จันทราไขปริศนาหลุมดำ




การที่หลุมดำสามารถดูดสสารจากดาวฤกษ์ข้างเคียงจำเป็นต้องอาศัยกระบวนการทางแม่เหล็กด้วย ไม่ใช่แค่แรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว นี่เป็นข้อสรุปที่ได้จากการวัดรังสี X ครั้งใหม่ โดยรังสีในช่วงพลังงานสูงนี้ถูกปลดปล่อยออกมาโดยก๊าซที่อยู่รอบ ๆ หลุมดำอันหนึ่งในกาแลกซี่ทางช้างเผือกของเรา. นักวิจัยประสบความสำเร็จอย่างน่ามหัศจรรย์ พวกเขาพบว่าผลการวัดสเปกตรัมรังสี X จากหลุมดำโดยดาวเทียมสำรวจอวกาศ Chandra X-ray Observatory หรือเรียกสั้น ๆ ว่า “จันทรา” สอดคล้องกันกับการคำนวณจากแบบจำลองทางทฤษฎีราวกับเป็นการเทียบลายนิ้วมือเลยทีเดียว. แบบจำลองที่ใช้ได้ดีนี้บ่งบอกโดยทางอ้อมว่า สนามแม่เหล็กที่ทรงพลังในก๊าซรอบ ๆ หลุมดำ คือกุญแจสำคัญในกระบวนการปลดปล่อยรังสี X รอบหลุมดำ



เฉิดฉายประกายเอกภพ



ประมาณการกันว่ากว่าหนึ่งในสี่ของรังสีทั้งหมดในเอกภพที่ปลดปล่อยมานับตั้งแต่บิ๊กแบง มาจากปรากฏการณ์ที่สสารไหลลงสู่ supermassive blackhole (หลุมดำประเภทที่มีมวลมากมหาศาล) ซึ่งรวมไปถึง ควอซาร์ (quasar) อันเป็นเทหวัตถุที่ปลดปล่อยพลังงานออกมาในระดับเทียบเท่ากับพลังงานที่ออกมาจากหลายร้อยกาแลกซี่รวมกัน



เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ความบากบั่นในการทำความเข้าใจในเรื่องที่ว่า หลุมดำ ซึ่งตามทฤษฎีน่าจะเป็นวัตถุที่มืดที่สุดในเอกภพอันเนื่องมาจากการที่ไม่มีสิ่งใดแม้แต่อนุภาคแสงหลุดรอดออกมาได้ กลับมีรังสีออกมามากมายอย่างนั้นได้อย่างไร



ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของหลุมดำ มันจะดึงดูดก๊าซและฝุ่นโดยรอบเข้ามาหาตัว. ก่อนที่สสารเหล่านี้จะไหลเข้าไปใกล้หลุมดำมากเสียจนถึงในเขตแดนที่ไม่มีสิ่งใดได้กลับออกมาอีก ซึ่งเรียกกันว่า “event horizon” พวกมันจะสะสมตัวกันขณะวิ่งไหลวนอยู่รอบๆ หลุมดำในรูปของแผ่นจานที่เรียกว่า “accretion disk” (อาจแปลเป็นไทยได้ว่า “แผ่นจานสะสมมวล”) คล้ายกับการที่มีสสารสะสมกันเป็นวงแหวนรอบดาวเสาร์



ด้วยกลไกอะไรบางอย่างในแผ่นจานนี้ซึ่งยังไม่ทราบแน่ชัด สสารที่เป็นก๊าซร้อนจัดก็ปลดปล่อยรังสี X ออกมา และเมื่อถูกตรวจวัดได้โดยนักดาราศาสตร์ มันจึงเป็นหลักฐานว่ามีหลุมดำอยู่ในตำแหน่งนั้น. นั่นหมายความว่าเราไม่ได้เห็นตัวหลุมดำ แต่รู้ตำแหน่งของมันจาก “เสื้อคลุม” เรืองแสงรังสี X



ข้อมูลรังสี X จากจันทราได้ให้การอธิบายที่ชัดเจนเป็นครั้งแรกว่า ตัวการขับเคลื่อนให้เกิดกลไกดังกล่าวก็คือ สนามแม่เหล็ก กล้องโทรทรรศน์สำรวจอวกาศจันทราติดตามวัดระบบหลุมดำแห่งหนึ่งในกาแลกซี่ของเรา ซึ่งรู้จักกันในชื่อ GRO J1655-40 (เรียกสั้น ๆ ว่า J1655) ในระบบหลุมดำแห่งนั้นซึ่งประกอบด้วยหนึ่งหลุมดำกับหนึ่งดาวฤกษ์ หลุมดำกำลังดูดสสารจากดาวที่อยู่เคียงคู่ เข้าไปสู่จานสะสม.



