นักวิทยาศาสตร์วางแผนถ่ายภาพหลุมดำเป็นครั้งแรกของโลกด้วยกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon

ภาพแบบจำลองของหลุมดำด้วยคอมพิวเตอร์เป็นครั้งแรก ค.ศ. 1978 โดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ชื่อ Jean-Pierre Luminet 
(ภาพจาก https://www.engadget.com/2017/04/19/black-hole-image-jean-pierre-luminet/)

ตอนเรียนวิชาวิทยาศาสตร์สมัยประถมศึกษา คุณครูสอนว่าอากาศเป็นแก๊ส ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น มีน้ำหนักและต้องการที่อยู่ เราไม่สามารถสังเกตอากาศโดยตรงได้ แต่เราสามารถทดสอบว่ามันมีอยู่จริงๆโดยเป่าลูกโป่งใส่อากาศเพิ่มเข้าไปและนำไปชั่งวัดจะพบว่ามันมีมวลเพิ่มขึ้นเล็กน้อย และนี่เองก็คือหลักฐานการมีอยู่ของอากาศ หลุมดำก็เช่นมัน เราไม่สามารถสังเกตมันโดยตรงได้เพราะความโน้มถ่วงของหลุมดำมมหาศาล เมื่อเข้าไปใกล้ผ่านถึงจุดหนึ่งขึ้นไป จะไม่มีอะไรสามารถหนีรอดหลุดออกมาได้ นั่นรวมถึงรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นไฟฟ้าและคลื่นแม่เหล็กที่ประสาน และมีอันตรกิริยาต่อกัน เช่น คลื่นแสง คลื่นวิทยุ รังสีแกมมา และรังสีเอกซ์ รังสีเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสง และสามารถผ่านสุญญากาศได้)  เมื่อคลื่นแสงถูกดูดไปด้วย เราจึงไม่สามารถสังเกตเห็นหลุมดำโดยตรงได้ แต่ในปี ค.ศ. 2019 นักวิทยาศาสตร์กำลังหาเทคนิควิธีเพื่อวางแผนถ่ายภาพหลุมดำเป็นครั้งแรกของโลกด้วยกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon นับเป็นงานที่ท้าทายและน่าสนใจมาก


กล้องโทรทรรศน์ Event Horizonไม่ใช่มีแค่ที่เดียวแต่มันคือเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่กระจายอยู่ทั่วโลก รวมถึงที่ขั้วโลกใต้ สหรัฐอเมริกา และประเทศชิลีเป็นต้น โดยมันใช้เทคนิคที่เรียกว่า  very long baseline interferometry (VLBI) ซึ่งหมายความว่าเครือข่ายของการรับสัญญาณวิทยุจะโฟกัสไปที่จุดเดียว  โดยมีกำลังการแยกภาพ (resolution) ของกล้องโทรทรรศน์มากถึงประมาณ 50 microarcseconds เพื่อที่จะเห็นภาพเปรียบได้ดังเราอยู่บนโลกแต่สามารถมองเห็นองุ่นบนผิวของดวงจันทร์ได้ ซึ่งกำลังการแยกภาพนี้สำคัญมาก เพราะเราต้องการจะถ่ายภาพหลุมดำเป็นครั้งแรกนี้คือหลุมดำ Sagittarius A* (เครื่องหมาย * อ่านว่า star)  ตั้งอยู่ที่ใจกลางกาแล็คซีทางช้างเผือกของเราซึ่งมันอยู่ไกลมาก และถ้าสมมติว่าเราสามารถมองเห็นมันได้จากโลกมันจะเป็นเพียงแค่จุดเล็กๆบนท้องฟ้าเท่านั้น


ก่อนหน้านี้มีคนต้องการจะเห็นภาพหลุมดำเป็นครั้งแรก แต่ไม่ใช่ด้วยการถ่ายภาพแต่ใช้แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์แทน ซึ่งต้องย้อนกลับไปในปี ค.ศ. 1978 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ชื่อ Jean-Pierre Luminet สร้างแบบจำลองของหลุมดำด้วยคอมพิวเตอร์เป็นครั้งแรก ในสมัยนั้นคอมพิวเตอร์ยังช้ามากเทียบกับปัจจุบัน โดยเขาใช้เครื่อง IBM 7040   ในการสร้างแบบจำลอง นักดาราศาสตร์ในยุคนั้นส่วนใหญ่ยังไม่เชื่อกันด้วยซ้ำว่าหลุมดำมีอยู่จริง


