สถาบันวิจัยดาราศาสตร์ฯ ไขข้อสงสัย ภาพถ่ายหลุมดำ Sgr A* ใจกลางทางช้างเผือก

ภายหลังจากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ เผยภาพแรกของหลุมดำ “Sagittarius A*” (แซจิแทเรียส เอ สตาร์) หรือเรียกสั้นๆ ว่า Sgr A* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกโดยใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Event Horizon Telescope (EHT)

 

 

ล่าสุด เพจเฟซบุ๊ก NARIT สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ โพสต์ไขข้อสงสัยเกี่ยวกับภาพถ่ายหลุมดำ  Sgr A*  ข้อความว่า #ถามตอบ สิ่งที่หลายคนสงสัยเกี่ยวกับภาพถ่ายหลุมดำ Sagittarius A* (Sgr A*)

 

จากที่เราได้เห็นภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางทางช้างเผือก Sagittarius A* (Sgr A*) กันไปแล้ว เชื่อว่าหลายคนมีคำถามมากมาย วันนี้จึงรวบรวมคำถามพร้อมคำตอบมาฝากกัน

 

หลุมดำมวลยิ่งยวดคืออะไร?

 

หากเราโยนก้อนหินสักก้อนออกไปจากพื้นโลก ก้อนหินนี้จะช้าลงเรื่อยๆ ก่อนจะตกกลับลงมาบนพื้นโลกในที่สุด เว้นแต่ว่าเราจะโยนก้อนหินได้เร็วพอเสียจนมันสามารถหลุดออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้ เราเรียกความเร็วต้นนี้ว่า “ความเร็วหลุดพ้น” ซึ่งแรงโน้มถ่วงของโลกทำให้บนพื้นผิวโลกนั้นมีความเร็วหลุดพ้นอยู่ที่ 11.2 กม./วินาที ซึ่งเป็นความเร็วที่เร็วมากเกินกว่าความเร็วปรกติที่เราเจอในชีวิตประจำวัน แต่หลุมดำนั้นถูกนิยามโดยบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงมากเพียงพอเสียจนความเร็วหลุดพ้นนั้นเกินกว่าความเร็วแสง ที่ 300,000 กม./วินาที และเนื่องจากแสงเป็นสิ่งที่เคลื่อนที่ได้เร็วที่สุดในเอกภพ

 

เราจึงเชื่อว่าทุกอย่างที่อยู่ภายในบริเวณที่มีความเร็วหลุดพ้นเท่านี้จะไม่สามารถหลุดออกมาได้อีก แม้กระทั่ง “ข้อมูล” ถึงเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นภายในก็ไม่สามารถหลุดออกมาบอกผู้สังเกตภายนอกได้ เราจึงเรียกขอบเขตนี้ว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (Event Horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตของหลุมดำ

 

เนื่องจากแรงโน้มถ่วงนั้นขึ้นอยู่กับทั้งขนาด และระยะห่าง หากเราสามารถบีบอัดมวลให้มีความหนาแน่น หรือขนาดเล็กเพียงพอ เราก็จะสามารถสร้างหลุมดำที่มีมวลเท่าใดก็ได้ ในทางทฤษฎีแล้วเราสามารถสร้างหลุมดำได้ในห้องทดลองจากการนำอนุภาคมวลฐานมาชนกันด้วยความเร็วที่สูงมาก เสียจนพลังงานทั้งหมดถูกอัดแน่นในปริมาตรที่เล็กเกินกว่าขนาดของอนุภาคเพื่อเกิดเป็นหลุมดำได้ อย่างไรก็ตามตามพลังงานที่ต้องใช้นั้นยังสูงเกินกว่าที่เทคโนโลยีปัจจุบันจะสามารถทำให้เป็นไปได้ นอกจากนี้หลุมดำที่มีขนาดเล็กเพียงเท่านี้นั้นจะสลายตัวไปภายในเวลาเสี้ยววินาที จึงไม่มีความเป็นกังวลว่ามันจะก่อให้เกิดอันตรายหรือกลืนกินโลกของเราไปแต่อย่างใด

 

