เบื้องหลังเบื้องลึกและที่มาของภาพถ่ายหลุมดำภาพแรกในประวัติศาสตร์

เมื่อวันที่ 10 เมษายน 2019 นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างความตื่นตาตื่นใจให้กับผู้คนทั่วโลกเมื่อได้เปิดเผยภาพถ่ายหลุมดำโดยตรงภาพแรกในประวัติศาสตร์ทั้งๆที่หลุมดำเป็นสิ่งที่มองไม่เห็น นี่คือความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางวิทยาศาสตร์ มันได้พิสูจน์ยืนยันแนวคิดจินตนาการและทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำ และเป็นอีกครั้งหนึ่งที่ได้ยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตล์ถูกต้อง

หลุมดำ (Black hole) เป็นบริเวณที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนสามารถดึงดูดทุกสิ่งทุกอย่างเอาไว้ได้ทั้งหมด ไม่มีสิ่งใดสามารถหลุดพ้นออกจากบริเวณนี้ได้แม้กระทั่งแสง ดังนั้นมันจึงเป็นสิ่งที่มองไม่เห็นแต่สามารถรู้ถึงการคงอยู่ของมันได้จากผลกระทบของแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของมัน ขอบของหลุมดำซึ่งเป็นพื้นที่ตามรัศมีจากจุดศูนย์กลางเรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) วัตถุใดก็ตามที่ผ่านเข้าไปด้านในของขอบฟ้าเหตุการณ์แล้วจะไม่สามารถกลับออกมาได้อีก ขนาดของหลุมดำขึ้นอยู่กับขนาดมวลของมันเอง ถ้าหากบีบอัดดวงอาทิตย์ให้เล็กลงจนกลายเป็นหลุมดำจะมีขนาดราว 6 กม. หรือถ้าบีบอัดโลกให้เป็นหลุมดำจะมีขนาดเพียง 9 มม.เท่านั้น

มนุษย์โลกเริ่มมีแนวคิดเกี่ยวกับหลุมดำหลังจากไอแซก นิวตันได้เปิดเผยความลับของแรงโน้มถ่วงในหนังสือ Principia อันลือลั่นของเขาเมื่อปี 1687 แต่ต้องรออีกกว่าศตวรรษก่อนที่ John Michell จะได้เสนอแนวคิดเรื่องดาวมืด หรือ Dark star ในปี 1784 ว่ามีดาวฤกษ์ที่มีมวลสูงมากจนทำให้ความเร็วหลุดพ้น (Escape Velocity) เท่ากับหรือมากกว่าความเร็วแสง แสงใดๆที่เปล่งออกมาจากดาวฤกษ์นั้นจะถูกจับเอาไว้ด้วยแรงโน้มถ่วงของมันเองทำให้มันมืดมองไม่เห็นอันเป็นที่มาของชื่อดาวมืด นี่จึงเป็นจุดเริ่มต้นการศึกษาค้นคว้าความลี้ลับของหลุมดำ

แต่คนส่วนใหญ่เริ่มเชื่อว่าดาวมืดหรือหลุมดำนี้ว่ามีอยู่จริงหลังจากที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอันน่าพิศวงงงงวยและเข้าใจได้ยากที่สุดในปี 1915 ซึ่งมันได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องเป็นครั้งแรกในปี 1919 ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำให้พบปรากฏการณ์ใหม่อีกหลายอย่าง เช่น แสงเดินทางเป็นเส้นโค้งเมื่อผ่านความโค้งของกาลอวกาศ เวลาช้าลงจากความโน้มถ่วง คลื่นความโน้มถ่วง รวมทั้งเรื่องหลุมดำ นักวิทยาศาสตร์ได้นำผลพวงของสมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาใช้ในการทำนายและอธิบายลักษณะของหลุมดำอย่างต่อเนื่องเรื่อยมา ทำให้เกิดความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำมากขึ้นเป็นลำดับ

first-black-hole-image-2

ปี 1916 Karl Schwarzschild สามารถแก้สมการในทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ได้อันเป็นที่มาของสมการคำนวณขนาดของหลุมดำหรือขนาดของขอบฟ้าเหตุการณ์ที่เรียกว่า Schwarzschild radius ต่อมามีการพัฒนาทฤษฎีหลุมดำที่เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ด้วยแรงโน้มถ่วงของมันเอง รวมไปถึงการดึงดูดเอาวัตถุต่างๆโดยรอบเข้าไปอยู่ในหลุมดำเกิดเป็นหลุมดำขนาดมหึมาซึ่งส่วนใหญ่มักจะอยู่ที่ศูนย์กลางของกาแล็กซี่และมีอิทธิพลต่อความเป็นไปของกาแล็กซี่ต่างๆในเอกภพ รวมทั้งมีอยู่ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราด้วย

