วิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา >>

หลุมดำ

ทฤษฎีและการค้นพบต่างๆทางวิทยาศาสตร์ ไม่ว่าจะเป็นกฎแรงดึงดูดระหว่างมวล การค้นพบ DNA แบบจำลองอะตอม เรื่อยมาจนถึงการประดิษฐ์ดาวเทียมหรือแม้แต่คอมพิวเตอร์ ล้วนแต่ทำให้มนุษย์เจริญก้าวหน้าอย่างมาก จนบางครั้งทำให้เผลอคิดว่าเราเข้าใจทุกสิ่งในธรรมขาติ แต่ในความเป็นจริงนั้นความรู้และความเข้าใจที่เรามีต่อเอกภพรอบตัวเรานั้นยังน้อยนิดนัก ธรรมชาติยังมีเรื่องลึกลับอีกมากที่รอให้มนุษย์ออกค้นหา

ในช่วงเวลาหลายสิบปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างทฤษฏีขึ้นเพื่อทำนายและอธิบายธรรมชาติ ในบรรดาทฤษฎีทั้งหมดนั้น ที่น่ามหัศจรรย์ที่สุดคงจะเป็นคำทำนาย การมีอยู่ของวัตถุลึกลับ ที่รู้จักกันในนาม "หลุมดำ" หรือ "Black Hole"

หลุมดำ คือหลุมในอวกาศที่เป็นสุสานของทุกๆสิ่งที่หลงเข้าไปใกล้รัศมีแรงโน้มถ่วงของมัน ไม่มีสิ่งใดในจักรวาลที่จะหนีพ้นแรงดึงดูดมหาศาลของมันได้แม้แต่แสงสว่าง คำเล่าขานเกี่ยวกับเรื่องราวอันมหัศจรรย์ของหลุมดำทำให้ผู้คนทั่วไปยากที่จะเชื่อว่ามันมีอยู่จริงในธรรมชาติ ส่วนใหญ่มักเชื่อว่าเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ หรือเป็นจินตนาการที่ไม่เป็นจริง

แต่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพากันเชื่อมั่นว่าหลุมดำมีอยู่จริง ไม่ใช่เป็นเพียงสมการทางคณิตศาสตร์ ยิ่งไปกว่านั้นมันยังอยู่ใกล้ตัวเรามากกว่าที่หลายๆคนคิด คำทำนายจากทฤษฎีฟิสิกส์ขั้นสูง ทำนายว่า หลุมดำไม่ได้เป็นเพียงแค่ดาวยักษ์สีดำที่คอยจ้องจะกลืนกินทุกสิ่งที่เข้าใกล้เท่านั้น แต่ยังมีหลุมดำขนาดจิ๋ว ที่เล็กจนสามารถซ่อนในวัตถุต่างๆในโลกของเรา หรือแม้แต่ในตัวของคุณเอง ในเมื่อหลุมดำอยู่ใกล้ตัวของเรามากขนาดนี้ คุณจะไม่ลองทำความรู้จักมันให้มากกว่านี้หรือ

ตามทฤษฎีฟิสิกส์ หลุมดำ หรือ (Black Hole) นั้นก็เปรียบได้กับดาวฤกษ์ที่ตายดับแล้วดาวบนฝากฟ้ามีเกิดมีตายด้วยหรือ อย่ากระนั้นเรามารับรู้ชะตาชีวิตของดวงดาวกันเสียหน่อย

ดาวที่จะกลายเป็นหลุมดำนั้นคือ "ดาวฤกษ์" หรือดาวที่มีแสงสว่างในตัวเอง เช่น ดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นก้อนก๊าซร้อนๆที่ลอยเคว้งคว้างอยู่ในอวกาศ โดยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบหลักพลังงานที่เราได้รับจากดวงอาทิตย์นั้น เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ในแกนกลางของดาวและปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ว่านี้นอกจากจะให้แสงสว่างแล้ว ยังทำให้เกิดแรงดันมหาศาลจากภายในดาวซึ่งจะทำหน้าที่พยุงไม่ให้ดาวทั้งดวงเกิดการยุบตัวลง เพราะว่าตามธรรมชาติแล้ววัตถุทุกชนิดจะมีแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงดึงดูดนี้ขึ้นกับมวลของวัตถุนั้นๆ ยิ่งมีมวลมากแรงก็จะยิ่งมาก ดวงดาวต่างๆที่เราเห็นบนท้องฟ้านั้น มีมวลมากมายมหาศาล แต่ละอนุแต่ละโมเลกุลของมันก็จะดึงดูดกันและกัน ตามกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน แรงดึงดูดที่ว่านี้มีความแรงมหาศาล หากว่าไม่มีแรงต้านจากปฏิกิริยานิวเคลียร์แล้วดาวทั้งดวง ย่อมยุบตัวลงเหลือขนาดนิดเดียว