หลุมดำ ในแง่ของวัตถุทางดาราศาสตร์ สามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทตามขนาดของมัน คือ stellar blackhole [มีมวลประมาณ 5-100 เท่าของดวงอาทิตย์], mid-mass blackhole [มีมวลประมาณ 500-1000 เท่าของดวงอาทิตย์] และ supermassive blackhole [มีมวลในระดับของล้านดวงอาทิตย์]. สำหรับหลุมดำในระบบ J1655 เป็นประเภท stellar blackhole



“J1655 ถือว่าเป็นหลุมดำที่อยู่ใกล้กับโลกเราแห่งหนึ่ง. ถึงแม้หลุมดำจะมีขนาดแตกต่างกันไป พวกเราสามารถใช้ J1655 เป็นตัวแบบในการเข้าใจวิวัฒนาการของหลุมดำทุก ๆ แห่งได้ ซึ่งรวมถึงควอซาร์ด้วย” กล่าวโดย จอน เอ็ม มิลเลอร์ (Jon M. Miller) แห่งมหาวิทยาลัยแห่งมิชิแกน เมืองแอนอาร์เบอร์ มลรัฐมิชิแกน สหรัฐอเมริกา.



สนามแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญ



ลำพังแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะทำให้ก๊าซใน “accretion disk” รอบ ๆ หลุมดำสูญเสียพลังงานและตกลงสู่หลุมดำในอัตราเร็วที่นักดาราศาสตร์ตรวจวัดได้. ก๊าซจะต้องสูญเสียโมเมนตัมเชิงมุมในการหมุนโคจรรอบหลุมดำบางส่วนไป ไม่ว่าด้วยแรงเสียดทานใน accretion disk หรือด้วยกระแสของก๊าซที่พุ่งออกจากหลุมดำซึ่งเรียกว่า “wind” ก่อนที่ก๊าซจะหมุนวนลงสู่หลุมดำ. ถ้าไม่มีสิ่งเหล่านี้ สสารก็จะยังคงหมุนอยู่ในวงโคจรรอบ ๆ หลุมดำเป็นเวลานานมาก.



นักวิทยาศาสตร์บางท่านเสนอความคิดว่าความแปรปรวนทางแม่เหล็กที่เรียกว่า magnetic turbulence สามารถทำให้มีความเสียดทานใน accretion disk ได้ และเป็นตัวการทำให้เกิดกระแส “wind” ออกมาได้. และทั้งสองอย่างนี้มีผลให้โมเมนตัมเชิงมุมลดลง ทำให้ก๊าซตกลงไปในหลุมดำได้เร็วขึ้น.



โดยใช้จันทรา ดร. มิลเลอร์และทีมงานของเขาได้ให้หลักฐานที่สำคัญยิ่งในเรื่องบทบาทของสนามแม่เหล็กในกระบวนการสะสมมวลของหลุมดำ. สเปกตรัมรังสี X ซึ่งบ่งบอกความเข้มของรังสีที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ ในช่วงรังสี X แสดงให้เห็นว่าความเร็วและความหนาแน่นของ “wind” จากแผ่นจานสะสมของ J1655 สอดคล้องกับการทำนายด้วยการจำลองทางคอมพิวเตอร์. การจำลองนี้ใช้ทฤษฎีที่ “wind” เกิดขึ้นด้วยกระบวนการที่สนามแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญ. ผลการเทียบสเปกตรัมที่ได้จาการสังเกตกับการทำนายนี้ ได้ปัดความเป็นได้ของทฤษฎีอื่นๆ บางทฤษฎีที่เป็นคู่แข่งสำคัญไปด้วย.



