การหมุนของหลุมดำกับโพลาไรเซชั่นของวงแหวนแสง

รูปที่ 1: ภาพถ่ายหลุมดำ (ภาพจาก Event Horizon Telescope Collaboration) 
 

          ก่อนอื่นต้องขออธิบายก่อนว่าตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general relativity) หลุมดำนั้นจัดว่าเป็นวัตถุที่เรียบง่ายอย่างน่าเหลือเชื่อ กล่าวคือ หลุมดำทุกชนิดในสัมพัทธภาพทั่วไปสามารถถูกบรรยายได้ด้วยปริมาณพื้นฐานเพียง 3 ตัวนั้นคือ มวล การหมุน (รอบตัวเอง) และประจุไฟฟ้า หลุมดำจะไม่สามารถครอบครองปริมาณทางฟิสิกส์อื่นๆนอกเหนือไปจากนี้ได้ ทฤษฎีบทดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า ทฤษฎีบทหลุมดำไม่มีขน (black hole no-hair theorem) (ถ้ามีโอกาสจะขอกล่าวถึงในบทความต่อๆไป) นักฟิสิกส์สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติทางฟิสิกส์อื่นๆของหลุมดำ ไม่ว่าจะเป็น พื้นที่ผิว อุณหภูมิ เอนโทรปี ผ่านทางปริมาณทั้งสามที่กล่าวมานั้น ทำให้ มวล การหมุน และประจุไฟฟ้า เป็นปริมาณที่นักฟิสิกส์พยายามจะค้นหาหรือทำการวัดเป็นอย่างแรกๆ อย่างไรก็ตามเป็นที่เชื่อกันว่าหลุมดำทางดาราศาสตร์นั้นจะมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า ทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์มุ่งเน้นไปที่การวัดมวลและการหมุนของหลุมดำเป็นส่วนใหญ่ ในขณะที่หลุมดำแบบมีประจุไฟฟ้าจะได้รับความสนใจในเชิงทฤษฎีมากกว่าในเชิงสังเกตการณ์


          โดยทั่วไปวงแหวนแสงของหลุมดำจะประกอบไปด้วยโฟตอน (อนุภาคแสง) ที่โคจรใกล้กับขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ ก่อนที่จะหนีออกมาจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำได้ จากผลการศึกษาก่อนหน้าของทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย ฮาร์วาร์ทและผู้ร่วมงานจากสถาบันอื่นๆ ได้ค้นพบว่า วงแหวนแสงของหลุมดำนั้นประกอบไปด้วย วงแหวนแสงที่มีขนาดเล็กเและสว่างน้อยลงไปเรื่อยๆ (ดูภาพประกอบ 2) โดยที่วงแหวนแสงวงที่ใหญ่ที่สุดและสว่างที่สุดนั้นประกอบมาจากโฟตอนที่ถูกกระเจิงออกมาโดยหลุมดำ ขณะเดียวกันวงแหวนที่เล็กและสว่างน้อยกว่า จะประกอบมาจากโฟตอนที่โคจรรอบหลุมดำด้วยจำนวน n/2 รอบ ก่อนที่จะเคลื่อนที่มาถึงกล้องโทรทัศน์บนโลก โดยที่ n บ่งบอกถึง ลำดับของวงแหวนย่อย (subring) ยกตัวอย่าง 2nd subring จะประกอบมาจากโฟตอนที่โคจรรอบหลุมดำเป็นจำนวนหนึ่งรอบเป็นต้น

 

   

รูปที่ 2: (ซ้าย) โครงสร้างวงแหวนแสงของหลุมดำ (ขวา) วงแหวนย่อยและโพลาไรเซชั่น (ภาพต้นแบบจาก arXiv:2001.28750)
 

          จากการวิจัยชิ้นล่าสุด Alex Lupsasca และทีมนักวิจัยได้ทำการวิเคราะห์วงแหวนแสงของหลุมดำอย่างละเอียด โดยเน้นไปที่โพลาไรเซชั่น (polarization) ของวงแหวนแสง จากการคำนวณพวกเขาพบว่าแสงในวงแหวนย่อยเดียวกันจะมีโพลาไรเซชั่นของแสงที่ชี้ไปในทิศทางเดียวกัน อย่างไรก็ตามในวงแหวนลำดับถัดไปโพลาไรเซชั่นก็จะมีความแตกต่างกันออกไป ใจความสำคัญของงานวิจัยชิ้นนี้คือ ความแตกต่างของโพลาไรเซชั่นระหว่างวงแหวนย่อยแต่ละวงจะขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของหลุมดำเท่านั้น ด้วยองค์ความรู้นี้หากนักฟิสิกส์สามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชั่นของวงแหวนแสงได้  ก็จะสามารถคำนวณอัตราการหมุนรอบตัวเองของหลุมดำได้ด้วยความแม่นยำมากกว่าวิธีอื่นๆที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน


          Alex Lupsasca กล่าวเพิ่มเติมว่า ในปัจจุบันการประมาณความเร็วการหมุนรอบตัวเองของหลุมดำสามารถทำได้จาก การวัดรังสีเอ็กซ์ (x-ray) รอบหลุมดำ ซึ่งสามารถใช้ได้กับหลุมดำเพียงไม่กี่ดวงเท่านั้น อีกทั้งการประมาณยังมีความไม่แน่นอนสูง เนื่องจากเทคนิคดังกล่าวมีการใช้สมมติฐานซึ่งยากในการพิสูจน์เกี่ยวกับสสารที่อยู่รอบๆหลุมดำ


          หมายเหตุ: Alex และทีมคาดการณ์ว่าการอัพเกรด EHT ในอนาคตจะทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชั่นของวงแหวนย่อยของหลุมดำได้
 
 

 

รูปที่ 3: ภาพจำลองแนวทางเดินของแสงที่โคจรรอบหลุมดำก่อนที่จะหนีออกมาสู่กล้องโทรทัศน์
(ภาพจาก Center of Astrophysics, Harvard & Smithsonian)

บทความจาก: https://physics.aps.org/articles/v13/s50 (เผยแพร่ วันที่ 8 เมษายน 2020)

บทความโดย

สุภัคชัย พงศ์เลิศสกุล 
 

 

เอกสารอ้างอิง