สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ ตอบข้อสงสัย ภาพถ่ายหลุมดำ Sgr A ใจกลางทางช้างเผือก รวมคำถาม-คำตอบ ที่นี่
สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ โพสต์เพจเฟซบุ๊ก NARIT สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ รวมคำถามคำตอบ สิ่งที่หลายคนสงสัยเกี่ยวกับภาพถ่ายหลุมดำ Sagittarius A (Sgr A) โดยระบุว่า
จากที่เราได้เห็นภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางทางช้างเผือก Sagittarius A (Sgr A) กันไปแล้ว เชื่อว่าหลายคนมีคำถามมากมาย วันนี้จึงรวบรวมคำถามพร้อมคำตอบมาฝากกันครับ
หลุมดำมวลยิ่งยวดคืออะไร?
หากเราโยนก้อนหินสักก้อนออกไปจากพื้นโลก ก้อนหินนี้จะช้าลงเรื่อย ๆ ก่อนจะตกกลับลงมาบนพื้นโลกในที่สุด เว้นแต่ว่าเราจะโยนก้อนหินได้เร็วพอเสียจนมันสามารถหลุดออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้
เราเรียกความเร็วต้นนี้ว่า ความเร็วหลุดพ้น ซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกทำให้บนพื้นผิวโลกนั้นมีความเร็วหลุดพ้นอยู่ที่ 11.2 กม./วินาที ซึ่งเป็นความเร็วที่เร็วมากเกินกว่าความเร็วปรกติที่เราเจอในชีวิตประจำวัน
แต่หลุมดำนั้น ถูกนิยามโดยบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงมากเพียงพอเสียจนความเร็วหลุดพ้นนั้นเกินกว่าความเร็วแสง ที่ 300,000 กม./วินาที และเนื่องจากแสงเป็นสิ่งที่เคลื่อนที่ได้เร็วที่สุดในเอกภพ
เราจึงเชื่อว่าทุกอย่างที่อยู่ภายในบริเวณที่มีความเร็วหลุดพ้นเท่านี้ จะไม่สามารถหลุดออกมาได้อีก แม้กระทั่ง ข้อมูล ถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นภายใน ก็ไม่สามารถหลุดออกมาบอกผู้สังเกตภายนอกได้ เราจึงเรียกขอบเขตนี้ว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตของหลุมดำ
เนื่องจากแรงโน้มถ่วงนั้น ขึ้นอยู่กับทั้งขนาด และระยะห่าง หากเราสามารถบีบอัดมวลให้มีความหนาแน่น หรือขนาดเล็กเพียงพอ เราก็จะสามารถสร้างหลุมดำที่มีมวลเท่าใดก็ได้
ในทางทฤษฎีแล้ว เราสามารถสร้างหลุมดำได้ในห้องทดลอง จากการนำอนุภาคมวลฐานมาชนกันด้วยความเร็วที่สูงมาก จนพลังงานทั้งหมดถูกอัดแน่นในปริมาตรที่เล็กเกินกว่าขนาดของอนุภาคเพื่อเกิดเป็นหลุมดำได้
อย่างไรก็ตาม พลังงานที่ต้องใช้นั้นยังสูงเกินกว่าที่เทคโนโลยีปัจจุบันจะสามารถทำให้เป็นไปได้ นอกจากนี้หลุมดำที่มีขนาดเล็กเพียงเท่านี้นั้นจะสลายตัวไปภายในเวลาเสี้ยววินาที
จึงไม่มีความเป็นกังวลว่ามันจะก่อให้เกิดอันตราย หรือกลืนกินโลกของเราไปแต่อย่างใด
แต่กระบวนการก่อหลุมดำที่เกิดขึ้นได้บ่อยกว่าในธรรมชาตินั้น เกิดจากดาวฤกษ์มวลขนาดมหึมา ที่สิ้นสุดเชื้อเพลิงไปในช่วงบั้นปลาย
เมื่อไม่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่มาคอยทานแรงโน้มถ่วงเอาไว้ มวลขนาดมหึมาก็ยุบตัวลงเรื่อย ๆ จนในที่สุดก็เป็นมวลที่มีความหนาแน่นเพียงพอ ที่แม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้ จนกลายเป็นหลุมดำในที่สุด
ด้วยเหตุนี้ หลุมดำในธรรมชาติที่เราพบ จึงมักจะเป็นหลุมดำที่มีมวลมาก เราเรียกหลุมดำที่มีมวลตั้งแต่ล้านถึงหลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ว่า หลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black hole) ซึ่งคาดการณ์กันว่า เราอาจจะสามารถพบหลุมดำมวลยิ่งยวดเหล่านี้ได้ในใจกลางของกาแล็กซีเกือบทุกกาแล็กซี
ถ้าหลุมดำสามารถดูดได้แม้กระทั่งแสง ทำไมเราจึงเห็นหลุมดำได้?
