ตามล่าหาหลุมดำ 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 หลุมดำคืออะไรกันแน่ เกิดขึ้นมาได้อย่างไร โลกของเราจะถูกมันกลืนเข้าไปหรือไม่ ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างหลุมดำได้หรือไม่ มาหาคำตอบเหล่านี้ด้วยกันสิครับ เราจะมาตามล่าหา Black Hole กัน ตำนานของดวงดาว
ดาวที่จะกลายเป็นหลุมดำนั้นคือ "ดาวฤกษ์" หรือดาวที่มีแสงสว่างในตัวเอง เช่น ดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นก้อนก็าซร้อนๆที่ลอยเคว้งคว้างอยู่ในอวกาศ โดยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบหลักพลังงานที่เราได้รับจากดวงอาทิตย์นั้น เกิดจากปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ในแกนกลางของดาวและปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ว่านี้นอกจากจะให้แสงสว่างแล้ว ยังทำให้เกิดแรงดันมหาศาลจากภายในดาวซึ่งจะทำหน้าที่พยุงไม่ให้ดาวทั้งดวงเกิดการยุบตัวลง
เพราะว่าตามธรรมชาติแล้ววัตถุทุกชนิดจะมีแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงดึงดูดนี้ขึ้นกับมวลของวัตถุนั้นๆ ยิ่งมีมวลมากแรงก็จะยิ่งมาก ดวงดาวต่างๆที่เราเห็นบนท้องฟ้านั้น มีมวลมากมายมหาศาล แต่ละอนูแต่ละโมเลกุลของมันก็จะดึงดูดกันและกัน ตามกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน แรงดึงดูดที่ว่านี้มีความแรงมหาศาล หากว่าไม่มีแรงต้านจากปฎิกริยานิวเคลียร์แล้วดาวทั้งดวง ย่อมยุบตัวลงเหลือขนาดนิดเดียว
นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาปรากฎการณ์การยุบตัวของดวงดาวทั้งในทางทฤษฏี | ||||||
จันทราสิขากับดาวแคระขาว คนแรกที่สามารถไขความลับเรื่องการยุบตัวของดวงดาวคือ นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย ดร. สุบามายันต์ จันทราสิขา (Subrahmanyan Chandrasekhar) จันทราสิขาพบว่า ในดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่า 1.4เท่าของดวงอาทิตย์ (โดยประมาณ) เมื่อเผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จนหมดแล้วจะเกิดการยุบตัวลง เป็นวัตถุท้องฟ้าที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (white dwarf)
จากการคำนวนโดยอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) พบว่า (หมายเหตุ ค่าจำกัดของมวลนี้เรียกว่า ลิมิตของจันทราสิขา, Chandrasekhar limit, เพื่อเป็น เกียรติแก่จันทราสิขานั่นเอง) | ||||||
ดาวนิวตรอน ในกรณีที่ดาวมีมวลมากกว่า..Chandrasekhar..limit..แรงจากอิเลคตรอนจะไม่สามารถยับยั้งการยุบตัวของดาวได้อีก ดาวจะยุบตัวลงจนอัดนิวเคลียสของอะตอมต่างๆเข้าใกล้กัน เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ ที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอน หรือที่รู้จักกันในชื่อ " ดาวนิวตรอน " ในทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์นั้นนิวเคลียสของธาตุต่างๆประกอบด้วยอนุภาคสองชนิดคือโปรตอนและนิวตรอน ที่น่าสนใจคือเจ้าอนุภาคทั้งสองนี่มีนิสัยไม่ชอบอยู่ใกล้ๆกันเหมือนอิเลคตรอน ดังนั้นเมื่อถูกอัดให้ใกล้กันมากๆมันก็จะเกิดแรงผลักกันเกิดเป็น degeneracy pressure เช่นเดียวกับกรณีของอิเลกตรอนในดาวแคระขาว แต่ที่น่าสงสัยยิ่งไปกว่านั้นคือ อนุภาคโปรตอนหายไปใหน ทำไมดาวทั้งดวงจึงมีแต่นิวตรอน??? โดยธรรมชาติ นิวตรอน สามารถสลายตัวให้ โปรตอน อิเลกตรอน กับ นิวตริโน (neutrino)ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Beta-Decay process ซึ่งเป็นการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีซึ่งให้อนุภาคเบต้า (อนุภาคเบต้า ก็คืออิเลกตรอนนั่นเอง) แต่ในดาวนิวตรอนนั้นมีความดันสูงมากจึงทำให้เกิดปฎิกริยาย้อนกลับที่เรียกกันว่าปรากฏการณ์ Inverse Beta decay คืออิเลคตรอนรวมกับโปรตอน เกิดเป็นนิวตรอนและ นิวตริโน ในสภาพปกติ นิวตรอน และ นิวตริโน ที่เกิดขึ้น จะรวมตัวกลับไปเป็นโปรตอนดังเดิมแต่เนื่องจากนิวตริโนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ด้วยอัตตราเร็วเกือบๆเท่าแสง มันจึงหนีออกจากดาวหมด ปฎิกริยาย้อนกลับจึงเกิดได้ไม่สมบรูณ์ เป็นสาเหตุให้โปรตอนถูกใช้หมดไป ดาวทั้งดวงจึงเหลือแต่นิวตรอนในที่สุด
หลายคนอาจสงสัยว่า ดวงอาทิตย์ของเราจะมีโอกาสเป็นหลุมดำได้หรือไม่ คำตอบคือ ไม่เนื่องจากว่ามันมีมวลน้อยกว่าลิมิตของจันทราสิขา ดังนั้นเมื่อดวงอาทิตย์เผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมดไป มันจะค่อยๆกลายเป็นดาวแคระขาวแทน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทำนายว่า ก่อนที่ดวงอาทิตย์จะยุบตัวนั้น มันจะขยายตัวก่อน และ อาจจะกลืนดาวเคราะห์วงในเช่นดาวพุธเข้าไป ซึ่งแน่นอนว่าถ้าวันนั้นมาถึง โลกจะต้องพบภัยภิบัติอย่างไม่ต้องสงสัย แต่นั่นคงเป็นอีกหลายพันล้านปีข้างหน้า ดวงอาทิตย์ยังมีเชื้อเพลิง ส่องแสงสว่างให้มนุษย์ อีกนานแสนนาน
| ||||||
ความลับของแรงโน้มถ่วง ผู้อ่านอาจมีความสงสัยว่าหลุมดำนั้นเอาแรงดึงดูดมากมายมหาศาลมาจากไหนทั้งๆที่มันเป็นเพียงดาวที่ตายดับแล้ว ถ้าจะไขความลับของหลุมดำ เราคงต้องมาทำความเข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงเพิ่มเติมเป็นเรื่องแปลกไม่น้อย ที่ถึงแม้ว่าในปัจจุบันเราจะสามารถเอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกออกไปสู่ห้วงอวกาศได้แต่ก็ยังไม่มีนักวิทยาศาสตร์เข้าใจธรรมชาติของแรงโน้มถ่วงอย่างชัดเจนพฤติกรรมของมันยังคงเป็นปริศนาอยู่จนถึงทุกวันนี้
ในปี ค.ศ. ๑๙๑๕ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้เสนอแนวคิดของเขาในการอธิบายแรงโน้มถ่วง ซึ่งทุกคนรู้จักในชื่อ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป หรือ General Relativity ไอน์สไตน์อธิบายว่า แรงโน้มถ่วงจากดวงดาวต่างๆก็คือความโค้งของอวกาศรอบๆดวงดาวเหล่านั้น ซึ่งเกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับที่ลูกตุ้มกระทำต่อผืนผ้าใบ ยิ่งมวลของดาวมีค่ามากความโค้งของอวกาศก็มีค่ามาก ทำให้แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากดาวนั้นมีค่ามากตามไปด้วย ไอน์สไตน์ได้ใช้วิชาเรขาคณิตเขียนความคิดของเขาออกมาเป็นสูตรคณิตศาสตร์ที่เรียกกันว่า
คำตอบแรกของสมการสนามนี้ค้นพบโดยนักฟิสิกส์ ชื่อ คาร์ล ชว็าชชิลล์ (Karl Schwarzschild) เพียงไม่กี่เดือนหลังจากที่ ไอน์สไตน์ประกาศทฤษฏีของเขา ชว็าซชิลล์ได้พิจารณาความโค้งของอวกาศรอบๆ ดาวที่มีรูปทรงเป็นทรงกลมสมบรูณ์และไม่หมุนรอบตัวเอง คำตอบที่Schwarzschildค้นพบมีสิ่งน่าตื่นเต้นคือ ที่ระยะห่างค่าหนึ่งจากใจกลางของดวงดาว ซึ่งเรียกว่า รัศมีของSchwarzschild ความโค้งของอวกาศมีค่ามาก มากเสียจนขนาดที่ว่า แม้แต่แสงก็ยังถูกกักขังเอาไว้ได้
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 ดังนั้นดวงอาทิตย์จึงไม่มีคุณสมบัติของหลุมดำปรากฎออกมาให้เห็นน่าเสียดาย... เพียงแค่ 4 เดือนหลังจากที่ผลงานของเขาเป็นที่ยอมรับ Schwarzschildก็ถูกส่งไปทำการรบในมหาสงครามโลกครั้งที่ 1 สังกัดกองทัพบกเยอรมันนี และเสียชีวิตลงณ.ชายแดนประเทศรัสเซีย ... สงครามช่างทำลายได้ทุกอย่างจริงๆ
