พบหลุมดำใจกลาง "ทางช้างเผือก" ยืดเวลาดาวฤกษ์ที่เข้าใกล้

นักวิจัย สดร.เผยหลุมดำมวลยวดยิ่ง ณ ใจกลางทางช้างเผือก ยืดเวลาบนดาวฤกษ์ที่โคจรเข้าใกล้ ตอกย้ำทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์

หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ยุโรปประจำซีกโลกใต้ (The European Southern Observatory - ESO) เผยผลการศึกษาโดยนักวิจัยสถาบันมักซ์พลังค์สำหรับฟิสิกส์นอกโลก (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) ประเทศเยอรมนี ร่วมกับนักวิจัยจากหลายสถาบันทั่วทวีปยุโรป พบหลุมดำมวลยวดยิ่งที่ใจกลางทางช้างเผือกยืดเวลาบนดาวฤกษ์ที่โคจรเข้าใกล้ สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ที่ทำนายไว้เมื่อ 100 ปีก่อนว่า เมื่อวัตถุใดอยู่ใกล้หลุมดำ เวลาบนวัตถุนั้นจะช้าลง และแสงที่ออกจากดาวฤกษ์ที่โคจรเข้าใกล้จะเลื่อนไปทางแดงมากขึ้น

ภายหลังการค้นพบหลุมดำมวลยวดยิ่งเมื่อ 10 ปีก่อน นักวิจัยจึงศึกษาการค้นพบดังกล่าวอย่างต่อเนื่อง โดยใช้เทคนิคขั้นสูงที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่บนพื้นโลกบันทึกภาพวัตถุในอวกาศได้อย่างมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศ และยังสามารถศึกษาการโคจรของดาวฤกษ์ใกล้จุดศูนย์กลางกาแล็กซีทางช้างเผือก อยู่ห่างจากโลกออกไปประมาณ 30,000 ปีแสงได้

กลุ่มนักวิจัยจึงใช้เทคนิคดังกล่าวศึกษาดาวฤกษ์ “S2” ที่โคจรรอบหลุมดำซึ่งอยู่บริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกอย่างต่อเนื่อง จนนำมาซึ่งการยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปครั้งนี้

การทดลองครั้งล่าสุดยังใช้เทคนิคขั้นสูงที่ซับซ้อนขึ้น โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ (Very Large Telescope-VLT) ในประเทศชิลี ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.2 เมตร ทำงานพร้อมกันจำนวน 4 ตัว อาศัยหลักการแทรกสอดของลำแสงที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ทั้ง 4 ตัว ทำให้กลุ่มนักวิจัยได้ภาพการเคลื่อนที่ของ S2 และเส้นสเปกตรัมของดาวฤกษ์ที่มีความละเอียดสูง

การศึกษาพบว่า ดาวฤกษ์ S2 โคจรรอบหลุมดำมวลยวดยิ่งด้วยอัตราเร็วสูง มีเส้นทางวงโคจรที่เป็นวงรี ใช้เวลาโคจรรอบหลุมดำ 16 ปี เมื่อ S2 โคจรอยู่ตำแหน่งใกล้หลุมดำมากที่สุด ที่ระยะห่าง 20,000 ล้านกิโลเมตร หรือเท่ากับ 120 เท่าของระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ S2 จะได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำ ส่งผลให้คลื่นแสงที่เดินทางจาก S2 ถูกเลื่อนไปทางสีแดงมากยิ่งขึ้น เรียกปรากฏการณ์ที่แสงถูกยืดด้วยแรงโน้มถ่วงนี้ว่า “การเลื่อนไปทางสีแดงของความถี่เนื่องจากความโน้มถ่วง” (Gravitational Redshift) เป็นหลักฐานที่แสดงว่าเวลาบนดาวฤกษ์ S2 เดินช้าลง ซึ่งไอน์สไตน์ได้อธิบายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อ 100 ปีที่แล้ว

ดร.อุเทน แสวงวิทย์ นักวิจัยชำนาญการ ด้านจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์ดาราศาสตร์พลังงานสูง สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ กล่าวว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของมนุษย์เราเช่นกัน เนื่องจากเวลานอกโลกกับเวลาบนโลกไม่ตรงกันเป็นสาเหตุมาจากแรงโน้มถ่วง โดยเฉพาะระบบ GPS หรือระบบการบอกตำแหน่งบนพื้นโลกที่เราใช้กันอยู่ในปัจจุบัน เรานำทฤษฎีดังกล่าวมาช่วยแก้ปัญหาความหน่วงของเวลาเนื่องจากแรงโน้มถ่วงไปจนถึงการขยายตัวของจักรวาล

"แม้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ถูกคิดค้นมามากว่า 100 ปี แต่นักฟิสิกส์ได้พยายามทดลองและทดสอบทฤษฎีดังกล่าวมาโดยตลอด เนื่องจากทำได้ยากและต้องอาศัยเทคโนโลยีการตรวจวัดระดับสูงมาก เช่น ผลการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง เช่นเดียวกับความพยายามทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปครั้งนี้ ที่ได้ยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังถูกต้อง จนอาจนำไปสู่การศึกษาอีกมากมายในอนาคต เช่น การศึกษาทดลองทฤษฎีสัมพัทธภาพ ในบริเวณที่แรงโน้มถ่วงสูงมากใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ของหลุมดำมวลยวดยิ่ง"

“แต่การยืนยันทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคงยังพบความไม่แน่นอนของค่าที่วัดอยู่ที่ร้อยละ 10 นักฟิสิกส์และนักจักรวาลวิทยายังต้องทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงให้แม่นยำมากขึ้น เนื่องจากเมื่อเราศึกษาระบบที่ใหญ่ขึ้นในระดับขนาดของกาแล็กซีและจักรวาล ผลการสังเกตการณ์ที่ได้ไม่ตรงกับสิ่งที่เราคาดคิด จึงทำให้นักทฤษฎีต้องเพิ่ม “พลังงานมืด” และ “สสารมืด” เข้ามาเพื่ออธิบายผลการทดลอง ซึ่งอาจเป็นสัญญาณบ่งบอกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอาจจะยังไม่สามารถอธิบายความโน้มถ่วงของธรรมชาติได้ถูกต้องครบถ้วน” ดร.อุเทนกล่าว

ดร.อุเทนยังคาดว่าหลังจากนี้จะมีการทดลองอีกมากมายเพื่อทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใกล้หลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งจะช่วยให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถศึกษาวิจัยบริเวณใกล้ขอบของหลุมดำได้มากขึ้นในอนาคต


ที่มาข้อมูล :
[1] https://www.eso.org/public/news/eso1825/
[2] https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/star-swings-around-black-hole-tests-gravity/
[3] ธนกร อังค์วัฒนะ - เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์ สดร.
[4] จอมพจน์ วงศ์เพชรอักษร - นักศึกษาปริญญาโท สาขาวิชาฟิสิกส์ดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยบอนน์