ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ขอบฟ้าเหตุการณ์ (อังกฤษ: event horizon) คือขอบเขตของปริภูมิ-เวลา ซึ่งโดยมากมักเป็นพื้นที่โดยรอบหลุมดำ ที่ซึ่งเหตุการณ์ต่างๆ ไม่อาจส่งออกมาถึงผู้สังเกตการณ์ภายนอกได้ แสงที่แผ่ออกมาจากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์จะไม่มีวันเดินทางมาถึงผู้สังเกต และวัตถุใดๆ ที่ล่วงผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปจากฝั่งของผู้สังเกต จะมีสภาวะที่ช้าลงและดูเหมือนจะไม่สามารถข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปได้ ภาพที่เห็นจะเกิดภาวะการเคลื่อนไปทางแดงมากยิ่งขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ดีวัตถุที่เคลื่อนที่นั้นจะไม่รู้สึกถึงความแตกต่าง และอันที่จริงได้ข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้วในระยะเวลาที่แน่นอนขนาดหนึ่ง
มีขอบฟ้าเหตุการณ์ที่พิเศษอยู่หลายประเภท รวมถึงชนิดที่แตกต่างไปโดยสิ้นเชิงเช่นที่พบรอบๆ หลุมดำ ส่วนขอบฟ้าเหตุการณ์อื่นๆ ที่ไม่เหมือนใครก็รวมไปถึง ขอบฟ้าเคาชีและคิลลิง (Cauchy and Killing horizon), ทรงกลมโฟตอน และเออร์โกสเฟียร์ จากทฤษฎี Reissner-Nordström solution, ขอบฟ้าอนุภาคและขอบฟ้าจักรวาลวิทยา ในวิชาจักรวาลวิทยา เป็นต้น
สามารถหลุดพ้นออกมาจากหลุมดำได้ แม้กระทั่งเราฉายไฟฉายออกมาจากภายใน Event Horizon อนุภาคของแสงที่ออกมาก็ไม่สามารถหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของมันได้ ทำไมเราจึงเห็นหลุมดำได้
Event Horizon
ภาพองค์ประกอบของหลุมดำ – ขอขอบคุณภาพประกอบจากเว็บไซต์ eso.org
คำตอบง่ายๆ ก็คือเราไม่สามารถเห็นภายในหลุมดำได้ อย่างไรก็ตาม เราสามารถสังเกตเห็นมวลและแสงที่วนอยู่รอบๆได้ ภายในบริเวณของขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นบริเวณที่ไม่มีวัตถุใด หรือแม้กระทั่งแสงสามารถหลุดออกมาได้ หมายความว่าหากนักบินอวกาศคนหนึ่งอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ ไม่ว่าเขาจะฉายไฟฉายไปในทิศทางใด ทุกทิศทางต่างก็นำไปสู่ singularity ในบริเวณกลางของหลุมดำทั้งนั้น (แม้ว่าจะหันออกมาจากศูนย์กลางก็ตาม)
เนื่องจากแม้กระทั่งกาลอวกาศ (spacetime) ก็กำลังตกลงไปสู่ศูนย์กลางด้วยความเร็วมากกว่าแสง หากนักบินอวกาศอยู่ภายนอกของขอบฟ้าเหตุการณ์ นักบินอวกาศก็จะยังสามารถฉายไฟฉายออกมาภายนอกได้ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาล จะทำให้แสงที่ปล่อยออกมามีทิศทางบิดเบี้ยวไป
กาลอวกาศ (spacetime)
ขอขอบคุณภาพประกอบจากเว็บไซต์ discovermagazine.com
ทำไมภาพที่ได้จึงมีรูปร่างแบบนั้น
ภาพที่เห็นเป็นภาพที่สอดคล้องกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์เอาไว้เกี่ยวกับหลุมดำไม่ผิดเพี้ยน นี่เป็นภาพที่เราเห็นจากแกนหมุนของหลุมดำ เนื่องจากมันมีแรงโน้มถ่วงสูงพอที่จะสามารถดึงให้แสงวนไปรอบๆ ได้ ที่ระยะห่าง 1.5 เท่าของขอบฟ้าเหตุการณ์ จะมีสิ่งที่เรียกว่า (อ่านว่าโฟตอนสเฟียร์) อยู่ ซึ่งเป็นบริเวณสุดท้ายที่แสงจะสามารถโคจรไปรอบๆได้ สิ่งที่ใกล้หลุมดำที่สุดที่เราจะสามารถเห็นได้จึงเป็นวงแหวนของ photon sphere ก่อนที่จะเข้าไปสู่ความมืดสนิท เราจึงเห็นเป็นบริเวณที่มืดสนิทที่ถูกล้อมไปด้วยวงกลมสว่าง (แต่ระยะห่างที่เราเห็นจะมากกว่า 1.5 เท่าเล็กน้อย เนื่องจากแสงจะถูกเบี่ยงเบนออกไปด้วยแรงโน้มถ่วง)
