ไม่มีใครไม่รู้จักหลุมดำ (Black Hole) มันเป็นวัตถุที่เกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 3-50 เท่าขึ้นไปสิ้นอายุขัยและระเบิดออกกลายเป็นเศษซากสุดท้ายที่เรียกว่าหลุมดำ ซึ่งจะคอยกลืนกินทุกอย่างแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดมาได้
ด้วยความพิเศษที่ไม่เหมือนใคร นักวิทยาศาสตร์จึงมีคำถามมากมายกับหลุมดำเหล่านี้และหนึ่งในนั้นคือ มันตายได้หรือไม่? สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) ได้พิสูจน์แนวคิดของเขาไว้ว่าหลุมดำไม่ได้แค่กลืนกินเข้าไปเท่านั้น แต่ยัง ‘คาย’ ออกมาด้วยผ่านสิ่งที่เรียกว่า ‘รังสีฮอว์คิง’
หากหลุมดำดังกล่าวไม่ได้กลืนกินอะไร กระบวนการคายรังสีฮอว์คิง ก็จะทำให้มันเล็กลงเรื่อย ๆ ตามกาลเวลา และท้ายที่สุด มันก็จะตายหายไปจากจักรวาล นักฟิสิกส์เชื่อกันว่าเหตุการณ์เช่นนี้น่าจะเกิดขึ้นเพียงครั้งเดียวในทุก ๆ 100,000 ปี แต่การศึกษาใหม่ที่เผยแพร่บนวารสาร Physical Review Letters เผยให้เห็นว่ากระบวนการดังกล่าวอาจเร็วกว่าที่เราคิดกันมาก
“เราเชื่อว่ามีโอกาสสูงถึง 90% ที่จะเห็นหลุมดำระเบิดในอีก 10 ปีข้างหน้า สิ่งสำคัญก็คือกล้องโทรทรรศน์อวกาศและกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินในปัจจุบันของเรามีความสามารถในการตรวจจับการระเบิดดังกล่าวได้แล้ว” ไอแดน ไซมอนส์ (Aidan Symons) นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์กล่าว
เมื่อพูดถึงหลุมดำ เราส่วนใหญ่มักถึงหลุมดำยักษ์ที่มีขนาดมหึมาหลายล้านถึงหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ แต่อันที่จริงแล้วมีหลุมดำประเภทหนึ่งที่ไม่ได้ถูกพูดถึงมากนักนั่นคือ หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial Black Holes; PBHs)
ตามทฤษฎีระบุว่า หลุมดำเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้หลังจากบิ๊กแบงภายในไม่กี่วินาที มันไม่ได้เกิดจากดวงดาว แต่เกิดจากสถานการณ์ที่ท่วมไปด้วยอนุภาคของจักรวาลยุคแรกสุดที่เกิดขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็กเหล่านั้น แรงดึงดูดระหว่างอนุภาดต่าง ๆ ที่มีความเข้มข้นสูงอาจยุบตัวกลายเป็นหลุมดำขนาดเล็กมากได้โดยตรง
ในปี 1974 ฮอว์คิง ได้เสนอแนวคิดของเขาว่าหลุมดำนั้นคายรังสีความร้อนชนิดหนึ่งออกมา ซึ่งต่อมาถูกพิสูจน์และตั้งชื่อตามเขา การแผ่รังสีฮอว์คิงนี้จะทำให้หลุมดำระเหยไป โดยอุณหภูมิของรังสีนี้ขึ้นอยู่กับมวลของหลุมดำที่แผ่ออกมา
ทว่า ฮอว์คิง ได้แสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่า ยิ่งหลุมดำมีขนาดใหญ่เท่าไหร่ มันก็ยิ่งมีอุณหภูมิต่ำลงเท่านั้น กล่าวอีกอย่าง ยิ่งหลุมดำมีขนาดเล็กเท่าไหร่ มันก็ยิ่งคายรังสีนี้ออกมาเร็วเท่านั้น ดังนั้นหลุมดำที่มีขนาดเล็ก จะสูญเสียมวลของมันได้เร็วกว่าหลุมดำที่มีมวลมหาศาลกว่ามาก