หลุมดำที่เราจะถ่ายภาพมานั้นชื่อว่า Sagittarius A* จัดว่าเป็นหลุมดำมวลยวดยิ่ง (supermassive black hole) ใช้ตัวย่อว่า SMBH มันหมายถึงหลุมดำที่มีมวลมากในระดับ 10⁵ ถึง 10¹⁰ เท่าของมวลของดวงอาทิตย์ของเรา โดยนักวิทยาศาสตร์พบว่ากาแล็คซีส่วนใหญ่หรือแทบจะทั้งหมดที่มีมวกมาก จะมีหลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ที่ใจกลางของกาแล๊คซีเสมอ เช่นกาแล็คซีทางช้างเผือกของเราก็มี Sagittarius A* อยู่ที่ใจกลาง


นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยสามารถสังเกตการณ์ Sagittarius A* โดยตรงได้ แต่นักวิทยาศาสตร์รู้ว่ามันมีหลุมดำจากการสังเกตดาวฤกษ์ที่โคจรอยู่รอบมัน จากพฤติกรรมของดาวฤกษ์เหล่านี้ พบว่า Sagittarius A* มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราถึง 4 ล้านเท่า และมีเส้นผ่านศูนย์กลางของขอบฟ้าเหตุการณ์ (ภาษาอังกฤษคือ event horizon หมายถึงขอบเขตของปริภูมิ-เวลารอบหลุมดำ ที่ซึ่งเหตุการณ์ต่างๆ ไม่อาจส่งออกมาถึงผู้สังเกตการณ์ภายนอกได้ แสงที่แผ่ออกมาจากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์จะไม่มีวันเดินทางมาถึงผู้สังเกต และวัตถุใดๆ ที่ล่วงผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปจากฝั่งของผู้สังเกต จะมีสภาวะที่ช้าลงและดูเหมือนจะไม่สามารถข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปได้ ตามหลักทฤษฎีสมัพัทธภาพทั่วไปของไอนสไตน์) กว้าง 20 ล้านกิโลเมตร 

ภาพหลุมดำจากภาพยนตร์เรื่อง Interstellar หนังไซไฟปี ค.ศ. 2014
(ภาพจาก https://www.wired.com/2014/10/astrophysics-interstellar-black-hole/)

แต่เราไม่ต้องกังวลว่าโลกของเราจะถูก Sagittarius A*  ดูดกลืนลงไป เพราะโลกของเราห่างจากมันถึง 26,000 ปีแสง แต่ด้วยระยะทางที่ไกลมากแบบนี้จึงเป็นเรื่องท้าทายมากเช่นกันในการถ่ายภาพมัน เราไม่รู้ว่าเราจะได้เห็นอะไร เป็นไปได้ว่าข้อมูลที่ส่งมาจะได้แค่ภาพพิกเซลใหญ่ๆ เบลอๆ และถ้าหลุมดำนี้มีจานพอกพูนมวล (accretion disk) ภาพที่เราเห็นก็อาจจะคล้ายกับภาพจำลองหลุมดำทางคอมพิวเตอร์ของ Luminet ที่สร้างไว้ในปี ค.ศ. 1978 ซึ่งคุณอาจจะเคยเห็นภาพหลุมดำที่คล้ายๆกันนี้แล้วก็ได้จากการดูภาพยนตร์เรื่อง Interstellar หนังไซไฟปี ค.ศ. 2014 ที่ได้ Kip Thorne นักฟิสิกส์รางวัลโนเบลมาเป็นที่ปรึกษาการสร้างภาพยนตร์


ในอนาคตไม่นานนี้เราจะได้เห็นภาพหลุมดำ การสังเกตโดยตรงเป็นครั้งแรกหรือไม่ ต้องติดตามข่าวงานวิจัยด้วยใจระทึก 



 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://eventhorizontelescope.org/news/planning-images-black-hole-new-image-analysis-tools-presented-aas-nova
• [2] https://www.sciencealert.com/scientists-are-about-to-switch-on-the-first-telescope-that-could-photograph-a-black-hole-s-event-horizon
• [3] https://www.sciencealert.com/black-hole-event-horizon-accretion-disc-jean-pierre-luminet-event-horizon-telescope?perpetual=yes&limitstart=1
• [4] https://aasnova.org/2018/09/24/planning-for-images-of-a-black-hole/