Event Horizon Telescope ประกาศความสำเร็จในการถ่ายรูปหลุมดำมวลยิ่งยวดใจกลางทางช้างเผือก Sagittarius A* ระหว่างการถ่ายทอดสด Press Conference โดย European Southern Observatory เมื่อ 20:00 น. ตามเวลาประเทศไทย ในวันที่ 12 พฤษภาคม 2022
Huib van Langeveld หัวหน้าโครงการ Event Horizon Telescope หรือ EHT ประกาศความสำเร็จในการถ่ายรูปหลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Blackhole) ใจกลางทางช้างเผือก Sagittarius A* หรือ Sgr A* (อ่านว่า ซาจิทาเรียส-เอ-สตาร์) ระหว่าง Press Conference จัดขี้นโดย European Southern Observatory หรือ ESO ในวันที่ 12 พฤษภาคม 2021 ถือเป็นหลุมดำหลุมที่สองที่มนุษยชาติสามารถถ่ายรูปได้สำเร็จ หลังความสำเร็จในการถ่ายรูปหลุมดำ Messier 87* (M87*) เมื่อปี 2019 ด้วย EHT
นักดาราศาสตร์คาดการณ์ถึงการมีอยู่ของหลุมดำมวลยิ่งยวด Sgr A* ใน Sagittarius Constellation ใจกลางทางช้างเผือกจากการสังเกตการณ์ดาวฤกษ์ในบริเวณใจกลางทางช้างเผือกทีมีพฤติกรรมการโคจรผิดปกติ กล่าวคือ วงโคจรของดาวฤกษ์ในบริเวณศูนย์กลางของทางช้างเผือกนั้นถูกดึงดูดโดยวัตถุแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดวัตถุหนึ่ง ทำให้พวกมันโคจรรอบ ๆ วัตถุแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดนั้น ๆ แต่การสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์ในช่วงคลื่น Infrared กลับไม่พบวัตถุแรงโน้มถ่วงยิ่งยวดดังกล่าว
หากจะพูดให้เห็นภาพชัดยิ่งขึ้นก็คือ ดาวฤกษ์ใจกลางทางช้างเผือกพวกนั้นกำลังโคจรรอบ ๆ ความมืดมิด ซึ่งเป็นอย่างอื่นไปไม่ได้นอกจากหลุมดำ ซึ่งมีมวลและแรงโน้มถ่วงยิ่งยวด แต่ไม่แผ่แสงในช่วงคลื่นที่เราสามารถสำรวจได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ออกมาเลย หมายความว่า Sgr A* มีอยู่จริง แต่เรามองไม่เห็นเนื่องจากหลุมดำดูดซับแสงทั้งหมดที่วิ่งเข้ามาหามันจนไม่มีแสงใด ๆ หลุดรอดออกมาให้เราเห็นเลย
อย่างไรก็ตาม ถึงหลุมดำจะไม่ปล่อยแสงใด ๆ ออกมา แต่บริเวณรอบ ๆ ของหลุมดำซึ่งเป็นพื้นที่ที่มีแรง Tidal สูง แต่อยู่นอก Event Horizon หรือขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นจะมีแก๊สหนาแน่นโคจรอยู่รอบ ๆ ด้วยความเร็วสูง ทำให้เกิดการเสียดสีอย่างรุนแรงในบริเวณรอบ ๆ หลุมดำนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ การเสียดสีนี้เองทำให้เกิดการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic wave) มหาศาลจากหลุมดำ และเพราะว่ามันอยู่นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ หมายความว่ารังสีบางส่วนสามารถหนีออกมาให้เราเห็นได้
ในกรณีของ M87 นั้น คลื่นที่เรารับได้ด้วยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ EHT นั้น คือ คลื่นวิทยุ เช่นเดียวกับการค้นพบล่าสุดของ Sgr A*
ในภาพของ Sgr A* จาก EHT นั้น ใจกลางของมันที่เราเห็นเป็นบริเวณสีดำว่างเปล่านั้นเราเรียกว่า “Shadow” หรือ “เงา” ของหลุมดำ ซึ่งเป็นพื้นที่ที่แรงโน้มถ่วงสูงมากจนแสงก็ถูกดูดกลืนไปหมด เราจึงไม่สามารถมองเห็นอะไรได้เลย วงแหวนสีส้มรอบ ๆ เงานี้เองคือแก๊สหนาแน่นที่กำลังโคจรรอบ ๆ Sgr A*
