ตามล่าหาหลุมดำ (ตอนที่ ๑) จ้อ (75,847 views) first post: Sun 28 July 2002 last update: Sat 16 May 2009 หลุมดำคืออะไร มาทำความเข้าใจฟิสิกส์ของหลุมดำกัน

ทฤษฎีและการค้นพบต่างๆทางวิทยาศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นกฎแรงดึงดูดระหว่างมวล
การค้นพบ DNA แบบจำลองอะตอม เรื่อยมาจนถึงการประดิษฐดาวเทียมหรือแม้แต่คอมพิวเตอร์
ล้วนแต่ทำให้มนุษย์เจริญก้าวหน้าอย่างมาก จนบางครั้งทำให้เผลอคิดว่าเราเข้าใจทุกสิ่งในธรรมขาติ
แต่ในความเป็นจริงนั้นความรู้และความเข้าใจที่เรามีต่อเอกภพรอบตัวเรานั้นยังน้อยนิดนัก
ธรรมชาติยังมีเรื่องลึกลับอีกมากที่รอให้มนุษย์ออกค้นหา

ในช่วงเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างทฤษฏีขึ้นเพื่อทำนายและอธิบายธรรมชาติ
ในบรรดาทฤษฎีทั้งหมดนั้น ที่น่ามหัศจรรย์ที่สุดคงจะเป็นคำทำนาย การมีอยู่ของวัตถุลึกลับ
ที่รู้จักกันในนาม "หลุมดำ" หรือ "Black Hole"



หลุมดำ คือหลุมในอวกาศที่เป็นสุสานของทุกๆสิ่งที่หลงเข้าไปใกล้รัศมีแรงโน้มถ่วงของมัน
ไม่มีสิ่งใดในจักรวาลที่จะหนีพ้นแรงดึงดูดมหาศาลของมันได้แม้แต่แสงสว่าง
คำเล่าขานเกี่ยวกับเรื่องราวอันมหัศจรรย์ของหลุมดำทำให้ผู้คนทั้วไปยากที่จะเชื่อว่ามันมีอยู่จริงในธรรมชาติ
ส่วนใหญ่มักเชื่อว่าเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ หรือเป็นจินตนาการที่ไม่เป็นจริง


แต่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพากันเชื่อมั่นว่าหลุมดำมีอยู่จริง ไม่ใช่เป็นเพียงสมการทางคณิตศาสตร์
ยิ่งไปกว่านั้นมันยังอยู่ใกล้ตัวเรามากกว่าที่หลายๆคนคิด คำทำนายจากทฤษฎีฟิสิกส์ขั้นสูง ทำนายว่า
หลุมดำไม่ได้เป็นเพียงแค่ดาวยักษ์สีดำที่คอยจ้องจะกลืนกินทุกสิ่งที่เข้าใกล้เท่านั้น
แต่ยังมีหลุมดำขนาดจิ๋ว ที่เล็กจนสามารถซ่อนในวัตถุต่างๆในโลกของเรา หรือแม้แต่ในตัวของคุณเอง!
ในเมื่อหลุมดำอยู่ใกล้ตัวของเรามากขนาดนี้ คุณจะไม่ลองทำความรู้จักมันให้มากกว่านี้หรือ



หลุมดำคืออะไรกันแน่ เกิดขึ้นมาได้อย่างไร โลกของเราจะถูกมันกลืนเข้าไปหรือไม่
ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างหลุมดำได้หรือไม่
มาหาคำตอบเหล่านี้ด้วยกันสิครับ เราจะมาตามล่าหา Black Hole กัน