จะเห็นได้ว่าขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นเสมือนจุด " ไปไม่กลับ " คือ ถ้าเราเกิดหลงเข้าไปใกล้เจ้าหลุมดำเกินกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์แล้วล่ะก็ เราหมดสิทธิ์ที่จะกลับออกมา คำถามก็คือถ้าเกิดตกลงไปเกินกว่าจุด "ไปไม่กลับ" แล้วผลจะเป็นอย่างไร ตามทฤษฎีแล้วภายในหลุมดำแรงดึงดูดจะมีค่าเพิ่มขึ้นมหาศาลเหมือนโกหก โดยเฉพาะที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำนั้น ทฤษฎีทำนายไว้ว่ามีแรงดึงดูดมากมายจนไม่สามารถวัดได้ หรือที่เรียกว่า เป็นค่าอนันต์เลยทีเดียว หลายท่านอาจจะยังนึกภาพไม่ออกว่า แรงดึงดูดมากมหาศาลเป็นอนันต์นั้น มันมากขนาดใหนกันแน่ จะลองยกตัวอย่างในกรณีดาวที่มีมวลมากๆ เช่น ดาวนิวตรอน แรงดึงดูดของมัน สามารถฉีกเราให้เป็นชิ้นๆได้ทีเดียว ที่ใช้คำว่า "ฉีก" ก็เพราะว่าเราจะรู้สึกเหมือนโดนฉีกให้ขาดออกจากกันจริงๆขนาดความแรงของแรงโน้มถ่วงนั้น ขึ้นอยู่กับระยะห่างจากจุดศูนย์กลางดวงดาว คือยิ่งใกล้ดาวมากแรงดึงดูดก็จะยิ่งมาก สำหรับวัตถุใดๆก็ตามที่อยู่ให้อิทธิพลของแรงชนิดนี้ ส่วนของวัตถุด้านอยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของดาวมากกว่าจะได้รับอิทธิพลของแรงดึงดูดมากกว่าด้านที่อยู่ไกล ออกไปตาม กฎข้อที่สองของนิวตัน แรงที่กระทำกับวัตถุแปรผันตรงกับความเร่ง ดังนั้นเมื่อแรงที่กระทำต่อทั้งสองด้านไม่เท่ากัน ความเร็วก็ย่อมไม่เท่ากัน สมมุติว่าตัวของเราส่วนล่างของเราเกิดวิ่งเร็วกว่าส่วนบนขึ้นมา จะเกิดอะไรขึ้น? ผลก็คือตัวเราก็จะถูกฉีกขาดออกเป็นสองท่อนนั่นเอง ปรากฎการณ์ดังกล่าวเรียกว่า Tidal force ที่เรียกว่า Tidal ก็เพราะว่าคำอธิบายเดียวกันสามารถนำไปอธิบายได้ว่า ทำไมน้ำขึ้นน้ำลง ถึงเกิดขึ้นวันละสองครั้ง
ไอน์สไตน์นั้นค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป จากจินตนาการ และ สมการบนแผ่นกระดาษหลายคนอาจไม่แน่ใจว่า ความคิดที่แทนแรงโน้มถ่วงด้วยความโค้งของอวกาศนั้นถูกต้องและใช้ได้จริง ในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมา ทฤษฎีของไอน์สไตน์ได้รับการพิสูจน์มาแล้วนับครั้งไม่ถ้วนการทดลองทางดาราศาสตร์ต่างๆล้วนแต่ยืนยันความถูกต้องของทฤษฎี เช่น การสังเกตวงโคจรของดาวพุธและ ปรากฎการณ์ Gravitational Lens เป็นต้น นอกจากนี้ในปัจจุบันมีการค้นหลายๆปรากฎการณ์ที่ยืนยันการมีอยู่จริงของหลุมดำ หลักฐานเหล่านี้เป็นข้อพิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีความแม่นยำ และเชื่อถือได้ในระดับหนึ่ง (เมื่อไม่คำนึงถึงผลทางควอนตัมฟิสิกส์) | ||||||
ออกล่า เจ้ายักษ์ดำ แรงดึงดูดอันมหาศาลของหลุมดำนั้น ทำให้การสังเกตและตรวจพบหลุมดำ ทำได้ยากลำบากมาก เพราะในทางดาราศาสตร์นั้น เราสังเกตดวงดาวและวัตถุท้องฟ้าโดยการตรวจวัดแสงสว่างที่สะท้อน หรือเกิดมาจากวัตถุเหล่านั้น การจะค้นหาวัตถุที่ไม่มีแสงสว่างหลุดออกอย่างในกรณีของหลุมดำนั้น ยากยิ่งกว่างมเข็มในมหาสมุทรเสียอีก มาให้เห็นในท้องฟ้าที่กว้างใหญ่มหาศาลนั้น ถ้าเช่นนั้นเราจะค้นหาเจ้าหลุมดำได้อย่างไร ? นักดาราศาสตร์เขาหาเจ้าหลุมดำโดยใช้วิธีอ้อมๆ ซึ่งพอจะอธิบายอย่างคร่าวๆได้ดังต่อไปนี้
ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับหลุมดำ - Jillian's Guide to Black Holes, https://www.phy.syr.edu/courses/PHY312.98Spring/projects/jebornak/ - Black Holes by Ted Bunn, https://cfpa.berkeley.edu/BHfaq.html#q2 - The Naked Singularity, https://www.rdrop.com/users/green/school/index.htm (ไอเดียสำหรับภาพAnimation ในตอนตำนานของดวงดาว) | ||||||