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาปรากฏการณ์การยุบตัวของดวงดาวทั้งในทางทฤษฏี และการจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์ (Computer simulation) พวกเขาพบว่าในดาวที่มีขนาดใหญ่ เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีอยู่ถูกเผาไหม้หมดไปดาวจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า "Supernova" ผิวนอกของดาวจะระเบิดตัวกระจายอยู่รอบๆ ส่วนแกนกลางของดาวจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว การยุบตัวนี้อาจจะทำให้ดาวกลายสภาพเป็นดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำ

จะเห็นได้ว่าขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นเสมือนจุด " ไปไม่กลับ " คือ ถ้าเราเกิดหลงเข้าไปใกล้เจ้าหลุมดำเกินกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์แล้วล่ะก็ เราหมดสิทธิ์ที่จะกลับออกมา คำถามก็คือถ้าเกิดตกลงไปเกินกว่าจุด "ไปไม่กลับ" แล้วผลจะเป็นอย่างไร ตามทฤษฎีแล้วภายในหลุมดำแรงดึงดูดจะมีค่าเพิ่มขึ้นมหาศาล โดยเฉพาะที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำนั้น ทฤษฎีทำนายไว้ว่ามีแรงดึงดูดมากมายจนไม่สามารถวัดได้ หรือที่เรียกว่า เป็นค่าอนันต์เลยทีเดียว หลายท่านอาจจะยังนึกภาพไม่ออกว่า แรงดึงดูดมากมหาศาลเป็นอนันต์นั้น มันมากขนาดไหนกันแน่ จะลองยกตัวอย่างในกรณีดาวที่มีมวลมากๆ เช่น ดาวนิวตรอน แรงดึงดูดของมัน สามารถฉีกเราให้เป็นชิ้นๆได้ทีเดียว ที่ใช้คำว่า "ฉีก" ก็เพราะว่าเราจะรู้สึกเหมือนโดนฉีกให้ขาดออกจากกันจริงๆขนาดความแรงของแรงโน้มถ่วงนั้น ขึ้นอยู่กับระยะห่างจากจุดศูนย์กลางดวงดาว คือยิ่งใกล้ดาวมากแรงดึงดูดก็จะยิ่งมาก สำหรับวัตถุใดๆก็ตามที่อยู่ให้อิทธิพลของแรงชนิดนี้ ส่วนของวัตถุด้านอยู่ใกล้จุดศูนย์กลางของดาวมากกว่าจะได้รับอิทธิพลของแรงดึงดูดมากกว่าด้านที่อยู่ไกล ออกไปตาม กฎข้อที่สองของนิวตัน แรงที่กระทำกับวัตถุแปรผันตรงกับความเร่ง ดังนั้นเมื่อแรงที่กระทำต่อทั้งสองด้านไม่เท่ากัน ความเร็วก็ย่อมไม่เท่ากัน สมมุติว่าตัวของเราส่วนล่างของเราเกิดวิ่งเร็วกว่าส่วนบนขึ้นมา จะเกิดอะไรขึ้น? ผลก็คือตัวเราก็จะถูกฉีกขาดออกเป็นสองท่อนนั่นเอง ปรากฏการณ์ดังกล่าวเรียกว่า Tidal force ที่เรียกว่า Tidal ก็เพราะว่าคำอธิบายเดียวกันสามารถนำไปอธิบายได้ว่า ทำไมน้ำขึ้นน้ำลง ถึง เกิดขึ้นวันละสองครั้ง

แรงดึงดูดอันมหาศาลของหลุมดำนั้น ทำให้การสังเกตและตรวจพบหลุมดำ ทำได้ยากลำบากมาก เพราะในทางดาราศาสตร์นั้น เราสังเกตดวงดาวและวัตถุท้องฟ้าโดยการตรวจวัดแสงสว่างที่สะท้อน หรือเกิดมาจากวัตถุเหล่านั้น การจะค้นหาวัตถุที่ไม่มีแสงสว่างหลุดออกอย่างในกรณีของหลุมดำนั้น ยากยิ่งกว่างมเข็มในมหาสมุทรเสียอีก มาให้เห็นในท้องฟ้าที่กว้างใหญ่มหาศาลนั้น