ตามทฤษฎีฟิสิกส์ หลุมดำ หรือ (Black Hole) นั้นก็เปรียบได้กับดาวฤกษ์ที่ตายดับแล้ว ดาวบนฝากฟ้ามีเกิดมีตายด้วยหรือ อย่ากระนั้นเรามารับรู้ชะตาชีวิตของดวงดาวกันเสียหน่อย ดาวที่จะกลายเป็นหลุมดำนั้นคือ "ดาวฤกษ์" หรือดาวที่มีแสงสว่างในตัวเอง เช่น ดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นก้อนก็าซร้อนๆที่ลอยเคว้งคว้างอยู่ในอวกาศ โดยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบหลัก พลังงานที่เราได้รับจากดวงอาทิตย์นั้น เกิดจากปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ในแกนกลางของดาว และปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ว่านี้นอกจากจะให้แสงสว่างแล้ว ยังทำให้เกิดแรงดันมหาศาลจากภายในดาว ซึ่งจะทำหน้าที่พยุงไม่ให้ดาวทั้งดวงเกิดการยุบตัวลง ทำไมดาวต้องยุบตัว? เพราะว่าตามธรรมชาติแล้ววัตถุทุกชนิดจะมีแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงดึงดูดนี้ขึ้นกับมวลของวัตถุนั้นๆ ยิ่งมีมวลมากแรงก็จะยิ่งมาก ดวงดาวต่างๆที่เราเห็นบนท้องฟ้านั้น มีมวลมากมายมหาศาล แต่ละอนูแต่ละโมเลกุลของมันก็จะดึงดูดกันและกัน ตามกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน แรงดึงดูดที่ว่านี้มีความแรงมหาศาล หากว่าไม่มีแรงต้านจากปฎิกริยานิวเคลียร์แล้วดาวทั้งดวง ย่อมยุบตัวลงเหลือขนาดนิดเดียว

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาปรากฎการณ์การยุบตัวของดวงดาวทั้งในทางทฤษฏี

และการจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์ (Computer simulation) พวกเขาพบว่าในดาวที่มีขนาดใหญ่

เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีอยู่ถูกเผาใหม้หมดไปดาวจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง ที่เรียกว่า " Supernova "

ผิวนอกของดาวจะระเบิดตัวกระจายอยู่รอบๆ ส่วนแกนกลางของดาวจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว

การยุบตัวนี้อาจจะทำให้ดาวกลายสภาพเป็น ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือ หลุมดำ แล้วแต่กรณี ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป




จันทราสิขากับดาวแคระขาว



คนแรกที่สามารถไขความลับเรื่องการยุบตัวของดวงดาวคือ นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย ดร.

สุบามายันต์ จันทราสิขา (Subrahmanyan Chandrasekhar) จันทราสิขาพบว่า ในดาวฤกษ์ที่มี

มวลน้อยกว่า 1.4เท่าของดวงอาทิตย์ (โดยประมาณ) เมื่อเผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จนหมดแล้ว

จะเกิดการยุบตัวลง เป็นวัตถุท้องฟ้าที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (white dwarf)

จันทราสิขา นักฟิสิกส์รางวัลโนเบล ผู้ไขความลับการยุบตัวของดวงดาว

จากการคำนวนโดยอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) พบว่า

ในขณะที่ดาวยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วง อะตอมของธาตุต่างๆจะถูกอัดให้ใกล้กันมาก

จนอิเลกตรอนของแต่ละอะตอมมาอยู่ใกล้กัน ปัญหามีอยู่ว่าอิเลกตรอนนั้นมีนิสัยประหลาดอยู่อย่างหนึ่ง

คือมันไม่ชอบอยู่ใกล้กัน เมื่อมันถูกจับให้มาอยู่ใกล้กันมากจนเกินไป มันจะผลักกันทำให้เกิดแรงดันขึ้น

ซึ่งเรียกว่า Electron degeneracy pressure



แรงดันนี้เป็นคุณสมบัติทางควอนตัมฟิสิกส์ของอิเล็คตรอน ไม่ใช่เกิดจากแรงผลักของประจุไฟฟ้า

แรงผลักจากประจุไฟฟ้านั้นมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงบีบอัดเนื่องจากความโน้มถ่วง



เจ้าแรงดัน Electron degeneracy นี้มีค่ามากเสียจนกระทั่งสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดวงดาวได้

และทำให้เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ซึ่งเรียกกันว่า ดาวแคระขาว เป็นดาวที่หนาวเย็นและมีขนาดเล็ก

(ประมาณโลกของเรา) อย่างไรก็ตามถ้าหากว่าดาวมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์

แรงดันจากอิเลกตรอน จะไม่สามารถต้านทานการยุบตัวของดาวได้อีกต่อไป

ดาวที่มีมวลมากกว่านี้จะเปลี่ยนสภาพเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดยิ่งขึ้น



(หมายเหตุ ค่าจำกัดของมวลนี้เรียกว่า ลิมิตของจันทราสิขา, Chandrasekhar limit, เพื่อเป็น

เกียรติแก่จันทราสิขานั่นเอง)




