ประวัติย่อของกาลเวลา (A Brief History Of Time) โดย สตีเฟน ฮอว์คิง#46 บทที่ 6 หลุมดำ : หลุมดำมวลยิ่งยวดและหลุมดำดึกดำบรรพ์

ขณะนี้ เรามีหลักฐานการมีอยู่ของหลุมดำอื่นๆ หลายแห่ง อย่างเช่น Cygnus X-l ในกาแล็กซี่ของเรา และในกาแล็กซี่ใกล้เคียงสองแห่งที่เรียกว่า เมฆแมกเจลแลน (Magellanic clouds) อย่างไรก็ตาม จำนวนของหลุมดำนั้นค่อนข้างจะมีสูงมากอย่างแน่นอน ด้วยอายุอันยาวนานของจักรวาล ดาวฤกษ์จำนวนมากเผาผลาญเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทั้งหมดและยุบตัวลงเป็นหลุมดำ ดังนั้นจำนวนหลุมดำอาจมีมากกว่าจำนวนดาวที่มองเห็นได้ ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราเพียงแห่งเดียวอาจมีหลุมดำประมาณหนึ่งแสนล้านหลุม แรงดึงดูดมหาศาลของหลุมดำจำนวนมากเช่นนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมกาแล็กซี่ของเราจึงหมุนด้วยความเร็วที่มันทำได้: มวลของดาวที่มองเห็นได้ไม่เพียงพอสำหรับสิ่งนี้ นอกจากนี้เรายังมีหลักฐานว่ามีหลุมดำขนาดใหญ่มากที่ใจกลางกาแล็กซี่ของเรา ซึ่งมีมวลประมาณหนึ่งแสนเท่าของดวงอาทิตย์ ดาวในกาแล็กซี่ที่เข้ามาใกล้หลุมดำนี้มากเกินไปจะแตกออกจากกันโดยความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงทั้งด้านใกล้และไกล ซากของพวกมันและก๊าซที่ถูกขับออกจากดวงดาวจะตกลงสู่หลุมดำ ในกรณีของ Cygnus X-l ก๊าซจะหมุนวนเข้าด้านในและจะร้อนขึ้น แม้ว่าจะไม่ร้อนพอที่จะปล่อยรังสีเอ็กซ์ แต่มันสามารถอธิบายแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุและรังสีอินฟราเรดซึ่งตรวจจับได้ที่ใจกลางกาแล็กซี่

มีหลุมดำขนาดใหญ่ซึ่งมีมวลประมาณหนึ่งร้อยล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นที่ใจกลางของควาซาร์ (quasar) ตัวอย่างเช่น การสังเกตการณ์กาแล็กซี่ที่เรียกว่า M87 ด้วยกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิล เผยให้เห็นว่ามีหลุมดำซึ่งมีมวลเป็นสองพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี่นี้และมีก๊าซที่หมุนวนรอบหลุมดำเป็นแผ่นดิสก์สะสมมวล สสารที่ตกลงสู่หลุมดำขนาดมหึมานั้นจะเป็นแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียวที่ดีพอที่จะอธิบายพลังงานจำนวนมหาศาลที่วัตถุเหล่านี้ปล่อยออกมา เมื่อสสารหมุนวนเข้าไปในหลุมดำ มันจะทำให้หลุมดำหมุนไปในทิศทางเดียวกับที่สสารโคจรรอบมัน ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กอันทรงพลัง อนุภาคพลังงานสูงมากจะถูกสร้างขึ้นใกล้กับหลุมดำ สนามแม่เหล็กจะทรงพลังมากจนสามารถเหวี่ยงอนุภาคพนังงานสูงเหล่านี้เป็นไอพ่นที่พุ่งออกไปด้านนอกตามแกนการหมุนของหลุมดำ นั่นคือ ในทิศทางของขั้วเหนือและใต้ ไอพ่นดังกล่าวพบเห็นได้ในกาแล็กซี่และควาซาร์จำนวนหนึ่ง