แต่กระบวนการก่อหลุมดำที่เกิดขึ้นได้บ่อยกว่าในธรรมชาตินั้น เกิดจากดาวฤกษ์มวลขนาดมหึมา ที่สิ้นสุดเชื้อเพลิงไปในช่วงบั้นปลาย เมื่อไม่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่มาคอยทานแรงโน้มถ่วงเอาไว้ มวลขนาดมหึมาก็ยุบตัวลงเรื่อยๆ จนในที่สุดก็เป็นมวลที่มีความหนาแน่นเพียงพอที่แม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้ จนกลายเป็นหลุมดำในที่สุด ด้วยเหตุนี้หลุมดำในธรรมชาติที่เราพบ จึงมักจะเป็นหลุมดำที่มีมวลมาก เราเรียกหลุมดำที่มีมวลตั้งแต่ล้านถึงหลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ว่า “หลุมดำมวลยิ่งยวด” (supermassive black hole) ซึ่งคาดการณ์กันว่าเราอาจจะสามารถพบหลุมดำมวลยิ่งยวดเหล่านี้ได้ในใจกลางของกาแล็กซีเกือบทุกกาแล็กซี

 

ถ้าหลุมดำสามารถดูดได้แม้กระทั่งแสงทำไมเราจึงเห็นหลุมดำได้ ?

 

ในทางทฤษฎีแล้วเราจะไม่สามารถสังเกตเห็นหลุมดำได้ เนื่องจากหลุมดำนั้นดูดกลืนแสงทุกอย่างเอาไว้โดยสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม เราสามารถสังเกตเห็น “เงา” ของหลุมดำได้หากเราฉายไฟใส่มัน เนื่องจากแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของมันจะเบี่ยงแนวทางของแสงที่ควรจะเดินทางเป็นเส้นตรง ให้โค้งงอและโคจรไปรอบๆ แสงที่เฉียดเข้าใกล้เกินไปจะถูกดูดเอาไว้ แต่แสงที่เฉียดในมุมที่ห่างออกมาหน่อยจะวนอ้อมไปรอบๆ จึงปรากฏเป็นวงแหวนของแสงที่ล้อมรอบ “เงามืด” เราจึงสามารถสังเกตเห็นตำแหน่งของหลุมดำได้จากเงามืดนี้นั่นเอง

 

นอกไปจากนี้ หลุมดำที่เราสามารถสังเกตเห็นได้นั้นไม่ได้ลอยอยู่อย่างโดดเดี่ยวในอวกาศ แต่ถูกห้อมล้อมเอาไว้ด้วยดาวฤกษ์ แก๊สร้อน และสสารเป็นจำนวนมาก ณ ใจกลางของกาแล็กซีอันหนาแน่น บ่อยครั้งที่ดาวฤกษ์โคจรเข้าใกล้หลุมดำจนเกินไป แรงไทดัลอันมหาศาลของหลุมดำจะฉีกดาวฤกษ์เหล่านี้ออกเป็นชิ้นๆ และแก๊สร้อนจากดาวฤกษ์บางส่วนจะค่อยๆ วนเข้าไปสู่หลุมดำ และถูก “กลืนกิน” เข้าไป ในลักษณะของจานพอกพูนมวล (accretion disk) ราวกับน้ำวนที่วนเป็นวงแหวนรอบๆ หลุมดำ แก๊สร้อนเหล่านี้นี่เองที่เป็นสิ่งที่เราสังเกตเห็นในภาพ

 

แท้จริงแล้ว จานพอกพูนมวลรอบหลุมดำนั้นมีโครงสร้างเป็นสามมิติ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลรอบๆ หลุมดำ ทำให้เส้นทางเดินของแสงนั้นโค้งไปรอบๆ ในลักษณะคล้ายๆ กับเลนส์ เราเรียกว่า “เลนส์ความโน้มถ่วง” (gravitational lensing) ด้วยเหตุนี้ส่วนของจานพอกพูนมวลที่อยู่ “ด้านหลัง” และควรจะถูกบดบังไปด้วยหลุมดำ จึงสามารถเลี้ยวอ้อมไปรอบๆ ทำให้สามารถเห็นจานพอกพูนมวลทั้งด้านหลัง และด้านหน้าได้พร้อมๆ กัน มีลักษณะปรากฏเหมือนกับโดนัท

 

หลุมดำจะส่งผลต่อชีวิตบนโลกของเราได้หรือไม่ ?