ดาวนิวตรอน



ในกรณีที่ดาวมีมวลมากกว่า..Chandrasekhar..limit..แรงจากอิเลคตรอนจะไม่สามารถยับยั้งการยุบตัวของดาวได้อีก
ดาวจะยุบตัวลงจนอัดนิวเคลียสของอะตอมต่างๆเข้าใกล้กัน เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่
ที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอน หรือที่รู้จักกันในชื่อ " ดาวนิวตรอน "



ในทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์นั้นนิวเคลียสของธาตุต่างๆประกอบด้วยอนุภาคสองชนิดคือโปรตรอนและนิวตรอน

ที่น่าสนใจคือเจ้าอนุภาคทั้งสองนี่มีนิสัยไม่ชอบอยู่ใกล้ๆกันเหมือนอิเลคตรอน ดังนั้นเมื่อถูกอัดให้ใกล้กันมากๆ

มันก็จะเกิดแรงผลักกันเกิดเป็น degeneracy pressure เช่นเดียวกับกรณีของอิเลกตรอนในดาวแคระขาว

แต่ที่น่าสงสัยยิ่งไปกว่านั้นคือ อนุภาคโปรตรอนหายไปใหน ทำไมดาวทั้งดวงจึงมีแต่นิวตรอน???



โดยธรรมชาติ นิวตรอน สามารถสลายตัวให้ โปรตอน อิเลกตรอน กับ นิวตริโน (neutrino)

ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Beta-Decay process ซึ่งเป็นการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีซึ่งให้อนุภาคเบต้า

(อนุภาคเบต้า ก็คืออิเลกตรอนนั่นเอง) แต่ในดาวนิวตรอนนั้นมีความดันสูงมากจึงทำให้เกิดปฎิกริยาย้อนกลับ

ที่เรียกกันว่าปรากฏการณ์ Inverse Beta decay คืออิเลคตรอนรวมกับโปรตรอน เกิดเป็นนิวตรอนและ นิวตริโน

ในสภาพปกติ นิวตรอน และ นิวตริโน ที่เกิดขึ้น จะรวมตัวกลับไปเป็นโปรตรอนดังเดิม

แต่เนื่องจากนิวตริโนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ด้วยอัตตราเร็วเกือบๆเท่าแสง มันจึงหนีออกจากดาวหมด

ปฎิกริยาย้อนกลับจึงเกิดได้ไม่สมบรูณ์ เป็นสาเหตุให้โปรตรอนถูกใช้หมดไป ดาวทั้งดวงจึงเหลือแต่นิวตรอนในที่สุด



จากการศึกษาโดยนักฟิสิกส์หลายท่านพบว่าถ้าดาวมีมวลมากกว่า 3 เท่า ของดวงอาทิตย์แล้วละก็

จะไม่มีสิ่งใดสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดาวได้ แม้แต่แรงต้านจากนิวตรอน ดวงดาวจะยุบตัวลงเรื่อยๆ

จนกระทั้งกลายเป็นวัตถุประหลาด ที่มีแรงดึงดูดมากมายมหาศาล ขนาดที่ไม่มีสิ่งใดจะหลุดรอดออกมาได้หากพลัดหลงเข้าไป

เจ้าวัตถุที่ว่านั้นก็คือ "หลุมดำ" นั่นเอง ส่วนเหตุผลที่ว่าอะไรทำให้หลุมดำมีแรงดึงดูดมหาศาลนั้น เราจะคุยกันในบทต่อไป



แล้วดวงอาทิตย์ของเราล่ะ?



หลายคนอาจสงสัยว่า ดวงอาทิตย์ของเราจะมีโอกาสเป็นหลุมดำได้หรือไม่ คำตอบคือ ไม่

เนื่องจากว่ามันมีมวลน้อยกว่าลิมิตของจันทราสิขา ดังนั้นเมื่อดวงอาทิตย์เผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมดไป

มันจะค่อยๆกลายเป็นดาวแคระขาวแทน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทำนายว่า ก่อนที่ดวงอาทิตย์จะยุบตัวนั้น

มันจะขยายตัวก่อน และ อาจจะกลืนดาวเคราะห์วงในเช่นดาวพุธเข้าไป ซึ่งแน่นอนว่าถ้าวันนั้นมาถึง

