ห่างออกไปกว่า 50 ล้านปีแสง ณ ใจกลางกาแลคซีทรงวงรียักษ์ที่ชื่อ Messier 87 (M87) มีวัตถุขนาดมหึมาคอยกลืนกินทุกอย่างที่โคจรเข้าใกล้ ไม่ว่าจะเป็นดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ แก๊ส ฝุ่นละออง หรือแม้แต่กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหลุดพ้นเอื้อมมือของวัตถุขนาดยักษ์นี้ได้ ในกรณีที่วัตถุเหล่านั้นหลุดเข้ามาในพื้นที่ที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (Event Horizon)
ในวันที่ 10 เมษายน 2019 นักวิทยาศาสตร์ได้เปิดเผยภาพของวัตถุขนาดใหญ่ดังกล่าวเป็นที่เรียบร้อย วัตถุนั้นมีชื่อเรียกว่า หลุมดำมวลยวดยิ่ง (super-massive black hole) ซึ่งมีขนาดมวลเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์ที่เราคุ้นเคยรวมกัน 6,500 ล้านดวง ภาพที่ปรากฏคล้ายกับวงแหวนที่มีลักษณะแหว่ง นับเป็นภาพหลุมดำภาพแรกที่มวลมนุษยชาติได้มีโอกาสเชยชม
ภาพหลุมดำดังกล่าวเป็นผลผลิตของโครงการกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon Telescope: EHT) ซึ่งโครงการนี้เป็นความร่วมมือระดับโลกของนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 200 คน โดยการใช้หอสังเกตการณ์ที่กระจายอยู่ทั่วโลกตั้งแต่ที่ฮาวายจนไปถึงขั้วโลกใต้ เมื่อนำหอสังเกตการณ์ทั้งหมดมารวมกัน ก็จะกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่เปรียบเทียบขนาดได้เท่าโลก ซึ่งกล้องโทรทรรศน์เหล่านี้สามารถรวบรวมข้อมูลได้มากกว่า 1 เพตะไบต์ในขณะที่เก็บภาพ หลุมดำ M87 ในช่วงเดือนเมษายน ปี 2017 จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เวลากว่าสองปีในการประมวลภาพที่ได้ ก่อนจะเผยสู่สาธารณะชน
“เราได้ศึกษาหลุมดำมานานจนบางครั้งก็ง่ายที่จะลืมไปว่าไม่มีใครบนโลกเคยเห็นวัตถุประหลาดขนาดยักษ์เหล่านั้นมาก่อน” France Cordova ผู้อำนวยการมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ กล่าวในระหว่างการแถลงข่าวประกาศความสำเร็จของทีม ซึ่งจัดขึ้นที่ National Press Club ในกรุงวอชิงตัน ดี.ซี.
“เรามีความยินดีเป็นอย่างยิ่งที่สามารถรายงานให้คุณทราบในวันนี้ว่า เราได้เห็นในสิ่งที่เราคิดว่าชั่วชีวิตของเราไม่มีทางได้สัมผัสแน่ๆ” Shep Doeleman ผู้อำนวยการโครงการจากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาวาร์ด-สมิธโซเนียนกล่าวเสริม “สิ่งที่คุณเห็นคือหลักฐานของขอบฟ้าเหตุการณ์ ตอนนี้เรามีหลักฐานชิ้นดีของหลุมดำเป็นที่เรียบร้อยแล้ว”
“มันน่าทึ่งมากๆ ธรรมชาติเป็นผู้ที่วางแผนให้เราได้มีโอกาสเก็บภาพที่เราเคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้” Doeleman เปิดใจกับความตื่นเต้นในครั้งนี้
ผลส้มเล็กๆ บนพื้นผิวดวงจันทร์
