เข้าใจคอนเซปของหลุมดำอย่างง่าย มีกี่ประเภท มาจากแนวคิดอะไรบ้าง

ในบรรดางานประดิษฐ์ของธรรมชาติ สิ่งที่เข้าใจยากสุด ๆ อย่างหนึ่งเลยนอกจากจิตใจอันซับซ้อนของมนุษย์ก็คือ “หลุมดำ” วัตถุท้องฟ้าที่เป็นปริศนาที่สุดและได้รับการถกเถียงกันมาอย่างยาวนานในบรรดาหมู่นักวิชาการและนักวิทยาศาสตร์ นับตั้งแต่ปี 1796 ที่ได้มีการเสนอแนวคิดว่า แสงได้รับอิทธิพลจากความโน้มถ่วงเช่นเดียวกันกับวัตถุที่มีมวล ในหนังสือ Exposition du système du Monde ซึ่งเขียนโดยปีแยร์-ซีมง ลาปลา ถึงแม้ในเวลานั้นมันจะยังไม่ถูกขนานนามว่าหลุมดำอย่างเป็นทางการก็ตาม

ปัจจุบันเรารู้จักหลุมดำเจ้าปัญหามากขึ้นจากอดีตมาก จนถึงขนาดที่ว่าล่าสุดเราสามารถถ่ายรูปมันได้แล้ว แต่หลาย ๆ คนก็ยังคงบ่นว่าการทำความเข้าใจหลุมดำช่างเป็นเรื่องที่ยากเสียเหลือเกิน เหมือนสามีที่พยายามทำความเข้าใจภรรยาเสียจริง และถ้าหากคุณเป็นหนึ่งในหลาย ๆ คนที่ว่าล่ะก็อย่าพึ่งน้อยใจเซลสมองของตัวเองไป เพราะแม้ชายที่ได้รับการขนานนามว่าฉลาดที่สุดในโลกอย่างอัลเบิร์ต ไอน์สไตล์ ยังเคยเชื่อว่าหลุมดำไม่มีจริง! แม้เจ้าตัวจะเป็นเจ้าของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่เปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ทางทฤษฎีของปรากฏการณ์ที่น่าเหลือเชื่ออย่างหลุมดำก็ตาม โดยไอน์สไตล์ได้เขียนลงในหนังสือ Annals of Mathematics ใจความว่าเจ้าหลุมดำเนี่ยมันไม่มีในชีวิตจริงโว้ย แต่สี่ตีนยังรู้พลาด อัลเบิร์ตยังรู้พลั้ง เหตุไฉนปุถุชนคนธรรมดาอย่างเราจะเข้าใจมันไม่ได้ นับตั้งแต่บรรทัดนี้เป็นต้นไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป กุญแจสู่แนวคิดและการตั้งคำถามถึงการมีอยู่ของหลุมดำ

“ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปคืออะไรคะ ฟังดูยากจัง จะเข้าใจต้องไปนั่งอ่านหนังสือเป็นพัน ๆ หน้าแน่ ๆ” ครั้งหนึ่งผู้เขียนก็เคยคิดแบบนี้ เพราะจินตนาการไว้ว่า คุณไอน์สไตน์จะต้องนั่งเขียนทฤษฎีไว้เป็นพัน ๆ หน้า แถมพอไปถามครู ครูยังบอกว่ามันยากเกินไปสำหรับเด็ก ซึ่งตอนนั้นผู้เขียนพึ่งจะ 11 ขวบ เย็นวันหนึ่งขณะที่นั่งอ่านหนังสือที่อธิบายถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพในห้องสมุดประชาชน ผู้เขียนก็ได้เข้าใจตัวทฤษฎี และเข้าใจว่า ไม่จำเป็นต้องจำได้ทั้งหมด แค่เข้าใจคอนเซปของมันก็พอแล้ว ดั่งมีแสงเปล่งออกมาที่หัวและได้ยินเสียงแหบพร่าของลุงไอน์สไตน์กระซิบที่หูว่า “แสง เวลาและระยะทางมีความสัมพันธ์กัน”

คุณผู้อ่านลองจินตนาการว่าอวกาศเป็นผืนผ้าที่ไม่มีความขรุขระหรือวัตถุใด ๆ อยู่เลยนอกจากคุณที่ยืนอยู่ฝั่งใดฝั่งหนึ่งของผืนผ้า นั่นแปลว่าแสงจะเดินทางมาหาคุณได้โดยตรง แต่ในความเป็นจริงอวกาศมิได้เป็นแผ่นราบเรียบ หรือทรงกลมสมบูรณ์ หากแต่คดโค้งไปตามมวลและตำแหน่งของวัตถุต่าง ๆ

และสมมุติว่าตรงกลางของผืนผ้าที่คุณยืนอยู่มีวัตถุมีมวลที่ทำให้ผืนผ้า ณ จุดนั้นคดโค้ง แสงก็จะเดินทางคดโค้งตามไปด้วยและจะใช้เวลามากขึ้นในการเดินทางมาหาคุณ

มันจึงเกิดแนวคิดที่นำไปสู่การถกเถียงในหมู่นักดาราศาสตร์ วิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์ที่ว่า หากวัตถุนั้นมีมวลมากพอที่จะทำให้อวกาศคดโค้งมากเสียจนแสงที่เดินทางลงไปไม่สามารถเดินทางกลับมาได้

หลุมดำคืออะไรในปัจจุบัน

คำตอบคือ เทหวัตถุในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมาก และถึงแม้จะเป็นหลุมดำเหมือน ๆ กันแต่การเกิดของหลุมดำบางหลุมกลับแตกต่างกัน นี่แม้แต่หลุมดำก็มีการแบ่งชนชั้นวรรณะกันสินะ และในปัจจุบันเราแบ่งหลุมดำออกเป็น 4 แบบ

หลุมดำจิ๋วหรือหลุมดำเชิงควอนตัม

แค่ชื่อก็น่าสงสารแล้วแถมยังมีมวลน้อยกว่าดาวฤกษ์เสียอีก ” อ้าว แล้วแบบนี้จะเรียกว่าหลุมดำได้อย่างไร ” อย่าพึ่งงง เพราะก็ยังไม่มีกลไกใดสามารถอธิบายการเกิดแบบปกติของหลุมดำประเภทนี้จากวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ แต่เรารู้ว่ามันมีอยู่จริงจากสมมุติฐานการพองตัวของเอกภพที่แสดงให้เห็นว่าหลุมดำจิ๋วเป็นหลุมดำที่เกิดขึ้นมากในเอกภพยุคแรกเริ่ม ถ้าพิจารณาจากทฤษฎีบางประการว่าด้วยความโน้มถ่วงทางควอนตัม หลุมดำประเภทนี้อาจเกิดขึ้นได้จากปฏิกิริยาพลังงานสูงมากที่เกิดจากรังสีคอสมิกปะทะกับชั้นบรรยากาศ แบง! แล้วเกิดเป็นหลุมดำจิ๋ว

หลุมดำจากดาวฤกษ์

หลุมดำชนิดนี้มีมวลตั้งแต่ประมาณ 1.5–20 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ โดยมักจะเกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์เดี่ยว หรือการรวมกันของดาวนิวตรอนคู่ ต้องเข้าใจก่อนว่าดาวฤกษ์นั้นเป็นแก๊ส แต่ที่มันรวมตัวกันได้เป็นก้อนเพราะมันมีทั้งแรกผลักและแรงดึงดูดซึ่งเกิดจากปฎิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่แก่นกลาง และเมื่อปฎิกิริยานี้จบลงดาวฤกษ์จะระเบิดมวลแก๊สมหาศาลออกมาหรือที่เรียกว่าซุปเปอร์โนวาจากแรงผลัก และใจกลางจะยุบเป็นหลุมดำจากแรงดูด

หลุมดำมวลปานกลาง

หลุมดำชนิดนี้เป็นความครึ่ง ๆ กลาง ๆ ระหว่างหลุมดำดาวฤกษ์และหลุมดำมวลยิ่งยวด เพราะมีมวลมากกว่าหลุมดำดาวฤกษ์แต่ก็มีไม่มากเท่าหลุมดำมวลยิ่งยวด จากหลักฐานการค้นพบหลุมดำชนิดนี้เมื่อเทียบกับหลักฐานการค้นพบหลุมดำดาวฤกษ์และหลุมดำมวลยิ่งยวดถือได้ว่าค้นพบน้อยมาก แต่ก็ใช่ว่าจะไม่มีการค้นพบเลย

