Black Holes: หลุมดำ

---

แถลงไขไว้สักเล็กน้อย: เหตุการณ์การค้นพบหลุมดำนั้นมีความเกี่ยวข้องกับการวัดระยะทางทางดาราศาสตร์ด้วยหลักตรีโกณมิติ ซึ่งกินเวลาตั้งแต่ช่วง 2200 ปีก่อน จนสามารถขยายขอบเขตการวัดได้แม่นยำขึ้นจากการพบดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางของกาลิเลโอ และการค้นพบความเร็วแสง เมื่อ300 กว่าปีที่แล้ว คุณอาจสนใจที่จะอ่านกระทู้ เรื่องลึกลับ: เมื่อความเร็วแสง ไปปรากฎอยู่ในตำราฮินดูอายุ 3000 ปี ที่นี่ -> https://pantip.com/topic/34217474 เราจะไม่สามารถเข้าใจถึงการค้นพบได้ ถ้าเราไม่รู้ว่า ความรู้ใดๆ มีอยู่ตั้งแต่สมัยไหนแล้ว

---

หลุมดำ… ถ้าคุณเข้าไปเฉียดใกล้ คุณก็ไม่มีหวังจะหลุดออกมา มันเป็นปรากฎการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ถือว่าค้นพบมาค่อนข้างใหม่  นับตั้งแต่การค้นพบกฏแรงโน้มถ่วงของนิวตั้น มันก็มีประพิมประพายไอเดียของวัตถุทางดาราศาสตร์ที่จะมีขนาดและความหนาแน่นเกินค่าหนึ่งแล้ว แม้แต่วัตถุที่ความเร็วเท่าแสง ก็จะไม่สามารถหลุดจากแรงโน้มถ่วงของวัตถุทางดาราศาสตร์นั้นได้ ในปี 1724 จอห์น มิเชล ได้เขียนจดหมายถึงเพื่อนเขา เฮนรี่ คาเวนดิชว่า

ถ้ามีดาวดวงใดที่มีรัศมีกึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์แต่มีความหนาแน่นถึง 500 เท่าของดวงอาทิตย์แล้ว วัตถุที่ตกลงสู่ดาวนั้นจากระยะอนันต์จะมีความเร็วเกินความเร็วแสงที่พื้นผิวของวัตถุจากแรงโน้มถ่วงวัตถุนั้นจะไม่มีแสงเปล่งออกมา

บทความนี้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Royal Society [1] การคำนวณของจอห์น มิเชล ใช้การเทียบความเร็วของดาวหางและหาขนาดของความเร็วที่จะเปลี่ยนไปตามกฎ Inverse square law จนถึงพื้นผิวและมวลตามสูตรแรงโน้มถ่วงของนิวตั้น[2] แม้วิธีการคำนวณของจอห์ม มิเชล จะผิด แต่โดยหลักการ มันเป็นครั้งแรกที่องค์ความรู้ของมนุษย์ชาติไปแตะที่ขอบเขตของหลุมดำ




หลังจากบทความของจอห์น มิเชลไปอีกเกือบร้อยปี ไอน์สไตน์ ที่สร้างสมการสนามเพื่ออธิบายแรงโน้มถ่วงในมุมมองของความโค้งของกาลอวกาศในปี 1915  ซึ่ง ซวาสชิลด์ ได้นำสมการสนามของไอน์สไตน์เอามาคำนวณหาขอบเขตความโค้งสูงสุดของกาลอวกาศในปี 1916 ตามลำดับ สมการของซวาสชิลด์ที่แก้ออกมาไม่ได้ดูง่ายอย่างที่เราเห็นกันในรูปสมการรัศมีซวาสชิลด์ แต่เป็นรูปของสมการสนามของวัตถุทรงกลมที่แรงโน้มถ่วงจะเป็นอนันต์ที่ระยะหนึ่ง ระยะตรงนี้ ต่อมาถูกเรียกเป็นรัศมีซวาสชิลด์ และรูปย่อของสมการที่เข้าใจง่ายที่สุดว่า