โลกจะต้องพบภัยภิบัติอย่างไม่ต้องสงสัย แต่นั่นคงเป็นอีกหลายพันล้านปีข้างหน้า

ดวงอาทิตย์ยังมีเชื้อเพลิง ส่องแสงสว่างให้มนุษย์ อีกนานแสนนาน

White dwarf ใน planetary nebula NGC 2440 (ตรงกลางภาพ) ดวงอาทิตย์ของเรา จะเป็นเช่นนี้ ในอีกสองพันล้านปีข้างหน้า นู้น (ภาพจาก http://www.gsfc.nasa.gov/ )

ผู้อ่านอาจมีความสงสัยว่าหลุมดำนั้นเอาแรงดึงดูดมากมายมหาศาลมาจากไหนทั้งๆที่มันเป็นเพียงดาวที่ตายดับแล้ว
ถ้าจะไขความลับของหลุมดำ เราคงต้องมาทำความเข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงเพิ่มเติม

เป็นเรื่องแปลกไม่น้อย ที่ถึงแม้ว่าในปัจจุบันเราจะสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกออกไปสู่ห้วงอวกาศได้

แต่ก็ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์เข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงอย่างชัดเจน

พฤติกรรมของมันยังคงเป็นปริศนาอยู่จนถึงทุกวันนี้



หนึ่งนาที กับ Einstein's Gravity


ในปี ค.ศ. ๑๙๑๕ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอแนวคิดของเขาในการอธิบายแรงโน้มถ่วง
ซึ่งทุกคนรู้จักในชื่อ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หรือ General Relativity
ภาพของแรงโน้มถ่วงตามความคิดของไอน์สไตน์นั้นอธิบายด้วยความโค้งของอวกาศ
เราลองหลับตานึกภาพว่าอวกาศเป็นเสมือนแผ่นผ้าใบที่ขึงตึงทั้งสี่ด้าน ถ้าเรากลิ้งลูกหินบนผืนผ้าใบนี้
มันย่อมวิ่งเป็นเส้นตรงเนื่องจากแผ่นผ้าใบนั้นเรียบ




แต่ถ้าเราวางตุ้มน้ำหนักลงบนแผ่นผ้า น้ำหนักของตุ้มจะทำให้ผ้าใบบุ๋มลงไปไม่เรียบเหมือนเก่า
ในตอนนี้ถ้าเรากลิ้งลูกหินบนผ้าผืนนี้ ทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกหินย่อมได้รับผลกระทบจากความโค้งของผืนผ้าใบ
(ซึ่งความโค้งนั้นเกิดจากลูกตุ้มที่เราวางลงไปนั่นเอง )




ไอน์สไตน์อธิบายว่า แรงโน้มถ่วงจากดวงดาวต่างๆก็คือความโค้งของอวกาศรอบๆดวงดาวเหล่านั้น
ซึ่งเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับที่ลูกตุ้มกระทำต่อผืนผ้าใบ ยิ่งมวลของดาวมีค่ามากความโค้งของอวกาศก็มีค่ามาก
ทำให้แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากดาวนั้นมีค่ามากตามไปด้วย




ไอน์สไตน์ได้ใช้วิชาเรขาคณิตเขียนความคิดของเขาออกมาเป็นสูตรคณิตศาสตร์ที่เรียกกันว่า
สมการสนามของไอน์สไตน์ ( Einstein's Field Equation ) ซึ่งเป็นสมการที่หาคำตอบได้ยากที่สุดสมการหนึ่ง
ในปัจจุบันยังไม่มีนักคณิตศาสตร์คนใดที่สามารถจะหาคำตอบทั่วไป (General solution) ของสมการนี้ได้
แม้ว่าจะเป็นสมการที่เป็นรากฐานของทฤษฎีฟิสิกส์ยุคใหม่หลายๆทฤษฎีก็ตาม
คำตอบของสมการนี้ส่วนใหญ่ได้มาจากการคาดเดา หรือไม่ก็กำหนดเงื่อนไขเฉพาะเจาะจงลงไป
เพื่อทำให้สามารถหาคำตอบได้




คำตอบหนึ่งคือ...หลุมดำ??


