เจาะลึกหลุมดำคืออะไร ภายในมีอะไร และถ่ายภาพครั้งแรกได้อย่างไร | Siam Astronomy

เจาะลึก “หลุมดำ” คืออะไร ภายในมีอะไร และมนุษย์ถ่ายภาพมันได้อย่างไร

หลุมดำเป็นหนึ่งในวัตถุที่ลึกลับที่สุดในเอกภพ มันไม่ใช่รูที่เจาะทะลุอวกาศ แต่เป็นบริเวณที่มีมวลจำนวนมหาศาล ถูกอัดอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กมาก จนแรงโน้มถ่วงทำให้แม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีออกมาได้

หลุมดำคืออะไร

หลุมดำ หรือ Black Hole คือบริเวณหนึ่งของปริภูมิ-เวลา ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงรุนแรงมาก จนเมื่อวัตถุหรือแสงผ่านเขตแดนที่เรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ หรือ Event Horizon เข้าไปแล้ว จะไม่สามารถเดินทางกลับออกมาสู่เอกภพภายนอกได้

สิ่งสำคัญคือ หลุมดำไม่ได้ดูดทุกสิ่งทุกอย่างจากระยะไกลเหมือนเครื่องดูดฝุ่น หากดวงอาทิตย์ถูกแทนที่ด้วยหลุมดำที่มีมวลเท่าดวงอาทิตย์ โลกในทางทฤษฎียังคงโคจรด้วยวงโคจรใกล้เคียงเดิม เพราะแรงโน้มถ่วงที่ระยะห่างเท่าเดิมขึ้นอยู่กับมวล ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าวัตถุนั้นเป็นดาวฤกษ์หรือหลุมดำ

ส่วนประกอบสำคัญรอบหลุมดำ

1. ขอบฟ้าเหตุการณ์

ขอบฟ้าเหตุการณ์ไม่ใช่พื้นผิวแข็ง แต่เป็นเขตแดนในปริภูมิ-เวลา เมื่อสิ่งใดข้ามผ่านเขตแดนนี้เข้าไป เส้นทางในอนาคตทั้งหมดของสิ่งนั้น จะมุ่งลึกเข้าสู่หลุมดำ และไม่มีสัญญาณใดส่งกลับออกมาได้

2. ภาวะเอกฐาน

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่า บริเวณใจกลางหลุมดำอาจมี ภาวะเอกฐาน หรือ Singularity ซึ่งเป็นบริเวณที่ความหนาแน่นและความโค้งของปริภูมิ-เวลามีค่าสูงอย่างสุดขั้ว

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบว่า Singularity เป็นวัตถุทางกายภาพจริง หรือเป็นสัญญาณว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่เพียงพอเมื่อใช้กับสภาวะสุดขั้วระดับควอนตัม ดังนั้นคำถามว่า “ตรงกลางหลุมดำมีอะไรแน่” ยังไม่มีคำตอบที่ได้รับการยืนยัน

3. จานพอกพูนมวล

ก๊าซ ฝุ่น และสสารที่กำลังตกเข้าหาหลุมดำอาจหมุนเป็น จานพอกพูนมวล หรือ Accretion Disk การเสียดสี การบีบอัด และสนามแม่เหล็กสามารถทำให้สสารในจานนี้ร้อนจัด จนเปล่งแสงตั้งแต่แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต ไปจนถึงรังสีเอกซ์

ภาพวงแหวนสว่างรอบหลุมดำที่เราเห็น จึงไม่ได้เป็นแสงจากตัวหลุมดำ แต่เป็นแสงจากพลาสมาและสสารร้อนที่อยู่รอบมัน

4. เงาของหลุมดำ

แรงโน้มถ่วงของหลุมดำทำให้เส้นทางของแสงโค้งอย่างรุนแรง ภาพที่ได้จึงมีบริเวณมืดตรงกลางเรียกว่า เงาของหลุมดำ หรือ Black Hole Shadow เงานี้มีขนาดใหญ่กว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ เนื่องจากผลของการบิดโค้งของแสง