ดูรูปเทียบสเปกตรัมระหว่างผลจากการสังเกตกับการทำนายได้ ในความคิดเห็นที่ 1



“ในปี ค.ศ. 1973 นักทฤษฎีเริ่มได้แนวคิดว่าสนามแม่เหล็กอาจจะสามารถขับเคลื่อนให้เกิดรังสีโดยก๊าซที่กำลังไหลสู่หลุมดำได้” กล่าวโดย ผู้ร่วมงานคนสำคัญของมิลเลอร์ นามว่า จอห์น เรมอน (John Raymond) แห่ง the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ในเมืองเคมบริดจ์ มลรัฐแมสซาชูเซส “ตอนนี้ซึ่งเป็นเวลากว่า 30 ปีให้หลัง ในที่สุดเราอาจมีหลักฐานที่พอจะทำให้เชื่อได้แล้ว”



มองไปข้างหน้า



การเข้าใจที่ลึกซึ้งขึ้นเกี่ยวกับการสะสมสสารของหลุมดำช่วยทำให้นักดาราศาสตร์เข้าใจคุณสมบัติอื่น ๆ ของหลุมดำด้วย อันรวมไปถึงประเด็นที่ว่า หลุมดำเติบโตขึ้นอย่างไร.



“หมอต้องการเข้าใจสาเหตุของโรค ไม่ใช่รู้แค่อาการป่วย ฉันใดก็ฉันนั้น นักดาราศาสตร์พยายามเข้าใจว่าอะไรเป็นสาเหตุให้เกิดปรากฏการณ์ที่เราเห็นในเอกภพ” กล่าวโดย ผู้ร่วมงานวิจัย แดนนี่ สตีจ (Danny Steeghs) ซึ่งทำงานอยู่ที่เดียวกับเรมอน. “เมื่อเข้าใจว่ากลไกอะไรทำให้สสารปลดปล่อยพลังงานออกมา ก่อนที่มันจะเข้าสู่หลุมดำ เราก็ได้เรียนรู้ด้วยว่าสสารตกลงสู่เทหวัตถุอื่น ๆ ที่สำคัญอย่างไร”



นอกจากใน accretion disk รอบ ๆ หลุมดำแล้ว ปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กดังกล่าวอาจจะมีบทบาทสำคัญใน accretion disk ที่เกิดขึ้นรอบวัตถุทางดาราศาสตร์อื่น ๆ ด้วย อาทิ ดาวฤกษ์อายุน้อยขนาดพอ ๆ กับ ดวงอาทิตย์ (บริเวณที่มีการสะสมฝุ่นก๊าซโดยรอบจะมีการก่อตัวของดาวเคราะห์) และวัตถุซึ่งมีหนาแน่นสูงอย่างดาวนิวตรอน



อย่างไรก็ตาม มิลเลอร์ ซึ่งถือเป็นผู้นำในทีมวิจัย ชี้ว่า ถึงแม้หลักฐานที่ได้ค่อนข้างหนักแน่น แต่มันเป็นการยืนยันทฤษฎีโดยทางอ้อม เรายังต้องการการสังเกตที่มากขึ้นและละเอียดยิ่งขึ้นด้วย “จันทราทำให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ยังไม่แจ่มชัดนัก ภารกิจในอนาคตอย่าง Constellation-X จะมีความสำคัญมากในการเปิดเผยกระบวนการของการที่สสารตกลงสู่หลุมดำ ด้วยรายละเอียดที่มากยิ่งขึ้น ”



แหล่งข้อมูลและเอกสารอ้างอิง



ข่าวแถลงจากเว็บไซต์ของจันทรา (Chandra X-ray Observatory Center หรือ CXC)
http://chandra.harvard.edu/press/06_releases/press_062106.html



บทสัมภาษณ์ “On the Hunt for Magnetic Field Winds with Jon Miller” ที่ จอน มิลเลอร์ ให้แก่ CXC
http://chandra.harvard.edu/chronicle/0206/bhbin/index.html



ข่าวใน Physicsweb.org
http://www.physicsweb.org/articles/news/10/6/10/1



ความคิดเห็นที่ 7

Deronkj
30 ส.ค. 2549 19:58
  1. ข้างในหลุมดำคงร้อน เพราะแสงออกไม่ได้



ความคิดเห็นที่ 5

ใช่ไม่ใช่
9 ก.ค. 2549 14:47
  1. ชอบค่ะเรื่องอย่างงี้



ความคิดเห็นที่ 9

ไม่มี (Guest)
10 ก.ค. 2550 19:56
  1. อุย! น่ากลัว



ความคิดเห็นที่ 4

ยูเรนัส
8 ก.ค. 2549 22:39
  1. ในช่วงระยะ5-10ปีที่ผ่านมามีดาวหางกี่ชนิดที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า สามารถมองเห็นได้ในทางทิศเหนือของประเทศไทยในช่วงเวลาประมานณ21.30น



ความคิดเห็นที่ 10

Nikolet (Guest)
19 มี.ค. 2551 04:22
  1. Nice site!



