เมื่อวันที่ 25 พฤศจิกายน ค.ศ.1915 Albert Einstein ได้นำเสนองานวิจัยเรื่อง สมการสนามของแรงโน้มถ่วง (The Field Equations of Gravitation) ในวารสาร Proceedings of the Prussian Academy of Sciences ผลงานนี้เป็นงานที่ได้ขยายขอบเขตการประยุกต์ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษให้ครอบคลุมการเคลื่อนที่ของมวลที่มีความเร่ง ทำให้ Einstein สามารถอธิบายที่มาของแรงโน้มถ่วงซึ่งทำให้สสารดึงดูดกันว่า เกิดจากการที่โครงสร้างเชิงเรขาคณิตของปริภูมิ-เวลาในบริเวณโดยรอบของมวลถูกบิดโค้ง มวลอีกก้อนหนึ่งที่อยู่ในบริเวณใกล้มวลก้อนแรกจึงต้องเคลื่อนที่ไปบนผิวโค้งของปริภูมิ-เวลานั้น ทำให้ดูเสมือนว่ามวลทั้งสองก้อนดึงดูดกัน หรือเราอาจกล่าวได้ว่า การบิดโค้งของปริภูมิ-เวลาในบริเวณโดยรอบมวลก้อนหนึ่ง เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดลักษณะการเคลื่อนที่ของมวลอีกมวลหนึ่ง ดังนั้น มวลและลักษณะการบิดโค้งของปริภูมิ-เวลา จึงเป็นตัวกำหนดความแปรปรวนด้านพลศาสตร์ของกันและกัน
หลังจากนั้นไม่นาน Einstein ได้ส่งรายงานเรื่องนี้ไปให้เพื่อนชื่อ Karl Schwarzschild อ่าน ซึ่งขณะนั้นกำลังเป็นทหารในสมรภูมิสงครามโลกครั้งที่ 1 ในรัสเซีย ก่อนจะเข้ารับใช้ชาติเป็นทหาร Schwarzschild เคยดำรงตำแหน่งเป็นผู้อำนวยการแห่งหอดูดาว Astrophysical Observatory ที่เมือง Potsdam ในเยอรมนี
ทั้งๆ ที่เวลานั้นเป็นเวลาของความเป็นและความตาย แต่ Schwarzschild ก็ยังอุตส่าห์ปลีกเวลามาสนใจเอกสารที่ Einstein ส่งมาให้อ่าน และได้เห็นว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ Einstein นำเสนอนั้น มีโครงสร้างเป็นสมการอนุพันธ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น จึงไม่สามารถมีคำตอบที่แม่นตรง อย่างไร้การประมาณได้ ถ้านำมาใช้กับมวลที่มีลักษณะไม่กลม กำลังเคลื่อนที่ และหมุนรอบตัวเอง
แต่ถ้ามวลเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ และอยู่นิ่งคือไม่หมุนรอบตัวเอง (ซึ่งไม่มีดาวดวงใดในเอกภพจะมีลักษณะดังที่ว่านี้) สมการสนามของ Einstein จะให้คำตอบหนึ่งที่น่าสนใจ คือ ถ้ามวลมีความหนาแน่นสูงมาก แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากมวลจะมีค่ามหาศาล จนทำให้มวลสามารถดึงดูดแสงมิให้หนีออกจากตัวมันได้
Schwarzschild เรียกมวลที่มีสมบัติเช่นนี้ว่า ดาวเยือกแข็ง (frozen star) แต่นักฟิสิกส์ปัจจุบันรู้จักในนามหลุมดำ (black hole) ตามชื่อที่ John Wheeler ได้บัญญัติเป็นคนแรกในปี 1967
แต่การที่ Schwarzschild หาคำตอบจากสมการของ Einstein ได้มิได้หมายความว่าเอกภพจะมีดาวเยือกแข็งจริง แม้แต่ Arthur Eddington ผู้เคยพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ในประเด็นการเดินทางของแสงเป็นเส้นโค้งในบริเวณใกล้ขอบของดาวฤกษ์ที่มีมวลมหาศาล ก็ไม่เชื่อว่า ธรรมชาติจะยินยอมให้หลุมดำถือกำเนิดเกิดขึ้นในเอกภพได้