ในทางทฤษฎีแล้ว เราจะไม่สามารถสังเกตเห็นหลุมดำได้ เนื่องจากหลุมดำนั้นดูดกลืนแสงทุกอย่างเอาไว้โดยสมบูรณ์
อย่างไรก็ตาม เราสามารถสังเกตเห็น เงา ของหลุมดำได้หากเราฉายไฟใส่มัน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของมัน จะเบี่ยงแนวทางของแสงที่ควรจะเดินทางเป็นเส้นตรง ให้โค้งงอและโคจรไปรอบ ๆ แสงที่เฉียดเข้าใกล้เกินไปจะถูกดูดเอาไว้
แต่แสงที่เฉียดในมุมที่ห่างออกมาหน่อยจะวนอ้อมไปรอบ ๆ จึงปรากฏเป็นวงแหวนของแสงที่ล้อมรอบ เงามืด เราจึงสามารถสังเกตเห็นตำแหน่งของหลุมดำได้จากเงามืดนี้นั่นเอง
นอกไปจากนี้ หลุมดำที่เราสามารถสังเกตเห็นได้นั้น ไม่ได้ลอยอยู่อย่างโดดเดี่ยวในอวกาศ แต่ถูกห้อมล้อมเอาไว้ด้วยดาวฤกษ์ แก๊สร้อน และสสารเป็นจำนวนมาก ณ ใจกลางของกาแล็กซีอันหนาแน่น
บ่อยครั้งที่ดาวฤกษ์โคจรเข้าใกล้หลุมดำจนเกินไป แรงไทดัลอันมหาศาลของหลุมดำจะฉีกดาวฤกษ์เหล่านี้ออกเป็นชิ้น ๆ และแก๊สร้อนจากดาวฤกษ์บางส่วน จะค่อย ๆ วนเข้าไปสู่หลุมดำ และถูก กลืนกิน เข้าไป ในลักษณะของจานพอกพูนมวล (accretion disk) ราวกับน้ำวนที่วนเป็นวงแหวนรอบ ๆ หลุมดำ แก๊สร้อนเหล่านี้นี่เองที่เป็นสิ่งที่เราสังเกตเห็นในภาพ
แท้จริงแล้ว จานพอกพูนมวลรอบหลุมดำนั้น มีโครงสร้างเป็นสามมิติ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลรอบ ๆ หลุมดำ ทำให้เส้นทางเดินของแสงนั้นโค้งไปรอบ ๆ ในลักษณะคล้าย ๆ กับเลนส์ เราเรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง (gravitational lensing)
ด้วยเหตุนี้ส่วนของจานพอกพูนมวลที่อยู่ ด้านหลัง และควรจะถูกบดบังไปด้วยหลุมดำ จึงสามารถเลี้ยวอ้อมไปรอบ ๆ ทำให้สามารถเห็นจานพอกพูนมวลทั้งด้านหลัง และด้านหน้าได้พร้อม ๆ กัน มีลักษณะปรากฏเหมือนกับโดนัท
หลุมดำจะส่งผลต่อชีวิตบนโลกของเราได้หรือไม่?
หลุมดำนั้นอยู่ห่างไกลออกไปมาก แม้กระทั่ง Sgr A ในกาแล็กซีของเรา ก็อยู่ห่างออกไปถึง 27,000 ปีแสง จึงไม่สามารถส่งผลอะไรได้
นอกจากนี้ หลุมดำนี้อยู่ในกาแล็กซีของเราตั้งแต่ยุคแรก ๆ ของเอกภพ เกิดขึ้นมาก่อนกำเนิดระบบสุริยะ และก็มีอยู่มาตลอดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลกของเราตลอดเกือบ 4 พันล้านปีที่ผ่านมา
เป็นที่แน่ชัดว่าตลอดหลายพันล้านปีที่ผ่านมา หลุมดำไม่ได้เป็นอันตรายต่ออย่างใดต่อชีวิตบนโลก และก็คงจะเป็นเช่นนี้ต่อไป
หลุมดำ SgrA กับ M87 เหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร?
ถ้าเราดูภาพโดยผิวเผิน เราจะเห็นว่าภาพของหลุมดำทั้งสองนั้นใกล้เคียงกันมาก ทั้งที่แท้จริงแล้ว หลุมดำทั้งสองนั้นเรียกได้ว่าเป็นหลุมดำที่ต่างกัน สุดขั้ว
สำหรับหลุมดำมวลยิ่งยวด M87 นั้น จัดเป็นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดหลุมหนึ่งในเอกภพ โดยมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราถึงกว่าหกพันล้านดวง
ในขณะที่ Sgr A นั้น จัดเเป็นขอบเขตล่างของหลุมดำมวลยิ่งยวด โดยมีมวลเพียงแค่สี่ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งเมื่อเทียบกันแล้ว เราจะพบว่ามวลของวัตถุทั้งสองนั้นมีความแตกต่างกันถึงกว่าพันเท่า
การที่เราสังเกตวัตถุทั้งสองมีลักษณะปรากฏใกล้เคียงกันเป็นอย่างมากนั้น เป็นสิ่งที่น่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง
ในปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ทั่วไปแล้ว เราจะพบว่าวัตถุที่มีมวลต่างกันเป็นพันเท่านั้นจะมีปฏิกิริยา และปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้อง แตกต่างกันเป็นอย่างมาก
ดาวฤกษ์ที่มีมวลต่างกันถึงพันเท่านั้นมีทั้งกำเนิด รูปร่างปรากฏ สีสัน ขนาด ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง ตลอดจนมีจุดจบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง
อย่างไรก็ตาม สำหรับหลุมดำนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายเอาไว้ว่าแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของหลุมดำนั้น จะมีอิทธิพลมากเกินกว่าแรงและปฏิกิริยาทางเคมีหรือนิวเคลียร์ทุกอย่าง หลุมดำที่ถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วงนั้นจึงมีเพียง ขนาด ที่แตกต่างกันเพียงเท่านั้น
ด้วยเหตุนี้ ทฤษฎีสัมพัทธภาพจึงทำนายว่า หลุมดำทั้งสองนั้น ควรจะมีโครงสร้างของจานพอกพูนมวลที่เหมือนกัน แต่มีเพียงขนาดที่แตกต่างกันพันเท่า ซึ่งนี่ก็คือสิ่งที่เราสังเกตเห็น
แต่นอกจากสเกลของ ขนาด ที่แตกต่างกันอย่างมากแล้ว ผลที่ตามมาก็คือ สเกลของ เวลา ก็แตกต่างกันมากเช่นกัน
แก๊สร้อนที่โคจรใกล้ขอบของหลุมดำนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้แสง ในขณะที่แก๊สร้อนใช้เวลาโคจรรอบ M87 นานนับวันจนถึงสัปดาห์ แต่ใช้เวลาเพียงแค่ไม่กี่นาทีในการโคจรรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ของ Sgr A ที่มีขนาดเล็กกว่านับพันเท่า
นั่นหมายความว่า การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นรอบๆ Sgr A นั้นเกิดขึ้นในสเกลที่ไวกว่าเป็นอย่างมาก ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างหนึ่งของการบันทึกภาพของ Sgr A
และเป็นเหตุผลสำคัญว่า ทำไมเราจึงบันทึกภาพของ M87 ได้ก่อน แม้ว่า Sgr A จะอยู่ใกล้กว่าและมีขนาดปรากฏจากโลกที่ใหญ่กว่า
ภาพที่เราเห็นของ Sgr A นั้น แท้จริงแล้วเปรียบได้กับภาพเฉลี่ย เพราะแต่ละเฟรมของ ภาพ ที่ได้นั้นจะมีตำแหน่งและความสว่างของมวลสารรอบ ๆ หลุมดำที่แตกต่างกันออกไป คล้ายกับการถ่ายวีดีโอของภูเขาที่มีเมฆไหลผ่านอยู่ตลอดเวลา
การจะนำภาพเพื่อมาแสดงแทนภาพของภูเขานั้น จึงทำได้โดยการนำเอาภาพที่มีลักษณะใกล้เคียงกันมารวมไว้ด้วยกัน จากนั้นจึงนำภาพเฉลี่ยของกลุ่มที่เป็นตัวแทนของหลุมดำที่ดีที่สุดมาแสดงเป็นภาพสุดท้าย
นอกจากขนาดที่แตกต่างกันแล้ว อีกสิ่งหนึ่งที่หลุมดำทั้งสองแตกต่างกันเป็นอย่างมาก ก็คืออัตราที่มวลกำลังตกลงสู่หลุมดำ
ทุกวันนี้เราทราบกันว่าใจกลางของเกือบทุกกาแล็กซีนั้น จะมีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ อย่างไรก็ตาม แต่ละหลุมดำกำลังกลืนกินมวลในอัตราที่ไม่เท่ากัน
ในบางครั้งเราจะพบกับหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีที่กำลังดูดกลืนแก๊สเป็นจำนวนมาก ซึ่งแก๊สที่กำลังหมุนวนเข้าสู่หลุมดำนี้ บางส่วนจะถูกดีดออกไปตามขั้วของจานพอกพูนมวล ส่งออกมาเป็นเจ็ท พร้อมกับปล่อยคลื่นวิทยุพลังงานมหาศาลออกมาเป็นวัตถุที่เรารู้จักกันในนามของ แก่นกาแล็กซีกัมมันต์ (Active Galactic Nuclei) หรือ AGN
หลุมดำ M87 นั้นเป็นหนึ่งใน AGN ที่เราค้นพบ และเราสามารถสังเกตเห็นเจ็ทที่พุ่งออกไปจากใจกลางกาแล็กซีเป็นระยะทางได้ถึงกว่า 5,000 ปีแสง
ในทุก ๆ วัน หลุมดำนี้จะกลืนกินมวลเทียบเท่ากับมวลของโลกกว่า 90 ดวง หรือหนึ่งในสิบของมวลดวงอาทิตย์ในทุก ๆ ปี
ในทางตรงกันข้าม หลุมดำ Sgr A ณ ใจกลางกาแล็กซีของเรานั้น เป็นหลุมดำที่มีอัตราการกลืนกินมวลที่ต่ำมาก ๆ โดยในหนึ่งปีมีการกลืนกินมวลเข้าไปเพียงไม่ถึงหนึ่งในแสนเท่าของมวลดวงอาทิตย์
หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ หลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของเรานั้นราวกับกำลังอยู่ในช่วง ไดเอ็ท
หากเราเปรียบเทียบมวลของหลุมดำเท่ากับมวลของมนุษย์แล้ว เราจะพบว่าหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของเรากำลังกินอาหาร ในอัตราเท่ากับมนุษย์หนึ่งคนที่กินข้าวหนึ่งเมล็ดทุก ๆ หมื่นปี
เรายังไม่ทราบว่าการ อดอาหาร ของหลุมดำนี้เป็นเพียงสถานการณ์ชั่วคราว เป็นวัฎจักรที่เกิดขึ้นเป็นประจำสำหรับหลุมดำทั่ว ๆ ไปหรือไม่ หรือนี่เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นตลอดสำหรับหลุมดำ ณ ใจกลางของกาแล็กซีบางกาแล็กซี
แต่การศึกษาเปรียบเทียบหลุมดำทั้งสองนี้จะช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์เช่นนี้ได้ดียิ่งขึ้น
ภาพของหลุมดำนี้เหมือนหรือแตกต่างจากหลุมดำgargantuanในภาพยนตร์เรื่อง interstellar อย่างไร?