เมื่อ R คือรัศมีซวาสชิลด์ G คือค่าคงที่แรงโน้มถ่วงของนิวตั้น M คือมวลของวัตถุ และ c คือความเร็วแสง[3]
ในตอนที่ไอน์สไตน์ และ ซวาสชิลด์ให้กำเนิดสมการที่ทำนายการมีอยู่ของหลุมดำนั้น มันเป็นการให้กำเนิดข้อถกเถียงว่า ถ้าสมการมันออกมายังงี้จะตีความกันว่ายังไง จนในปี 1958 เดวิด ฟิงเคลสไตน์ ได้สังเกตว่า ขอบเขตรัศมีซวาสชิลด์นั้นเป็นพื้นผิวที่เดินทางผ่านได้ทางเดียวและไม่มีอะไรที่เข้าไปแล้วจะออกมาได้ รัศมีซวาสชิลด์ จึงเป็นขอบฟ้าปรากฎการณ์ที่เป็นเยื่อแบ่งระหว่างด้านในและด้านนอกของปรากฎการณ์ในอวกาศ ซึ่งต่อมาในปี 1964 แอนน์ อิววิง ได้เขียนบทความลงในวารสารวิทยาศาสตร์ Science News letter ในหัวข้อ “Black Holes in Space”[4] และ ปรากฎการณ์ในอวกาศอันนี้ ก็ได้ถูกตั้งชื่อให้เรียกกันง่ายๆสักทีว่า “หลุมดำ” ไม่ต้องไปเขียนยาวๆบรรยายเช่นเรียกเป็น “ Stationary System With Spherical Symmetry Consisting of Many Gravitating Masses” ยาวโพด จะแปลไทยยังไงดีละเนี่ย ระบบทรงกลมสมมาตรหยุดนิ่งที่ประกอบด้วยมวลแรงโน้มถ่วงหลายรูปแบบ?? ในสาระบทความที่ว่า เป็นความพยายามของไอน์สไตน์ที่จะแย้งว่าการเกิดหลุมดำเป็นไปไม่ได้ เพราะมันขัดแย้งกับความรู้สึกของความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ เอาละสิ คนที่สร้างสมการที่ก่อให้เกิดการทำนายการมีอยู่ของหลุมดำ ไม่เชื่อว่ามันจะมีหลุมดำเกิดขึ้นได้จริง??




ในบทความของไอน์สไตน์ในปี 1939 นี้ เขาใช้สมการสนามจำลองการกระจายตัวของมวลที่เข้าใกล้รัศมีซวาสชิลด์และสรุปไว้ว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะเกิด Schwarzschild Singularity[5] เพราะมันจะเท่ากับมวลจะต้องมีความเร็วเท่าความเร็วแสง ณ จุดนั้นเลยทีเดียว เขาเชื่อว่ามวลใดๆจะมีโมเมนตั้มเชิงมุมที่จะรักษาระดับวงโคจรและไม่ตกลงไปผ่านรัศมีซวาสชิลด์เด็ดขาด บทความของไอน์สไตน์ทำให้คนในวงการฟิสิกส์ส่วนใหญ่หยุดสนใจผลการคำนวณการมีอยู่ของหลุมดำไปพักใหญ่ ยาวจนช่วงถึงปี 1960 ที่นักทฤษฎีสัมพัทธภาพส่วนน้อยที่ยังศึกษาต่อ และนำเสนอการศึกษาโครงสร้างของขอบฟ้าปรากฎการณ์ Event horizon กลับมาเป็นกระแสหลักอีกครั้ง