มีความเป็นไปได้ที่อาจมีหลุมดำที่มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์มาก หลุมดำดังกล่าวไม่สามารถก่อตัวขึ้นได้จากการยุบตัวของดาวฤกษ์โดยแรงโน้มถ่วง เนื่องจากมวลของพวกมันอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดจันทรเสกขา (Chandrasekhar limit): ดาวฤกษ์ที่มีมวลต่ำนี้สามารถต้านทานแรงโน้มถ่วงได้แม้ว่าพวกมันจะใช้พลังงานนิวเคลียร์หมด หลุมดำมวลต่ำสามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสสารถูกบีบอัดให้มีความหนาแน่นมหาศาลด้วยแรงกดดันจากภายนอกที่มีขนาดใหญ่มาก สภาวะดังกล่าวอาจเกิดขึ้นในระเบิดไฮโดรเจนขนาดใหญ่มาก นักฟิสิกส์จอห์น วีลเลอร์ (John Wheeler) เคยคำนวณว่าถ้าเอาน้ำหนักที่หนักอึ้งในมหาสมุทรทั้งหมดของโลกออกไป เราจะสามารถสร้างระเบิดไฮโดรเจนที่จะบีบอัดสสารที่ศูนย์กลางได้มากจนหลุมดำก่อตัวขึ้น (แน่นอนว่าจะไม่มีใครสังเกตเห็นมัน!) ความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติก็คือหลุมดำมวลต่ำดังกล่าวอาจเกิดขึ้นในสถาวะที่มีอุณหภูมิและความกดดันสูงของจักรวาลยุคแรกๆ หลุมดำจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อจักรวาลยุคแรกไม่เรียบและสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ เพราะมีเพียงพื้นที่เล็กๆ ที่มีความหนาแน่นกว่าค่าเฉลี่ยเท่านั้นที่สามารถบีบอัดด้วยวิธีนี้ให้กลายเป็นหลุมดำได้ แต่เรารู้ว่าต้องมีความผิดปกติบางอย่าง เพราะไม่เช่นนั้น สสารในจักรวาลจะยังคงกระจายตัวอย่างสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ในยุคปัจจุบัน แทนที่จะรวมตัวกันเป็นหมู่ดาวและกาแล็กซี

ถ้าเราสามารถระบุได้ว่าหลุมดำในยุคแรกเริ่มมีกี่หลุม เราจะเรียนรู้มากมายเกี่ยวกับระยะเริ่มต้นของจักรวาล หลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีมวลมากกว่าหนึ่งพันล้านตัน (มวลของภูเขาขนาดใหญ่) สามารถตรวจพบได้โดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่มีต่อสสารอื่นที่มองเห็นได้หรือการขยายตัวของจักรวาลเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ดังที่เราจะเรียนรู้ในบทต่อไป หลุมดำไม่ได้เป็นสีดำจริงๆ: พวกมันเรืองแสงเหมือนร่างกายที่ร้อน และยิ่งมีขนาดเล็กเท่าไหร่ก็ยิ่งเรืองแสงมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นหลุมดำที่มีขนาดเล็กกว่าอาจถูกตรวจจับได้ง่ายกว่าหลุมดำขนาดใหญ่!

ประเภทของหลุมดำ

หลุมดำมี 4 ประเภท มวลและขนาดของหลุมดำเป็นตัวกำหนดว่ามันจัดอยู่ในประเภทใด

หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes)

หลุมดำที่เล็กที่สุดเรียกว่า “หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes)” หลุมดำประเภทนี้ไม่ได้เริ่มต้นจากการเป็นดาวฤกษ์ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์ก่อตัวขึ้นทันทีหลังจากการระเบิดบิกแบงซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของจักรวาล พื้นที่ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลเต็มไปด้วยพลังงานอย่างไม่น่าเชื่อ อาจบีบอัดบางพื้นที่ให้กลายเป็นหลุมดำขนาดเล็กมากประมาณอะตอม แต่มีมวลเท่าภูเขาขนาดใหญ่ 