เดิมที EHT มีแผนว่าจะถ่ายภาพของหลุมดำขนาดใหญ่ใจกลางกาแลกซีทางช้างเผือกของเรา ที่มีชื่อว่า Sagittarius A* หลุมดำนี้มีขนาดที่ค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบขนาดของหลุมดำในกาแลกซี M87 ซึ่งเทียบเท่ากับมวลของดวงอาทิตย์เพียง 4 ล้านดวงเท่านั้นเอง เนื่องจาก M87 เป็นหนึ่งในหลุมดำที่ใกล้และใหญ่ที่สุด ทีมนักวิทยาศาสตร์จึงได้ตัดสินใจเล็งกล้องโทรทรรศน์ไปยังที่นั่นเช่นกัน ด้วยความหวังว่าจะสามารถเปรียบเทียบขนาดของสองวัตถุขนาดใหญ่ได้สำเร็จ
ผลปรากฏว่า การส่องกล้องโทรทรรศน์เข้าไปในใจกลางกาแลกซีทางช้างเผือกนั้น กลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อนกว่าการจ้องมองไปที่หลุมดำของกาแลกซีข้างๆ จึงเป็นเหตุผลที่ทีมนักวิทยาศาสตร์เลือกและเทความสนใจทั้งหมดไปให้กับหลุมดำในกาแลกซีนี้แทนอย่าง M87
แทนที่จะเป็นภาพถ่ายเดี่ยว เฉกเช่นเดียวกับภาพถ่ายที่น่าทึ่งมากมายที่ถ่ายได้โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ภาพที่ได้จาก EHT คือผลผลิตของกระบวนการที่เรียกว่า อินเตอร์เฟอโรเมทรี (Interferometry) ซึ่งเป็นการรวมการสังเกตการณ์และภาพจากกล้องโทรทรรศน์หลายๆ ตัวเป็นภาพเดียวกัน เมื่อกล้องโทรทรรศน์สังเกตเป้าหมายเดียวกันในเวลาพร้อมๆ กัน นักวิทยาศาสตร์จะสามารถตรวจสอบการสังเกตการณ์เหล่านั้นและ “เห็น” วัตถุราวกับพวกเขากำลังใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่อันเดียว ที่มีขนาดเท่ากับระยะห่างระหว่างกล้องโทรทรรศน์พวกนั้น
กว่าจะได้ภาพของหลุมดำขนาดยักษ์ (ซึ่งหากเทียบกับกาแลกซีโดยรอบของพวกมันมีขนาดเล็กมาก) เราจำเป็นต้องควบคุมกล้องโทรทรรศน์วิทยุพร้อมกันทั่วโลก ทำให้หอสังเกตการณ์หกแห่งในเม็กซิโก ฮาวาย แอริโซนา ชิลี และสเปน ที่ต่างหันไปที่กาแลกซี M87 ได้ทำหน้าที่เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่เปรียบเทียบได้ขนาดเท่าโลก
“สิ่งที่เราพยายามจับภาพเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็กมากบนท้องฟ้า” Katie Bouman หนึ่งในทีมถ่ายภาพของ EHT กล่าว “เปรียบเทียบง่ายๆ คือเหมือนกับคุณพยายามถ่ายรูปส้มหนึ่งผลที่วางไว้บนดวงจันทร์ ขณะที่คุณกำลังยืนอยู่บนโลกนี่แหละ”
เป็นเวลาหลายวันที่ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจกาแลกซี M87 ในช่วงคลื่นวิทยุสั้นๆ เนื่องจากคลื่นวิทยุสามารถเจาะฝุ่นและแก๊สที่ปกคลุมอยู่รอบๆ กาแลกซีได้ ในระหว่างการสังเกตการณ์ ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้เก็บข้อมูลมากถึง 5 เพตะไบต์ โดยวิธีโอนถ่ายข้อมูลมีอยู่ทางเดียวคือส่งเป็นฮาร์ดไดร์ฟจริงๆ แทนที่จะเป็นการส่งแบบดิจิตอลหรือทางออนไลน์