คำตอบแรกของสมการสนามนี้ค้นพบโดยนักฟิสิกส์ ชื่อ คาร์ล ชว็าชชิลล์ (Karl Schwarzschild)
เพียงไม่กี่เดือนหลังจากที่ ไอน์สไตน์ประกาศทฤษฏีของเขา ชว็าซชิลล์ได้พิจารณาความโค้งของอวกาศรอบๆ
ดาวที่มีรูปทรงเป็นทรงกลมสมบรูณ์และไม่หมุนรอบตัวเอง คำตอบที่Schwarzschildค้นพบมีสิ่งน่าตื่นเต้นคือ
ที่ระยะห่างค่าหนึ่งจากใจกลางของดวงดาว ซึ่งเรียกว่า รัศมีของSchwarzschild ความโค้งของอวกาศมีค่ามาก
มากเสียจนขนาดที่ว่า แม้แต่แสงก็ยังถูกกักขังเอาไว้ได้

ภาพแสดงความโค้งของอวกาศรอบๆ ดวงอาทิตย์ (รูปที่ ๑) และ ความโค้งของอวกาศบริเวณหลุมดำ (รูปที่ ๒)

สำหรับดวงดาวโดยทั่วไปแล้วรัศมีของดาวจะมีค่ามากกว่า รัศมีของSchwarzschild เราจึงไม่พบรัศมีที่ว่า
แต่ในกรณีที่ดาวมีมวลมากกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ ดังที่ได้กล่าวไว้ในหัวข้อที่แล้วนั้น
เมื่อปฎิกริยานิวเคลียร์ภายในดวงดาวสิ้นสุดลง มันจะยุบตัวลงจนมีขนาดเล็กกว่า รัศมีของSchwarzschild
ในกรณีนี้ดาวจะแปรสภาพเป็น หลุมดำ โดยดาวจะสร้างผิวทรงกลมที่เรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ขึ้น
โดยขอบฟ้าเหตุการณ์นี้จะมีรัศมีเท่ากับรัศมีของSchwarzschild



วัตถุที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ หลุมดำเกินกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ จะถูกแรงดึงดูดมหาศาลของมันดูดเอาไว้
และไม่สามารถที่จะหนีออกมาได้อีกแม้ว่าวัตถุนั้นจะมีความเร็วเท่าเก่าแสงก็ตาม นี่เองคือต้นกำเนิดของหลุมดำ



จากการคำนวนพบว่า รัศมีSchwarzschild ของ ดวงอาทิตย์ นั้นมีขนาดเพียง 2.9 กิโลเมตร
ในขณะที่รัศมีของดวงอาทิตย์ยาวถึงเกือบ 7แสนกิโลเมตร
ดังนั้นดวงอาทิตย์จึงไม่มีคุณสมบัติของหลุมดำปรากฎออกมาให้เห็น



น่าเสียดาย... เพียงแค่ 4 เดือนหลังจากที่ผลงานของเขาเป็นที่ยอมรับ Schwarzschild
ก็ถูกส่งไปทำการรบในมหาสงครามโลกครั้งที่ 1 สังกัดกองทัพบกเยอรมันนี และเสียชีวิตลง
ณ.ชายแดนประเทศรัสเซีย ... สงครามช่างทำลายได้ทุกอย่างจริงๆ



แล้วมีอะไรเกิดขึ้นล่ะ ถ้าเข้าไปในหลุมดำ?



จะเห็นได้ว่าขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นเสมือนจุด " ไปไม่กลับ " คือ ถ้าเราเกิดหลงเข้าไปใกล้
เจ้าหลุมดำเกินกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์แล้วล่ะก็ เราหมดสิทธิ์ที่จะกลับออกมา
คำถามก็คือถ้าเกิดตกลงไปเกินกว่าจุด "ไปไม่กลับ" แล้วผลจะเป็นอย่างไร



ตามทฤษฎีแล้วภายในหลุมดำแรงดึงดูดจะมีค่าเพิ่มขึ้นมหาศาลเหมือนโกหก
โดยเฉพาะที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำนั้น ทฤษฎีทำนายไว้ว่ามีแรงดึงดูดมากมายจนไม่สามารถวัดได้
หรือที่เรียกว่า เป็นค่าอนันต์เลยทีเดียว หลายท่านอาจจะยังนึกภาพไม่ออกว่า แรงดึงดูดมากมหาศาลเป็นอนันต์นั้น
มันมากขนาดใหนกันแน่ จะลองยกตัวอย่างในกรณีดาวที่มีมวลมากๆ เช่น ดาวนิวตรอน แรงดึงดูดของมัน
สามารถฉีกเราให้เป็นชิ้นๆได้ทีเดียว ที่ใช้คำว่า "ฉีก" ก็เพราะว่าเราจะรู้สึกเหมือนโดนฉีกให้ขาดออกจากกันจริงๆ



