการถ่ายภาพครั้งนี้เพื่อให้ได้ภาพเอ็ม87 ที่มีความละเอียดสูงสุดอย่างที่ไม่เคยมีการถ่ายได้มาก่อน เพื่อขยายให้เห็น อาณาบริเวณโดยรอบหลุมดำใจกลางกาแล็กซีแห่งนี้

ที่ผ่านมาไม่เคยมีการถ่ายภาพที่แสดงถึงสภาพของหลุมดำได้มาก่อน สาเหตุหนึ่งเป็นเพราะไม่มีหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกเรามากพอสำหรับให้กล้องโทรทรรศน์ใดๆ ที่โลกมีอยู่ถ่ายภาพดังกล่าวได้ และหลุมดำยังมีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนดึงดูดทุกอย่างเข้าไปจนหมดสิ้น ไม่ปล่อยแม้แต่กระทั่งแสงให้เล็ดลอดออกมา การถ่ายภาพหลุมดำจึงไม่ได้เป็นการถ่ายภาพตัวหลุมดำ แต่เป็นการถ่ายภาพปรากฏการณ์แผ่รังสีเรืองแสงที่เกิดขึ้นในอาณาบริเวณโดยรอบหลุมดำ ตรงจุดซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” หรือ “อีเวนท์ ฮอไรซัน” ซึ่งถูกนำมาใช้เป็นชื่้อโครงการนั่นเอง

ปรากฏการณ์เรืองแสงดังกล่าวเกิดขึ้นเมื่อสสารเผชิญกับพลังมหาศาลของหลุมดำที่เรียกว่า “แรงโน้มถ่วงแห่งเอกภาวะ” (ซิงกูลาริตีส์ กราฟิตี) ของหลุมดำ เร่งความเร็วจนถึงระดับสูงสุดก่อนที่จะตกเข้าไปภายในหลุมดำ เมื่อมวลของสสารจะถูกเร่งจนถึงขีดที่อัดกันแน่นจนถึงระดับ “อนันต์” (คือไม่มีที่สิ้นสุด) และมีปริมาตรเป็นศูนย์ นั่นคือการเข้าสู่ “เอกภาวะ” (ซิงกูลาริตี) ของสสาร ซึ่งจะอยู่ใจกลางหลุมดำ แต่ในเสี้ยวหนึ่งก่อนการเข้าสู่เอกภาวะ การเสียดสีตัวเองของสสารที่ความเร็วสูง จะก่อให้เกิดพลังงานและการเรืองแสงขึ้นมา

กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่หองสังเกตการณ์ มอนาเคีย ในฮาวาย สหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุในโครงการอีเอชที (ภาพ-Maunakea Observatories via AP)

เชปเพิร์ด โดลเลแมน นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ผู้อำนวยการโครงการอีเอชที ระบุว่า ภาพถ่ายหลุมดำของอีเอชที ถือเป็นการยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักทฤษฎีฟิสิกส์เรืองนามที่นำเสนอไว้เมื่อกว่า 100 ปีมาแล้ว เป็นความจริงทุกอย่าง ยังคงยึดถือได้แม้ในจุดที่ “เอ็กซ์ตรีม” ที่สุดจุดหนึ่งในจักรวาล

ปัญหาก็คือ ยังคงมีคำถามใหญ่ และสำคัญมากๆ ทางด้านฟิสิกส์อีก 3 ประการเป็นอย่างน้อย ที่ภาพถ่ายประวัติศาสตร์ภาพนี้ไม่สามารถให้คำตอบได้

เอริน บอนนิง นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และนักวิจัยหลุมดำ ของมหาวิทยาลัย เอเมอรี ในเมืองแอตแลนตา รัฐจอร์เจีย สหรัฐอเมริกา เรียงลำดับเอาไว้ดังนี้

ปริศนาลำสสาร”รีเลทีวิสติค เจ็ท”