ความคิดเห็นที่ 6

atiwichboy
10 ก.ค. 2549 20:59
  1. wowwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww!



ความคิดเห็นที่ 1

เอกพงษ์ vcharkarn veditor
4 ก.ค. 2549 09:44



  1. สเปกตรัม X-ray ในรูปนี้แสดงหลักฐานสำหรับ “wind” ที่เกิดขึ้นใน GRO J1655-40. บริเวณที่เส้นกราฟตกลงในช่วงสั้น ๆ เกิดจากการดูดซับพลังงานที่ความยาวคลื่นนั้นโดยอะตอมชนิดต่าง ๆ ในก๊าซรอบ ๆ หลุมดำ. เส้นสีฟ้าแสดงสเปกตรัมรังสี X ของ J1655 ที่ได้จากการวัดโดยจันทรา และเส้นสีเหลืองแสดงสเปกตรัมที่ได้จากแบบจำลอง. สเปกตรัมที่ได้จากแบบจำลอง (สีเหลือง) อยู่ที่ความยาวคลื่นธรรมชาติของมัน หมายถึงไม่มีการเลื่อนไปในทางที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า (blue shift) อันเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของก๊าซเข้าหาผู้สังเกต หรือเลื่อนไปในทางที่ความยาวคลื่นยาวกว่า (red shift) อันเนื่องจากการเคลื่อนที่ของก๊าซหนีจากผู้สังเกต. ด้วยการเปรียบเทียบสเปกตรัมจาก 2 แหล่ง แสดงให้เห็นว่าสเปกตรัมที่ได้จากจันทราเลื่อนไปทางที่ความยาวคลื่นสั้นกว่า เนื่องด้วยผลของปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect) ซึ่งเป็นหลักฐานที่แสดงว่ากระแสของก๊าซใน “wind” กำลังพัดเป่าเข้ามาทางเรา (Credit: NASA/CXC/U.Michigan/J.Miller et al.)



ความคิดเห็นที่ 2

เอกพงษ์ vcharkarn veditor
4 ก.ค. 2549 09:45
  1. ภาพแอนิเมชั่นขณะหลุมดำดูดสสารจากดาวฤกษ์ข้างเคียงได้ที่ http://chandra.harvard.edu/photo/2006/j1655/animations.html



ความคิดเห็นที่ 3

เอกพงษ์ vcharkarn veditor
4 ก.ค. 2549 10:09



  1. ภาพศิลปะนี้แสดงว่าสนามแม่เหล็กทำให้เกิด wind ใน GRO J1655-40 ได้อย่างไร การหมุนที่เกิดขึ้นใน disk บวกกับกลไกทางแม่เหล็กใน disk สามารขับดันให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนควงออกมาเหมือนงู จากระนาบของ disk (เส้นสีดำในภาพ) สิ่งนี้เป็นผลให้ก๊าซถูกขับดันออกมาจากระนาบโดยความดันที่เกิดขึ้นโดยสนามแม่เหล็ก ทำให้มีกระแสลมของก๊าซพุ่งหนีจากหลุมดำตามแนวรัศมี ด้วยความเร็วประมาณ 500 กิโลเมตรต่อวินาที ซึ่งจันทราสามารถตรวจวัดสเปกตรัมของ X-ray ที่ปลดปล่อยจากลมนี้ได้ (Illustration: NASA/CXC/M Weiss)



ความคิดเห็นที่ 8

thearmer
30 ส.ค. 2549 20:09
  1. ขอบคุณครับที่นำความรู้เเบบนี้มาให้อ่าน เเต่อยากให้นักวิทยาศาสตร์ค้นหาว่าในหลุมดำมีสิ่งอื่นๆหรือไม่ จะพาเราทะลุมิติหรือไม่ อยากรู้ครับ

แสดงความคิดเห็น

กรุณา Login ก่อนแสดงความคิดเห็น