ส่วนหนึ่งของการที่ไอน์สไตน์จะไม่เชื่อการมีอยู่ของหลุมดำจนต้องเอาทฤษฎีแรงโน้มถ่วงและทฤษฎีสัมพัทธภาพของตัวเองมาพยายามแกะตีความ ตัวผู้เขียนเชื่อว่า ลึกๆแล้ว ไอน์สไตน์ที่เป็นปราชญ์ทางเทอร์โมไดนามิกส์ด้วยจะรู้สึกผิดปรกติ กับการที่วัตถุจะเพิ่มมวลขึ้นได้ทางเดียว และเหมือนเป็นการละเมิดกฎข้อ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์ ที่เอนโทรปีของระบบจะต้องมากกว่าหรือเท่าเดิม แต่หลังการจากไปของไอน์สไตน์ สตีเฟน ฮอว์กิ้ง ในปี 1973 ได้ประกาศการค้นพบการแผ่รังสีจากหลุมดำที่เรียกว่าการแผ่รังสีฮอว์กิ้ง[6] ซึ่งทำให้หน้าตาของหลุมดำจากที่ดูขัดแย้งกับกฎทางเทอร์โมไดนามิกส์ดูเป็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติที่สอดคล้องกับปรากฎการอื่นๆมากขึ้น  อันที่จริง ตอนที่ฮอว์กิ้ง ค้นพบหลักการแผ่รังสีของหลุมดำที่ว่าเขาก็เคยนึกว่าเขาคำนวณผิดจนต้องมาทวนแล้วทวนอีกกว่าจะส่งตีพิมพ์เป็นทางการในปี 1974[7]

จากทฤษฎี สู่การค้นพบ
เพราะหลุมดำย่อมจะไม่มีแสงส่องออกมา การตรวจพบหลุมดำนั้นเป็นไปได้ยากยิ่ง และเราใช้การตรวจสอบทางอ้อม เช่นการเคลื่อนที่ของเทหวัตถุขนาดใหญ่รอบบริเวณที่ไม่มีแสงสว่าง ในปี1972 ชาร์ล โทมัส บอลตัน ผู้ที่พัฒนาระบบจำลองภูมิอากาศดาราศาสตร์ เขาพบความผิดปรกติในกลุ่มดาวหงส์ เขาพบว่าดาว HDE 226868 มีการเคลื่อนตัวผิดปรกติเหมือนมีอะไรสักอย่างดึงดูดให้มันโคจรรอบห้วงอวกาศที่มืดมิดแห่งหนึ่ง และนั่นคือที่มาของ Cygnus X-1 เป็นหลุมดำหลุมแรกที่มนุษย์ชาติค้นพบ [8][9]




สำหรับหลุมดำ CygnusX-1 นี้ ศ. ฮอว์กิ้ง ได้พนันกับเพื่อนของเขา คิป ทอร์น (Kip Thorne) ว่า ไอ้นี่แหละมันเป็นหลุมดำ ซึ่ง ฮอว์กิ้งเขียนไว้ในหนังสือ  A Brief History of Time ว่า มันเป็นนโยบายประกันของผม ผมทุ่มเทกะเรื่องหลุมดำมาก และมันจะเป็นเรื่องเหนื่อยฟรีสำหรับผมถ้าหลุมดำไม่มีจริง ในกรณีนี้ ผมพนันรางวัลปลอบขวัญไว้เป็นประกันว่า ถ้าหลุมดำไม่มีจริง ผมจะได้นิตยสาร Private Eye (ประมาณ นสพ ผู้จัดกวน – นิตยสารล้อเลียน) ฟรีเป็นเวลา 4 ปีจาก คิป ทอร์น และถ้าหลุมดำมีจริง คิปจะได้หนังสือโป๊ Penthouse ไปอ่าน ฟรีๆ 1 ปี ในตอนที่พนัน ฮอว์กิ้งมั่นใจ 80% ว่านั่นคือหลุมดำ ต่อมาในปี 1988 เขามั่นใจถึง 95% และในที่สุด ในปี 1990 เขาก็บุกไปห้องทำงานของคิป ทอร์น พร้อมประทับลายมือยอมรับความพ่ายแพ้ด้วยความสะใจยิ่ง ทั้งนี้ จากปากคำของ ฮอว์กิ้ง รู้สึกว่าภรรยาของ คิป ทอร์นจะไม่ค่อยพอใจกับรางวัลนี้สักเท่าไรอะนะ[10]