หลุมดำมวลดาวฤกษ์ (Stellar black holes)

ชนิดของหลุมดำที่พบมากที่สุดและนักวิทยาศาสตร์เข้าใจมากที่สุดที่เรียกว่า “หลุมดำมวลดาวฤกษ์ (Stellar black holes)” เป็นหลุมดำชนิดหนึ่งที่เกิดจากการพังทลายลงและยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์มวลมากเมื่อสิ้นอายุขัย (มวลประมาณสามถึงหลายสิบเท่าของมวลดวงอาทิตย์) การล่มสลายทำให้เกิดการระเบิดของซูเปอร์โนวา หลังจากการระเบิดซูเปอร์โนวาที่พัดชั้นนอกของดาวออกไป เหลือแต่ซากแกนกลางของดาวที่มีความหนาแน่นสูง และการยุบตัวยังคงดำเนินต่อไปจนถึงจุดที่สสารมีความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งความโน้มถ่วงนั้นยิ่งใหญ่มากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้จากแรงดึงดูดของมันได้ และมีการสร้างหลุมดำขึ้น

เมื่อพิจารณาจากจำนวนดาวที่ใหญ่พอที่จะสร้างหลุมดำดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์คาดว่ามีหลุมดำมวลดาวฤกษ์มากถึง 100 ล้านหลุมในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก

หลุมดำมวลปานกลาง (Intermediate black holes)

เมื่อเร็วๆ นี้มีการค้นพบหลุมดำประเภทใหม่ ซึ่งเป็นหลุมดำมวลปานกลาง (Intermediate black holes) มันมีขนาดใหญ่กว่าหลุมดำมวลดาวฤกษ์และมีขนาดเล็กกว่าหลุมดำมวลยิ่งยวด (มีมวลประมาณ 100 – 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ไม่เคยมีดาวดวงเดียวสามารถสร้างหลุมดำขนาดใหญ่ได้ วิธีเดียวที่นักดาราศาสตร์คิดว่าหลุมดำดังกล่าวสามารถก่อตัวได้ก็คือเกิดจากการรวมตัวกันของหลุมดำมวลดาวฤกษ์

นักดาราศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่ามีหลุมดำมวลกลาง (Intermediate black holes) ซึ่งมีมวลประมาณ 100 – 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่หรือไม่ ตัวอย่างของหลักฐานทางอ้อมที่น่าเชื่อถือที่สุดในปัจจุบันเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม 2019 เมื่อหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO/Virgo ตรวจพบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) ในเครื่องตรวจจับทั้งสามเครื่อง หลังจากการสรุปผลการสังเกตการณ์และการวิเคราะห์คลื่นอย่างรอบคอบ ความร่วมมือ LIGO/Virgoได้ประกาศอย่างเป็นทางการให้เหตุการณ์ GW190521 เป็นการตรวจจับการรวมตัวกันของหลุมดำ 2 หลุม (มีมวล ~ 85 และ ~ 66 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ที่โคจรรอบกันและกันขณะเคลื่อนตัวเข้าใกล้กัน และสิ่งที่เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายก็คือหลุมดำเดี่ยวขนาดใหญ่ที่มีมวล ~ 142 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้มันอยู่ในประเภทของหลุมดำมวลปานกลางที่เข้าใจยาก 

หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black holes)