 

หลุมดำนั้นอยู่ห่างไกลออกไปมาก แม้กระทั่ง Sgr A* ในกาแล็กซีของเราก็อยู่ห่างออกไปถึง 27,000 ปีแสง จึงไม่สามารถส่งผลอะไรได้ นอกจากนี้ หลุมดำนี้อยู่ในกาแล็กซีของเราตั้งแต่ยุคแรกๆ ของเอกภพ เกิดขึ้นมาก่อนกำเนิดระบบสุริยะ และก็มีอยู่มาตลอดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลกของเราตลอดเกือบ 4 พันล้านปีที่ผ่านมา ซึ่งเป็นที่แน่ชัดว่าตลอดหลายพันล้านปีที่ผ่านมาหลุมดำไม่ได้เป็นอันตรายต่ออย่างใดต่อชีวิตบนโลก และก็คงจะเป็นเช่นนี้ต่อไป

 

หลุมดำ SgrA* กับ M87* เหมือนหรือแตกต่างกันอย่างไร ?

 

ถ้าเราดูภาพโดยผิวเผิน เราจะเห็นว่าภาพของหลุมดำทั้งสองนั้นใกล้เคียงกันมาก ทั้งที่แท้จริงแล้วหลุมดำทั้งสองนั้นเรียกได้ว่าเป็นหลุมดำที่ต่างกัน “สุดขั้ว” สำหรับหลุมดำมวลยิ่งยวด M87* นั้นจัดเป็นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดหลุมหนึ่งในเอกภพ โดยมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราถึงกว่าหกพันล้านดวง ในขณะที่ Sgr A* นั้นจัดเเป็นขอบเขตล่างของหลุมดำมวลยิ่งยวด โดยมีมวลเพียงแค่สี่ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งเมื่อเทียบกันแล้ว เราจะพบว่ามวลของวัตถุทั้งสองนั้นมีความแตกต่างกันถึงกว่าพันเท่า

 

การที่เราสังเกตวัตถุทั้งสองมีลักษณะปรากฏใกล้เคียงกันเป็นอย่างมากนั้นเป็นสิ่งที่น่าสนใจเป็นอย่างยิ่ง ในปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ทั่วไปแล้ว เราจะพบว่าวัตถุที่มีมวลต่างกันเป็นพันเท่านั้นจะมีปฏิกิริยาและปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องแตกต่างกันเป็นอย่างมาก ดาวฤกษ์ที่มีมวลต่างกันถึงพันเท่านั้นมีทั้งกำเนิด รูปร่างปรากฏ สีสัน ขนาด ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้อง ตลอดจนมีจุดจบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง อย่างไรก็ตาม สำหรับหลุมดำนั้น ทฤษฎีสัมพัทธภาพทำนายเอาไว้ว่าแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของหลุมดำนั้นจะมีอิทธิพลมากเกินกว่าแรงและปฏิกิริยาทางเคมีหรือนิวเคลียร์ทุกอย่าง หลุมดำที่ถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วงนั้นจึงมีเพียง “ขนาด” ที่แตกต่างกันเพียงเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ทฤษฎีสัมพัทธภาพจึงทำนายว่าหลุมดำทั้งสองนั้นควรจะมีโครงสร้างของจานพอกพูนมวลที่เหมือนกัน แต่มีเพียงขนาดที่แตกต่างกันพันเท่า ซึ่งนี่ก็คือสิ่งที่เราสังเกตเห็น

 

แต่นอกจากสเกลของ “ขนาด” ที่แตกต่างกันอย่างมากแล้ว ผลที่ตามมาก็คือสเกลของ “เวลา” ก็แตกต่างกันมากเช่นกัน แก๊สร้อนที่โคจรใกล้ขอบของหลุมดำนั้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้แสง ในขณะที่แก๊สร้อนใช้เวลาโคจรรอบ M87* นานนับวันจนถึงสัปดาห์ แต่ใช้เวลาเพียงแค่ไม่กี่นาทีในการโคจรรอบขอบฟ้าเหตุการณ์ของ Sgr A* ที่มีขนาดเล็กกว่านับพันเท่า นั่นหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นรอบๆ Sgr A* นั้นเกิดขึ้นในสเกลที่ไวกว่าเป็นอย่างมาก ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างหนึ่งของการบันทึกภาพของ Sgr A* และเป็นเหตุผลสำคัญว่าทำไมเราจึงบันทึกภาพของ M87* ได้ก่อน แม้ว่า Sgr A* จะอยู่ใกล้กว่าและมีขนาดปรากฏจากโลกที่ใหญ่กว่า[1]

 