ขนาดความแรงของแรงโน้มถ่วงนั้น ขึ้นอยู่กับระยะห่างจากจุดศูนย์กลางดวงดาว คือยิ่งใกล้ดาวมากแรงดึงดูดก็จะยิ่งมาก
สำหรับวัตถุใดๆก็ตามที่อยู่ให้อิทธิพลของแรงชนิดนี้ ส่วนของวัตถุด้านอยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของดาวมากกว่า
จะได้รับอิทธิพลของแรงดึงดูดมากกว่าด้านที่อยู่ไกล ออกไป



ตาม กฎข้อที่สองของนิวตัน แรงที่กระทำกับวัตถุแปรผันตรงกับความเร่ง ดังนั้นเมื่อแรงที่กระทำต่อทั้งสองด้านไม่เท่ากัน
ความเร็วก็ย่อมไม่เท่ากัน สมมุติว่าตัวของเราส่วนล่างของเราเกิดวิ่งเร็วกว่าส่วนบนขึ้นมา จะเกิดอะไรขึ้น?
ผลก็คือตัวเราก็จะถูกฉีกขาดออกเป็นสองท่อนนั่นเอง



ปรากฎการณ์ดังกล่าวเรียกว่า Tidal force ที่เรียกว่า Tidal ก็เพราะว่าคำอธิบายเดียวกันสามารถนำไปอธิบายได้ว่า
ทำไมน้ำขึ้นน้ำลง ถึงเกิดขึ้นวันละสองครั้ง
(...ฝากให้ผู้อ่านเก็บไปคิดเป็นการบ้าน ว่าปรากฎการณ์ทั้งสองเกี่ยวข้องกันอย่างไร ?...)



จะเห็นว่าแรงดึงดูดที่มากจนเกินไปนั้น ดูไม่ค่อยจะเป็นที่น่าพิศมัยซักเท่าไหร่นัก
สำหรับแรงดึงดูดที่ใจกลางของหลุมดำนั้น ท่านผู้อ่านคงพอจินตนาการได้ว่า จะขนาดไหน...





เราเชื่อ ไอน์สไตน์ได้แค่ใหน ?



ไอน์สไตน์นั้นค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จากจินตนาการ และ สมการบนแผ่นกระดาษ
หลายคนอาจไม่แน่ใจว่า ความคิดที่แทนแรงโน้มถ่วงด้วยความโค้งของอวกาศนั้นถูกต้องและใช้ได้จริง



ในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา ทฤษฎีของไอน์สไตน์ได้รับการพิสูจน์มาแล้วนับครั้งไม่ถ้วน
การทดลองทางดาราศาสตร์ต่างๆล้วนแต่ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎี เช่น การสังเกตวงโคจรของดาวพุธ
และ ปรากฎการณ์ Gravitational Lens เป็นต้น นอกจากนี้ในปัจจุบันมีการค้นหลายๆปรากฎการณ์
ที่ยืนยันการมีอยู่จริงของหลุมดำ หลักฐานเหล่านี้เป็นข้อพิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีความแม่นยำ
และเชื่อถือได้ในระดับหนึ่ง (เมื่อไม่คำนึงถึงผลทางควอนตัมฟิสิกส์)



แรงดึงดูดอันมหาศาลของหลุมดำนั้น ทำให้การสังเกตและตรวจพบหลุมดำ ทำได้ยากลำบากมาก
เพราะในทางดาราศาสตร์นั้น เราสังเกตดวงดาวและวัตถุท้องฟ้าโดยการตรวจวัดแสงสว่างที่สะท้อน
หรือเกิดมาจากวัตถุเหล่านั้น การจะค้นหาวัตถุที่ไม่มีแสงสว่างหลุดออกอย่างในกรณีของหลุมดำนั้น
ยากยิ่งกว่างมเข็มในมหาสมุทรเสียอีก มาให้เห็นในท้องฟ้าที่กว้างใหญ่มหาศาลนั้น



ถ้าเช่นนั้นเราจะค้นหาเจ้าหลุมดำได้อย่างไร ? นักดาราศาสตร์เขาหาเจ้าหลุมดำโดยใช้วิธีอ้อมๆ ซึ่งพอจะอธิบายอย่างคร่าวๆได้ดังต่อไปนี้