ยิ่งเมื่อไม่มีนักดาราศาสตร์คนใดในโลกเคยเห็นหลุมดำ การยอมรับคำทำนายของ Schwarzshild ในประเด็นนี้จึงยังไม่บังเกิด
การศึกษาธรรมชาติของหลุมดำในเวลาต่อมา ทำให้นักฟิสิกส์ทดลองได้พบว่า การจะเห็นหลุมดำด้วยกล้องโทรทรรศน์ธรรมดาทั่วไปเป็นเรื่องที่ยากมาก เพราะในการจะเห็นของสิ่งใด แสงจากสิ่งนั้นต้องพุ่งมาเข้าตา แต่หลุมดำไม่ปล่อยแสงให้เล็ดรอดออกมาได้แม้แต่แสงเดียว ดังนั้นจึงไม่น่าจะมีใครสามารถเห็นมันได้ และมันก็น่าจะปรากฏเป็นบริเวณที่มืดสนิทอยู่ในอวกาศ
สำหรับนักฟิสิกส์ทฤษฎีส่วนใหญ่นั้นรู้สึกมั่นใจว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein มีความถูกต้องอย่างสมบูรณ์ นั่นคือ เอกภพมีหลุมดำแน่นอน เพียงแต่นักฟิสิกส์ทดลองยังไม่สามารถเห็นมันได้ตรงๆ แต่อาจเห็นมันได้โดยทางอ้อม โดยการสังเกตเหตุการณ์ที่เกิดในบริเวณรอบหลุมดำ
ในปี 1963 Roy Kerr แห่งมหาวิทยาลัย Texas ที่ Austin ในอเมริกาได้ประสบความสำเร็จในการแก้สมการสนามโน้มถ่วงของ Einstein ในกรณีที่ดาวมีลักษณะเป็นทรงกลม มีการหมุนรอบตัวเอง (คือมีโมเมนตัมเชิงมุม) ซึ่งนับว่าใกล้เคียงความเป็นจริงในธรรมชาติยิ่งกว่าดาวของ Schwarzschild ที่กำหนดให้อยู่นิ่ง ดังเหตุผลที่ว่าดาวทุกดวงในสุริยะจักรวาลล้วนหมุนรอบตัวเอง แม้แต่กาแล็กซี่ทางช้างเผือกก็หมุนรอบตัวเอง ดังนั้น หลุมดำก็ต้องหมุนรอบตัวเองด้วย และ Kerr ก็ได้พบว่า การหมุนรอบตัวเองของหลุมดำทำให้ของไหล (แก๊สร้อน) ที่อยู่บริเวณรอบผิวของหลุมดำ เคลื่อนที่เหมือนกระแสน้ำที่วนไหลลงรูในอ่างอาบน้ำ
ดังนั้น Kerr จึงเสนอแนะว่า เวลาหลุมดำอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ มันจะดึงดูดแก๊สร้อนจากดาวฤกษ์ให้ไหลสู่ตัวมัน โดยแก๊สร้อนจะเคลื่อนที่ในแนววนรอบหลุมดำ และเคลื่อนที่เร็วขึ้นๆ เมื่ออยู่ใกล้ศูนย์กลางของหลุมดำมากขึ้น ซึ่งความเร็วของแก๊สที่เปลี่ยนไปนี้จะทำให้ความยาวคลื่นแสงที่แก๊สร้อนปล่อยออกมาเปลี่ยนแปลงไปดังปรากฏการณ์ Doppler ด้วยเหตุนี้ การวัดความยาวคลื่นแสงจากแก๊สร้อนที่เคลื่อนที่ลงสู่หลุมดำจะทำให้นักฟิสิกส์รู้ความเร็วในการหมุนรอบตัวเอง รวมถึงมวล และอายุของหลุมดำด้วย
คำพยากรณ์เหล่านี้เป็นความก้าวหน้าทางการวิจัยด้านทฤษฎีของหลุมดำที่ยังไม่ได้รับการยืนยันว่าถูกต้องโดยการทดลอง แต่นักฟิสิกส์ทุกคนก็รู้ว่า นี่เป็นเหตุการณ์ปกติสำหรับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เพราะมีหลายต่อหลายครั้งที่นักทฤษฎีได้ทำนายเหตุการณ์ไปล่วงหน้า แล้วการทดลองได้ตามมายืนยันในภายหลัง เช่น การพยากรณ์เรื่องการเดินทางเป็นเส้นโค้งของแสงขณะผ่านใกล้ขอบของดาวฤกษ์ในปี 1915 ที่ได้รับการยืนยันโดย Arthur Eddington ในปี 1919 และที่ล่าสุดคือการพยากรณ์ว่าเอกภพมีคลื่นโน้มถ่วง ซึ่งก็ได้รับการยืนยันในปี 2016 เมื่อนักฟิสิกส์ใช้อุปกรณ์ Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) รับคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันระหว่างหลุมดำสองหลุมที่มีมวลประมาณ 30 เท่าของดวงอาทิตย์