หลุมดำที่ทรงพลังและมีขนาดใหญ่ที่สุดคือ “หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black holes)” หลุมดำเหล่านี้สามารถมีมวลตั้งแต่หนึ่งล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ไปจนถึงมากกว่าหนึ่งแสนล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์  ในช่วง 30 ปีที่ผ่านมาการสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลสามารถตรวจจับหลุมดำมวลยิ่งยวดโดยเฝ้าดูผลกระทบของมันที่มีต่อดาวฤกษ์และก๊าซที่อยู่ใกล้เคียง แสดงให้เห็นว่ามีหลุมดำมวลยิ่งยวดในใจกลางกาแล็กซี่ขนาดใหญ่แทบทุกแห่ง และนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าพวกมันถูกสร้างขึ้นในเวลาเดียวกับกาแล็กซี่ที่พวกมันอยู่ หลุมดำมวลยิ่งยวดที่ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราเรียกว่า ซาจิทาเรียสเอ (Sagittarius A*) มีมวลเท่ากับมวลดวงอาทิตย์ประมาณ 4 ล้านดวง

หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black holes)

แสดงภาพหลุมดำสองภาพแรก ด้านซ้ายคือ M87* และด้านขวาคือ Sagittarius A*

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าหลุมดำมีอยู่จริงจากหลักฐานทางอ้อม โดยการมองหาดวงดาวที่ดูเหมือนจะโคจรรอบวัตถุแปลกประหลาดที่มองไม่เห็น หรือโดยการตรวจจับรังสีจากสสารที่ร้อนยิ่งยวดที่หมุนวนเข้าหาหลุมดำ หรือโดยการเห็นอนุภาคไอพ่นที่มีพลังมหาศาลที่ปล่อยออกมาจากสภาพแวดล้อมที่สับสนวุ่นวายรอบหลุมดำ หรือจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำ

เป็นเวลากว่าทศวรรษแล้วที่ทีมนักวิจัยได้ใช้ความพยายามอย่างทะเยอทะยานในการถ่ายภาพหลุมดำ ตอนนี้พวกเขาทำสำเร็จแล้ว ในปี 2019 นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ Event Horizon Telescope (EHT) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างประเทศได้ถ่ายภาพหลุมดำเป็นครั้งแรก ปรากฏเป็นวงกลมสีดำที่ล้อมรอบด้วยแผ่นดิสก์ของสสารซึ่งโคจรรอบหลุมดำที่ร้อนแรงและส่องแสงเจิดจ้ามาก หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black hole) นี้มีมวลประมาณ 6,500 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ตั้งอยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี่ Messier 87 (M87) ซึ่งอยู่ห่างจากโลกออกไปประมาณ 55 ล้านปีแสง

ภาพหลุมดำ Messier 87* (M87*) ดูเหมือนโดนัทสีส้มบิดเบี้ยว เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายภาพหลุมดำ (เนื่องจากไม่มีแสงใดสามารถหลุดรอดออกมาได้) สิ่งที่นักดาราศาสตร์เห็นก็คือ “เงาดำ” ซึ่งเป็นรูที่มีแสงสว่างหมุนวนไปรอบๆ หลุมดำมวลยิ่งยวดนี้

ภาพประวัติศาสตร์นี้เป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งของโครงการ Event Horizon Telescope ซึ่งเป็นความร่วมมือระดับโลกของนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 200 คนโดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่สำคัญ 8 แห่งในสี่ทวีป เมื่อรวมกันแล้วอาร์เรย์นี้จะทำหน้าที่เสมือนกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เท่าโลกและสามารถรวบรวมข้อมูลคลื่นวิทยุ (ที่ถูกปล่อยออกมาจากดิสก์สะสมซึ่งล้อมรอบหลุมดำ) ได้มากกว่าหนึ่งเพตะไบต์ (คลื่นวิทยุสามารถเจาะทะลุฝุ่นและก๊าซที่ปกคลุมรอบศูนย์กลางกาแล็กซี่ได้) นักวิทยาศาสตร์จ้องมองหลุมดำของกาแล็กซี่ M87 มาตั้งแต่เดือนเมษายน 2017 จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาสองปีในการสร้างภาพ แม้ว่าภาพจะพร่ามัว แต่ภาพก็ตรงกับการคาดการณ์ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่าบริเวณรอบของหลุมดำควรมีลักษณะอย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันทำให้นักวิจัยมีหลักฐานโดยตรงครั้งแรกเกี่ยวกับเงาของขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตของ “สิ่งไม่หวนกลับ” ที่แยกหลุมดำออกจากสภาพแวดล้อม ในภาพหลุมดำล้อมรอบด้วยวงแหวนของแสงที่ปล่อยออกมาจากสสารที่ร้อนจัดที่อยู่นอก Event horizon