5. ลำเจ็ต

หลุมดำบางแห่งมีลำอนุภาคพลังงานสูงพุ่งออกจากบริเวณขั้ว เรียกว่า Relativistic Jets ลำเจ็ตไม่ได้พุ่งออกมาจากด้านในขอบฟ้าเหตุการณ์ แต่เกิดจากกระบวนการในจานพอกพูนมวลและสนามแม่เหล็ก บริเวณรอบหลุมดำ

อะไรอยู่ภายในหลุมดำ

จากภายนอก นักฟิสิกส์สามารถอธิบายหลุมดำด้วยคุณสมบัติหลัก เช่น มวล การหมุน และประจุไฟฟ้า แต่สิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไป ไม่สามารถสังเกตโดยตรงได้ เพราะไม่มีแสงหรือข้อมูลเดินทางกลับออกมา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเสนอว่า สสารที่ตกเข้าไปจะมุ่งสู่ภาวะเอกฐาน แต่ในระดับที่ความโน้มถ่วงและกลศาสตร์ควอนตัมมีความสำคัญพร้อมกัน เรายังไม่มีทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่สมบูรณ์

แนวคิดต่าง ๆ เช่น แกนควอนตัม โครงสร้างระดับพลังค์ หรือข้อมูลที่ถูกเก็บไว้บริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์ ยังคงเป็นหัวข้อการวิจัย ไม่ใช่ข้อสรุปที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว

หลุมดำเกิดขึ้นได้อย่างไร

หลุมดำจากดาวฤกษ์

เมื่อดาวฤกษ์มวลมากใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมด แรงดันจากปฏิกิริยานิวเคลียร์จะไม่สามารถต้านแรงโน้มถ่วงของตัวเองได้ แกนดาวอาจยุบตัว และหากมีมวลมากเพียงพอ สามารถก่อตัวเป็นหลุมดำได้

หลุมดำมวลยิ่งยวด

หลุมดำมวลยิ่งยวดมีมวลตั้งแต่หลายแสนถึงหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ และมักอยู่บริเวณศูนย์กลางกาแล็กซี นักดาราศาสตร์ยังศึกษาว่าหลุมดำเหล่านี้เติบโตอย่างรวดเร็วในเอกภพยุคแรกได้อย่างไร โดยอาจเกี่ยวข้องกับการรวมตัวของหลุมดำ การสะสมสสาร หรือการยุบตัวโดยตรงของเมฆก๊าซขนาดใหญ่

หลุมดำมวลปานกลาง

หลุมดำมวลปานกลางมีมวลอยู่ระหว่างหลุมดำจากดาวฤกษ์กับหลุมดำมวลยิ่งยวด นักดาราศาสตร์พบผู้สมัครหลายแห่ง แต่ประชากรและกระบวนการกำเนิดของหลุมดำประเภทนี้ยังเป็นหัวข้อวิจัยสำคัญ

มนุษย์ค้นหาหลุมดำได้อย่างไร

แม้หลุมดำจะไม่ปล่อยแสงจากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ แต่นักดาราศาสตร์สามารถตรวจพบผลกระทบที่มันมีต่อสิ่งแวดล้อมรอบตัวได้

วิธีตรวจหา	สิ่งที่นักดาราศาสตร์สังเกต
ติดตามวงโคจรของดาว	ดาวฤกษ์โคจรรอบวัตถุมืดที่มีมวลสูงมาก
ตรวจรังสีเอกซ์	ก๊าซในจานพอกพูนมวลร้อนจัดก่อนตกเข้าสู่หลุมดำ
ตรวจคลื่นความโน้มถ่วง	สัญญาณจากหลุมดำสองแห่งโคจรและรวมตัวกัน
สังเกตเลนส์ความโน้มถ่วง	แสงจากวัตถุด้านหลังถูกมวลของหลุมดำเบี่ยงเบน
ถ่ายภาพเงาหลุมดำ	ตรวจแสงวิทยุจากพลาสมาร้อนรอบขอบฟ้าเหตุการณ์

ภาพหลุมดำครั้งแรกของมนุษยชาติ

วันที่ 10 เมษายน ค.ศ. 2019 โครงการ Event Horizon Telescope หรือ EHT เผยภาพแรกของหลุมดำมวลยิ่งยวด M87* ที่ใจกลางกาแล็กซี Messier 87