ถัดออกมาเราจะเห็นมวลก๊าซที่กำลังอยู่ในจานพอกพูนมวลที่กำลังตกลงไปสู่หลุมดำ นอกจากนี้มวลที่กำลังหมุนในทิศทางที่หันมาหาผู้สังเกตจะมีความสว่างขึ้นเล็กน้อย ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า relativistic beaming อย่างที่ปรากฏในภาพทางด้านล่างของหลุมดำ
ภาพถ่ายหลุมดำ – ขอขอบคุณภาพประกอบจากเว็บไซต์ dailygalaxy.com
ทำไมก่อนหน้านี้เราถึงไม่เห็นหลุมดำ
การจะมองเห็นหลุมดำนั้นเป็นเรื่องที่ยากมาก เพราะว่าหลุมดำเป็นวัตถุที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก หากเราสามารถบีบอัดดวงอาทิตย์ให้กลายเป็นหลุมดำได้ จะมีขนาดเพียงแค่ 3 กม. เพียงเท่านั้นเอง ในขณะที่โลกของเราจะกลายเป็นหลุมดำที่มีขนาดไม่กี่มิลลิเมตร การที่จะสามารถสังเกตเห็นหลุมดำได้จึงจำเป็นต้องอาศัยหลุมดำที่มีมวลมาก หรือที่เรียกว่า “หลุมดำมวลยิ่งยวด” (supermassive black hole: SMBH) และอยู่ใกล้เรามากที่สุด
SMBH ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด ก็คือ Sagittarius A* ที่อยู่ในใจกลางทางช้างเผือกของเรานั่นเอง ซึ่งมีมวล 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แต่ก็ยังมีขนาดเพียง 8% ของระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ แต่หลุมดำที่โครงการ Event Horizon Telescope (EHT อีเอชที) สังเกตนี้ เป็น SMBH ที่อยู่ในใจกลางของกาแล็กซี M87 ซึ่งมีมวลถึง 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีขนาดประมาณเท่ากับระบบสุริยะ ซึ่งเป็นหลุมดำที่มีขนาดเชิงมุมปรากฏจากโลกใหญ่กว่าหลุมดำที่ใจกลางทางช้างเผือกของเรา แม้กระทั่งที่ระยะห่างออกไปถึงกว่า 55 ล้านปีแสง
ภาพหลุมดำมวลยิ่งยวด – ขอขอบคุณภาพประกอบจากเว็บไซต์ scientificamerican.com
EHT บันทึกภาพนี้ได้อย่างไร
การที่จะมองรายละเอียดที่เล็กมากๆ เราจำเป็นที่จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ขนาดใหญ่มากๆ นี่เป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมเราจึงมีความพยายามที่จะสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในปัจจุบันก็ยังไม่สามารถแยกแยะรายละเอียดของหลุมดำที่มีขนาดเพียงระบบสุริยะที่อยู่ห่างออกไป 55 ล้านปีแสงได้
วิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้ ก็คือวิธีที่เรียกว่า interferometry โดยการรวมแสงจากระยะห่างที่ไกลมากๆ เราอาจจะเปรียบเทียบได้ว่า หากภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่คือการนำแสงที่อยู่ปลายด้านหนึ่งของกระจกกล้องโทรทรรศน์ ไปรวมกับแสงที่มาจากปลายอีกด้านหนึ่ง หากเราสามารถมีกล้องสองตัวที่อยู่ห่างกันหลายพันกิโลเมตร แล้วนำแสงที่ได้นั้นมารวมกัน เราก็จะสามารถจำลองภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เป็นพันกิโลเมตรได้ และวิธี interferometry นี้ก็คือวิธีที่ทำให้ EHT สามารถบันทึกภาพหลุมดำนี้ได้เป็นครั้งแรก
ภาพกล้อง EHT – ขอขอบคุณภาพประกอบจากเว็บไซต์ discovermagazine.com
แต่เนื่องจาก interferometry ในช่วงความยาวคลื่นแสงนั้นทำได้ยากกว่ามาก EHT จึงใช้การสังเกตการณ์ทางคลื่นวิทยุจากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุจำนวนมากที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วโลกรวมไปถึงที่ขั้วโลกใต้ และทำการติดตั้งนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูง ในการบันทึกเวลาเพื่อที่จะสามารถนำสัญญาณวิทยุที่ถูกบันทึกเอาไว้ใน ณ เสี้ยววินาทีเดียวกัน มาสามารถรวมกันเพื่อจำลองราวกับพื้นผิวโลกของเราทั้งใบกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่กล้องหนึ่ง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น