กล้องโทรทรรศน์ Event Horizon สามารถถ่ายภาพหลุมดำที่มีมวลยิ่งยวดของกาแล็กซีเมซีเย 87 ได้อย่างไร

ถ่ายภาพหลุมดำมวลยิ่งยวดของกาแล็กซีเมซีเย 87 ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon
(ภาพจาก https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_EHT)

ในปี ค.ศ. 1783 จอห์น มิเชล (John Michell) เป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดเรื่อง ดาวมืด (dark star) ดาวฤกษ์ที่มีความหนาแน่นมหาศาลจนความโน้มถ่วงของมันสูงมากแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกไปได้ ถัดมาในปี ค.ศ. 1915 หลุมดำเป็นสิ่งที่ถูกทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ ในปี ค.ศ. 1916 คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ (Karl Schwarzschild) ได้นำเสนอแนวคิดเรื่องขอบฟ้าเหตุการณ์ (ภาษาอังกฤษคือ event horizon หมายถึงขอบเขตของปริภูมิ-เวลารอบหลุมดำ ที่ซึ่งเหตุการณ์ต่างๆ ไม่อาจส่งออกมาถึงผู้สังเกตการณ์ภายนอกได้ แสงที่แผ่ออกมาจากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์จะไม่มีวันเดินทางมาถึงผู้สังเกต และวัตถุใดๆ ที่ล่วงผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปจากฝั่งของผู้สังเกต จะมีสภาวะที่ช้าลงและดูเหมือนจะไม่สามารถข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปได้ ตามหลักทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอนสไตน์) ในหลายปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสังเกตหลุมดำโดยตรงได้ แต่เราค่อนข้างแน่ใจว่าหลุมดำมีอยู่จริงโดยสังเกตจากดาวฤกษ์ที่โคจรอยู่รอบมัน เราพบว่าหลุมดำมีมวลแตกต่างกันมากมาย และที่ศูนย์กลางของกาแล็กซีที่มีมวลมากเพียงพอ เกือบจะทุกกาแล็กซีเราพบว่ามันมีหลุมดำอยู่ที่จุดศูนย์กลางกาแล็กซี โดยเราเรียกหลุมดำชนิดนี้ว่า หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black hole) ตลอดเวลาที่ผ่านมาเราไม่เคยสามารถสังเกตหลุมดำโดยตรงได้เลย จนในที่สุดเหตุการณ์ที่สำคัญในวงการวิทยาศาสตร์ก็เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 10 เมษายน ค.ศ. 2019 นักวิทยาศาสตร์ประกาศว่าสามารถถ่ายภาพหลุมดำมวลยิ่งยวดของกาแล็กซีเมซีเย 87 (Messier 87 หรือ M87) ได้สำเร็จเป็นครั้งแรกด้วยกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon

ภาพสี่เหลี่ยมแสดงบริเวณใจกลางของกาแล็กซี M87 ที่ตั้งของหลุมดำมวลยิ่งยวด ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา (Chandra X-ray Observatory)
(ภาพจาก https://www.sciencealert.com/it-s-official-global-collaboration-of-astronomers-have-taken-the-first-ever-black-hole-photo)

โดยมันเป็นภาพที่นักวิทยาศาสตร์รอคอยมานาน เป็นการสังเกตโดยตรง มันเป็นหลักฐานที่แน่นหนาของการมีอยู่ของหลุมดำ ภาพที่เห็นเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ที่ใจกลางของภาพ ซึ่งมันมีมวลประมาณ 7,000 ล้านเท่าของมวลของดวงอาทิตย์ โดยสิ่งที่เราเห็นล้อมรอบหลุมดำอยู่นั้นจัดว่าเป็นแหวนโฟตอนของหลุมดำ มันคือโฟตอนที่ถูกตรึงไว้ในบริเวณติดกับขอบฟ้าเหตุการณ์ โดยรูปจันทร์เสี้ยวที่เราเห็นนี้เป็นผลมาจากการหมุนของหลุมดำและ Relativistic beaming หลุมดำมวลยิ่งยวดที่เราถ่ายได้นี้อยู่ห่างจากเราไปประมาณ 55 ล้านปีแสง นั่นหมายความว่าสิ่งเราเห็นในตอนนี้คือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อ 55 ล้านปีที่แล้ว รูปถ่ายแสดงให้เห็นเงาของหลุมดำตรงกลางล้อมรอบด้วย asymmetric emission ring ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.0110 ปีแสง เงาของหลุมดำตรงกลางนั้นมีขนาดเป็น 2.6 เท่าของรัศมีชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild radius) ของหลุมดำ และหลุมดำหมุนรอบตัวเองเป็นทิศตามเข็มนาฬิกาเมื่อมองจากโลก