M87* อยู่ห่างจากโลกประมาณ 55 ล้านปีแสง และมีมวลประมาณ 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ภาพเผยวงแหวนสว่างล้อมรอบเงามืดของหลุมดำ

ภาพปี 2019 ไม่ใช่ภาพถ่ายพื้นผิวของหลุมดำ เพราะตัวหลุมดำไม่ปล่อยแสงออกมา แต่เป็นภาพการแผ่รังสีคลื่นวิทยุจากสสารร้อนรอบหลุมดำ และเงาที่เกิดจากการดักจับกับบิดโค้งของแสง

ถ่ายภาพหลุมดำได้อย่างไร

1. เชื่อมกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลก

EHT ใช้เครือข่ายหอสังเกตการณ์วิทยุหลายแห่งทั่วโลก ทำงานร่วมกันด้วยเทคนิค Very Long Baseline Interferometry หรือ VLBI ทำให้เครือข่ายทั้งหมดทำหน้าที่เสมือนกล้องโทรทรรศน์ขนาดใกล้เคียงโลก

2. บันทึกสัญญาณพร้อมเวลาด้วยความแม่นยำสูง

แต่ละสถานีบันทึกคลื่นวิทยุที่ความถี่สูง พร้อมอ้างอิงเวลาจากนาฬิกาอะตอม เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถนำสัญญาณจากสถานีต่าง ๆ มาเทียบและรวมกันภายหลัง

3. ขนส่งฮาร์ดดิสก์แทนการส่งผ่านอินเทอร์เน็ต

ข้อมูลมีปริมาณมหาศาลเกินกว่าจะส่งผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ตทั่วไปได้สะดวก จึงต้องบันทึกลงฮาร์ดดิสก์และนำส่งไปยังศูนย์ประมวลผล

4. รวมข้อมูลด้วยคอมพิวเตอร์

ศูนย์ประมวลผลนำข้อมูลจากกล้องแต่ละแห่งมาเชื่อมโยงกัน กระบวนการนี้เรียกว่า correlation เพื่อสร้างข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุ

5. สร้างภาพจากข้อมูลที่ไม่สมบูรณ์

เนื่องจากไม่สามารถตั้งกล้องโทรทรรศน์ครอบคลุมทุกจุดบนโลกได้ ข้อมูลจึงมีช่องว่าง นักวิทยาศาสตร์ใช้ขั้นตอนวิธีสร้างภาพหลายแบบ และแบ่งทีมวิเคราะห์อย่างอิสระ เพื่อตรวจสอบว่าโครงสร้างวงแหวนที่พบไม่ได้เกิดจากอคติของวิธีใดวิธีหนึ่ง

ทำไมภาพหลุมดำจึงดูเบลอ

M87* มีขนาดใหญ่มาก แต่ก็อยู่ไกลถึงประมาณ 55 ล้านปีแสง ขนาดเชิงมุมบนท้องฟ้าจึงเล็กมาก การถ่ายภาพต้องการความละเอียดเทียบได้กับการมองเห็นวัตถุขนาดเล็กบนดวงจันทร์จากโลก

ภาพจึงไม่ได้มีรายละเอียดเหมือนภาพดาวเคราะห์ใกล้โลก แต่มีความละเอียดเพียงพอที่จะเห็นเงาและวงแหวน ซึ่งสอดคล้องกับการทำนายจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ภาพหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือก

ในปี ค.ศ. 2022 EHT เผยภาพ Sagittarius A* หรือ Sgr A* หลุมดำมวลยิ่งยวดที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งมีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์

แม้ Sgr A* จะอยู่ใกล้โลกกว่า M87* มาก แต่การสร้างภาพทำได้ยาก เพราะก๊าซรอบ Sgr A* เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาที่กำลังสังเกต คล้ายการพยายามถ่ายภาพวัตถุที่เคลื่อนไหวตลอดเวลา