“5 เพตะไบท์ถือเป็นข้อมูลที่เยอะมากๆ” Dan Marrone สมาชิกของทีมมหาวิทยาลัยแอริโซนากล่าว “มันเทียบได้กับไฟล์เพลง MP3 ที่คุณสามารถฟังได้ต่อเนื่องกว่า 5,000 ปี”
การรวบรวมภาพจากหอสังเกตการณ์ที่อยู่ต่างสถานที่กันนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิทยาศาสตร์จึงแบ่งออกเป็น 4 ทีม เพื่อทำการประมวลผลอย่างอิสระ โดยใช้อัลกอริทึมที่แตกต่างกันและทดสอบกับแบบจำลองที่ต่างกัน
“ภาพที่ได้น่าทึ่งมาก” Sera Markoff สมาชิกในทีม EHT จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัมกล่าว “ฉันหยิบโทรศัพท์ขึ้นมาเพื่อที่จะดูรูปหลุมดำนี่หลายครั้งมากๆ”
อีกไม่นาน ทีมนักวิทยาศาตร์วางแผนว่าจะปล่อยภาพหลุมดำขนาดยักษ์ที่อยู่ใกล้ชิดกับโลกของเรามากที่สุดอย่าง Sagittarius A* แต่อย่าคาดหวังว่ารูปที่ได้จะมีความละเอียดที่มากกว่ารูปที่เพิ่งปล่อยไป เพียงเพราะเหตุผลที่ว่าหลุมดำดังกล่าวอยู่ใกล้กับโลก
“M87 อยู่ห่างไกลออกไปประมาณสองพันเท่า (เมื่อเทียบกับ Sagittarius A*) แต่หลุมดำของพวกมันก็มีขนาดใหญ่กว่าถึงสองพันเท่าเช่นกัน” Lord Martin Rees จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์กล่าว “เทียบกันแล้วพวกมันมีขนาดที่ไล่เลี่ยกันเมื่อเรามองขึ้นไปบนท้องฟ้า”
ดวงอาทิตย์ทั้งหมด 6,500 ล้านดวง
ตอนนี้เรามีภาพอยู่ในมือแล้ว ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเริ่มการสำรวจความลึกลับที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในเรื่องฟิสิกส์ของหลุมดำ
“สิ่งที่เราอยากรู้จากการสำรวจเหล่านี้คือคุณสมบัติของหลุมดำนับเป็นแบบเดียวกับสิ่งที่ไอน์สไตน์คิดมาตลอดหรือไม่” Rees กล่าว
จนถึงตอนนี้ ดูเหมือนว่าไอน์สไตน์นั้นพูดถูกมาตลอด แม้ว่าตัวเขาเองจะยังคงไม่ปักใจเชื่อนักว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริง แต่การแก้สมการในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เขาตีพิมพ์ในปี 1915 คาดการณ์ว่าหากวัตถุขนาดใหญ่มีอยู่ในจักรวาลจริง มันก็ควรจะมีลักษณะทรงกลมคล้ายกับเงาดำที่ถูกฝังอยู่ในวงแหวนของแสง
รูปภาพของหลุมดำ M87 นั้นตรงดังคำทำนาย แม้ว่าวงแหวนจะมีลักษณะเบี้ยวก็ตาม สสารที่หมุนรอบหลุมดำก่อให้เกิดแผ่นจานที่เปล่งประกาย และเนื่องจากส่วนหนึ่งของแผ่นจานนั้นเคลื่อนเข้าหาเรา ทำให้ส่วนหนึ่งของวงกลมนั้นมีความสว่างขึ้นเล็กน้อย
“หลุมดำกำลังเคลื่อนไหว ดังนั้นบางส่วนของมันจึงควรส่องแสงมาหาคุณ นี่คือสิ่งที่พวกเขาพลาดในหนังเรื่อง Interstellar” Markoff กล่าวถึงการคาดการณ์ที่ผิดว่าหลุมดำมีลักษณะอย่างไรของภาพยนตร์ฟอร์มยักษ์ที่ออกฉายในปี 2014
ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ทำการคาดการณ์ว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ M87 นั้นมีมวลเปรียบเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์กว่า 6,500 ดวง และอาจเป็นไปได้ว่าหากหลุมดำดังกล่าวอยู่ในระบบสุริยะของเรา ขอบฟ้าเหตุการณ์ของมันจะขยายออกไปไกลกว่าวงโคจรของดาวพลูโต
ลำสสาร
เรื่องนี้ยังคงเป็นข้อสงสัยกันต่อไปว่าอะไรอยู่ในแก่นกลางของหลุมดำ หรือที่เรียกกันว่า ภาวะเอกฐาน (singularity) อย่างไรก็ตาม ภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์หลายตัวทั่วโลกนั้นจะช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจเกี่ยวกับด้านนอกของหลุมดำ M87 ได้มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การที่พวกมันปล่อยลำสสาร (เป็นแนวของสสารหรือรังสีที่พุ่งเป็นแนวแคบๆ) ที่พ่นออกมาอย่างรวดเร็วโดยเทียบเป็นความเร็วเกือบๆ เท่ากับแสงเลยทีเดียว ลำสสารดังกล่าวของหลุมดำ M87 นั้นทอดยาวไปถึง 4,900 ปีแสง เป็นหนึ่งในปรากฎการณ์ที่สะดุดตาอย่างมากในจักรวาลใกล้เคียง
หลุมดำปล่อยสสารออกไปสู่อวกาศอาจฟังดูแล้วขัดแย้ง เนื่องจากพวกมันมักจะดูดสสารเข้ามามากกว่า แต่ก็เป็นเรื่องปกติของวัตถุเหล่านี้อยู่แล้วที่มีความซับซ้อนและหาคำอธิบายไม่ค่อยได้
“ดูเหมือนว่ามันจะปล่อยแก๊ส ลมหรือพวกของเหลว ได้ดีพอๆ กับการที่พวกมันดูดสิ่งต่างๆ เข้ามาในตัวพวกมัน” Daryl Haggard จากมหาวิทยาลัย McGill กล่าว พร้อมกับเสริมว่านักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีข้อมูลว่าทำไมหลุมดำถึงปล่อยแก๊สหรือของเหลวพวกนั้นออกมา
การมองเห็นส่วนต่อประสานระหว่างแสง สสาร และขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ M87 อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์หาคำตอบให้กับกระบวนการลึกลับเหล่านี้ได้
ลำสสารดังกล่าวดูเหมือนว่าจะเกิดขึ้นจากแผ่นจานของสสาร ที่หมุนรอบอยู่บริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์ในภูมิภาคที่เรียกว่า ergosphere (บริเวณที่ผูกมัดระหว่างวงขอบฟ้าเหตุการณ์ด้านนอก) Markoff กล่าว ที่นี่ เวลาอวกาศไม่เคยหยุดนิ่งและหมุนอย่างต่อเนื่อง มันเป็นสภาพแวดล้อมที่ล้อมรอบไปด้วยเส้นสนามแม่เหล็กที่รุนแรง แก๊สที่มีความร้อนมากกว่าหลายล้านองศา ปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบเหล่านั้นในเครื่องชั่งด้วยกล้องจุลทรรศน์จะปลดปล่อยพลังงานอันมหาศาลซึ่งพบได้ในลำสสาร
หากเปรียบเทียบลำสสารของหลุมดำ M87 กับภาพของหลุมดำที่อยู่ในกาแลกซีของเราเองนั้น “เราจะสามารถเข้าใจความไม่แน่นอนของอิทธิพลแห่งหลุมดำในประวัติศาสตร์จักรวาล”
เรื่องโดย
***แปลและเรียบเรียงโดย รชตะ ปิวาวัฒนพานิช
โครงการนักศึกษาฝึกงาน กองบรรณาธิการ นิตยสารเนชั่นแนล จีโอกราฟฟิก ฉบับภาษาไทย