เมื่อวันที่ 6 ตุลาคม ที่ผ่านมานี้ คณะกรรมการรางวัลโนเบลฟิสิกส์ได้ประกาศรายชื่อของผู้ได้รับรางวัลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020 ว่าเป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ 3 ท่าน คือ Sir Roger Penrose จากมหาวิทยาลัย Oxford ในประเทศอังกฤษ ซึ่งได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลในฐานะผู้ที่สามารถพิสูจน์ได้ว่า ถ้าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ถูกต้องและเป็นจริง ธรรมชาติจะต้องมีหลุมดำเกิดขึ้นที่ใจกลางของกาแล็กซีขนาดใหญ่ ที่มีมวลมหาศาล
ส่วนอีกครึ่งหนึ่งของรางวัลเป็นของ Reinhard Genzel และ Andrea Ghez จากผลงานการพบหลุมดำที่มีมวลประมาณ 1,000 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ที่ใจกลางของกาแล็กซีทางช้างเผือก หลังจากที่ได้เพียรพยายามสังเกตและวัดข้อมูลต่างๆ ด้วยเทคโนโลยีที่ทันสมัย เป็นเวลาร่วม 20 ปี แม้คนทั้งสองจะเป็นหัวหน้าทีมที่ทำงานแข่งกัน แต่ในเวลาเดียวกันก็ได้ช่วยตรวจสอบข้อมูลที่ได้มา ให้กันและกันด้วย
Genzel เป็นผู้อำนวยการของสถาบัน Max Planck Extraterrestrial Physics ที่เมือง Garching ในประเทศเยอรมนี ส่วน Ghez เป็นสตรีชาวอเมริกัน ซึ่งดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย California ณ เมือง Los Angeles ในสหรัฐอเมริกา
ผลงานของคนทั้งสามจึงส่งเสริมและสนับสนุนกัน โดย Penrose เป็นผู้เสนอทฤษฎีการถือกำเนิดของหลุมดำ และ Genzel กับ Ghez ตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีด้วยการทดลอง
ข้อสังเกตหนึ่งเกี่ยวกับรางวัลโนเบลปีนี้คือ ผู้ได้รับรางวัลไม่ใช่ Stephen Hawking ซึ่งเคยทำงานร่วมกับ Penrose หลายเรื่องซึ่งเป็นงานที่เกี่ยวกับธรรมชาติของหลุมดำ และการที่ Hawking ไม่ได้รับรางวัลเพราะเขาได้เสียชีวิตไปตั้งแต่ปี 2018
ส่วน Genzel กับ Ghez เคยได้รับรางวัล Crafoord สาขาดาราศาสตร์ประจำปี 2012 คนในวงการยอมรับ ว่าเป็นรางวัลโนเบลสาขาดาราศาสตร์
ในปี 1915 ที่ Einstein เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเพื่ออธิบายที่มาของแรงโน้มถ่วงว่า เกิดจากการที่มวลทำให้ปริภูมิ (space) และเวลา (time) ในบริเวณรอบมวลสามารถยืดออกและหดเข้าได้ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มวลได้บิดเบี้ยวอวกาศและเวลาในบริเวณรอบตัวมัน ทำให้เกิดแอ่ง ดังนั้นเวลามีมวลอื่นมาอยู่ใกล้ๆ ความลาดเอียงของแอ่งจะทำให้มวลหลังเคลื่อนที่เข้าหามวลแรก จึงทำให้ดูเสมือนว่า มวลทั้งสองดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง
การพบที่มาของแรงโน้มถ่วง ยังช่วยให้ Einstein ได้ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่า แสงจะเดินทางเป็นเส้นโค้ง เวลาผ่านใกล้ดาวที่มีมวลมาก และถ้ามวลเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ปริภูมิรอบมวลจะถูกรบกวน จนทำให้เกิดคลื่น ซึ่งเรียกว่า คลื่นโน้มถ่วง และคำทำนายทั้งหลายเหล่านี้ ได้รับการยืนยันโดยการทดลองว่า ถูกต้องทุกประการ