สูตรคำนวณขนาดของหลุมดำ

สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุนและไม่มีประจุ รัศมีขอบฟ้าเหตุการณ์สามารถประมาณด้วย รัศมีชวาร์ซชิลด์ หรือ Schwarzschild Radius

r_s = 2GM ÷ c²

โดยที่

• r_s คือรัศมีชวาร์ซชิลด์ หน่วยเป็นเมตร
• G คือค่าคงที่ความโน้มถ่วง ประมาณ 6.674 × 10⁻¹¹ m³ kg⁻¹ s⁻²
• M คือมวลของหลุมดำ หน่วยเป็นกิโลกรัม
• c คือความเร็วแสง ประมาณ 299,792,458 เมตรต่อวินาที

สูตรลัดเมื่อเทียบกับมวลดวงอาทิตย์

r_s ≈ 2.95 กิโลเมตร × (M ÷ M_☉)

กล่าวง่าย ๆ คือ มวลทุก 1 เท่าของดวงอาทิตย์ จะมีรัศมีชวาร์ซชิลด์ประมาณ 2.95 กิโลเมตร

ตัวอย่างที่ 1: หลุมดำมวล 10 เท่าของดวงอาทิตย์

รัศมีขอบฟ้าเหตุการณ์โดยประมาณ:

2.95 × 10 = 29.5 กิโลเมตร

เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ:

29.5 × 2 = 59 กิโลเมตร

ตัวอย่างที่ 2: หากดวงอาทิตย์กลายเป็นหลุมดำ

ดวงอาทิตย์มีมวล 1 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ดังนั้นรัศมีชวาร์ซชิลด์จะอยู่ที่ประมาณ 2.95 กิโลเมตร

หมายความว่า ต้องบีบมวลทั้งหมดของดวงอาทิตย์ ให้อยู่ภายในทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5.9 กิโลเมตร จึงจะกลายเป็นหลุมดำแบบไม่หมุนตามแบบจำลองนี้

คำนวณความหนาแน่นเฉลี่ยได้อย่างไร

หากใช้รัศมีชวาร์ซชิลด์เป็นขนาดอ้างอิง สามารถหาความหนาแน่นเฉลี่ยเชิงเรขาคณิตได้จาก

ρ = M ÷ [(4÷3)πr_s³]

อย่างไรก็ตาม ค่านี้ไม่ควรถูกตีความว่า สสารภายในหลุมดำกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอเหมือนลูกบอล เพราะโครงสร้างภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ถูกอธิบายด้วยปริภูมิ-เวลาที่โค้ง และยังเกี่ยวข้องกับปัญหาทางฟิสิกส์ที่ไม่ได้รับคำตอบ

ทำไมหลุมดำมวลยิ่งยวดจึงอาจมีความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่า

รัศมีชวาร์ซชิลด์เพิ่มขึ้นตามมวลโดยตรง แต่ปริมาตรเพิ่มขึ้นตามกำลังสามของรัศมี ดังนั้นเมื่อมวลของหลุมดำเพิ่มขึ้นมาก ความหนาแน่นเฉลี่ยภายในปริมาตรที่กำหนดด้วยขอบฟ้าเหตุการณ์ สามารถลดลงได้

นี่ไม่ได้หมายความว่าใจกลางหลุมดำไม่สุดขั้ว แต่แสดงให้เห็นว่าคำว่า “หลุมดำต้องมีความหนาแน่นเฉลี่ยสูงเสมอ” ไม่ถูกต้องสำหรับหลุมดำมวลยิ่งยวด

แรงไทดัลและ Spaghettification

หากวัตถุตกเข้าใกล้หลุมดำ ด้านที่อยู่ใกล้หลุมดำจะถูกแรงโน้มถ่วงดึงมากกว่าด้านที่อยู่ไกล ความแตกต่างนี้เรียกว่า แรงไทดัล

วัตถุอาจถูกยืดในแนวเข้าหาหลุมดำและบีบในแนวด้านข้าง กระบวนการนี้มีชื่อเล่นว่า Spaghettification

สำหรับหลุมดำจากดาวฤกษ์ แรงไทดัลบริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์อาจรุนแรงมาก ส่วนหลุมดำมวลยิ่งยวดมีขอบฟ้าเหตุการณ์ขนาดใหญ่กว่า ทำให้แรงไทดัล ณ ขอบฟ้าเหตุการณ์อาจต่ำกว่า แม้ผู้ตกลงไปจะไม่สามารถหนีกลับออกมาได้เช่นกัน