อย่างเมื่อปี ค.ศ.2002 ก็ได้มีการค้นพบหลุมดำมวลปานกลางโดยกล้องฮับเบิล แต่ไม่ได้สรุปว่าเป็นหลุมดำมวลปานกลางจากภาพถ่ายอย่างเดียว ยังมีการตรวจสอบรังสีเอ็กซ์ และคำนวณมวลของวัตถุต้องสงสัยด้วย จึงสรุปได้ว่าเป็นหลุมดำมวลปานกลาง

หลุมดำมวลยิ่งยวด

หลุมดำชนิดนี้ประกอบไปด้วยมวลร้อยพันล้านล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ และเชื่อว่ามีอยู่จริงบริเวณศูนย์กลางของดาราจักรส่วนใหญ่รวมถึงดาราจักรทางช้างเผือกของเราด้วย เชื่อว่าเป็นตัวการสำคัญของการเกิดนิวเคลียสดาราจักรกัมมันต์ และอาจจะเกิดขึ้นจากการรวมกันของหลุมดำขนาดเล็กจำนวนมาก หรือจากการพอกพูนของดาวฤกษ์และก๊าซในอวกาศ

และหากคุณผู้อ่านจินตนาการถึงความยิ่งยวดของหลุมดำชนิดนี้ไม่ออกให้ลองนำมวลโลกของเราไปเทียบกับมวลดวงอาทิตย์ แล้วนำไปเทียบกับมวลของหลุมดำชนิดนี้ต่อ แทบจะร้องหาพระเจ้ากันเลยทีเดียว เพราะสำหรับหลุมดำมวลยิ่งยวด เราเป็นเพียงฝุ่น เศษฝุ่น เศษของเศษฝุ่น

จากอดีตจนถึงปัจจุบันมนุษย์ได้เรียนรู้สิ่งต่าง ๆ มากมายจากวัตถุปริศนานี้ และแม้จะผ่านมานาน มันก็ยังคงเป็นวัตถุที่น่าพิศวงที่สุดอยู่ดี เหมือนกับว่าภายใต้ความมืดของอวกาศนั้นจักรวาลได้แอบซุกซ่อนปริศนาไว้ทุกหนทุกแห่งและกำลังมองดูมนุษย์ตัวจ้อยที่พยายามไขปริศนากันมาหลายชั่วอายุคน

การได้รู้จักอวกาศมากขึ้นสำหรับผู้เขียนไม่ได้ทำให้ผู้เขียนรู้สึกว่ากร่างเลย มันกลับสอนให้ผู้เขียนนอบน้อมต่อธรรมชาติผู้สร้าง เพราะแม้เราจะเป็นใหญ่แค่ไหนในจิตใจของเรา แต่เราต่างเป็นเพียงส่วนหนึ่งของจักรวาลเท่านั้น บุคคลระดับโลกแห่งวงการวิทยาศาสตร์อย่างสตีเฟน ฮอว์กิง ชายผู้เป็นกำลังสำคัญของมนุษย์ชาติในการไขความลับของหลุมดำ เขาก็เป็นเพียงเศษเสี้ยวของจักรวาล เป็นผลงานสรรสร้างของธรรมชาติ เฉกเช่นเดียวกับพวกเราทุกคน

และสำหรับท่านใดที่เข้าใจคอนเซปเบื้องต้นของหลุมดำแล้ว ทางเรามีบทความหลุมดำแบบโคตรเข้าใจยากให้อ่านได้ที่

• มีอะไรอยู่ในหลุมดำของ Hawking
• กว่าจะเป็นรูปถ่ายหลุมดำรูปแรก ฟิสิกส์ คอมพิวเตอร์ วิศวกรรม
• Podcast อวกาศข้างบ้าน EP07.1+2 : ภาพถ่ายหลุมดำ EHT ,สารอินทรีย์บนดาวอังคาร ,สุริยคราสบนดาวอังคารและฝูงหินลอยรอบเบนนู

เรียบเรียงโดยทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Astronomers have found a black hole where few thought they could ever exist
Black Holes Were Such an Extreme Concept, Even Einstein Had His Doubts
Chronology of the universe