ในที่สุดภาพของหลุมดำภาพแรกก็ถูกเปิดเผยออกมา...

ในที่สุดภาพของหลุมดำภาพแรกก็ถูกเปิดเผยออกมา...

ในภาพอาจจะมี กลางคืน

ภาพแรกของหลุมดำ: ที่ทำให้นักฟิสิกส์ถึงกับน้ำตาไหลพราก

ในวันที่ 10 เมษายน 2019 เป็นวันที่ควรถูกบันทึกไว้ในประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ เพราะเป็นวันที่มีการเผยแพร่ภาพแรกของหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซียักษ์ที่ชื่อว่า Virgo A หรือ M87 ซึ่งเป็นกาแล็กซีที่ห่างจากทางช้างเผือกออกไปราวๆ 53.5 ล้านปีแสง

หลายคนคงจินตนาการไว้ว่าภาพของหลุมดำจะเป็นอย่างไร?
จะเหมือนภาพในภาพยนต์ Interstellar หรือไม่?
นักฟิสิกส์ทั้งหลายต่างตั้งตารอเวลาประวัติศาสตร์นี้

ในที่สุดภาพของหลุมดำภาพแรกก็ถูกเปิดเผยออกมา...

ปรากฏเป็นภาพวงแหวนสว่างไม่สมมาตร ที่มีรูมืดตรงกลาง ดังรูป

อืม...ภาพที่ดูคล้ายกับโดนัทเปี้ยวที่มีรูตรงกลางนี้มันน่าตื่นเต้นยังไงกันนะ?
(อย่างน้อยมันก็เป็นภาพหลุมดำภาพแรกเชียวนะ)

ก่อนที่เราจะเข้าใจว่าทำไมนักฟิสิกส์ถึงซาบซึ้งถึงขั้นน้ำตาไหลกับภาพนี้ เราต้องเข้าใจธรรมชาติของหลุมดำก่อน

หลุมดำคือวัตถุที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์ เนื่องจากมีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนอะไรก็ต้านไว้ไม่อยู่ ต้องยุบตัวดึงดูดกันไปเรื่อยๆจนมวลทั้งหมดไปรวมกันอยู่ที่จุด “singularity” ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีขนาด

ถึงหลุมดำจะไม่มีขนาดแต่ก็มีขอบเขตอันเป็นอาณาบริเวณที่ไม่ว่าอะไรหลุดเข้าไปในนี้จะไม่มีทางหนีรอดออกจากหลุมดำได้ เพราะความเร็วที่ต้องใช้ในการหนีออกจากหลุมดำ หรือ “ความเร็วหลุดพ้น” ณ บริเวณนี้เท่ากับความเร็วแสง (และไม่มีอะไรเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง)

เราเรียกขอบเขตนี้ว่า “event horizon” หรือ “ขอบฟ้าเหตุการณ์” โดยรัศมีของ event horizon นี้เรียกว่า “รัศมี Schwarzschild”

event horizon นี้จะมีขนาดแตกต่างออกไปตามมวลของหลุมดำ โดยหลุมดำที่มีมวลมากก็จะมีขอบฟ้าเหตุการณ์ที่ใหญ่กว่าหลุมดำที่มีมวลน้อย หรือมีขอบเขตในการดูดแสงและสสารมากขึ้นนั่นเอง

สำหรับหลุมดำยักษ์ที่อยู่ใจกลางกาแล็กซี M87 นั้นมีมวลราวๆ 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ จะมีรัศมี Schwarzschild ราวๆ 2 หมื่นล้านกิโลเมตร

นอกจาก event horizon แล้ว รอบหลุมดำยังมีขอบเขตที่เรียกว่า “photon sphere” หรือ “ทรงกลมโฟตอน” อีกด้วย โดยขอบเขตนี้เป็นขอบเขตที่แสงยังไม่ถูกดูดเข้าไปให้หลุมดำ แต่จะถูกบังคับให้เคลื่อนที่โคจรรอบหลุมดำ อย่างไรก็ตามวงโคจรนี้ไม่เสถียร ณ ขอบเขตนี้โฟตอนหรือแสงมีทางเลือกสองทางคือ ไม่เคลื่อนที่เข้าหาหลุมดำก็เคลื่อนที่ออกจากหลุมดำไปเลย

สำหรับหลุมดำแบบไม่หมุน photon sphere มีระยะประมาณ 1.5 เท่าของรัศมี Schwarzschild

ส่วนสสารที่มีมวล เช่น ก๊าซและสสารต่างๆจะหมุนรอบหลุมดำด้วยความเร็วสูงมาก แต่เนื่องด้วยก๊าซและสสารมีมวลจึงมีวงโคจรเสถียรที่ไกลออกไปจากหลุมดำมากกว่า photon sphere โดยสำหรับหลุมดำแบบไม่หมุน สสารต่างๆจะหมุนรอบหลุมดำที่ระยะ 3 เท่าของรัศมี Schwarzschild ขึ้นไป เราเรียกกลุ่มก๊าซและสสารที่กำลังโคจรหมุนรอบหลุมดำนี้ว่า “accretion disk”

เมื่อเข้าใจโครงสร้างของหลุมดำแล้ว มาลองมองดูหลุมดำกัน เราจะลองจินตนาการว่าภาพของหลุมดำที่ควรจะเป็นตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของท่านไอน์สไตน์นั้นจะเป็นเช่นไร

สมมติว่าเรากำลังมองดูหลุมดำอยู่ และหลุมดำนี้มี event horizon ล้อมรอบใน 3 มิติ มี photon sphere และมี accretion disk หมุนอยู่รอบๆ

ลองพิจารณาถึงแสงที่เดินทางเข้าหาหลุมดำจาก “ด้านหน้า” ก่อน (หรือคิดว่าเป็นแสงที่พุ่งออกไปจากเราก็ได้) แสงที่พุ่งตรงๆเข้าหาใจกลางหลุมดำก็จะถูกดูดเข้าไปทันที แสงที่พุ่งไปในแนวเหนือจุดศูนย์กลางของหลุมดำที่ยังอยู่ในขอบเขตของ event horizon ก็ถูกดูดไปหมดเช่นกัน

ทีนี้ลองขยับขึ้นไปทางด้านบนทีละน้อย

แสงที่พุ่งเข้าหาหลุมดำในแนวที่เหนือขอบเขตของ event horizon นิดหน่อย จะยังไม่ถูกดูดเข้าไปทันที แต่จะถูกเบนให้เข้าใกล้หลุมดำมากขึ้น เนื่องจากขอบเขต event horizon นี้เป็นทรงกลมในสามมิติ ในที่สุดแสงนี้ก็จะถูกเบนเข้าหลุมดำด้านหลัง และถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ

ทีนี้ลองขยับขึ้นไปสูงอีกไปที่ระยะ “photon sphere” แสงยังไม่ถูกดูดเข้าไปทันที แต่จะถูกเบนไปอย่างมาก ในที่สุดจะเบนเข้าไปข้างในระยะของ “photon sphere” และจะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำอีกเช่นกัน

แสงต้องพุ่งเข้าหาหลุมดำไกลจาก photon sphere ระยะหนึ่งจึงจะถูกเบนเข้าไปที่ระยะ photon sphere พอดี

ระยะปลอดภัยที่แสงจะไม่ถูกดูดเข้าไปถ้าเคลื่อนที่เข้าหาหลุมดำ อยู่ที่ระยะ 2.6 เท่าของของรัศมี Schwarzschild (สำหรับหลุมดำแบบไม่หมุน) และเป็นระยะที่เราเห็นแสงจุดแรกห่างจากใจกลางของหลุมดำ

บริเวณข้างใน 2.6 เท่าของของรัศมี Schwarzschild จะปรากฏมืดมิด เราอาจเรียกบริเวณนี้ว่า “เขตเงา” ของหลุมดำก็ได้

แล้วถ้าแสงเคลื่อนที่เฉียดหลุมดำนอก “เขตเงา” นี้จะเกิดอะไรขึ้น?

แสงก็จะถูกเบนไปจากแนวเดิมอย่างสุดโต่ง เช่น หากแสงเดินทางเข้าหาหลุมดำด้านบน มันจะถูกเบนแล้วอ้อมหลุมดำมาทางด้านล่าง

แสงที่เดินทางเฉียดหลุมดำด้านล่าง ก็จะถูกเบนและอ้อมไปทางด้านบน

ส่วนแสงที่เดินทางเฉียดหลุมดำด้านซ้าย จะอ้อมหลุมดำแล้วจะพุ่งออกมาทางด้านขวา เช่นเดียวกับแสงที่เดินทางเฉียดใกล้หลุมดำทางขวาจะมาปรากฏทางด้านซ้าย

การเบนแบบนี้ให้ภาพที่เป็นเหมือนภาพสะท้อนในกระจก และเกิดเป็นวงสว่างรอบเขตเงา

หากแสงอยู่ไกลออกไปจาก “เขตเงา” มากขึ้นการเบนก็จะน้อยลง

แสงส่วนใหญ่ที่เดินทางเฉียดเข้าไปในหลุมดำมาจากการแผ่รังสีของ accretion disk ซึ่งเป็นกลุ่มก๊าซและสสารที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงรอบหลุมดำ

accretion disk นี้วางตัวได้หลายแนวเมื่อเทียบกับผู้สังเกต อาจตั้งฉาก หรือขนาน หรือเอียงๆ ในมุมมองของผู้สังเกต

แต่ไม่ว่าจะวางตัวในแนวใด สำหรับผู้สังเกตใดๆที่กำลังมองหลุมดำอยู่ แสงจาก accretion disk จะถูกเบนให้ปรากฎเป็นวงแหวนรอบๆ “เขตเงา” เสมอ

ที่น่าสนใจคือเราสามารถเห็นแสงที่มาจาก accretion disk ด้านหลังหลุมดำด้วย

และเนื่องจาก accretion disk นี้หมุนรอบหลุมดำด้วยความเร็วสูงมาก เมื่อมันหมุนเข้าหาหรือออกจากเราจะเกิดปรากฏการณ์ Doppler brightening ขึ้น ทำให้แสงที่มาจากส่วนของ accretion disk ที่กำลังหมุนเข้าหาเราสว่างขึ้น ในขณะที่แสงที่มาจากส่วนของ accretion disk ที่กำลังหมุนออกจากเราจะสว่างน้อยกว่า บางครั้งเรียกปรากฏการณ์ที่แสงสว่างไม่เท่ากันนี้ว่า “relativistic beaming”

วงแหวนนรอบเขตเงาจึงสว่างไม่เท่ากัน จะมีด้านหนึ่งสว่างกว่าอีกด้านหนึ่งเสมอ

ถ้าอ้างอิงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของท่านไอน์สไตน์ ภาพของหลุมดำถ้ามองจากที่ไกลๆ (มองจากใกล้ๆจะเป็นอีกเรื่องหนึ่ง) จะต้องเป็นภาพคล้ายโดนัทที่ไม่สมมาตรและมีรูมืดตรงกลาง

ภาพแรกของหลุมดำใช้เทคนิคที่เรียกว่า Very-long-baseline interferometry (VLBI) ซึ่งเป็นเทคนิคการแทรกสอดของแสงที่รวบรวมมาจากข้อมูลการวัดที่ได้จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ที่กระจายอยู่ทั่วโลกภายใต้โครงการที่ชื่อว่า Event Horizon Telescope (EHT) ด้วยเทคนิคนี้ทำให้เราสามารถเห็นภาพแรกของหลุมดำได้

ภาพแรกของหลุมดำ ปรากฎเป็นวงสว่าง ไม่สมมาตร ล้อมรอบวงกลมมืด มีอาณาบริเวณกว้างราว 1 แสนล้านกิโลเมตร

ช่างเป็นภาพน่าตื่นตาตื่นใจยิ่งนัก เพราะมันช่างสอดคล้องกับคำทำนายทุกประการ และยังเปิดโอกาสให้เราได้ศึกษาฟิสิกส์บริเวณรอบหลุมดำนี้อีกด้วย

นี่คือสาเหตุที่นักฟิสิกส์ซาบซึ้งจนถึงขั้นน้ำตาไหล

ภาพนี้คงทำให้ทุกท่านนอนหลับฝันดี...

ที่มา : มณีมีเนิร์ด

เครดิตภาพประกอบ: 
https://en.wikipedia.org/wiki/Event_Horizon_Telescope

อ้างอิง:
https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/…/Focus_on_EHT…

https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole#Photon_sphere

โพสต์เมื่อ :
2562-04-11
 62
ผู้เข้าชม
สร้างเว็บไซต์สำเร็จรูปฟรี ร้านค้าออนไลน์