NASA สร้างแบบจำลอง Gravitational Lensing จากระบบหลุมดำคู่มวลยิ่งยวด

NASA ได้สร้างแบบจำลองเพื่อ Simulate ปรากฏการณ์การเบนและบิดเบือนของแสงที่เรียกว่า Gravitational Lensing จากแผ่นแก็สที่หมุนรอบ ๆ หลุมดำ ซึ่งเรียกว่าจานพอกพูนมวล (Accretion Disk) ระหว่างหลุมดำสองหลุมที่มีขนาดต่างกันในระบบหลุมดำคู่ เพื่อดูว่าแสงจากอีกหลุมดำหนึ่งเบนและบิดเบือนอย่างไรเมื่อมันมาโดนอิทธิผลแรงโน้มถ่วงของหลุมดำอีกอันหนึ่ง แล้วขนาดของหลุมดำมีผลอย่างไรต่อการเบนและบิดเบือนของแสง

Gravitational Lensing Effect หรือ เลนส์ความโน้มถ่วงเป็นปรากฏการณ์ที่อ้างอิงทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ระบุว่าโฟตอน (แสง) จากแหล่งใด ๆ ก็ตามเมื่อเดินทางผ่านพื้นที่ที่มีแรงโน้มถ่วงสูงซึ่งเป็นพื้นที่ที่ Spacetime grid บิดเบี้ยว โฟตอนเหล่านั้นก็จะเดินทางตามแนวเส้น Spacetime grid และถูก Distort ไปด้วยเมื่อมองจากมุมมองบุคคลที่สาม (หากเราทำตัวเป็นแสงเราก็จะเห็นตัวเองเดินทางเป็นเส้นตรงอยู่ แต่คนอื่นเห็นเราเบี้ยว) ซึ่งพื้นที่ที่มีแรงโน้มถ่วงสูงอาจจะเป็น หลุมดำ ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ กาแล็กซี หรือกระจุกกาแล็กซีก็ได้ และก็เป็นสสารมืดได้เช่นกัน

หลุมดำทั้งสองหลุมนี้ คือ หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Black Hole) โดยหลุมสีส้มคือหลุมที่มีมวลประมาณ 200 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ (Solar Mass) ส่วนหลุมสีฟ้าซึ่งมีขนาดเล็กกว่าและมีมวลน้อยกว่าประมาณครึ่งหนึ่งของมวลหลุมสีส้ม

ภาพจำลองการเบนและบิดเบือนของแสงระหว่างหลุมดำสองหลุม โดยหลุมดำสีส้มคือหลุมดำที่อยู่ข้างหน้า หลุมที่มีสีฟ้าคือหลุมที่อยู่ข้างหลัง – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center

โดยสีของหลุมดำจริง ๆ แล้วใช้เพื่อการระบุว่าแสงไหนเป็นแสงไหนเท่านั้น แต่ในความเป็นจริงสีของหลุมดำก็อาจเป็นแบบนี้ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อแก๊สในหลุมดำยิ่งร้อนมากเท่าไหร่ แสงที่มันแผ่ออกมายิ่งเข้ากลับสเปกตรัมสีฟ้ามากขึ้นทำให้สีของแสงดังกล่าวเริ่มกลายเป็นสีฟ้านั่นเอง นอกจากนี้หลุมดำมวลยิ่งยวดที่มีขนาดเล็กอาจสามารถสร้างแรงสนามแม่เหล็กในบริเวณจานพอกพูนมวลได้มากกว่าหลุมดำขนาดใหญ่อีกด้วย

ในภาพการจำลองข้างบนนี้อาจจะดูเหมือนว่าหลุมดำสีฟ้ามีสองอันประกบข้างบนและข้างล่างของหลุมดำสีส้ม แต่จริง ๆ แล้วหลุมดำทั้งสองไม่ได้อยู่ใกล้กันเลย หลุมดำสีฟ้าอยู่ข้างหลังหลุมดำสีส้ม แต่แสงที่เดินทางมาจากหลุมดำสีฟ้าถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำสีส้มเบนและบิดเบือนจนเกินเป็นปรากฏการณ์ Gravitational Lensing แบ่งภาพของหลุมดำสีฟ้าออกเป็นสองภาพ