ต่อมาในปี 2021 โครงการ Event Horizon Telescope หรือ EHT ได้ประกาศความสำเร็จในการถ่ายรูปหลุมดำมวลยิ่งยวด “ซาจิทาเรียสเอ (Sagittarius A* หรือ Sgr A*)” ที่อยู่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา และอยู่ห่างจากโลกออกไป 27,000 ปีแสง ถือเป็นหลุมดำหลุมที่สองที่นักวิทยาศาสตร์สามารถถ่ายรูปได้สำเร็จ หลังประสบความสำเร็จในการถ่ายรูปหลุมดำ Messier 87* (M87*) เมื่อปี 2019 เมื่อเปรียบเทียบภาพถ่ายของหลุมดำ Sgr A* และหลุมดำ M87* พวกมันดูคล้ายกันอย่างน่าอัศจรรย์ แม้นจะมีมวลที่ต่างกันมาก โดย Sgr A* มีมวลน้อยกว่าถึง M87* ถึง 1,000 เท่า 

นักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่าใจกลางกาแล็กซีของเรามีวัตถุมวลยิ่งยวดที่มองไม่เห็นอยู่ โดยสังเกตจากพฤติกรรมของดาวฤกษ์ใกล้เคียงที่มีการโคจรที่ผิดปกติและความเร็วที่ถูกเร่งขึ้น นี้เป็นหลักฐานภาพโดยตรงครั้งแรกของการมีอยู่ของหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ใจกลางกาแล็กซีของเรา

หลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black holes) ก่อตัวอย่างไร ทำไมพวกมันถึงมีขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ และที่มาของหลุมดำยังคงเป็นปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเรื่องหนึ่งทางดาราศาสตร์ มวลของพวกมันแสดงให้เห็นว่าพวกมันไม่สามารถก่อตัวขึ้นจากดาวฤกษ์ที่ยุบตัวได้ แต่จะต้องก่อตัวขึ้นด้วยกระบวนการอื่นแทน มีสองคำอธิบายที่เป็นไปได้ ประการแรก หลุมดำมวลยิ่งยวดก่อตัวขึ้นก่อนดาวดวงแรก ภายในสองสามล้านปีแรกหลังบิกแบง จักรวาลเต็มไปด้วยก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมจำนวนมหาศาล บางพื้นที่ค่อยๆ หนาแน่นขึ้น นำไปสู่กระบวนการที่เรียกว่าการสะสมมวล (mass accretion) มวลสารจะถูกดึงเข้าด้านในมากขึ้นเรื่อยๆ และแรงโน้มถ่วงก็จะเพิ่มขึ้น ด้วยสสารมากมายในจักรวาลยุคแรก อาจมีสสารเพียงพอที่หลุมดำมวลมหาศาลก่อตัวขึ้นโดยตรงจากการยุบตัวของเมฆก๊าซขนาดใหญ่ในยุคแรกเริ่มของบิกแบง เมื่อเวลาผ่านไป หลุมดำมวลยิ่งยวดเหล่านี้จะกลืนกินมวลจากสิ่งรอบตัวจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จนหลุมดำสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็วและมีมวลมหาศาล และนำไปสู่การก่อตัวของกาแล็กซี่กลุ่มแรก