โดยแก๊สพวกนี้มีอุณหภูมิสูงมากจนมันแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาซึ่งเราสามารถตรวจจับได้โดย EHT ออกมาเป็นรูปที่เราเห็นกัน จากรูปนั้น นักดาราศาสตร์วัดขนาดของ Sgr A* ออกมาได้ 52 micro-arcseconds บนท้องฟ้า ซึ่งที่ขนาดเท่านี้จะเสมือนกับการถ่ายรูปโดนัทที่อยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์จากโลก และถึง Sgr A* จะใหญ่เท่าวงโคจรของดาวพุธก็ตาม ที่ระยะทาง 27,000 ปีแสงเมื่อมองจากโลกนั้น Sgr A* ถือว่าเล็กมาก
เมื่อเรารู้ขนาดของหลุมดำเราก็จะรู้ว่ามวลของมันคือเท่าใดเนื่องจากมวลของหลุมดำนั้นเป็นสัดส่วนกับขนาดของหลุมดำ โดย Sgr A* นั้นมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา 4 ล้านเท่าเลยทีเดียว
Sgr A* และ M87*
หากได้เห็นภาพของหลุมดำ Sgr A* และหลุมดำ M87* แล้วหลายคนอาจจะรู้สึกว่าหลุมดำทั้งสองมีลักษณะเหมือนกันไม่มีผิด เหมือนถ่ายมาจากที่เดียวกัน แค่คนละเวลา
อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบภาพของ Sgr A* กับ M87* พร้อมกับการวิเคราะห์แล้ว Sgr A* มีมวลน้อยกว่าถึง M87* ถึง 1,000 เท่า และหากเทียบให้ Sgr A* มีขนาดเท่ากับโดนัทแล้ว M87* จะมีขนาดพอ ๆ กับสเตเดียมสนามฟุตบอลเลยทีเดียว
นอกจากนี้แล้วหลุมดำทั้งสองยังอยู่ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง Sgr A* นั้นอยู่ใจกลางดาราจักรกังหัน (ทางช้างเผือก) ซึ่งเป็นกาแล็กซีที่ถือได้ว่ามีขนาดเล็ก ในขณะที่หลุมดำ M87* นั้นอยู่ในใจกลางกาแล็กซีวงรีขนาดใหญ่และ Active มากจนแกนของกาแล็กซีนั้นแผ่ Jet Plasma ออกมาได้
แต่เหตุใด ภาพของหลุมดำทั้งสองก็ยังดูเหมือนกันอยู่ดี นั่นก็คือข้อสรุปอย่างหนึ่งของการค้นพบนี้คือ ไม่ว่าหลุมดำจะมีขนาดใหญ่เท่าใดมวลเยอะเท่าใดหรือจะอยู่ในสภาพแวดล้อมแบบไหน เมื่อพ้นเขตของหลุมดำหรือ “Shadow” แล้ว แรงโน้มถ่วงจะเป็นปัจจัยหลักในการกำหนดว่าภาพที่เราถ่ายได้จะหน้าตาเป็นยังไง
เราถ่ายมันได้ยังไง
การถ่ายภาพวัตถุที่มีขนาดเล็กมาก ๆ นั้น ขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรียกว่า Angular Resolution ของกล้องโทรทรรศน์ที่เราใช้ถ่าย ในกรณีหลุมดำ Sgr A* จริง ๆ แล้วมันใหญ่มาก แต่ด้วยระยะทางกว่า 27,000 ปีแสงทำให้มันอยู่ไกลมาก ๆ
ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดก็คือเวลาเราไฟหน้าของรถยนต์ เมื่อมันอยู่ใกล้ ๆ เราสามารถแยกได้ว่ามันคือรถยนต์เพราะมีไฟหน้า 2 ดวง แต่เมื่อรถยนต์นั้นอยู่ไกลมาก ๆ จน Angular Separation ของไฟหน้ารถยนต์ทั้ง 2 ข้าง น้อยกว่า Angular Resolution ของตาเรา เราก็จะแยกไม่ออกว่าไฟหน้ามีหนึ่งดวงหรือสองดวง เพราะไฟทั้งสองมันอยู่ใกล้กันมาก ๆ จนเราเห็นมันเป็นอันเดียว ดังนั้นเราจึงต้องการกล้องโทรทรรศน์ที่มี Angular Resolution สูงมาก ๆ เพื่อที่เราจะสามารถถ่ายรูปวัตถุที่อยุ่ไกลออกไปได้อย่างชัดเจน