เวลาหยุดลงที่ขอบฟ้าเหตุการณ์หรือไม่

สำหรับผู้สังเกตการณ์ที่อยู่ไกลออกไป นาฬิกาของวัตถุที่กำลังตกเข้าหาขอบฟ้าเหตุการณ์จะดูเดินช้าลง และแสงจะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นสีแดงมากขึ้น

แต่สำหรับผู้ที่กำลังตกลงไปเอง เวลาของตนยังเดินตามปกติ และสามารถข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ภายในเวลาจำกัด หากไม่ถูกแรงไทดัลหรือสภาพแวดล้อมรอบหลุมดำทำลายเสียก่อน

หลุมดำสามารถระเหยได้หรือไม่

ทฤษฎีควอนตัมในปริภูมิ-เวลาโค้งเสนอว่า หลุมดำสามารถปล่อยรังสีที่เรียกว่า รังสีฮอว์คิง หรือ Hawking Radiation และค่อย ๆ สูญเสียมวล

สำหรับหลุมดำทางดาราศาสตร์ทั่วไป อุณหภูมิฮอว์คิงต่ำมากและกระบวนการระเหยช้ามาก จนยังไม่สามารถตรวจจับรังสีดังกล่าวจากหลุมดำจริงได้โดยตรง

หลุมดำเป็นประตูไปยังจักรวาลอื่นหรือไม่

ปัจจุบันยังไม่มีหลักฐานจากการสังเกตว่า หลุมดำทางดาราศาสตร์เป็นประตูหรือทางลัดไปยังจักรวาลอื่น

แนวคิดรูหนอนหรือ Wormhole ปรากฏในคำตอบทางคณิตศาสตร์บางรูปแบบ ของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป แต่ยังไม่มีหลักฐานว่ารูหนอนที่เดินทางผ่านได้มีอยู่จริง หรือสามารถคงสภาพได้ในธรรมชาติ

คำถามสำคัญที่วิทยาศาสตร์ยังตอบไม่ได้

• ภาวะเอกฐานมีอยู่จริง หรือเป็นข้อจำกัดของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
• ข้อมูลของสสารที่ตกเข้าไปในหลุมดำหายไปหรือไม่
• แรงโน้มถ่วงทำงานร่วมกับกลศาสตร์ควอนตัมอย่างไร
• หลุมดำมวลยิ่งยวดในเอกภพยุคแรกเติบโตเร็วได้อย่างไร
• ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์มีโครงสร้างระดับควอนตัมแบบใด

สรุป

หลุมดำคือบริเวณที่ปริภูมิ-เวลาโค้งรุนแรงจนไม่มีสิ่งใดหลบหนีออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ เราไม่สามารถมองเห็นตัวหลุมดำโดยตรง แต่ตรวจพบได้จากผลกระทบต่อดาว ก๊าซ แสง คลื่นความโน้มถ่วง และเงาที่ปรากฏท่ามกลางพลาสมาร้อนรอบมัน

ภาพ M87* ในปี 2019 เป็นครั้งแรกที่มนุษย์เห็นหลักฐานเชิงภาพ ของเงาหลุมดำ โดยใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั่วโลก ทำงานร่วมกันเสมือนกล้องขนาดเท่าโลก

แม้เราจะคำนวณขนาด มวล การหมุน และผลกระทบของหลุมดำได้อย่างแม่นยำมากขึ้น แต่คำถามว่า “ภายในหลุมดำมีอะไร” ยังคงเป็นหนึ่งในปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของฟิสิกส์

เรียบเรียงโดย: Siam Astronomy
หัวข้อ: หลุมดำ ฟิสิกส์หลุมดำ และภาพหลุมดำครั้งแรก
แหล่งข้อมูลหลัก: NASA, Event Horizon Telescope และ National Science Foundation
หมวดหมู่: ดาราศาสตร์ / ฟิสิกส์ / เอกภพ

เครดิตภาพ

Image Credit: Event Horizon Telescope Collaboration
เรียบเรียงโดย: Siam Astronomy