ความเป็นไปได้ประการที่สองคือหลุมดำมวลยิ่งยวดเกิดจากการรวมตัวของหลุมดำขนาดเล็กจำนวนนับไม่ถ้วน เมื่อเวลาผ่านไป หลุมดำนับล้านจะรวมตัวกัน ทำให้มวลรวมของพวกมันเพิ่มขึ้น ถ้าหลุมดำรวมกันมากพอ ในที่สุดพวกมันก็จะเกิดเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด นอกจากนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่าการชนกันของกาแล็กซี่จะสร้างกาแล็กซี่ขนาดใหญ่ขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากกาแล็กซี่จำนวนมากชนกันซ้ำแล้วซ้ำเล่าในช่วงชีวิตที่ยาวนาน ทำให้หลุมดำมวลยิ่งยวดรวมตัวกันเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

กาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเรา (Milky Way galaxy) เป็น Inactive galaxy ซึ่งเป็นกาแล็กซี่ที่ค่อนข้างสงบ หลุมดำมวลยิ่งยวด “ซาจิทาเรียสเอ (Sagittarius A*)” ที่อยู่ใจกลางกาแล็กซีของเรานอนอยู่อย่างเงียบๆ มันแค่รอจนกว่าจะมีบางสิ่งผ่านเข้ามาใกล้พอและถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำดึงให้ข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) และตกลงไปในหลุมดำ ในขณะที่หลุมดำมวลยิ่งยวดในใจกลางกาแล็กซี่จำนวนหนึ่งกำลังกลืนกินทุกอย่างที่หมุนวนรอบตัวจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จนหลุมดำสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็วและมีมวลมหาศาล และยิงไอพ่นที่มีพลังงานและความเร็วสูงออกไป กาแล็กซี่ประเภทนี้เรียกว่า Active galaxy

ในใจกลาง Active galaxy มีหลุมดำมวลยิ่งยวดที่กำลังยุ่งอยู่กับการกลืนกินก๊าซและฝุ่นรอบๆตัว ก๊าซที่หมุนวนรอบหลุมดำจะกลายเป็นแผ่นดิสก์สะสมมวล (accretion disk) ที่ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ และเคลื่อนที่รอบๆ หลุมดำด้วยความเร็วสูงอันเนื่องจากสนามโน้มถ่วงอันทรงพลัง ด้วยความเร็วที่สูงมากและแรงเสียดทานที่เกิดจากการชนกันระหว่างอนุภาคในก๊าซจะทำให้พวกมันร้อนขึ้นมากอย่างมหาศาลถึงหลายล้านองศา จนปล่อยพลังงานออกมาเป็นจำนวนมากในรูปแบบของการแผ่รังสีพลังงานสูงจำนวนมหาศาล เช่น รังสีเอ็กซ์ ก่อนที่สสารจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ตกลงไปในหลุมดำ

แม้ว่าในที่สุดสสารส่วนใหญ่จะถูกลากเข้าไปในหลุมดำ แต่อาจมีบางส่วนที่โคจรเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์และถูกเหวี่ยงออกไปด้านนอกกลายเป็นไอพ่นสองลำที่ส่องแสงจ้ามากพุ่งออกมาในทิศทางตรงกันข้ามจากแกนกลาง ที่ทรงพลังด้วยรังสีและอนุภาคซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง และปล่อยรังสีคลื่นวิทยุ รังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมม่าออกมา (ไอพ่นที่เราสังเกตุเห็นว่าพุ่งออกมาจากหลุมดำนั้น จริงๆ แล้วมันไม่ได้ออกมาจากหลุมดำ แต่เป็นไอพ่นที่ประกอบด้วยสสารที่หลุดออกมาจากดิสก์สะสมมวลซึ่งล้อมรอบหลุมดำ) พลังงานที่ถูกสร้างขึ้นในใจกลาง Active galaxy จะสูงมากจนทำให้เกิดควาซาร์ (Quasar) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่สว่างที่สุดและมีพลังมากที่สุดในจักรวาล

ภาพถ่ายโพลาไรซ์เผยให้เห็นทิศทางของสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำที่ใจกลางกาแล็กซี่ M87