ในช่วงเวลาใกล้เคียงกัน ในปี 1974 ทีมนักวิทยาศาสตร์ของ National Radio Astronomy Observatory ค้นพบกลุ่มดาวที่เรียกว่า Sagittarius  A (Sgr A*) จากการศึกษาคลื่นวิทยุในอวกาศ และต่อมา จากการสังเกตุการณ์เป็นเวลา 10 ปี ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้พบการเคลื่อนไหวของกลุ่มดาวฤกษ์รอบพื้นที่ว่างเปล่าที่ไม่มีแสงสว่าง แต่พื้นที่ดังกล่าวกลับมีการแผ่รังสี Gamma ที่รุนแรงมาก และนำไปสู่การเปิดเผยการค้นพบว่า SgrA* คือหลุมดำในปี 2008[11] หลุมดำ SgrA* คลื่นรังสี Gamma ที่ปล่อยออกมานี้เกิดจากกลุ่มก๊าซที่ถูกเร่งความเร็วในอาณาบริเวณใกล้ขอบฟ้าปรากฎการณ์




นอกจากนี้ มันก็ยังมีลิสต์ของวัตถุบนฟากฟ้าที่คาดว่าจะเป็นหลุมดำขนาดใหญ่และขนาดเล็กอยู่อีกมากมาย นับคร่าวๆก็ประมาณ 80 หลุมที่ลิสต์ไว้ในวิกิพีเดีย[12]

การพิสูจน์ขนาดของหลุมดำจากการศึกษาคลื่นแรงโน้มถ่วง




การพิสูจน์ขนาดของหลุมดำที่ชัดเจนเกิดจากการศึกษาคลื่นแรงโน้มถ่วง การศึกษาคลื่นแรงโน้มถ่วงนี้มีการวัดเทียบการปล่อยคลื่นรังสีแกมม่าจากการรวมตัวของหลุมดำ GW150914 กับการวัดคลื่นแรงโน้มถ่วงที่มาถึงโลก ในปี 2015 นักวิทยาศาสตร์ยังได้วัดระยะห่างของการโคจรรอบกันของหลุมดำทั้ง 2 ก่อนจะรวมตัวกันเป็นวัตถุ GW150914 ผ่านความถี่ของคลื่นแรงโน้มถ่วง เนื่องจากความถี่ที่ว่า มันเกิดจาการโคจรรอบกันเองของหลุมดำ และอัตราการเปลี่ยนของความถี่มันก็บ่งชี้ขนาดการสูญเสียพลังงานผ่านการแผ่รังสีแรงโน้มถ่วง มันถึงวัดออกมาได้ว่า ด้วยขนาดของมวลทั้ง 2 หลุมรวมกันราว 70 เท่าของดวงอาทิตย์ และคาบการโคจรรอบกันเองแถวๆ 75 รอบต่อวินาที (ครึ่งหนึ่งของความถี่คลื่นแรงโน้มถ่วง เพราะคลื่นแรงโน้มถ่วงมีมวล 2 ก้อนเป็น Source) หลุมดำนั้นอยู่ห่างกันเพียง 350 กิโลเมตร ขนาดรัศมีของหลุมดำทั้งสองหลุมรวมกันต้องเล็กกว่ารัศมีการโคจรรอบตัวเองนี้ นั่นเท่ากับพิสูจน์ความแม่นยำของการคำนวณรัศมีซวาสชิลด์ ที่มวลขนาด 36 และ 29 เท่าของดวงอาทิตย์จะถูกบีบอัดอยู่ในรัศมีต่ำกว่า 175 กิโลเมตรได้[13][14]