วิดีโอจำลองปรากฏการณ์ Gravitational Lensing ระหว่างสองหลุมดำ – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman and Brian P. Powell

นอกจากนี้จะเห็นได้ว่าฝังใดฝังหนึ่งของจานพอกพูนมวลจะสว่างกว่าอีกฝั่ง นั่นเป็นเพราะว่าทิศทางการไหลของแก๊สทั้งสองฝั่งแตกต่างกันทำให้เกิดปรากฏการณ์ Doppler Boosting ซึ่งเป็นผลมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพของ Einstein โดยแก๊สที่เคลื่อนที่เข้าหาผู้สังเกตการณ์จะมีความสว่างมากกว่าแก๊สที่กำลังเคลื่อนออกจากผู้สังเกตการณ์ ซึ่งเป็น Doppler Effect ที่คล้ายกับที่เกิดขึ้นเวลาที่รถ EMS โรงพยาบาลเปิดไซเรนวิ่งเข้าหาเราซึ่งเสียงจะมีความถี่สูงมากขึ้นเรื่อย ๆ จนเมื่อมันผ่านเราไปเสียงก็จะมีความถี่ต่ำลงเรื่อย ๆ มันเกิดขึ้นกับแสงเช่นกัน

ภาพจำลองการเกิด Doppler Effect ในวัตถุเคลื่อนที่ – ที่มา WikiCommons

นอกจากนี้ จากการจำลองจะเห็นด้วยว่าหลุมดำจะมีขนาดเล็กลงเมื่อมันเคลื่อนที่เข้าใกล้ผู้สังเกตการณ์มากขึ้นและใหญ่ขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ออกจากผู้สังเกตการณ์ เรียกว่าปรากฏการณ์ Relativistic Aberration โดยปรากฏการณ์นี้จะหายไปหากมองจากมุมมองข้างบน อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์นี้มองเห็นได้ยากมากถ้าไม่นำภาพมาเปรียบเทียบกันระหว่าง 2 ระยะห่าง ซึ่ง NASA ได้เทียบให้ดูแล้วในคลิปวิดีโอ

ภาพมุมมองบน (Top View) ของหลุมดำทั้งสอง โดยภาพในกรอปสีขาวเป็นภาพขยายของหลุมดำสีฟ้า แสดงให้เห็นถึงการสะท้อนแสงจากหลุมดำสีส้ม – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman and Brian P. Powell

ในภาพข้างบนนี้เป็นภาพ Top View ของหลุมดำทั้งสอง หมายความว่าเรากำลังมองหลุมดำทั้งสองจากข้างบน ในภาพที่ขยายจากหลุมสีฟ้าจะเห็นได้ว่ามันมีส่วนของหลุมดำสีส้มมาได้ยังไงทั้ง ๆ ที่มันอยู่คนละที่

จริง ๆ แล้วมันไม่ใช่ส่วนของหลุมดำสีส้ม มันคือภาพของหลุมดำสีส้มทั้งอันในมุมมองข้างหน้าหรือ Front View (มุมมองแบบภาพแรก) ซึ่งถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำสีฟ้าเบนและบิดเบือนจนมีขนาดเล็กลงและหักเหเป็นมุม 90 องศาเข้าสู่ตาของผู้สังเกตการณ์ ซึ่งในที่นี้ก็คือกล้อง ซึ่งถือเป็นเรื่องที่แปลกดีเหมือนกันเมื่อเราสามารถมองเห็นภาพของหลุมดำทั้งจากมุมมองบน (Top View) และมุมมองข้างหน้า (Front View) ได้พร้อม ๆ กันอาศัยเพียงหลุมดำสีฟ้ามาช่วยในการเบนแสง (แต่ภาพก็บิดไปพอสมควร)

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

New NASA Visualization Probes the Light-bending Dance of Binary Black Holes