ภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำ โดย EHT
วันที่ 10 เมษายน 2019 เวลา 20:00น. ตามเวลาประเทศไทย ทีมงาน The Event Horizon Telescope (EHT) ได้เปิดเผยภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำที่เคยถ่ายมาในมวลมนุษยชาติ เป็นการยืนยันหลักฐานโดยตรงที่สุดของการมีอยู่ของหลุมดำ และนอกจากนี้ภาพที่ได้ยังสอดคล้องกับสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ จึงเท่ากับเป็นการยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์นั้นยังคงถูกต้องต่อไป เป็นอีกครั้งที่ทฤษฎีกับการสังเกตการณ์มาประจบเหมาะพอดีกันอย่างไม่ผิดเพี้ยน
แต่ว่าเรื่องหลุมดำนี้เป็นเรื่องที่อาจจะฟังดูค่อนข้างซับซ้อนสำหรับคนทั่วๆ ไป เรามาลองตอบคำถามง่ายๆ เกี่ยวกับหลุมดำที่อาจจะอยู่ในใจคนกันดูบ้าง
Q: หลุมดำคืออะไร?
- หลุมดำคือวัตถุที่หนาแน่นที่สุดอย่างหนึ่งในเอกภพ เมื่อมีมวลจำนวนมากมารวมตัวกันอยู่ในปริมาตรขนาดเล็ก แรงโน้มถ่วงของมวลเหล่านี้จะมีมากพอที่จะดูดทุกอย่างเข้าไปภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันได้ เปรียบเทียบกันแล้ว บนพื้นโลกของเรามีความเร็วหลุดพ้น 11.2 กม./วินาที นั่นหมายความว่าหากเรายิงกระสุนที่ความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาทีจากพื้นโลก กระสุนนี้จะหลุดพ้นออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้และไม่ตกกลับลงมาอีก และหากเรายิงกระสุนออกไปด้วยความเร็วที่ต่ำกว่านี้ กระสุนก็จะใช้เวลาสักพักหนึ่งในอากาศก่อนที่จะตกกลับมาใหม่ สำหรับหลุมดำแล้วนั้นแรงโน้มถ่วงนั้นมีค่าสูงมากเสียจนความเร็วหลุดพ้นจากบริเวณที่เรียกว่า "ขอบฟ้าเหตุการณ์" (Event Horizon) มีค่าเท่ากับความเร็วของแสง ซึ่งเป็นความเร็วที่สูงที่สุดในเอกภพ นั่นหมายความว่าไม่มีวัตถุใดแม้กระทั่งแสงจะสามารถหลุดพ้นออกมาจากหลุมดำได้ แม้กระทั่งเราฉายไฟฉากออกมาจากภายใน Event Horizon อนุภาคของแสงที่ออกมาก็ไม่สามารถหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของมันได้
Q: ถ้าหลุมดำดูดทุกอย่างแม้กระทั่งแสง ทำไมเราจึงสามารถเห็นหลุมดำได้?
- คำตอบง่ายๆ ก็คือเราไม่สามารถเห็นภายในหลุมดำได้ อย่างไรก็ตาม เราสามารถสังเกตเห็นมวลและแสงที่วนอยู่รอบๆ หลุมดำได้ ภายในบริเวณของขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นบริเวณที่ไม่มีวัตถุใด หรือแม้กระทั่งแสงสามารถหลุดออกมาได้ หมายความว่าหากนักบินอวกาศคนหนึ่งอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ ไม่ว่าเขาจะฉายไฟฉายไปในทิศทางใด ทุกทิศทางต่างก็นำไปสู่ singularity ในบริเวณกลางของหลุมดำทั้งนั้น (แม้ว่าจะหันออกมาจากศูนย์กลางก็ตาม) เนื่องจากแม้กระทั่งกาลอวกาศ (spacetime) ก็กำลังตกลงไปสู่ศูนย์กลางของหลุมดำด้วยความเร็วมากกว่าแสง แต่หากนักบินอวกาศอยู่ภายนอกของขอบฟ้าเหตุการณ์ นักบินอวกาศก็จะยังสามารถฉายไฟฉายออกมาภายนอกได้ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาล จะทำให้แสงที่ปล่อยออกมามีทิศทางบิดเบี้ยวไป
Q: ทำไมภาพที่ได้จึงมีรูปร่างเช่นนี้?