ตามปกติ หลุมดำที่มีในธรรมชาติโดยอาจแบ่งประเภทได้ตามขนาดและมวล เช่น พวกที่มีมวลประมาณ 5-10 เท่าของดวงอาทิตย์ จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 30 กิโลเมตร ซึ่งหลุมดำขนาดเล็กนี้มักเกิดเวลาดาวฤกษ์เผาผลาญเชื้อเพลิงที่มีในตัวมันหมด ทำให้ความดันของแก๊สอิเล็กตรอนร้อนในบริเวณแก่นกลางของดาว ต้านทานแรงโน้มถ่วงไม่ได้อีกต่อไป แก่นกลางจึงยุบตัวลงอย่างรวดเร็วจนทำให้เกิดคลื่นกระแทก (shock wave) ซึ่งจะระเบิดดันผิวนอกของดาวออกไป ดาวฤกษ์จึงกลายสภาพเป็นดาว supernova ดังที่เห็นในกลุ่มดาว Cassiopeia
ส่วนหลุมดำที่มีมวลตั้งแต่ 100 – 1 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์มักมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 60,000 กิโลเมตร มักเกิดเวลาดาวฤกษ์หลายดวงมารวมตัวกันเป็นดาวฤกษ์ดวงใหญ่ แล้วในเวลาต่อมาได้ยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงกลายเป็นหลุมดำขนาดกลาง
สำหรับหลุมดำที่มีมวลระดับ 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ขึ้นไป อาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 25 ล้านกิโลเมตร เป็นหลุมที่เกิดจากการดึงดูดแก๊สร้อนที่อยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของกาแล็กซีเข้าสู่ตัวมันหรือเกิดจากการรวมตัวของหลุมดำที่ใจกลางของกาแล็กซีสองกาแล็กซี ซึ่งได้โคจรมาชนกันทำให้เกิดหลุมดำขนาดยักษ์
หลุมดำประเภทสุดท้ายคือพวกที่มีมวลตั้งแต่ 10,000 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ขึ้นไป หลุมดำประเภทนี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 60,000 ล้านกิโลเมตร
เพราะเอกภพของเรามีดาวฤกษ์เป็นจำนวนมาก ซึ่งต่างก็มีมวลมากบ้างและน้อยบ้าง ดังนั้น เมื่อถึงเวลาที่ดาวเหล่านี้ดับขันธ์ หลุมดำจึงถือกำเนิดเป็นจำนวนมาก แต่การจะเห็นหลุมดำได้ นักวิทยาศาสตร์จำต้องล่วงรู้สมบัติทางกายภาพของมันเป็นอย่างดี
เมื่อเวลาประมาณ 50 ปีก่อนนี้ นักฟิสิกส์ทฤษฎีได้พิจารณาพฤติกรรมของอนุภาคแสง (photon) ขณะเคลื่อนที่เข้าไปใกล้หลุมดำที่ระยะต่างๆ เพราะสนามโน้มถ่วงที่หลุมดำกระทำต่อสรรพสิ่งมีค่ามหาศาล ดังนั้น แสงจะเดินทางในลักษณะไม่เป็นเส้นตรงอีกต่อไป แต่จะเบนโค้ง
ในกรณีที่แสงผ่านที่ระยะห่างจากศูนย์กลางของหลุมดำค่อนข้างมาก ปริมาณการเบนโค้งจะเกิดขึ้นน้อย แต่ถ้าแสงผ่านในแนวใกล้ขอบหลุมดำ การเบี่ยงเบนของแสงจะเกิดขึ้นมาก และจะมีที่ระยะห่างหนึ่ง แสงจะเคลื่อนที่วนเป็นวงกลมล้อมรอบหลุมดำ วงกลมแสงที่เกิดขึ้นใน 2 มิติมีชื่อเรียก photon circle แต่ถ้าพิจารณาใน 3 มิติ วงกลมแสงก็จะกลายเป็นทรงกลมแสง (photon sphere)