ภาพที่เราเห็นของ Sgr A* นั้น แท้จริงแล้วเปรียบได้กับภาพ “เฉลี่ย” เพราะแต่ละเฟรมของ “ภาพ” ที่ได้นั้นจะมีตำแหน่งและความสว่างของมวลสารรอบๆ หลุมดำที่แตกต่างกันออกไป คล้ายกับการถ่ายวีดีโอของภูเขาที่มีเมฆไหลผ่านอยู่ตลอดเวลา การจะนำภาพเพื่อมาแสดงแทนภาพของภูเขานั้น จึงทำได้โดยการนำเอาภาพที่มีลักษณะใกล้เคียงกันมารวมไว้ด้วยกัน จากนั้นจึงนำภาพเฉลี่ยของกลุ่มที่เป็นตัวแทนของหลุมดำที่ดีที่สุดมาแสดงเป็นภาพสุดท้าย ซึ่งสามารถดู animation อธิบายได้ที่[2]

 

นอกจากขนาดที่แตกต่างกันแล้ว อีกสิ่งหนึ่งที่หลุมดำทั้งสองแตกต่างกันเป็นอย่างมาก ก็คืออัตราที่มวลกำลังตกลงสู่หลุมดำ ทุกวันนี้เราทราบกันว่าใจกลางของเกือบทุกกาแล็กซีนั้นจะมีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ อย่างไรก็ตาม แต่ละหลุมดำกำลังกลืนกินมวลในอัตราที่ไม่เท่ากัน ในบางครั้งเราจะพบกับหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีที่กำลังดูดกลืนแก๊สเป็นจำนวนมาก ซึ่งแก๊สที่กำลังหมุนวนเข้าสู่หลุมดำนี้บางส่วนจะถูกดีดออกไปตามขั้วของจานพอกพูนมวล ส่งออกมาเป็นเจ็ท พร้อมกับปล่อยคลื่นวิทยุพลังงานมหาศาลออกมาเป็นวัตถุที่เรารู้จักกันในนามของ “แก่นกาแล็กซีกัมมันต์” (Active Galactic Nuclei) หรือ AGN

 

หลุมดำ M87* นั้นเป็นหนึ่งใน AGN ที่เราค้นพบ และเราสามารถสังเกตเห็นเจ็ทที่พุ่งออกไปจากใจกลางกาแล็กซีเป็นระยะทางได้ถึงกว่า 5,000 ปีแสง ในทุกๆ วัน หลุมดำนี้จะกลืนกินมวลเทียบเท่ากับมวลของโลกกว่า 90 ดวง หรือหนึ่งในสิบของมวลดวงอาทิตย์ในทุกๆ ปี

 

ในทางตรงกันข้าม หลุมดำ Sgr A* ณ​ ใจกลางกาแล็กซีของเรานั้นเป็นหลุมดำที่มีอัตราการกลืนกินมวลที่ต่ำมากๆ โดยในหนึ่งปีมีการกลืนกินมวลเข้าไปเพียงไม่ถึงหนึ่งในแสนเท่าของมวลดวงอาทิตย์ หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ หลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของเรานั้นราวกับกำลังอยู่ในช่วง “ไดเอ็ท” หากเราเปรียบเทียบมวลของหลุมดำเท่ากับมวลของมนุษย์แล้ว เราจะพบว่าหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของเรากำลัง “กิน” อาหารในอัตราเท่ากับมนุษย์หนึ่งคนที่กินข้าวหนึ่งเมล็ดทุกๆ หมื่นปี ซึ่งเรายังไม่ทราบว่าการ “อดอาหาร” ของหลุมดำนี้เป็นเพียงสถานการณ์ชั่วคราว เป็นวัฎจักรที่เกิดขึ้นเป็นประจำสำหรับหลุมดำทั่วๆ ไปหรือไม่ หรือนี่เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นตลอดสำหรับหลุมดำ ณ ใจกลางของกาแล็กซีบางกาแล็กซี แต่การศึกษาเปรียบเทียบหลุมดำทั้งสองนี้จะช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์เช่นนี้ได้ดียิ่งขึ้น

 

ภาพของหลุมดำนี้เหมือนหรือแตกต่างจากหลุมดำgargantuanในภาพยนต์เรื่องinterstellarอย่างไร ?