อีกประการหนึ่ง เมื่ออนุภาคก๊าซที่มีประจุหมุนรอบหลุมดำมวลยิ่งยวด จะสร้างสนามแม่เหล็กอันทรงพลังที่บิดตัวและก่อตัวเป็นมัดที่ขดอย่างแน่นหนา นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เชื่อว่าสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำมีบทบาทในการช่วยให้หลุมดำเติบโตและขับไล่สสารและพลังงานในรูปแบบไอพ่นอันทรงพลังที่พุ่งออกไปได้ไกลหลายแสนปีแสงในอวกาศ

Jamie xx – Gosh

หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes)

สมมติฐานการมีอยู่ของหลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes) และการก่อตัวของพวกมันในจักรวาลยุคแรกได้รับการเสนอครั้งแรกในปี 1967 โดยนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวรัสเซียสองคน ยาคอฟ เซลโดวิช (Yakov Borisovich Zel’dovich) และ อิกอร์ โนวิคอฟ (Igor Dmitriyevich Novikov) และต่อมาในปี 1970s สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) และนักศึกษาปริญญาเอกของเขา เบอร์นาร์ด คาร์ (Bernard Carr) ได้ศึกษาในเชิงลึกเป็นครั้งแรก พวกเขาเสนอว่าในเสี้ยววินาทีแรกหลังจากเกิดบิกแบง จักรวาลไม่ได้เป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์ (ไม่ได้เหมือนกันทุกจุด) สถานที่บางแห่งในจักรวาลมีความหนาแน่นมากกว่าที่อื่นเล็กน้อย และบางแห่งมีความหนาแน่นน้อยกว่าเล็กน้อย แม้ว่าความแตกต่างของความหนาแน่นเหล่านี้จะมีเพียงเล็กน้อย สมการของฮอว์คิงและคาร์แสดงให้เห็นว่าความผันผวนบางส่วนอาจมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้บริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่าที่อื่นเล็กน้อยเกิดการยุบตัวโดยแรงโน้มถ่วงและก่อตัวเป็นหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีขนาดต่างๆ จำนวนมากมาย

ในปี 1974 สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ได้ปฏิวัติวิธีคิดเกี่ยวกับหลุมดำ นั่นคือ แท้ที่จริงแล้วหลุมดำไม่ได้มี “สีดำ” อย่างสมบูรณ์แบบ เขาตั้งสมมติฐานว่าผลกระทบของควอนตัมใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ของหลุมดำ อาจก่อให้เกิดการปลดปล่อยอนุภาคและพลังงานที่สามารถหลบหนีจากหลุมดำได้ ซึ่งถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีความร้อนเช่นเดียวกับวัตถุดำ (black body) ที่แผ่ความร้อนออกไปสู่สิ่งแวดล้อม รังสีนี้ได้รับการตั้งชื่อว่า “รังสีฮอว์คิง (Hawking radiation)” ซึ่งทำให้หลุมดำเรืองแสงเล็กน้อย พลังงานที่สูญเสียไปจากการแผ่รังสีฮอว์คิงจะทำให้หลุมดำมีมวลลดลงอย่างช้าๆ และระเหยไปในที่สุด

ฮอว์คิงคำนวณว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์ใดๆ ที่มีมวลมากกว่า 10¹² กิโลกรัม อาจยังคงแฝงตัวอยู่ในจักรวาลในปัจจุบัน หาก LIGO สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงของวัตถุขนาดกะทัดรัดที่มีมวลต่ำกว่ามวลดวงอาทิตย์หนึ่งดวง อาจเป็นหลักฐานยืนยันการมีอยู่ของหลุมดำดึกดำบรรพ์ สำหรับหลุมดำดึกดำบรรพ์ที่มีมวลน้อยกว่า 10¹² กิโลกรัม การรั่วไหลของรังสีฮอว์คิงส่งผลให้พวกมันระเหยไปหมดในปัจจุบัน

Bebe Rexha – Baby, I’m Jealous (feat. Doja Cat)

จบบทที่ 6

• Facebook
• Twitter
• Line