แต่สำหรับคำทำนายที่ว่า เวลาดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก ถึงเวลาดับขันธ์หลังจากที่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในตัวหมดแล้ว มันจะยุบตัวลงจนมีขนาดเล็ก และมีความหนาแน่นมากถึงอนันต์ (infinity) นั้น Einstein เชื่อว่า เกิดขึ้นไม่ได้ เพราะธรรมชาติจะหาทางออกไม่ให้เหตุการณ์วิปริตเช่นนั้นเกิดขึ้น แต่ก็มีเหตุผลอีกประการหนึ่งที่ทำให้ Einstein ไม่เชื่อเรื่องหลุมดำ คือเทคนิคการแก้สมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นเทคนิคแบบง่าย ที่ไม่แม่นยำคือใช้วิธีประมาณ ดังนั้น หลุมดำที่ใครๆ คิดว่ามี จึงเป็นผลที่เกิดจากความบกพร่องในความสามารถแก้สมการของมนุษย์ ความก้าวหน้าเกี่ยวกับการสร้างองค์ความรู้เรื่องหลุมดำจึงหยุดชะงักลงเป็นเวลานานร่วม 50 ปี
จนถึงปี 1965 เมื่อ Roger Penrose ได้พัฒนาเทคนิคทางคณิตศาสตร์เรื่อง ภาวะเอกฐาน (singularity) ขึ้นมาเพื่อใช้อธิบายสมบัติของสิ่งที่มีความหนาแน่นอนันต์ และใช้ Pensose diagram ซึ่งเป็นกราฟของ spacetime ในสองมิติที่ใช้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างจุดสองจุดในกราฟ และมีภาวะเอกฐานเกิดขึ้น ซึ่งถูกรอบล้อมโดยบริเวณที่มีขอบ ซึ่งเรียกว่า event horizon อันแสดงบริเวณที่มีขอบเขต และอะไรก็ตามที่เล็ดรอดเข้าไปในบริเวณ จะกลับออกมาไม่ได้ ขอบของบริเวณจึงแสดงพื้นที่ต้องห้าม ที่ไม่ให้ใครภายนอกได้เห็นเหตุการณ์ภายใน Penrose ได้เรียกเงื่อนไขนี้ว่า cosmic censorship สำหรับดาวที่ยุบตัวลงจนมีขนาดเล็กเป็นจุด และไม่ปลดปล่อยแสงออกมานั้น John Wheeler เรียก หลุมดำ โดยที่ภายในหลุมดำ เวลาจะหยุดนิ่ง กฎและสูตรฟิสิกส์จะไม่มีคือ ใช้ไม่ได้อีกต่อไป
ถึงปี 1973 Stephen Hawking กับ Jacop Berkenstein ได้คำนวณ entropy ของหลุมดำ และพบว่า ค่า entropy ขึ้นกับพื้นที่ผิวของหลุมดำ อีกสองปี ต่อมา Hawking ก็ได้ใช้ทฤษฎีควอนตัม แสดงให้เห็นว่า หลุมดำขนาดเล็กสามารถแผ่รังสีได้ ซึ่งเป็นที่รู้จักในนาม รังสี Hawking ที่ตราบจนวันนี้ก็ยังไม่มีใครพบเห็น
ในส่วนของการเห็นหลุมดำนั้น ก็เป็นเรื่องที่ไม่ง่ายเลย เพราะไม่มีแสงใดๆ ที่เปล่งออกจากหลุมดำมาเข้าตา ดังนั้น เราจึงใช้กล้องโทรทรรศน์ดูหลุมดำไม่เห็น แต่ก็อาจจะเห็นมันได้ โดยการดูเหตุการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นในบริเวณรอบหลุมดำนั้น เช่น ศึกษาลักษณะโคจรของดาวฤกษ์ต่างๆ รอบหลุมดำ รวมถึงวิเคราะห์รังสี เช่น รังสีเอ็กซ์ รังสีแกมมา รังสีอินฟราเรต ตลอดจนถึงคลื่นวิทยุ ที่แก๊สต่างๆ ขณะถูกดึงดูดลงสู่หลุมดำ ได้ปล่อยออกมา
ปัญหาต่อไปคือ เราจะเห็นหลุมดำได้ ณ ที่ใดบ้างในเอกภพ
ในปี 1971 Donald Lynden- Bell และ Martin Rees ได้เสนอแนะว่า ที่ใจกลางกาแล็กซีขนาดใหญ่ ซึ่งประกอบด้วยดาวฤกษ์ จำนวนนับแสนล้านดวง มักจะมีหลุมดำอยู่ และเมื่อกาแล็กซีที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด คือ กาแล็กซีทางช้างเผือก ดังนั้น Reinhard Genzel และ Charles Townes จึงได้เริ่มบุกเบิกการศึกษาดาวที่โคจรอยู่ใกล้ใจกลางของทางช้างเผือก