1 ดาวยักษ์ที่ไร้คู่ กับ Accretion Disc

เมื่อดาวเกิดการยุบตัวลงเป็นหลุมดำ ผู้สังเกตภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์จะรู้สึกว่าแรงโน้มถ่วงของดาว ยังคงเท่ากับตอนก่อนที่จะเกิดการยุบตัว ดังนั้นถ้ามีวัตถุที่โคจรรอบๆ ดาวนี้ก่อนที่มันจะกลายเป็นหลุมดำ หลังจากที่ดาวยุบตัววัตถุนั้นก็ควรจะยังคงรักษาวงโคจรเดิมอยู่ แต่เจ้าวัตถุที่ว่านั่นจะปรากฎเสมือนว่า "มันโคจรรอบๆความว่างเปล่า" นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบวัตถุที่มีวงโคจรประหลาดๆดังกล่าวหลายชิ้น และมีข้อมูลพอที่จะทำให้เชื่อว่า มันกำลังโคจรรอบหลุมดำอยู่ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าโอกาสที่จะสังเกตุพบหลุมดำมากที่สุด ในระบบดาวคู่ หรือ Binary Star ซึ่งเป็นระบบที่มีดาวขนาดใหญ่สองดวงที่อยู่ใกล้กัน จนแรงโน้มถ่วงของดาวทั้งคู่ดึงดูดให้มันโคจรรอบกัน ในอวกาศนั้นมีดาวที่โคจรเป็น Binary Star อยุ่หลายคู่ ถ้าเกิดว่าดาวดวงหนึ่งใน Binary Star นั้น เกิดยุบตัวกลายเป็นหลุมดำขึ้นมา ดาวดวงที่เหลือก็จะ เหมือนโคจรรอบดาวที่มองไม่เห็น หรือกลายเป็นดาวไร้คู่ไป ในบางกรณีหลุมดำอาจจะดูดกลุ่มก็าซ หรืออนุภาคที่อยู่รอบๆ ตัวมัน ซึ่งอาจจะมาจากคู่ของมันใน Binary Star ก็ได้ กลุ่มก็าซเหล่านั้นจะถูกแรงดึงดูดมหาศาลของหลุมดำดึงให้วิ่งเข้าสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ ด้วยความเร็วสูงมาก จนก็าซเหล่านั้นมีความร้อนสูงและสามารถแผ่รังสีเอ็กซ์ ( X-ray )ซึ่งเรียกว่า ปรากฎการณ์ Accretion Disc นักดาราศาสตร์สามารถ ตรวจวัดรังสีเอ็กซ์ จาก Accretion Disc โดยใช้ดาวเทียม ที่โคจรอยู่รอบโลก

2 Gravitational lens

วิธีการค้นหาหลุมดำอ้อมๆ อีกวิธีหนึ่งคือการสังเกตปรากฎการณ์ที่เรียกว่า Gravitational lens

ตามทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้น แรงโน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนแปลงเส้นทางเดินของแสงได้

เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลต่ออนุภาคทุกชนิดที่มีมวลหรือพลังงาน

ถึงแม้ว่าแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่มีมวล แต่มันมีพลังงานซึ้งขึ้นกับความถี่ของคลื่น



นักดาราศาสตร์ได้ใช้ความรู้นี้มาประยุกต์ใช้ในการค้นหาหลุมดำ โดยการตรวจวัดแสงที่มาจากดวงดาวไกลๆ

ถ้าบังเอิญว่าเกิดมีหลุมดำอยู่ตรงกลางระหว่างดาวดวงนั้นกับโลกแล้ว แสงส่วนหนึ่งจากดาวจะถูกโฟกัส

โดยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ ทำให้เราสามารถสังเกตเห็นภาพเสมือนของดาวได้ ดังรูป

(ภาพจาก NASA Hubble Space Telescope)


ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับหลุมดำ

- Kip S. Thorne, Black Hole and Time Warps , W.W. Norton&Company, Inc., New York (1994) ISBN 0-333-63969-3

- Jillian's Guide to Black Holes, http://www.phy.syr.edu/courses/PHY312.98Spring/projects/jebornak/

- Black Holes by Ted Bunn, http://cfpa.berkeley.edu/BHfaq.html#q2

- The Naked Singularity, http://www.rdrop.com/users/green/school/index.htm (ไอเดียสำหรับภาพAnimation ในตอนตำนานของดวงดาว)

---

 

ขอบคุณผู้สนับสนุน