- ภาพที่เห็นเป็นภาพที่สอดคล้องกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์เอาไว้เกี่ยวกับหลุมดำไม่ผิดเพี้ยน นี่เป็นภาพที่เราเห็นจากแกนหมุนของหลุมดำ เนื่องจากหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงสูงพอที่จะสามารถดึงให้แสงวนไปรอบๆ ได้ ที่ระยะห่าง 1.5 เท่าของขอบฟ้าเหตุการณ์ จะมีสิ่งที่เรียกว่า photon sphere อยู่ ซึ่งเป็นบริเวณสุดท้ายที่แสงจะสามารถโคจรไปรอบๆ หลุมดำได้ สิ่งที่ใกล้หลุมดำที่สุดที่เราจะสามารถเห็นได้จึงเป็นวงแหวนของ photon sphere ก่อนที่จะเข้าไปสู่ความมืดสนิท เราจึงเห็นเป็นบริเวณที่มืดสนิทที่ถูกล้อมไปด้วยวงกลมสว่าง (แต่ระยะห่างที่เราเห็นจะมากกว่า 1.5 เท่าเล็กน้อย เนื่องจากแสงจะถูกเบี่ยงเบนออกไปด้วยแรงโน้มถ่วง) ถัดออกมาเราจะเห็นมวลก๊าซที่กำลังอยู่ในจานพอกพูนมวลที่กำลังตกลงไปสู่หลุมดำ นอกจากนี้มวลที่กำลังหมุนในทิศทางที่หันมาหาผู้สังเกตจะมีความสว่างขึ้นเล็กน้อย ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า relativistic beaming ดังที่ปรากฏในภาพทางด้านล่างของหลุมดำ
Q: ทำไมเราจึงไม่สามารถเห็นหลุมดำได้มาก่อน?
- 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 แต่หลุมดำที่ EHT สังเกตนี้ เป็น SMBH ที่อยู่ในใจกลางของกาแล็กซี M87 ซึ่งมีมวลถึง 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีขนาดประมาณเท่ากับระบบสุริยะ ซึ่งด้วยความที่หลุมดำนี้มีมวลตกลงไปสู่หลุมดำเสมอ ทำให้สามารถสังเกตเห็นได้ง่ายกว่า แม้ว้าจะมีระยะห่างออกไปถึงกว่า 55 ล้านปีแสง
Q: แล้ว EHT สามารถบันทึกภาพนี้ได้อย่างไร?
- 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
หากใครสนใจเรื่องหลุมดำเพิ่มเติม สามารถอ่านบทความเก่าๆ ที่เคยเขียนเอาไว้เกี่ยวกับหลุมดำได้:
- เปรียบเทียบขนาดและความหนาแน่นของดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน และหลุมดำ
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255102854699928/?type=3&theater
- จะเกิดอะไรขึ้นกับวงโคจรของโลก หากเราสามารถยุบดวงอาทิตย์ให้กลายเป็นหลุมดำได้?
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255102854699928/?type=3&theater
- แ่รงโน้มถ่วง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255103084699905/?type=3&theater
- อธิบาย "ขอบฟ้าเหตุการณ์" และทำไมแสงจึงกลับออกมาไม่ได้ ด้วยนิทานง่ายๆ
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255103178033229/?type=3&theater
ภาพ: หลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางของกาแล็กซี M87 โดย Event Horizon Telescope
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://eventhorizontelescope.org/
spacetime 在 時空- 維基百科，自由的百科全書 的相關結果
時空（時間-空間，時間和空間）是一種基本概念，分別屬於物理學 · 空間 · 時間和空間是 · 近代科學，無處不涉及時空的概念和測量方法，特別是 · 利用 · 在描述運動上，需要得知 ... ... <看更多>