ความจริงกาแล็กซีทางช้างเผือกนั้น ประกอบด้วยดาวฤกษ์ประมาณ 100,000 ล้านดวง มีโครงสร้างเป็นรูปจานแบน ซึ่งมีรัศมียาวประมาณ 60,000 ปีแสง (นั่นแสดงว่า ต้องใช้เวลาในการเดินทาง จากจุดศูนย์กลางของกาแล็กซีถึงขอบโดยใช้เวลาประมาณ 60,000 ปี) และที่บริเวณส่วนกลางของกาแล็กซี จะโป่งออกเป็นรูปจานคว่ำประกบกัน โดยจานมีรัศมียาวประมาณ 6,000 ปีแสง และในบริเวณส่วนนี้ มีดาวฤกษ์อยู่กันอย่างหนาแน่นมาก
ดังที่กล่าวมาแล้วว่า หลักการที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการค้นหาหลุมดำ คือต้องศึกษาการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ที่โคจรวนไปรอบจุดศูนย์กลางของกาแล็กซี เพราะเมื่อใดที่รู้คาบการเคลื่อนที่และรู้ระยะทางที่ดาวฤกษ์ดวงนั้นอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลาง ก็จะทำให้รู้มวลของหลุมดำทันที
เพราะแรงที่กระทำต่อดาวฤกษ์ ขณะกำลังโคจรรอบหลุมดำ มีหลายแรง ได้แก่ แรงจากสสารมืด จากดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ จากแก๊สร้อน และจากหลุมดำเอง ทีมวิจัยภายใต้การนำของ Genzel ได้ใช้กล้อง New Technology ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของกล้องยาว 3.6 เมตร และอยู่ ณ หอดูดาว European Southern Observatory (ESO) ที่เมือง La Silla ในประเทศชิลี เพื่อส่องดูดาวฤกษ์ที่โคจรรอบบริเวณที่มีชื่อว่า Sagittarius A* (อ่าน Sgr- A* หรือ sadge A-star) ในหมู่ดาว Sagittarius ด้านทีมของ Ghez ก็ได้สังเกตดูการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์รอบ Sgr- A* เช่นกัน แต่ใช้กล้องโทรทรรศน์ ชื่อ Keck ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 10 เมตร โดยทำงานอยู่ที่ภูเขา Mauna Kea บนเกาะ Hawaii
ซึ่งการสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวนี้ เป็นเรื่องที่ทำได้ยากมาก เพราะดาวฤกษ์อยู่ในบริเวณใจกลางของกาแล็กซีที่มีดาวอื่นๆ จำนวนมากอยู่กันอย่างหนาแน่น อีกทั้งมีรังสีต่างๆ มารบกวนมากมาย เช่น รังสีอินฟราเรด รังสีแกรมมา รังสีเอ็กซ์ ตลอดจนคลื่นวิทยุ ดังนั้นการสังเกตดูดาวฤกษ์ จึงต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ไวต่อการรับแสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆ โดยเฉพาะ
ในปี 2002 Genzel ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่จานรับมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 2 เมตร โดยให้กล้องทำงานร่วมกับกล้อง Very Large Telescope บนยอดเขา Cerro Paranal ในประเทศชิลี เพื่อรับคลื่นวิทยุที่สามารถทะลวงผ่านทะเลฝุ่นละออง ที่อยู่กันอย่างหนาแน่นในบริเวณส่วนกลางของกาแล็กซี และเมื่อคลื่นวิทยุเดินทางถึงโลก แสงก็ต้องผ่านชั้นบรรยากาศที่ห่อหุ้มโลกอีก แต่บรรยากาศส่วนนี้ ไม่เคยสงบนิ่ง จึงมีความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอ ดังนั้นดัชนีหักเหของบรรยากาศสำหรับคลื่นวิทยุ จึงมีค่าไม่คงตัว ทำให้เวลาจะดูภาพของหลุมดำ เราต้องคำนึงถึงประเด็นนี้ด้วย แต่ก็อาจจะแก้ไขได้ โดยใช้เทคนิค adaptive optics สำหรับคลื่นที่ใช้เวลาประมาณ 30 ไมโครวินาที (30x10-6 วินาที) ในการเดินทางผ่านบรรยากาศโลก หลังจากที่ได้เดินทางมาจากแดนไกลนาน 26,000 ปี