ถ้าเช่นนั้นเราจะค้นหาเจ้าหลุมดำได้อย่างไร ? นักดาราศาสตร์เขาหาเจ้าหลุมดำโดยใช้วิธีอ้อมๆ ซึ่งพอจะอธิบายอย่างคร่าวๆได้ดังต่อไปนี้

ดาวยักษ์ที่ไร้คู่ กับ Accretion Disc
เมื่อดาวเกิดการยุบตัวลงเป็นหลุมดำ ผู้สังเกตภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์จะรู้สึกว่าแรงโน้มถ่วงของดาวยังคงเท่ากับตอนก่อนที่จะเกิดการยุบตัว ดังนั้นถ้ามีวัตถุที่โคจรรอบๆ ดาวนี้ก่อนที่มันจะกลายเป็นหลุมดำ หลังจากที่ดาวยุบตัววัตถุนั้นก็ควรจะยังคงรักษาวงโคจรเดิมอยู่ แต่เจ้าวัตถุที่ว่านั่นจะปรากฏเสมือนว่า "มันโคจรรอบๆความว่างเปล่า" นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบวัตถุที่มีวงโคจรประหลาดๆดังกล่าวหลายชิ้น และมีข้อมูลพอที่จะทำให้เชื่อว่า มันกำลังโคจรรอบหลุมดำอยู่

นักดาราศาสตร์เชื่อว่าโอกาสที่จะสังเกตพบหลุมดำมากที่สุด ในระบบดาวคู่ หรือ Binary Star ซึ่งเป็นระบบที่มีดาวขนาดใหญ่สองดวงที่อยู่ใกล้กัน จนแรงโน้มถ่วงของดาวทั้งคู่ดึงดูดให้มันโคจรรอบกัน ในอวกาศนั้นมีดาวที่โคจรเป็น Binary Star อยู่หลายคู่ ถ้าเกิดว่าดาวดวงหนึ่งใน Binary Star นั้น เกิดยุบตัวกลายเป็นหลุมดำขึ้นมา ดาวดวงที่เหลือก็จะ เหมือนโคจรรอบดาวที่มองไม่เห็น หรือกลายเป็นดาวไร้คู่ไป ในบางกรณีหลุมดำอาจจะดูดกลุ่มก๊าซ หรืออนุภาคที่อยู่รอบๆ ตัวมัน ซึ่งอาจจะมาจากคู่ของมันในBinary Star ก็ได้ กลุ่มก๊าซเหล่านั้นจะถูกแรงดึงดูดมหาศาลของหลุมดำดึงให้วิ่งเข้าสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ด้วยความเร็วสูงมาก จนก๊าซเหล่านั้นมีความร้อนสูงและสามารถแผ่รังสีเอ็กซ์ ( X-ray )ซึ่งเรียกว่า ปรากฎการณ์ Accretion Disc นักดาราศาสตร์สามารถ ตรวจวัดรังสีเอ็กซ์ จาก Accretion Disc โดยใช้ดาวเทียม ที่โคจรอยู่รอบโลก

Gravitational lens
วิธีการค้นหาหลุมดำอ้อมๆ อีกวิธีหนึ่งคือการสังเกตปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Gravitational lens ตามทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพทั่วไปของไอน์สไตน์นั้น แรงโน้มถ่วงสามารถเปลี่ยนแปลงเส้นทางเดินของแสงได้ เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลต่ออนุภาคทุกชนิดที่มีมวลหรือพลังงาน ถึงแม้ว่าแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่มีมวล แต่มันมีพลังงานซึ้งขึ้นกับความถี่ของคลื่น

นักดาราศาสตร์ได้ใช้ความรู้นี้มาประยุกต์ใช้ในการค้นหาหลุมดำ โดยการตรวจวัดแสงที่มาจากดวงดาวไกลๆ ถ้าบังเอิญว่าเกิดมีหลุมดำอยู่ตรงกลางระหว่างดาวดวงนั้นกับโลกแล้ว แสงส่วนหนึ่งจากดาวจะถูกโฟกัสโดยแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ ทำให้เราสามารถสังเกตเห็นภาพเสมือนของดาวได้