“ยิ่งหลุมดำมีน้ำหนักเบาเท่าไหร่ ก็ยิ่งควรจะร้อนขึ้นเท่านั้น และยิ่งปล่อยอนุภาคออกมามากขึ้นเท่านั้น เมื่อหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์ระเหยไป พวกมันก็จะเบาลงเรื่อย ๆ และร้อนขึ้นเรื่อย ๆ ปล่อยรังสีออกมามากขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งระเบิด” แอนเดร แธมม์ (Andrae Thamm) สมาชิกทีมวิจัยและนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ แอมเฮิร์สต์ กล่าว
“รังสีฮอว์คิงนี่แหละที่กล้องโทรทรรศน์ของเราตรวจจับได้”
ความน่าสนใจเกิดขึ้นเมื่อทีมวิจัยได้เริ่มตั้งคำถามเกี่ยวกับสมมติฐานที่ยึดถือกันมานานเกี่ยวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้าของหลุมดำ แม้ว่าหลุมดำมาตรฐานจะไม่มีประจุไฟฟ้า แต่พวกเขากลับมองว่าหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์อาจก่อตัวขึ้นด้วยประจุไฟฟ้าขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับอนุภาคหนักเชิงสมมติที่เรียกว่า ‘อิเล็กตรอนมืด’ (dark electrons)
โดยอิเล็กตรอนมืดนี้จะเหมือนอิเล็กตรอนเวอร์ชันปกติแต่หนักกว่ามาก มีอันตรกิริยาผ่านแรงแม่เหล็กไฟฟ้ามืดแทนที่จะเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วไป ในแบบจำลองทางทฤษฎีที่เรียกว่า dark-QED อนุภาคเหล่านี้จะมีประจุไฟฟ้ามืดและมีอันตรกิริยาผ่านโฟตอนมืด ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อพฤติกรรมของสสารรอบหลุมดำ (บิ๊กแบงสร้างทุกสสารรวมถึง ‘สสารมืด’ ด้วยเช่นกัน)
“เราตั้งสมมติฐานที่แตกต่างออกไป” ไมเคิล เบเกอร์ (Michael Baker) สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ แอมเฮิร์สต์ กล่าว “เราแสดงให้เห็นว่าหากหลุมดำยุคดึกดำบรรพ์ก่อตัวขึ้นด้วยประจุไฟฟ้ามืดขนาดเล็ก แบบจำลองก็ได้คาดการณ์ไว้ว่าหลุมดำน่าจะคงสภาพชั่วคราวก่อนจะระเบิดในที่สุด”
ผลกระทบจากการรักษาสภาพนี้สามารถเพิ่มโอกาสในการสังเกตการระเบิดดังกล่าวได้อย่างมาก จาก 1 ครั้งในทุก 100,000 ปี เป็นอาจ 1 ครั้งในทุก 10 ปี
“เรารู้วิธีสังเกตรังสีฮอว์คิง” โฮอาคิม อิกวาซ ฮวน (Joaquim Iguaz Juan) สมาชิกทีมและนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ แอมเฮิร์สต์ กล่าว
“เราสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน และเนื่องจากหลุมดำที่สามารถระเบิดได้ในปัจจุบันหรือในอนาคตอันใกล้นี้ นั้นมีเพียงหลุมดำยุคแรกเริ่มเท่านั้น เราจึงรู้ว่าหากเราเห็นรังสีฮอว์คิง เรากำลังเห็นหลุมดำยุคแรกเริ่มที่กำลังระเบิด”
ขั้นตอนต่อไปของทีมคือการเตรียมพร้อมสำหรับการตรวจจับดังกล่าว และใช้ประโยชน์จากสิ่งที่พวกเขาคาดการณ์ไว้ว่ามีโอกาส 90% ที่หลุมดำดึกดำบรรพ์จะระเบิด หากแนวคิดได้รับการพิสูจน์ว่าเป็นจริง มันจะยืนยันสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอนุภาคย่อยทุกชนิดที่เชื่อว่ามีอยู่ ซึ่งอาจรวมถึงสสารมืดด้วย
“นี่จะเป็นการสังเกตการณ์โดยตรงครั้งแรกของทั้งรังสีฮอว์คิงและหลุมดำดึกดำบรรพ์ เรายังจะได้รับบันทึกที่ชัดเจนของทุกอนุภาคที่ประกอบเป็นทุกสิ่งในจักรวาล” อิกวาซ ฮวน กล่าว “มันจะปฏิวัติวงการฟิสิกส์อย่างสิ้นเชิง และช่วยให้เราเขียนประวัติศาสตร์ของจักรวาลขึ้นใหม่”
สืบค้นและเรียบเรียง
วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ที่มา