ในที่สุดทีมวิจัยของ Genzel และ Ghez ก็ได้พบว่า ดาวกฤษ์ที่โคจรรอบหลุมดำ มีความเร็วประมาณ 9,000 กิโลเมตร/วินาที หรือประมาณ 3% ของความเร็วแสง และดาวกฤษ์ดวงหนึ่งได้เคลื่อนที่เข้าไปใกล้หลุมดำมาก คืออยู่ห่างประมาณ 17 ชั่งโมงแสง หรือประมาณ 120 เท่าของระยะที่โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ และมีวงโคจรครบรอบนาน 15 ปี ครั้นเมื่อนำข้อมูลเหล่านี้ ไปใช้กับกฎของ Kepler คนทั้งสองก็พบว่า หลุมดำที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก มีมวลประมาณ 1,000 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ผลงานนี้ ได้รับการเผยแพร่ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 17 ตุลาคม ค.ศ. 2002 หลังจากที่ได้พบหลุมดำ Sagittarius A* แล้ว องค์การ NASA ได้ส่งกล้องโทรทรรศน์ขึ้นโคจรในอวกาศอีกหลายกล้อง เช่น กล้อง Chandra เพื่อรับรังสีเอ็กซ์ ที่ส่งออกมาจากแก๊ส ขณะถูกหลุมดำดูดกลืน ทำให้ได้พบหลุมดำชื่อ Cygnus X-1 หรือ Cyg – X1 ในกลุ่มดาวหงษ์ โดยหลุมดำมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวเพียง 250 กิโลเมตร และมีมวลประมาณ 15 เท่าของดวงอาทิตย์ เท่านั้นเอง
เพราะทุกสิ่งทุกอย่างในบริเวณหลุมดำ มีความโกลาหลอลม่านมาก ดังนั้นการศึกษาธรรมชาติของหลุมดำ ซึ่งได้แก่ มวล ขนาด ความเร็วเชิงมุม และประจุ จึงต้องการกล้องโทรทรรศน์ หลายกล้องและหลายรูปแบบเพื่อรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ดีต่างกัน โดยให้มาทำงานประสานกัน เป็นเครือข่ายที่มีโทรทรรศน์เพียงกล้องเดียว แต่มีจานรับคลื่นขนาดใหญ่เท่าโลก เช่น
1.กล้อง James Clerk Maxwell ที่ประเทศสเปน
2.กล้อง Large Millimeter Telescope ที่ประเทศแมกซิโก
3.กล้อง Atacama Large Millimeter ที่ประเทศชิลี
4.กล้อง Atacama Pathfinder Experiment ที่ประเทศชิลี
5.กล้อง South Pole Telescope ที่ขั้วโลกใต้
6.กล้อง Submillimeter Telescope ที่ประเทศสหรัฐอเมริกา
7.กล้อง IRAM Radio Telescope ที่ประเทศสเปน
8.กล้องที่ Max Planck Institute for Radio Astronomy ในประเทศเยอรมนี
ซึ่งกล้องทั้ง 8 นี้ ได้ทำงานแบบเครือข่ายภายใต้ชื่อกล้อง Event Horizon Telescope (EHT) ซึ่งสามารถรับข้อมูล 2 X 1015 petabyte ได้ทุกวันมาตั้งแต่ปี 2017 ทำให้สามารถถ่ายภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรกในปี 2018 โดยใช้เทคนิคการแทรกสอดของสัญญาณแบบ digital signal processor กับเทคนิค data recorder
ความก้าวหน้าและความเข้าใจเกี่ยวกับธรรมชาติของหลุมดำ เกิดจากผลงานของนักฟิสิกส์ 3 ท่าน ที่ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2020 นี้
อ่านเพิ่มเติมจาก The Black Hole at the Center of Our Galaxy โดย Fulvio Melia ซึ่งจัดพิมพ์โดย Princeton University Press ในปี 2003
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