แรงดึงดูดมหาศาลของ “แรงโน้มถ่วงแห่งเอกภาวะ” จากหลุมดำ ทำให้มันสามารถ “กลืนกิน” สสารทั้งหลายที่อยู่ใกล้ตัวเข้าไปผ่าน “ขอบฟ้าเหตุการณ์” และไม่กลับออกมาอีกเลย แต่นักดาราศาสตร์สังเกตพบว่า แม้หลุมดำมวลยวดยิ่งทั้งหมด มีความสามารถกลืนกินสสารใกล้เคียงเข้าไปได้แต่ไม่ทั้งหมด ยังมีส่วนที่เหลือที่ถูก “คาย” ออกมา เป็นลำสสารที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเกือบใกล้ความเร็วแสงที่ถูกขนานนามว่า “รีเลทีวิสติค เจ็ท”

หลุมดำใจกลางเอ็ม87 ซึ่งถูกถ่ายภาพได้ในครั้งนี้ เป็นหนึ่งในตัวการที่ปล่อยลำสสาร “รีเลทีวิสติค เจ็ท” ขนาดมหึมากระจายสสารและรังสีออกไปทั่วอวกาศ “รีเลทีวิสติค เจ็ท”ของหลุมดำมวลยวดยิ่งแห่งนี้มีขนาดใหญ่เสียจนสามารถหลุดจากแรงโน้มถ่วงของกาแล็กซีใกล้เคียงได้ทั้งหมด

นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าลำสสาร “รีเลทีวิสติค เจ็ท” ที่ว่านี้เกิดขึ้นได้เมื่อสสารส่วนหนึ่งหลุดรอดพ้นจากแรงดึงดูดของหลุมดำได้ “ก่อน” ที่จะผ่านเข้าไปสู่เอกภาวะ โดยที่ยังสามารถคงแรงเฉื่อยของตัวเองเอาไว้ได้ แต่ยังถกเถียงกันอยู่มากว่าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นได้อย่างไร ภาพถ่ายหลุมดำครั้งนี้ไม่ได้ให้คำตอบใดๆ ในเรื่องนี้ไว้

แต่บอนนิงเชื่อว่า หากปรับขอบเขตของภาพถ่ายความละเอียดสูงจากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุของอีเอชที ให้กินอาณาบริเวณกว้างมากขึ้นกว่าในครั้งนี้ โดยเฉพาะในเป้าหมายถัดไปของอีเอชที ที่ต้องการถ่ายภาพแซกิแทเรียส เอ” ซึ่งใกล้โลกกว่า เพื่อนำมาเปรียบเทียบกับภาพถ่ายในครั้งนี้

บางทีภาพเหล่านั้นอาจให้คำตอบนี้ได้

ข่าวรอบด้าน กับ Line@มติชนนิวส์รูม คลิกเป็นเพื่อนกัน ได้ที่นี่

เพิ่มเพื่อน

ปริศนาทฤษฎีสัมพัทธภาพกับทฤษฎีควอนตัม

ในรอบกว่า 100 ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์เกือบทั้งหมดทำงานค้นคว้าวิจัยอยู่ภายใต้หลักการของทฤษฎี 2 ทฤษฎีเท่านั้น คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งครอบคลุมกฎเกณฑ์ของทั้งจักรวาลที่เกี่ยวเนื่องกับสิ่งที่มีขนาดใหญ่โตทั้งหลาย กับทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งครอบคลุมกฎเกณฑ์ของสิ่งที่มีขนาดเล็กมากๆ ปัญหาก็คือ ทฤษฎีทั้งสองขัดแย้งกันอยู่ในตัวเอง กลศาสตร์ฟิสิกส์ ไม่สามารถใช้อธิบายปรากฏการณ์ความโน้มถ่วงได้ ในเวลาเดียวกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ก็ไม่สามารถนำมาใช้อธิบายพฤติกรรมเชิงควอนตัมของสิ่งที่มีขนาดเล็กมากๆ ได้เลย

นักฟิสิกส์คาดหวังตลอดมาว่า สักวันหนึ่งคงปรากฏห่วงโซ่สำคัญอันหนึ่งซึ่งหลอมรวมทฤษฎีทั้งสองเข้าด้วยกันเป็นหนึ่งเดียวนั่นคือทฤษฎี “แรงโน้มถ่วงควอนตัม”

