หลุมดำ คือเทหวัตถุ (Space Object) ในอวกาศที่มีความหนาแน่นสูงจนเกิดเป็นบริเวณที่มีแรงดึงดูดมหาศาล
แรงโน้มถ่วงภายในหลุมนี้ทรงพลังจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้ นอกจากนั้นเมื่อมีวัตถุใดที่เคลื่อนที่เข้าใกล้มากเกินไป ไม่ว่ายานอวกาศ ดาวฤกษ์ หรือดาวเคราะห์ก็จะถูกดูดกลืนเข้าสู่ หลุมดำ จากนั้นแรงโน้มถ่วงภายในหลุมจะยืดวัตถุนั้นออกและบีบอัดเข้าด้วยกันในกระบวนการสปาเก็ตตี (spaghettification) กล่าวคือวัตถุนั้นจะถูกแรงโน้มถ่วงยืดออกจากกันจนแตกกระจายในแนวนอนและบีบให้เศษวัตถุมีลักษณะยาวเหมือนเส้นสปาเก็ตตีด้วยแรงกดในแนวตั้ง
หลุมดำสามารถจำแนกออกตามขนาดได้สี่ประเภท คือหลุมดำเชิงควอนตัมหรือหลุมดำจิ๋ว หลุมดำดาวฤกษ์ หลุมดำขนาดกลาง และหลุมดำมวลยิ่งยวด รูปแบบของการเกิดหลุมดำที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดคือการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ โดยส่วนใหญ่แล้วดาวฤกษ์ที่สิ้นอายุขัยจะพองตัวออก ค่อย ๆ สูญเสียมวล และเย็นตัวลงจนกลายเป็นดาวแคระขาว ทว่าดาวฤกษ์สิ้นอายุขัยที่กลายเป็นดาวยักษ์แดงจะพองตัวออกจนมีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 10-20 เท่า และมีโอกาสที่จะกลายเป็นดาวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นสูงหรือหลุมดำจากการสลายตัวของมวลดาวฤกษ์อย่างที่เรารู้จัก
ในวาระสุดท้าย ดาวฤกษ์ที่พองตัวจนมีขนาดใหญ่มหึมาจะปล่อยพลังงานพร้อมการระเบิดครั้งใหญ่ที่เรียกว่าซุปเปอร์โนวา (supernovae) ความรุนแรงของการระเบิดจะทำให้สสารของดาวถูกพ่นออกไปในชั้นบรรยากาศ และเหลือไว้เพียงแกนกลางของดาวฤกษ์ ในขณะที่ดาวฤกษ์ยังมีชีวิตอยู่นั้น ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (nuclear fusion) จะสร้างแรงผลักออกจากดาวเพื่อให้สมดุลกับแรงดึงเข้าภายในซึ่งเกิดจากแรงโน้มถ่วงตามมวลของดวงดาว อย่างไรก็ตามดาวฤกษ์ที่เหลือเพียงเศษซากจากซุปเปอร์โนวานั้นไม่สามารถที่จะต้านแรงโน้มถ่วงได้อีกต่อไปแกนกลางที่เหลืออยู่จึงเริ่มสลายและยุบตัวลง
หลุมดำจะถือกำเนิดขึ้นเมื่อแกนกลางของดาวฤกษ์ยุบตัวลงจนเหลือเพียงวัตถุขนาดเล็กที่มีความหนาแน่นซึ่งไร้ขีดจำกัด การที่มวลสารที่มีจำนวนมากกว่าดวงอาทิตย์หลายต่อหลายเท่าถูกยุบรวมเป็นวัตถุเล็ก ๆ ในอวกาศนั้นทำให้หลุมดำที่เกิดขึ้นมีแรงดึงดูดอันทรงพลัง และหลุมดำนับพันที่เกิดจากการสลายตัวของดาวฤกษ์ในลักษณะนี้อาจแฝงอยู่ภายในกาแล็กซีทางช้างเผือกที่ระบบสุริยะของเราอาศัยอยู่ก็เป็นได้
ลักษณะของหลุมดำที่แตกต่างกัน
หลุมดำมวลยิ่งยวดที่ถูกคาดการณ์ไว้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อาจมีมวลรวมเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์หลายพันล้านดวง และมีความเป็นไปได้ว่าหลุมดำที่เป็นอันตรายต่อจักรวาลเหล่านั้นจะแฝงอยู่ในใจกลางของกาแล็กซีส่วนใหญ่ เมื่อเดือนพฤษภาคม ปี ค.ศ. 2022 ที่ผ่านมาก็ได้มีการยืนยันว่า ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกที่เราอาศัยอยู่นั้นมีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่จริง โดยหลุมดำซาจิตทาเรียสเอสตาร์ (Sagittarius A*) ที่ทีมนักดาราศาสตร์จับภาพได้นั้นมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึงสี่ล้านเท่า
ในทางกลับกัน หลุมดำที่มีขนาดเล็กที่สุดหรือหลุมดำเชิงควอนตัมนั้นยังเป็นเพียงทฤษฎีอยู่ หลุมดำเล็ก ๆ เหล่านั้นอาจจะเกิดขึ้นและระเหยไปอย่างรวดเร็วในช่วงแรกเริ่มของเอกภพหรือประมาณ 13,700 ล้านปีที่แล้ว นอกจากหลุมดำขนาดเล็กแล้ว นักดาราศาสตร์ยังคาดว่ามีหลุมดำขนาดกลางอยู่ในเอกภพนี้อีกด้วยแม้ว่าหลักฐานที่เกี่ยวข้องจะยังเป็นที่ถกเถียงจนถึงทุกวันนี้
ไม่ว่าหลุมดำจะมีขนาดเริ่มต้นเท่าใดก็สามารถเติบโตจากการดูดกลืนก๊าซและฝุ่นจากวัตถุทุกชนิดที่เคลื่อนตัวเข้ามาใกล้ได้ตลอดอายุขัย การที่สิ่งต่าง ๆ ผ่านเข้าขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำไปแล้วไม่สามารถหลบหนีออกมาได้กลายเป็นทฤษฎีที่ใช้ในแนวคิดของกระบวนการสปาเก็ตตีเพราะทฤษฎีนี้เกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของหลุมดำ
นีล เดอกราสส์ ไทสัน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ได้อธิบายกระบวนการนี้ไว้ว่า “ขณะที่ตัวคุณถูกยืดออกคุณจะโดนบีบอัดไปด้วยครับ คุณจะถูกดันออกจากผืนผ้าอวกาศเหมือนกับยาสีฟันที่ถูกบีบออกจากหลอด”
อย่างไรก็ดี หลุมดำนั้นไม่ใช่เครื่องดูดฝุ่นประจำจักรวาลอย่างที่ถูกนำเสนอผ่านสื่อยอดนิยมต่าง ๆ เพราะวัตถุจะต้องเคลื่อนตัวเข้ามาใกล้หลุมดำพอสมควรจึงจะถูกแรงโน้มถ่วงดูดกลืนเข้าไป ตัวอย่างในกรณีที่ดวงอาทิตย์ถูกแทนที่ด้วยหลุมดำที่มีมวลเท่ากัน ระบบสุริยะของเราก็ยังสามารถโคจรต่อไปได้โดยไม่มีอะไรมารบกวนแม้อุณหภูมิและแสงสว่างจะลดลงก็ตาม
วิธีตามหา หลุมดำ อันแสนมืดมิด
แม้ว่านักดาราศาสตร์จะระบุตำแหน่งที่แน่ชัดของหลุมดำไม่ได้เพราะหลุมดำนั้นดูดกลืนแสงเข้าไปทั้งหมดจนไม่สามารถมองเห็นได้เหมือนกับวัตถุทางดาราศาสตร์อื่น ๆ แต่ก็ยังมีหลักสังเกตที่ช่วยให้นักดาราศาสตร์รับรู้ถึงการมีอยู่ของมันได้
จุดสังเกตแรกคือ แรงโน้มถ่วงมหาศาลจะลากวัตถุโดยรอบเข้ามายังบริเวณที่หลุมดำอยู่ นักดาราศาสตร์ใช้ลักษณะการเคลื่อนไหวที่คาดการณ์ไม่ได้นี้ในการพิจารณาการมีอยู่ของหลุมดำที่มองไม่เห็นซึ่งอาจจะแฝงตัวอยู่ในบริเวณใกล้เคียง จุดสังเกตที่สองคือวัตถุต่าง ๆ สามารถโคจรรอบหลุมดำได้ นักดาราศาสตร์จึงใช้ข้อสังเกตนี้ในการหาดาวฤกษ์ที่ดูเหมือนไม่ได้โคจรรอบสิ่งอื่นเพื่อตรวจหาวัตถุที่มีความเป็นไปได้สูงว่าจะเป็นหลุมดำ และข้อสังเกตนี้ก็เป็นวิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 เพื่อระบุว่าซาจิตทาเรียสเอสตาร์เป็นหลุมดำจริง ๆ
จุดสังเกตสุดท้ายคือหลุมดำจะดูดกลืนสิ่งต่าง ๆ ไปทั่วจักรวาล การที่หลุมดำดูดกลืนวัตถุตามที่ต่าง ๆ นั้นสามารถเผยตำแหน่งของมันได้ เนื่องจากในขณะที่หลุมดำดูดกลืนดาวที่อยู่ใกล้ตัวนั้นแรงโน้มถ่วงและแรงแม่เหล็กอันมหาศาลของมันจะทำให้ก๊าซและฝุ่นที่ถูกดูดกลืนเข้ามาได้รับความร้อนจนกลายเป็นรังสี และในบางครั้งรังสีเหล่านี้หรือที่เรียกว่าจานพอกพูนมวล (accretion disk) จะหมุนวนรอบ ๆ เพื่อห่อหุ้มหลุมดำไว้ นอกจากนี้วัตถุที่ถูกดูดเข้าไปในหลุมดำนั้นไม่ได้หายเข้าไปในนั้นเสมอไปเพราะในบางครั้งหลุมดำสามารถพ่นฝุ่นจากดวงดาวที่ดูดเข้าไปออกมาในรูปแบบคล้ายการเรอได้
เรื่อง มายา เว ฮาส (Maya Wei-Haas)
แปล พรรณทิพา พรหมเกตุ
อ่านเพิ่มเติม หลุมดำ กลืนดาวฤกษ์ ถ่ายโดย กล้องฮับเบิล กระชากดวงดาวเป็นรูปโดนัท