วัตถุที่ถูกค้นพบและได้รับการยอมรับว่าเป็นหลุมดำเป็นครั้งแรกคือ Cygnus X-1 ซึ่งถูกค้นพบในปี 1971 หลุมดำ Cygnus X-1 อยู่ในกระจุกดาว Cygnus ห่างจากโลกราว 6,070 ปีแสง ต่อมามีการค้นพบหลุมดำเพิ่มเติมอีกจำนวนมาก คำว่า Black hole ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในปี 1967 โดย John Wheeler และได้รับความนิยมถูกนำมาใช้เรียกปรากฏการณ์ลึกลับนี้เรื่อยมาจนชาวโลกคุ้นเคย แต่ถึงจะคุ้นเคยแค่ไหนก็ยังไม่ค่อยเข้าใจอยู่ดีว่ามันคืออะไร หน้าตาเป็นอย่างไร หลุมดำที่มีการค้นพบเป็นการอาศัยลักษณะและผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมันที่สอดคล้องกับทฤษฎีหลุมดำ ยังไม่เคยมีหลักฐานเชิงประจักษ์โดยเฉพาะภาพถ่ายที่สามารถยืนยันการมีอยู่จริงของมันเลย แต่การถ่ายภาพหลุมดำที่ลึกลับมืดมิดไกลโพ้นเป็นเรื่องที่แทบเป็นไปไม่ได้

Heino Falcke นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันผู้ศึกษาเรื่องหลุมดำมาตลอดชีวิตผุดไอเดียเรื่องการถ่ายภาพขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่เท่ากับโลก (จะเรียกว่าถ่ายภาพหลุมดำก็ได้เพราะเรารู้อยู่แล้วว่าหลุมดำคือความมืดมิดดำสนิทภายในขอบฟ้าเหตุการณ์) ปี 2013 เขาได้รับทุนจากสภาวิจัยสหภาพยุโรป 14 ล้านยูโรเพื่อทำโครงการตามแนวคิดของเขา Falcke ร่วมกับนักดาราศาสตร์อีกหลายคนจัดตั้งโครงการความร่วมมือระหว่างประเทศเพื่อรวมกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีอยู่ทั่วโลกให้กลายเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุเสมือนจริงที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับโลกเรียกว่า Event Horizon Telescope (EHT)

first-black-hole-image-3

 
โครงการนี้เป็นการร่วมมือของสถาบันและมหาวิทยาลัยหลัก 13 แห่ง รวมทั้งสถาบันและมหาวิทยาลัยที่เข้ามามีส่วนร่วมอีกเกือบ 60 แห่งทั่วโลก มีเป้าหมายถ่ายภาพหลุมดำ 2 จุดสำคัญได้แก่หลุมดำ Sagittarius A* ที่อยู่ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือก และหลุมดำที่อยู่ใจกลางกาแล็กซี่ Messier 87 (M87) ซึ่งเป็นหลุมดำขนาดใหญ่มากมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 6.5 พันล้านเท่า อยู่ห่างจากโลก 55 ล้านปีแสง พวกเขาใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุหลัก 8 แห่งที่กระจายอยู่ทั่วโลกถ่ายภาพหลุมดำแล้วนำข้อมูลทั้งหมดมารวมกันเพื่อให้เป็นเสมือนหนึ่งว่าถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่เท่ากับโลก และเพื่อให้ข้อมูลจากแต่ละแห่งเป็นข้อมูล ณ เวลาเดียวกันจริงๆจึงมีการติดตั้งนาฬิกาอะตอมที่มีความละเอียดมากที่สุดไว้ที่แต่ละสถานี

หลุมดำทั้งสองแห่งถูกจับภาพตั้งแต่ปี 2017 หลังจากนั้นข้อมูลถูกนำไปประมวลผลโดยซุปเปอร์คอมพิวเตอร์โดยใช้อัลกอริทึมซึ่งเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ออกแบบมาโดยเฉพาะ สิ่งพิเศษได้เกิดขึ้นเมื่อ 3 ปีก่อนขณะที่ Katie Bouman ยังเป็นนักศึกษาสาวระดับปริญญาเอกอยู่ที่ MIT เธอได้ออกแบบอัลกอริทึมที่ใช้สำหรับประมวลผลข้อมูลเพื่อสร้างภาพหลุมดำ โปรแกรมคอมพิวเตอร์ของเธอถูกใช้ประมวลผลและสร้างภาพหลุมดำ M87 เป็นผลสำเร็จ Katie Bouman ที่ปัจจุบันทำงานอยู่ในทีมสร้างภาพหลุมดำในโครงการ EHT ร่วมกับมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดมองภาพหลุมดำภาพแรกจากฝีมือของเธอเองอย่างไม่เชื่อสายตา

first-black-hole-image-4

10 เมษายน 2019 ภาพถ่ายหลุมดำภาพแรกในประวัติศาสตร์ถูกเผยแพร่ออกไปทั่วโลก นี่เป็นก้าวสำคัญอีกก้าวหนึ่งของมนุษยชาติ ธรรมชาติอันลี้ลับของหลุมดำถูกเปิดเผยออกมาผ่านทางภาพถ่ายที่เดิมไม่มีใครคิดว่าเป็นไปได้ ภาพแรกของหลุมดำที่เห็นวงแหวนสว่างเรืองสีส้ม-เหลืองรอบแกนกลางดำมืดที่สวยงามแปลกตานี้สอดคล้องกับทฤษฎีหลุมดำซึ่งมีพื้นฐานมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตล์ เป็นอีกครั้งหนึ่งที่ได้ยืนยันทฤษฎีของไอน์สไตน์ที่เขียนขึ้นเมื่อกว่า 200 ปีก่อนถูกต้อง และในอนาคตอันใกล้เราคงจะได้ยลโฉมหลุมดำ Sagittarius A* ที่อยู่ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา เพราะภาพถูกจับไว้ในปี 2017 เหมือนกันรอเพียงการประมวลผลและสร้างภาพเท่านั้น

first-black-hole-image-5

first-black-hole-image-6

 

ข้อมูลและภาพจาก space, sciencealert, bbc

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *