Newsletter subscribe

A Brief History of Time, Universe

ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#45 บทที่ 6 หลุมดำ : Cygnus X-1 หลุมดำแห่งแรกที่ค้นพบ

Posted: 31/08/2022 at 09:51   /   by   /   comments (0)

เราหวังที่จะตรวจพบหลุมดำ (black hole) ได้อย่างไร เนื่องจากมันไม่ปล่อยแสงออกมาเลย? อาจดูเหมือนเรากำลังมองหาแมวดำในห้องถ่านหินใต้ดิน โชคดีที่มีวิธี ดังที่จอห์น มิเชลล์ (John Michell) ชี้ให้เห็นในรายงานการศึกษาของเขาในปี 1783 ว่าเราสามารถวัดผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำที่มีต่อวัตถุรอบๆ ตัวมันได้ นักดาราศาสตร์ได้สังเกตระบบต่างๆ มากมายที่ดาวสองดวงโคจรรอบกันและกัน และดึงดูดเข้าหากันโดยแรงโน้มถ่วง พวกเขายังสังเกตระบบที่มีดาวดวงเดียวที่มองเห็นได้ซึ่งโคจรรอบดาวคู่หูที่มองไม่เห็น แน่นอนว่าเราไม่สามารถสรุปได้ทันทีว่าดาวคู่หูนั้นเป็นหลุมดำ มันอาจเป็นเพียงดาวฤกษ์ที่สลัวเกินกว่าจะมองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม ระบบเหล่านี้บางระบบ เช่น ระบบดาวคู่ที่เรียกว่า Cygnus X-l (รูปที่ 6.2) ก็เป็นแหล่งรังสีเอกซ์ที่แข็งแกร่งเช่นกัน คำอธิบายที่ดีที่สุดสำหรับปรากฏการณ์นี้ คือสสารถูกพัดพาออกจากพื้นผิวของดาวที่มองเห็นได้ เมื่อมันตกลงมาทางคู่หูที่มองไม่เห็น มันจะเกิดการเคลื่อนที่เป็นเกลียว (เหมือนน้ำที่ไหลออกจากอ่าง) และมันจะร้อนจัดและปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา (รูปที่ 6.3) เพื่อให้กลไกนี้ทำงาน วัตถุที่มองไม่เห็นจะต้องมีขนาดเล็กมาก อาจเป็น ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือหลุมดำ จากวงโคจรของดาวที่มองเห็นได้ เราสามารถประมาณมวลที่ต่ำที่สุดของวัตถุที่มองไม่เห็นได้ ในกรณีของ Cygnus X-l มีมวลประมาณ 6 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จากขีดจำกัดจันทรเสกขาร์ (Chandrasekhar limit) วัตถุที่มองไม่เห็นนี้มีมวลมากเกินกว่าที่จะเป็นดาวแคระขาวหรือดาวนิวตรอน มันน่าจะเป็นหลุมดำ

 

 

มีแบบจำลองอื่นๆ ที่อธิบายว่าระบบดาวคู่ Cygnus X-l ไม่มีหลุมดำอยู่ ผมเคยเดิมพันกับคิป ธอร์น (Kip Thorne) จาก California Institute of Technology ว่าระบบดาวคู่ Cygnus X-l ไม่มีหลุมดำ! นี่เป็นรูปแบบของกรมธรรม์ประกันภัยสำหรับผม ผมได้ศึกษาหลุมดำมากมาย และมันคงจะสูญเปล่าหากปรากฎว่าไม่มีหลุมดำอยู่จริงในจักรวาล ในกรณีนี้ หากผมเป็นฝ่ายชนะเดิมพัน คิปจะสมัครสมาชิกนิตยสาร Private Eye ให้ผมเป็นเวลาสี่ปี ในความเป็นจริง แม้ว่าสถานการณ์ของ Cygnus X-l จะไม่เปลี่ยนแปลงมากนักตั้งแต่เราเดิมพันในปี 1975 แต่ขณะนี้มีหลักฐานเชิงสังเกตอื่นๆ มากมายที่สนับสนุนว่า Cygnus X-l เป็นหลุมดำ ผมยอมรับว่าเป็นฝ่ายแพ้การเดิมพัน ผมได้จ่ายค่าปรับตามที่ระบุ ด้วยการสมัครสมาชิกนิตยสาร Penthouse ให้คิปเป็นเวลาหนึ่งปี 

 

 

Panic! At The Disco – Don’t Let The Light Go Out

 

 

แนวคิดเรื่องการมีอยู่ของหลุมดำ (black hole) มีมานานกว่าสองร้อยปีแล้ว ในปี 1783 จอห์น มิเชลล์ (John Michell) ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับ “ดาวมืด (dark star)” ซึ่งเป็นดาวที่มีมวลมากมหาศาล จนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลบหนีจากแรงโน้มถ่วงของมันได้ ทำให้เรามองไม่เห็นมัน มิเชลล์ระบุว่าอาจมีดาวมืดจำนวนมากในจักรวาล นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับดาวมืดได้โดยทางอ้อม ด้วยการมองหาระบบดาวคู่ (Binary systems) ที่มีดาวฤกษ์สองดวง แต่จะมองเห็นดาวเพียงดวงเดียว แม้ว่าเราจะมองไม่เห็นดาวอีกดวง แต่เราสามารถสังเกตุผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของดาวมืดต่อดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เคียงได้

ปัญหาที่ชัดเจนในการตรวจจับหลุมดำคือการที่แสงไม่สามารถหลบหนีออกจากหลุมดำได้ ทำให้พวกมันปรากฏเป็นสีดำและมองไม่เห็นด้วยตามนุษย์และกล้องโทรทรรศน์ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงไม่สามารถยืนยันการมีอยู่ของวัตถุเหล่านี้ได้ด้วยวิธีการโดยตรงทางสายตา พวกเขาจึงต้องใช้วิธีการโดยอ้อม และมิเชลล์พูดถูก ระบบดาวคู่ “X-ray binary system” เป็นหนึ่งในเทคนิคหลักที่นักดาราศาสตร์ใช้ในค้นหาการมีอยู่ของหลุมดำในปัจจุบัน โดยการสังเกตพฤติกรรมของดาว ก๊าซ และสสารอื่นๆ ที่อยู่ใกล้กับหลุมดำ อันเป็นผลมาจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของหลุมดำที่มีต่อสิ่งแวดล้อม

 

หลุมดำ Cygnus X-1

หลุมดำแรกที่ถูกค้นพบคือ Cygnus X-1 ซึ่งอยู่ภายในกาแล็กซีทางช้างเผือกในกลุ่มดาว Cygnus มันถูกค้นพบในปี 1964 เมื่อจรวด Aerobee จำนวน 2 ลำของสหรัฐอเมริกาได้ถูกปล่อยตัวขึ้นสู่ท้องฟ้าโดยมีเป้าหมายเพื่อทำแผนที่แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์บนท้องฟ้า จรวดแต่ละลำมีตัวนับ Geiger กำกับอยู่ ซึ่งตรวจพบรังสีเอกซ์ของจักรวาลที่มาจากภูมิภาคที่เรียกว่า “Cygnus X-1 binary system” ซึ่งเป็นระบบดาวคู่ที่มีดาวยักษ์สีน้ำเงิน (blue supergiant) ขนาดใหญ่ที่มองเห็นได้ และมีวัตถุขนาดกะทัดรัดอีกชิ้นหนึ่งที่มองไม่เห็นโคจรรอบกันและกัน วัตถุมืดที่แปลกประหลาดนี้ถูกระบุในครั้งแรกว่ามีความเป็นไปได้ที่จะเป็นหลุมดำ

Cygnus X-1 เป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่แรงที่สุดที่เราสามารถตรวจจับได้จากโลกและเป็นที่แรกที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหลุมดำ ในระบบดาวคู่ Cygnus X-1 binary system ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่จะถูกหลุมดำที่โคจรอยู่ใกล้ๆ ดึงก๊าซในชั้นนอกของมันอย่างช้าๆ ก๊าซที่หมุนวนเข้าหาหลุมดำจะกลายเป็นแผ่นดิสก์สะสม (แสดงเป็นสีแดงและสีส้ม) ที่ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ และเคลื่อนที่รอบๆ หลุมดำด้วยความเร็วสูงอันเนื่องจากสนามโน้มถ่วงอันทรงพลังของหลุมดำ ด้วยความเร็วที่สูงมากและแรงเสียดทานที่เกิดจากการชนกันระหว่างอนุภาคในก๊าซจะทำให้พวกมันร้อนขึ้นมากอย่างมหาศาลถึงหลายล้านองศา จนปล่อยพลังงานออกมาเป็นจำนวนมากในรูปแบบของการแผ่รังสีพลังงานสูง เช่น รังสีเอกซ์ ก่อนที่สสารจะตกลงสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ

วิธีที่สองที่หลุมดำแผ่รังสีเอกซ์ออกมา แม้ว่าในที่สุดสสารส่วนใหญ่จะถูกลากเข้าไปในหลุมดำ แต่อาจมีบางส่วนที่โคจรเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์และถูกเหวี่ยงออกไปด้านนอกกลายเป็นไอพ่นที่ทรงพลังด้วยอนุภาคและรังสี เช่น รังสีคลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ และรังสีแกมม่า ที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสง และถูกปล่อยออกมาก่อนที่จะถูก “กลืนกิน” (ไอพ่นที่เราสังเกตุเห็นว่าพุ่งออกมาจากหลุมดำนั้น จริงๆ แล้วมันไม่ได้ออกมาจากหลุมดำ แต่เป็นไอพ่นประกอบด้วยสสารและรังสีที่หลุดออกมาจากดิสก์สะสมซึ่งล้อมรอบหลุมดำ)

 

 

Dance with the Dead – Sledge

 

 

Cygnus X-1 เป็นหนึ่งในหลุมดำที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุด จากการศึกษาในครั้งแรก พวกวิทยาศาสตร์ได้สรุปมวลขั้นต่ำของ Cygnus X-1 ว่าอย่างน้อยเป็น 6 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นมวลเหนือขีดจำกัดจันทราเสกขาร์ (Chandrasekhar Limit) มาก ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่ดาวแคระขาวหรือดาวนิวตรอน ตามทฤษฎีแล้ว โอกาสที่ Cygnus X-1 จะเป็นหลุมดำนั้นมีค่อนข้างสูง

การศึกษาในปี 2011 โดยการสังเกตแสงของดาวข้างเคียงขนาดใหญ่สีน้ำเงินและการเคลื่อนที่ของมันรอบๆ หลุมดำ Cygnus X-1 ที่มองไม่เห็น นักวิจัยชี้ให้เห็นว่า Cygnus X-1 อยู่ห่างจากโลกประมาณ 6,070 ปีแสง และได้คำนวณมวลของหลุมดำ Cygnus X-1 ได้ประมาณ 14.8 เท่าของดวงอาทิตย์ แต่จากการศึกษาใหม่ล่าสุดในปี 2021 โดยการใช้เทคนิคพารัลแลกซ์รวมกับข้อมูลในปี 2011 นักวิทยาศาสตร์พบว่าหลุมดำ Cygnus X-1 อยู่ห่างจากโลกมากกว่าที่เคยคาดการณ์ไว้ ประมาณ 7,240 ปีแสง ซึ่งนำไปสู่การประมาณมวลใหม่สำหรับหลุมดำได้ประมาณ 21.2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ขนาดนี้ทำให้ Cygnus X-1 เป็นหลุมดำมวลดาวฤกษ์ (stellar black holes) ที่ใหญ่ที่สุดที่ตรวจพบจนถึงปัจจุบันซึ่งสังเกตได้โดยไม่ต้องใช้คลื่นความโน้มถ่วง  (การตรวจจับหลุมดำโดยใช้คลื่นความโน้มถ่วงจะพบหลุมดำที่ใหญ่กว่า ดังเช่น หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO ที่ตรวจจับระลอกคลื่นในโครงสร้างของอวกาศและเวลา ได้ตรวจพบหลุมดำมวลดาวฤกษ์ที่มีมวลประมาณ 50 เท่าของดวงอาทิตย์)

ปัจจุบันเรารู้ว่ามีหลุมดำอยู่ในจักรวาล — เรายังมีภาพถ่ายของมันด้วย! Cygnus X-1 ถูกค้นพบครั้งแรกในฐานะแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ทรงพลังในปี 1964 และถูกระบุเป็นครั้งแรกว่ามีความเป็นไปได้ที่มันจะเป็นหลุมดำ มันต้องใช้เวลาเกือบ 30 ปีที่นักฟิสิกส์ชั้นนำสองคนคือ สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) และ คิป ธอร์น (Kip Thorne) จะยอมรับว่า Cygnus X-1 เป็นหลุมดำจริงๆ

ในปี 1975 ได้มีการวางเดิมพันระหว่าง สตีเฟน ฮอว์คิง และ คิป ธอร์น ว่า Cygnus X-1 เป็นหลุมดำจริงหรือไม่ โดยฮอว์คิงเดิมพันว่ามันไม่ใช่หลุมดำ รางวัลการเดิมพันคือการสมัครเป็นสมาชิก Penthouse 1 ปี (สำหรับคิป ธอร์น ถ้าเขาเป็นผู้ชนะ) และการสมัครสมาชิกนิตยสาร Private Eye 4 ปี (สำหรับฮอว์คิง ถ้าเขาเป็นผู้ชนะ) ฮอว์คิง อธิบายว่าการเดิมพันเป็นรูปแบบหนึ่งของกรมธรรม์ประกันภัยสำหรับเขา

ในปี 1990 (15 ปีหลังจากการเดิมพัน) นักวิทยาศาสตร์ได้รวบรวมข้อมูลจากการสังเกตอย่างเพียงพอ ซึ่งพิสูจน์ว่ามีหลุมดำอยู่ในระบบดาวคู่ Cygnus X-1 binary system ฮอว์คิงเป็นฝ่ายแพ้พนัน เขายอมรับว่าหลักฐานบ่งชี้ว่า Cygnus X-1 เป็นหลุมดำจริงๆ