ทุกครั้งที่มีการค้นพบทางฟิสิกส์ใหม่ๆ ก็คาดหวังกันว่าจะสามารถช่วยให้เกิด ควอนตัม กราฟิตี ที่ว่านี้ขึ้นได้ แม้แต่ครั้งนี้ก็เช่นเดียวกัน

น่าเสียดายที่ภาพถ่ายครั้งนี้เพียงยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเท่านั้น

บอนนิงชี้ให้เห็นว่า มีความเป็นไปได้ที่จะเกิด “ควอนตัม กราฟิตี” ขึ้นในส่วนที่ใกล้กับ “ขอบฟ้าเหตุการณ์” มากที่สุด แต่ยังไม่ใช่ในเร็ววันนี้แน่นอน

ปริศนาว่าด้วย”ฮอว์กิง เรดิเอชัน”

ในขณะที่ ไอน์สไตน์บอกว่า ทุกสิ่งทุกอย่าง แม้แต่กระทั่งแสง ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาจากหลุมดำได้ นักทฤษฎีฟิสิกส์ผู้ยิ่งใหญ่ที่สุดผู้หนึ่งของโลกในยุคศตวรรษที่ 20 อย่าง สตีเฟน ฮอว์กิง กลับนำเสนอแนวความคิดซึ่งรู้จักกันในเวลาต่อมาในชื่อ “การแผ่รังสีของฮอว์กิง” หรือ “ฮอว์กิง เรดิเอชัน” ออกมา

ฮอว์กิงนำเสนอว่า หลุมดำนั้นไม่ได้ “ดำสนิท” ทั้งหมดเสียทีเดียว แต่จะปลดปล่อยรังสีออกมาทีละน้อยตามเวลาที่ผ่านไป

ความในแนวความคิดทั้งสองไม่ได้ขัดกันโดยสิ้นเชิงนักในเบื้องแรก แต่จะขัดกันอย่างหนักในบั้นปลาย ถ้าเป็นไปตามแนวคิดของไอน์สไตน์ เมื่อหลุมดำหยุดโต ยุติการกลืนกิน ขนาดของมันจะยังคงที่เหมือนตอนที่หยุดขยายตัว แต่ตามแนวคิดของฮอว์กิง ในทันทีที่หลุมดำหยุดโต มันจะเริ่มลดขนาดลงเรื่อยๆ ตามปริมาณของพลังงานที่สูญเสียไปจากการแผ่รังสี

ภาพหลุมดำของ อีเอชที ไม่ได้ยืนยันหรือปฏิเสธความถูกต้องของแนวความคิดทั้งสองนี้ใดๆ ทั้งสิ้น

บอนนิงเชื่อว่า เราจะยังไม่สามารถพิสูจน์ความจริงตามแนวคิดของฮอว์กิงได้ แม้จะถ่ายภาพหลุมดำมวลยวดยิ่งได้อีกมากมายก็ตาม เพราะการแผ่รังสีของฮอว์กิงนั้นเมื่อเทียบกับขนาดและมวลของหลุมดำแล้วมีปริมาณเพียงเล็กน้อยจนไม่อาจจับสังเกตได้จากระยะไกล

หนทางเดียวที่จะพิสูจน์แนวคิดของฮอว์กิงได้ ก็ต่อเมื่อเราสามารถสร้างหลุมดำให้มีขนาดเล็กพอที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำนั้นสามารถอยู่ในอุ้งมือเราได้

และสามารถสังเกตการแผ่รังสีที่จะมีปริมาณมากเมื่อเทียบกับขนาดหลุมดำได้นานพอเท่านั้นเอง

บทความก่อนหน้านี้ทำได้ทุกอย่าง! ชื่นชม คุณตำรวจไทยให้อาหารปลา ตามคำสั่งประชาชน ชาวเน็ตแซวโครงการใหม่
บทความถัดไปล้นทะลัก! คนแห่เที่ยว ‘ช้างสงกรานต์ บุรีรัมย์เพื่อนGU’ ทะลุครึ่งล้าน ศิลปินดังพาเหรดจัดโชว์เต็มพิกัด