 

จากหนังสือเรื่อง “The science of Interstellar” ที่เขียนโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Kip Thorne ผู้ซึ่งเป็นผู้ให้คำแนะนำทางวิทยาศาสตร์แก่ภาพยนต์เรื่องนี้ ได้ประมาณมวลของ gargantuan เอาไว้ที่ประมาณ 100 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งจัดอยู่ในช่วงมวลที่เป็นไปได้ของหลุมดำมวลยิ่งยวด และอยู่ระหว่างมวลของหลุมดำทั้งสองที่เคยบันทึกภาพเอาไว้โดย EHT (ลองดูวีดีโอเบื้องหลังการจำลอง gargantuan ได้ที่[3])

 

ภาพจำลองของ gargantuan ในภาพยนต์นั้นถูกคำนวณผ่านคอมพิวเตอร์ด้วยสมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพปัจจุบันที่เรารู้จัก และจัดเป็น simulation ที่สมบูรณ์แบบที่สุดชิ้นหนึ่งของหลุมดำเท่าที่เคยมีการบันทึกภาพกันมา แม้กระนั้นก็ตาม รายละเอียดหลายอย่างเกี่ยวกับ simulation ก็ต้องมีการดัดแปลงเพื่ออรรถรสในการชมภาพยนต์

 

จากในภาพยนต์ เราจะเห็นว่าหลุมดำนั้นมี accretion disk คล้ายวงแหวนของดาวเสาร์ นอกจากนี้เราจะสามารถเห็นส่วน “ด้านหลัง” ของวงแหวนที่ค้อยๆ “อ้อม” ตามแรงโน้มถ่วงไปด้านบนและด้านล่างของหลุมดำ ปรากฏเป็นรูปวงแหวน ใกล้เคียงกับภาพที่เราสังเกตได้ใส M87* และ Sgr A*

 

Accretion disk รอบ gargantuan ในภาพยนต์นั้นมีความบางเป็นอย่างมาก โดยทางทฤษฎีแล้ว เราทำนายว่ายิ่งหลุมดำมีอัตราในการกลืนกินมวลเข้าสู่จานพอกพูนมวลมากเพียงใด จะยิ่งทำให้จานพอกพูนมวลนั้น “แบน” มากขึ้นเท่านั้น ซึ่งทั้งหลุมดำ M87* และ Sgr A* ต่างก็มีอัตราการดูดกลืนมวลที่น้อยกว่าเป็นอย่างมาก วงแหวนที่เห็นนั้นจึงเป็นวงแหวนที่ “มัว” และพร่ากว่าในภาพยนต์เป็นอย่างมาก ปรากฏเป็นเพียงโดนัทเบลอๆ ตามที่เราเห็น

 

สิ่งที่แตกต่างกันมากที่สุดระหว่างภาพยนต์และภาพถ่ายก็คือ ภาพถ่ายที่เราเห็นนี้เป็นภาพที่ได้จากสัญญาณในช่วงคลื่นวิทยุในย่านอินฟราเรดไกล ในขณะที่ในภาพยนต์ปรากฏอยู่ในช่วงคลื่นแสงที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ ในปัจจุบันนี้เรายังไม่มีข้อมูลว่าหลุมดำจะมีสภาพปรากฏเป็นอย่างไรในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็น เนื่องจากหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีนั้นมักจะถูกบดบังเอาไว้ด้วยฝุ่นอันหนาทึบ นอกจากนี้เรายังไม่มีกล้องโทรทรรศน์ในช่วงคลื่นแสงที่ตามองเห็นใดที่มีกำลังแยกเพียงพอที่จะสามารถสังเกตวัตถุที่มีขนาดเล็กเช่นนี้ได้ แต่จากอัตราการพอกพูนมวล และ gravitational redshift ที่ทำให้แสงที่ออกมาจากหลุมดำเลื่อนไปในทางแดง อาจจะเป็นไปได้ว่ามนุษย์ที่มองออกไปนอกหน้าต่างยานอวกาศที่โคจรอยู่รอบๆ หลุมดำ อาจจะไม่ได้สังเกตเห็นจานพอกพูนมวลสว่างในช่วงคลื่นที่ตามองเห็นก็เป็นได้

 

เรียบเรียง: ดร. มติพล ตั้งมติธรรม นักวิชาการดาราศาสตร์ สดร.

อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:

[1] https://www.youtube.com/watch?v=tYUTIXf5zn0...

[2] https://www.youtube.com/watch?v=dXRACQC9kU0...

[3] https://www.youtube.com/watch?v=MfGfZwQ_qaY...