โครงการ Event Horizon Telescope หรือ EHT เองเป็นโครงการเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ซึ่งมีเป้าหมายที่จะสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เท่ากับโลก แน่นอนว่าในปัจจุบัน การสร้างกล้องโทรทรรศน์ให้ใหญ่เท่าดาวเคราะห์ดวงหนึ่งยังเป็นไปไม่ได้ แต่ทั้งนี้ เราสามารถจำลองกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่เท่าโลกได้ด้วยเทคนิคที่เรียกว่า VLBI หรือ Very-long-baseline Interferometry
สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ VLBI ได้ที่ รู้จัก Telescope Array เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลก เบื้องหลังการค้นพบทางดาราศาสตร์
VLBI ทำงานโดยการใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้งในตำแหน่งต่าง ๆ ที่แตกต่างกันบนโลก สังเกตวัตถุทางดาราศาสตร์วัตถุเดียวกันเป็นเวลาหลายชั่วโมงพร้อม ๆ กันและเปลี่ยนกันสังเกตุการณ์เมื่อโลกหมุนรอบตัวเอง ซึ่งข้อมูลพวกนี้จะถูกลงเวลาด้วยนาฬิกา Atomic ที่มีความแม่นยำสูงเพื่อใช้ในการวิเคราะห์หลังจากการสำรวจ
สัญญาณจากวัตถุดาราศาสตร์นั้นจะเดินทางมาถึงกล้องโทรทรรศน์ในแต่ละตำแหน่งแตกต่างกันขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรียกว่า Baseline หรือระยะห่างระหว่างกล้องโทรทรรศน์ทั้งสองกล้อง ซึ่งความแตกต่างในเวลาที่สัญญาณเดินทางมาถึงนี้เองสามารถทำให้เราทำสิ่งที่เรียกว่า Cross-correlation เพื่อหาตำแหน่งที่ชัดเจนของวัตถุทางดาราศาสตร์ได้ที่ Angular Resolution ระดับ milli-arcsecond
ด้วยเทคนิค VLBI กล้องโทรทรรศน์ใน EHT จึงทำงานกันเป็นคู่ โดยแต่ละคู่ของกล้องโทรทรรศน์ก็ทำ VLBI กับคู่ของตัวเองก่อนที่จะนำข้อมูลมารวมกัน จึงทำให้มันสามารถถ่ายรูปได้คมชัดกว่าที่ตามนุษย์มองเห็น 3 ล้านเท่า ซึ่งที่ Angular Resolution เท่านี้ EHT สามารถมองเห็นขวดน้ำที่ตั้งอยู่ในเยอรมนีได้จากประเทศไทย
ข้อมูลที่ใช้ในการประมวลผลรูปถ่ายของ Sgr A* ด้วย VLBI Correlator ใน Supercomputer นั้นมีขนาดใหญ่กว่า 6,000 terabytes ใหญ่จนต้องขนไปประมวลผลแบบทั้งไดร์ฟเพราะเร็วกว่าที่ MIT Haystack Observatory และ Max Planck Institute for Radio ที่ข้อมูลเยอะเท่านี้ หากพิมพ์ลงบนกระดาษแล้วละก็กองกระดาษจะสูงเท่ากับวงโคจรของดวงจันทร์เลยทีเดียว
ในการได้ภาพของ Sgr A* นั้น นักดาราศาสตร์ต้องทำสิ่งที่เรียกว่า Clustering หรือการเอาภาพมาเฉลี่ยรวมกันเพื่อสร้างภาพนิ่งขึ้นมา นี่เป็นเพราะว่าขนาดของ Sgr A* นั้นเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับหลุมดำ M87* ที่มีขนาดใหญ่มาก ทำให้ภาพถ่ายแก๊สที่กำลังโคจรรอบ ๆ Sgr A* นั้นมีความเร็วสูงมากเมื่อเปรียบเทียบกับ M87*
ภาพนิ่งของ Sgr A* ที่ออกมานั้นเห็นได้ชัดว่าเบลอเทียบกับภาพของ M87* เนื่องจากผ่านการทำ Clustering และ Averaging มานั่นเอง
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
Focus on First Sgr A* Results from the Event Horizon Telescope