สำหรับกรณีที่แสงเคลื่อนที่ผ่านใกล้หลุมดำเป็นระยะทางใกล้กว่ารัศมีของวงกลมแสง มันจะพุ่งเป็นเกลียววนลงไปในหลุมดำ จนถูกหลุมดำดูดกลืนไปในที่สุด
เพื่อจะได้เข้าใจเหตุการณ์นี้ดีขึ้น สมมติเรายืนอยู่บนดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวและกลายเป็นหลุมดำ ถ้าเราพยายามฉายแสงออกจากดาวในทิศต่างๆ เช่น ฉายแสงออกไปในแนวดิ่ง เราจะพบว่า แสงจะพุ่งออกไปได้ยากขึ้นๆ จนในที่สุดแสงจะหนีออกไปไม่ได้ เมื่อถึงจุดนี้การติดต่อของเราบนหลุมดำกับโลกภายนอกก็ถือว่าสิ้นสุด และรัศมีของหลุมดำขณะที่เกิดเหตุการณ์นี้มีชื่อเรียกว่าขอบฟ้าของเหตุการณ์ (event horizon) สำหรับกรณีที่หลุมดำมีมวล 3 เท่าของดวงอาทิตย์ รัศมีขอบฟ้าของเหตุการณ์จะมีค่าประมาณ 17 กิโลเมตร
แต่ถ้าเราฉายแสงออกไปทำมุมเบนกับแนวดิ่ง แสงจะเคลื่อนที่ออกไปในแนวโค้งเหมือนการเคลื่อนที่แบบ projectile และจะตกสู่ดาวในที่สุด เพราะดาวกำลังหดตัวตลอดเวลา ดังนั้น ความเข้มของแรงโน้มถ่วงจึงมีค่ามากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งดาวหดตัวลงกลายเป็นจุดขนาดเล็กในหลุมดำทำให้ความเข้มสนามโน้มถ่วงมีค่ามากถึงอนันต์ (infinity) จุดๆ นี้เรียก ภาวะเอกฐาน (singularity)
ความก้าวหน้าทางดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์สำหรับรับรังสีเอ็กซ์จากดาวฤกษ์ (X-ray astronomy) ได้ชี้นำให้นักฟิสิกส์สนใจรังสีเอ็กซ์ที่ออกมาจากหลุมดำ แต่เวลารังสีเอ็กซ์เวลาเดินทางถึงโลก มันต้องผ่านชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลก จึงถูกไอน้ำในอากาศดูดกลืนทำให้มองไม่เห็นหลุมดำ ด้วยเหตุนี้นักดาราศาสตร์จึงต้องส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศขึ้นไปโคจรเหนือชั้นบรรยากาศเพื่อรับรังสีเอ็กซ์ และได้พบว่า มีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งในกลุ่มดาวหงส์ Cygnus ชื่อ Cygnus X-1 (หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า Cyg X-1) ดาวดวงนี้เปล่งรังสีเอ็กซ์ออกมามากผิดปกติ ดังที่ดาวเทียม Uhuru X-ray Explorer ของ NASA ได้รายงานในปี 1970 และนักดาราศาสตร์ได้พบในเวลาต่อมาว่าแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์นี้มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวเพียง 200-300 กิโลเมตรเท่านั้นเอง
การวิเคราะห์ธรรมชาติของ Cyg X-1 ในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่ามันมิใช่ ดาวฤกษ์ดวงเดียวโดดๆ แต่เป็นดาวดวงหนึ่งของระบบดาวคู่ (binary system) ที่กำลังโคจรจุดศูนย์กลางมวล ดังนั้นเวลา Cyg X-1 เคลื่อนที่เข้าหาโลก ความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์จะน้อยลง และเวลามันเคลื่อนที่หนีจากโลก ความยาวคลื่นของรังสีเอ็กซ์ที่ส่งมาจะเพิ่มขึ้น ตามปรากฏการณ์ Doppler