สิ่งที่น่าสนใจคือนักวิทยาศาสตร์สามารถถ่ายภาพหลุมดำนี้ได้อย่างไร กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ถ่ายนี้คือกล้องโทรทรรศน์วิทยุ (Radio telescope) โดยวัดสัญญาณคลื่นวิทยุวัตถุบนท้องฟ้าต่างๆ  ในเดือนเมษายน ค.ศ. 2017 กล้องโทรทรรศน์ Event Horizon รวบรวมข้อมูลต่างๆ หลุมดำมวลยิ่งยวดที่ถ่ายได้นี้ ถ้ามองจากท้องฟ้าในตอนกลางคืนก็จะเป็นจุดเล็กอย่างยิ่ง โครงการถ่ายภาพนี้จึงต้องการกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีอยู่ทั่วโลกจำนวน 8 แห่ง โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า very long baseline interferometry (VLBI) ซึ่งหมายความว่าเครือข่ายของการรับสัญญาณวิทยุจะโฟกัสไปที่จุดเดียว ที่ความยาวคลื่น 1.3 mm โดยมีกำลังการแยกภาพ (resolution) ของกล้องโทรทรรศน์มากถึงประมาณ 25 microarcseconds โดยเทคนิค VLBI นี้จะทำงานเสมือนเป็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่เพียงอันเดียว ถึงแม้ว่าว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดนี้จะมีขนาดใหญ่ แต่มันก็ห่างจากโลกถึง 55 ล้านปีแสง เทียบได้ว่ากับมันมีขนาดเล็กกว่าผลส้มที่อยู่บนผิวดวงจันทร์ที่เราสังเกตจากผิวโลกเสียอีก กล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นขึ้นอยู่กับขนาดของจานรับสัญญาณวิทยุ ยิ่งใหญ่ภาพก็ยิ่งชัดเจนและการจะสังเกตหลุมดำนั้นเราก็ต้องการจานรับสัญญาณที่ใหญ่เท่ากับโลก แน่นอนว่าเราไม่สามารถสร้างมันได้ เทคนิค VLBI จึงได้รับการพัฒนาขึ้น โดยแนวคิดนี้ถูกนำเสนอครั้งแรกในปี ค.ศ. 1993 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ Heino Falcke ในตอนแรกกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon ยังเป็นเครือข่ายเล็กๆ มีแค่ 4 แห่ง กำลังการแยกภาพ (resolution) ไม่เพียงพอที่จะเผยให้เห็นหลุมดำ แต่เมื่อเวลาผ่านไปก็สามารถหากล้องโทรทรรศน์วิทยุในเครือข่ายได้มากยิ่งขึ้น จนในปี ค.ศ. 2017 มีสถานีสังเกตการณ์ทั้งหมด 8 แห่ง 


ปัญหาหลักของการถ่ายภาพนี้คือสภาพอากาศ น้ำในชั้นบรรยากาศ เช่นฝนและหิมะจะสร้างปัญหารบกวนต่อคลื่นวิทยุที่กล้องโทรทรรศน์นี้ใช้ที่ช่วงความยาวคลื่น 1.3 mm ช่วงที่ดีที่สุดในการถ่ายภาพในครั้งนี้นั้นคือระยะเวลาประมาณ 10 วันคือช่วงปลายเดือนมีนาคมและต้นเดือนเมษายนของ ปี ค.ศ. 2017 เมื่อท้องฟ้าปลอดโปร่ง สภาพอากาศเป็นใจกล้องโทรทรรศน์ที่ตั้งอยู่ทั่วโลกก็จะสังเกตการณ์ไปยังจุดเล็กๆบนท้องฟ้าอันเป็นที่ตั้งของหลุมดำและเริ่มเก็บข้อมูลสัญญาณวิทยุ โดยข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแต่ละแห่งจะต้องแปลงจากสัญญาณแอนะล็อกเป็นสัญญาณดิจิตอลโดยแต่ละแห่งจะมีนาฬิกาอะตอมเพื่อบันทึกข้อมูลเวลาอย่างแม่นยำ และเก็บข้อมูลจำนวนมากนี้ลงในฮาร์ดดิสก์ และนำข้อมูลทั้งหมดของแต่ละแห่งส่งไปยังที่ศูนย์กลางเพื่อทำให้สอดคล้องกัน (synchronise) และสุดท้ายนำข้อมูลมาวิเคราะห์เพื่อสร้างเป็นภาพหลุมดำจากข้อมูลที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์หลายแห่งทั่วโลก

ขั้นตอนการถ่ายภาพหลุมดำโดยกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon
(ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Event_Horizon_Telescope#/media/File:EHT-infography.jpg)

การนำข้อมูลแต่ละแห่งมารวมกันจำเป็นต้องมีนาฬิกาอะตอมเพื่อบันทึกเวลาที่เก็บข้อมูลอย่างแม่นยำ โดยนาฬิกาอะตอมนั้นมีความแม่นยำมากขนาดที่จะคลาดเคลื่อนเพียงแค่ 1 วินาทีในทุกๆ 100 ล้านปี  และข้อมูลที่บันทึกก็มีขนาดใหญ่มากในอัตรา 64 Gbit/s ประมาณ 1,000 เท่าของเชื่อมต่ออินเตอร์เน็ตตามบ้านทั่วไป ข้อมูลที่มหาศาลเช่นนี้จึงต้องการการประมวลผลของข้อมูลด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ (supercomputer) ชนิดพิเศษที่เรียกว่า correlator ด้วยข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์แต่ละแห่งในการถ่ายภาพ 1 ครั้งนั้นมีข้อมูลมากหลายร้อยเทระไบต์การบันทึกลงฮาร์ดดิสก์และถูกขนส่งลงมายังที่ศูนย์กลางเพื่อประมวลผลจึงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุด การถ่ายภาพหลุมดำนี้จะช่วยให้เราสามารถศึกษาเข้าใจคุณสมบัติของหลุมดำมากยิ่งขึ้นรวมไปถึงช่วยยืนยันความถูกต้องทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ การวัดความเร็วของสสารรอบศูนย์กลางของหลุมดำสอดคล้องว่ามันมีความเร็วใกล้ความเร็วแสง โดยหลุมดำมวลยิ่งยวดของกาแล็กซี M87 นี้มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 7,000 ล้านเท่า 


น่าเสียใจที่ท่านสตีเฟน ฮอว์คิง นักจักรวาลวิทยาชาวอังกฤษที่มีผลงานการวิจัยด้านหลุมดำได้เสียชีวิตไปก่อนไม่นาน ไม่มีโอกาสได้ทันเห็นหลุมดำภาพแรกนี้ แต่อย่างน้อยงานการศึกษาเรื่องหลุมดำก็ได้รับการสานต่อโดยนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อมาและทำให้เราเห็นภาพหลุมดำ วัตถุในอวกาศที่เป็นปริศนามาอยางยาวนาน เป็นการสังเกตมันโดยตรงได้ในที่สุด ในอนาคตจะมีการพัฒนากำลังการแยกภาพของกล้องโทรทรรศน์ Event Horizon และใช้ความยาวคลื่นที่มีขนาดเล็กลง ซึ่งจะเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพของกล้องโทรทรรศน์วิทยุนี้ และเราก็อาจจะได้เห็นภาพหลุมดำอื่นๆ เพิ่มเติมอีกในอนาคตรวมถึงหลุมดำในใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราที่ชื่อ Sagittarius A* อีกด้วย ต้องติดตามข่าวงานวิจัยต่อไปด้วยใจระทึก


 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0ec7
• [2] https://www.sciencealert.com/to-truly-appreciate-the-m87-black-hole-pic-you-need-to-see-just-how-big-it-is
• [3] https://www.sciencealert.com/it-s-official-global-collaboration-of-astronomers-have-taken-the-first-ever-black-hole-photo
• [4] https://www.sciencenewsforstudents.org/article/how-virtual-telescope-got-first-black-hole-picture
• [5] https://www.sciencealert.com/the-first-black-hole-photo-confirms-einstein-s-theory-of-relativity