วงโคจรของดวงดาวรอบหลุมดำได้พิสูจน์ว่าทฤษฎีของไอน์ไสตน์ถูกต้องอีกครั้ง

หลังจากพยายามติดตามสังเกตการโคจรของดาวดวงหนึ่งรอบหลุมดำใหญ่ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือกมานานเกือบ 30 ปี นักวิทยาศาสตร์พบว่าเส้นทางโคจรของมันเป็นรูปลายดอกกุหลาบซึ่งสอดคล้องกับการทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นี่เป็นอีกครั้งหนึ่งที่ทฤษฎีอันโด่งดังนี้ได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริง

ไอน์สไตน์ได้ตีพิมพ์ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปี 1915 ในช่วงแรกยังไม่มีใครเชื่อเพราะไม่มีการทดลองใดๆมาสนับสนุนคำทำนายของทฤษฎี จนกระทั่งปี 1919 นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ Arthur Eddington ได้พิสูจน์ด้วยการวัดแสงดาวที่ถูกดวงอาทิตย์บดบังขณะเกิดสุริยุปราคาแล้วพบว่าแสงดาวเดินทางเป็นเส้นโค้งที่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เหตุการณ์ที่ตามมาคือหนังสือพิมพ์ The Times พาดหัวข่าวหน้าหนึ่งว่าทฤษฎีของนิวตันที่โลกได้ใช้มานานกว่าสองศตวรรษได้ถูกปรับปรุงเป็นครั้งแรกโดยไอน์สไตน์จนฮือฮาไปทั่วโลก

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังได้แก้ปัญหาที่คาใจนักฟิสิกส์มานานนับศตวรรษเกี่ยวกับการโคจรของดาวพุธซึ่งมีลักษณะพิเศษเป็นวงรีที่มีการส่ายไปมาเป็นรูปลายดอกกุหลาบ (ดังรูปด้านล่าง) ไม่เป็นวงรีวงเดียวตามการคำนวณโดยใช้กฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน แต่เมื่อใช้การคำนวณวงโคจรของดาวพุธด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะให้ผลตรงกับที่สังเกตได้จริง ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปยังคาดการณ์การเลื่อนไปทางแดง (Gravitational redshift) ของแสงภายใต้สนามแรงโน้มถ่วงเข้มข้นซึ่งได้รับการยืนยันด้วยการวัดการเลื่อนไปทางแดงในแสงของดาวแคระขาวเมื่อปี 1954 รวมทั้งมีการพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีนี้อีกหลายครั้งในช่วงร้อยปีที่ผ่านมา

s2-orbit-3

ทีมนักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์ VLT (Very Large Telescope) ที่ประเทศชิลีติดตามเส้นทางโคจรของดาว S2 รอบหลุมดำ Sagittarius A* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Blackhole) ที่อยู่ตรงใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือก มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 4 ล้านเท่า อยู่ห่างจากโลก 26,000 ปีแสง ดาว S2 น่าสนใจตรงที่มันเป็นหนึ่งในดาวที่โคจรเข้าใกล้หลุมดำ Sagittarius A* มากที่สุดที่ระยะ 20,000 ล้านกิโลเมตร และโคจรด้วยความเร็วเกือบ 3% ของความเร็วแสง ใช้เวลาในการโคจรแต่ละรอบนาน 16 ปี

ทีมวิจัยติดตามการโคจรของดาว S2 นาน 27 ปีซึ่งมันโคจรรอบหลุมดำ Sagittarius A* ไปราว 2 รอบครึ่ง พวกเขาตรวจวัดตำแหน่งและความเร็วของดาว S2 ราว 330 ครั้งจนได้ข้อมูลมากพอที่จะสามารถเขียนวงโคจรของมันอย่างละเอียดได้ นักวิจัยพบว่าการโคจรของดาว S2 ตรงกับที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ทำนายเอาไว้คือแต่ละครั้งที่มันโคจรเข้าใกล้หลุมดำมันจะถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำดึงดูดให้วงโคจรของมันเปลี่ยนไปเล็กน้อยจนทำให้เส้นทางโคจรของมันมีรูปร่างเหมือนลายดอกกุหลาบ

s2-orbit-2

“ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าการโคจรของวัตถุหนึ่งรอบวัตถุอื่นจะไม่เป็นวงปิดแบบกฎความโน้มถ่วงสากลของนิวตันแต่มีการควงส่ายในระนาบการเคลื่อนที่” Reinhard Genzel หนึ่งในทีมวิจัยกล่าว “ปรากฏการณ์นี้ถูกอธิบายด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปครั้งแรกในวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ 100 ปีต่อมาเราพบปรากฏการณ์เดียวกันที่ใจกลางของกาแล็กซี่ทางช้างเผือก”

ส่วนในระยะต่อไปคงจะต้องอาศัยกล้องโทรทรรศน์ ELT (Extremely Large Telescope) ที่กำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้างซึ่งมันถูกวางแผนให้เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเห็นดวงดาวที่จางมากๆที่โคจรอยู่ใกล้กับหลุมดำ

“ถ้าเราโชคดีเราอาจตรวจจับดาวที่อยู่ใกล้พอที่พวกมันจะรู้สึกถึงการหมุนวนและหมุนรอบตัวของหลุมดำ” Andreas Eckart นักวิจัยอีกคนหนึ่งของโครงการกล่าว “นั่นจะเป็นการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในระดับที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงอีกครั้ง”

 

ข้อมูลและภาพจาก arstechnica, sciencedaily

Leave a Reply

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