จากหนังสือเรื่อง The science of Interstellar ที่เขียนโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Kip Thorne ผู้ซึ่งเป็นผู้ให้คำแนะนำทางวิทยาศาสตร์แก่ภาพยนต์เรื่องนี้ ได้ประมาณมวลของ gargantuan เอาไว้ที่ประมาณ 100 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งจัดอยู่ในช่วงมวลที่เป็นไปได้ของหลุมดำมวลยิ่งยวด และอยู่ระหว่างมวลของหลุมดำทั้งสองที่เคยบันทึกภาพเอาไว้โดย EHT
ภาพจำลองของ gargantuan ในภาพยนตร์นั้น ถูกคำนวณผ่านคอมพิวเตอร์ด้วยสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพปัจจุบันที่เรารู้จัก และจัดเป็น simulation ที่สมบูรณ์แบบที่สุดชิ้นหนึ่งของหลุมดำเท่าที่เคยมีการบันทึกภาพกันมา
แม้กระนั้นก็ตาม รายละเอียดหลายอย่างเกี่ยวกับ simulation ก็ต้องมีการดัดแปลงเพื่ออรรถรสในการชมภาพยนต์
จากในภาพยนต์ เราจะเห็นว่าหลุมดำนั้นมี accretion disk คล้ายวงแหวนของดาวเสาร์ นอกจากนี้เราจะสามารถเห็นส่วน ด้านหลัง ของวงแหวนที่ค่อย ๆ อ้อม ตามแรงโน้มถ่วงไปด้านบนและด้านล่างของหลุมดำ ปรากฏเป็นรูปวงแหวน ใกล้เคียงกับภาพที่เราสังเกตได้ใส M87 และ Sgr A
Accretion disk รอบ gargantuan ในภาพยนต์นั้นมีความบางเป็นอย่างมาก โดยทางทฤษฎีแล้ว เราทำนายว่า ยิ่งหลุมดำมีอัตราในการกลืนกินมวล เข้าสู่จานพอกพูนมวลมากเพียงใด จะยิ่งทำให้จานพอกพูนมวลนั้น แบน มากขึ้นเท่านั้น
ซึ่งทั้งหลุมดำ M87 และ Sgr A ต่างก็มีอัตราการดูดกลืนมวลที่น้อยกว่าเป็นอย่างมาก วงแหวนที่เห็นนั้นจึงเป็นวงแหวนที่มัว และพร่ากว่าในภาพยนตร์เป็นอย่างมาก ปรากฏเป็นเพียงโดนัทเบลอ ๆ ตามที่เราเห็น
สิ่งที่แตกต่างกันมากที่สุด ระหว่างภาพยนตร์ และภาพถ่ายก็คือ ภาพถ่ายที่เราเห็นนี้เป็นภาพที่ได้จากสัญญาณในช่วงคลื่นวิทยุในย่านอินฟราเรดไกล ในขณะที่ในภาพยนตร์ปรากฏอยู่ในช่วงคลื่นแสงที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้
ในปัจจุบันนี้เรายังไม่มีข้อมูลว่า หลุมดำจะมีสภาพปรากฏเป็นอย่างไร ในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็น เนื่องจากหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีนั้น มักจะถูกบดบังเอาไว้ด้วยฝุ่นอันหนาทึบ
นอกจากนี้เรายังไม่มีกล้องโทรทรรศน์ในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็นใด ที่มีกำลังแยกเพียงพอที่จะสามารถสังเกตวัตถุที่มีขนาดเล็กเช่นนี้ได้
แต่จากอัตราการพอกพูนมวล และ gravitational redshift ที่ทำให้แสงที่ออกมาจากหลุมดำเลื่อนไปในทางแดง อาจจะเป็นไปได้ว่ามนุษย์ที่มองออกไปนอกหน้าต่างยานอวกาศที่โคจรอยู่รอบ ๆ หลุมดำ อาจจะไม่ได้สังเกตเห็นจานพอกพูนมวลสว่างในช่วงคลื่นที่ตามองเห็นก็เป็นได้
เรียบเรียง: ดร. มติพล ตั้งมติธรรม นักวิชาการดาราศาสตร์ สดร.
อ่านข่าวเพิ่มเติม
- ระบบดาวคู่ที่มองไม่เห็น ปรากฏการณ์ ‘Gaia16aye’ ห่างจากโลก 2,000 ปีแสง
- พรุ่งนี้ 15 พ.ค. ถึงคิวชาวเชียงใหม่ไร้เงา ดวงอาทิตย์ตั้งฉาก 12.20น.
- เฉลยแล้ว! สดร. อธิบายชัด ที่มา ‘แสงวาบ-เสียงดังสนั่น’ ท้องฟ้าภาคเหนือ ทำแตกตื่น