การวัดความยาวคลื่นที่แตกต่างกันนี้จะให้ข้อมูลเกี่ยวกับความเร็ว และมวลของ Cyg X-1 ว่ามีค่า ประมาณ 15 เท่าของดวงอาทิตย์ และรังสีเอ็กซ์ที่มีเกิดจากการที่ Cyg X-1 ได้ดึงดูดแก๊สร้อนจากดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ให้ไหลวนลงสู่ตัวมันด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง การไหลวนนี้จึงทำให้แก๊สมีความเร่งมาก และปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมามาก
ในปี 2017 นี้องค์การดาราศาสตร์นานาชาติได้จัดตั้งเครือข่ายนานาชาติซึ่งประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 8 กล้องในบริเวณต่างๆ ของโลกให้ทำงานประสานกันเป็นกล้องเดียวชื่อ Event Horizon Tellescope (EHT) กล้องทั้ง 8 ได้แก่
1. กล้อง James Clerk Maxwell and Submillimeter Array ที่สเปน
2. กล้อง Large Millimeter Telescop ที่เม็กซิโก
3. กล้อง Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array ที่ชิลี
4. กล้อง Atacama Pathfinder Experiment ที่ชิลี
5. กล้อง South Pole Telescope ที่ขั้วโลกใต้
6. กล้อง Submillimeter Telescope ที่ Arizona ในอเมริกา
7. กล้อง IRAM Radio Telescope ที่สเปน
8. กล้องดูดาวที่ Max Planck Institute for Radio Astronomy ที่ Bonn ในเยอรมนี
โดยเครือข่าย EHT ได้ร่วมกันสังเกตหลุมดำอีกหลุมหนึ่งชื่อ Sagitarius A* ซึ่งอยู่ในกลุ่มดาว Sagitarius (หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า Sgr A*) ที่ใจกลางของกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยกล้องทั้งแปดทำงานอย่างพร้อมเพรียงกันในระหว่างวันที่ 5-14 เมษายนที่ผ่านมา โดยกล้องแต่ละกล้องได้บันทึกคลื่นวิทยุทุกคลื่นที่ออกมาจาก Sgr A* ที่อยู่ไกลจากโลกประมาณ 26,000 ปีแสง โดยการโฟกัสกล้องทั้ง 8 ที่ตำแหน่งเดียวกัน ในเวลาเดียวกัน ติดต่อกันเป็นเวลา 10 วัน ทำให้กล้อง EHT มีหน้ากล้องขนาดใหญ่เท่าโลก จึงสามารถรับข้อมูล 2 petabytes ได้ทุกคืน (1 petabytes = 1015 bytes)
เพราะ Sgr A* ถูกห้อมล้อมด้วยฝุ่นและแก๊สที่มีหนาแน่นมาก การเห็นมันอย่างจะๆ ที่ใจกลางกาแล็กซีเป็นไปได้ยาก ถ้าใช้กล้องโทรทรรศน์ธรรมดา ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงจำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุหลายกล้องรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นระดับมิลลิเมตรแทน เพราะคลื่นวิทยุสามารถเดินทางผ่านฝุ่นและแก๊สร้อนได้ง่าย การถ่ายภาพหลุมดำจึงมีโอกาสเป็นไปได้มาก
เมื่อสัญญาณคลื่นจากกล้องทั้ง 8 เดินทางถึงโลก นักดาราศาสตร์จะใช้เทคนิคการแทรกสอดของสัญญาณแบบ digital signal processor ร่วมกับเทคนิค data recorder เพื่อให้เราได้เห็นภาพของหลุมดำเป็นครั้งแรก ในปี 2018
อ่านเพิ่มเติมจาก The Black Hole at the Center of Our Galaxy โดย Fulvio Melia ซึ่งจัดพิมพ์โดย Princeton University Press ปี 2003
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
