กว่าจะเป็นรูปถ่ายหลุมดำรูปแรก ฟิสิกส์ คอมพิวเตอร์ วิศวกรรม

หลุมดำ วัตถุที่มีความโน้มถ่วงเป็นอนันต์ ดูดกลืนทุกสรรพสิ่งแม้แต่ตัวของมันเองลงไปในหลุมลึกที่ดำมืดที่แม้แต่แสงก็ไม่สามารถที่หลุดเล็ดลอดออกมาได้ ปิศาจยักษ์ใหญ่ที่คอยเขมือบทุกสิ่งที่อย่างที่เข้าไปใกล้มันอย่าไม่ละเว้น ราวกับว่าตัวตนของมันนั้นหิวกระหายตลอดเวลา

ตั้งแต่ปี 1918 แนวคิดเกี่ยวกับดาวฤกษ์ที่มีความโน้มถ่วงมหาศาลจนกระทั่งแรงต้านจากพื้นผิวของมันไม่สามารถต้านทานความโน้มถ่วงจากมวลของตัวมันเองได้จนพื้นผิวของดาวพังทลายลงไปกลายเป็นจุดเล็ก ๆ ที่มีความโค้งเป็นอนันต์ ที่เราเรียกกันว่า Singularity เราพยายามเฝ้ามองดูทั่วทั้งท้องฟ้าเพื่อตามหาดาวฤกษ์ที่ไม่เคยเปล่งแสงในตัวเองอย่างเนินนานจนท้อแท้ที่จะเชื่อว่า ดาวดวงนั้นมีอยู่จริง ถึงแม้มันจะทิ้งรอยเท้าไว้ทั่วท้องฟ้าของเรามากมายแค่ไหนก็ตาม แต่ก็ยากเหลือที่จะจับภาพตัวตนของมันที่แท้จริงได้

ภาพ Computer Render ของหลุมดำที่คาดว่าน่าจะถ่ายได้ ที่มา – EHT/ESO

ทำไมเราถึงมองหาหลุมดำยากนัก

เนื่องจากอันดับแรกหลุมดำเป็นวัตถุที่ไม่เปล่งแสงหรือยอมให้แสงอะไรออกมาจากตัวของมันเลย เราจึงไม่สามารถมองเห็นตัวตนของหลุมดำได้โดยตรง แต่เรายังพอที่จะสามารถมองหาหลุมดำโดยวิธีอ้อมได้อยู่บ้างโดย การใช้ X-Ray ส่องหาจานพอกพูนมวลหลุมดำ หรือ ใช้การตามหาร่องรอยของวงโคจรของดาวฤกษ์ที่มีพฤติกรรมผิดปกติไปจากวงโคจรปกติ เช่น ไม่เคลื่อนที่ไปตามศูนย์กลางกาแลกซี่ตามปกติ หรือ โคจรรอบศูนย์กลางที่ไม่มีตัวตน ไม่สามารถมองเห็นได้แต่มีความโน้มถ่วงเข้มข้นสูงอย่างผิดปกติ

จานพอกพูนมวลหลุมดำกับการแผ่รังสี X

จานพอกพูนมวลหลุมดำเกิดจากวัตถุ เช่น ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ ฝุ่นละออง ที่อยู่รอบหลุมดำถูกบีบอัดอย่างรุนแรง เนื่องจากความโน้มถ่วงอันมหาศาลของหลุมดำบีบอัด ฉีกและเหวี่ยง วัตถุเหล่านั้น จนกระทั่งมันเกิดความเครียดอย่างมหาศาลและวัตถุเหล่านั้นแตกสลายกลายเป็นสถานะพลาสม่า แก๊ส หรือไอออนเฟสที่ยิ่งยวดเกิดกว่าปกติ อุณหภูมิของจานพอกพูนมวลรอบหลุมดำอาจจะเพิ่มขึ้นสูงถึงสิบล้านเคลวิน ทำให้เกิดการเปล่งรังสีพลังงานสูงในระดับรังสี X ออกมา

ผลการค้นหารูปภาพสำหรับ black hole x ray image
ภาพถ่ายของหลุมดำที่มี X-Ray Arcs อยู่ด้านข้าง ที่มา – ESO

ด้วยวิธีการถ่ายภาพหลุมดำที่ดีที่สุดในปัจจุบันนั้นคือวิธีการถ่ายโดยอาศัยการแผ่รังสี X ของจานพอกพูนมวลของหลุมดำ นั้นไม่อาจที่จะสามารถเก็บรายละเอียดภายในจานพอกพูนมวลของหลุมดำได้ ทำให้เรายังไม่สามารถที่จะศึกษาพฤติกรรมของจานพอกพูนมวลได้อย่างละเอียดว่าจานพอกพูนมวลตามทฤษฎีจานพอกพูนมวลของหลุมดำที่มนุษย์ใช้งานอยู่ทุกวันนี้ หรือเหตุการณ์กิจกรรมภายในหลุมดำได้ ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องสรรหาวิธีในการเก็บข้อมูลเหตุการณ์หรือกิจกรรมที่เกิดขึ้นภายในจานพอกพูนมวลหรือภายในหลุมดำเพื่อพัฒนาขีดความรู้ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ของมนุษยชาติ

ใหญ่แค่ไหนถึงจะเพียงพอ

หลุมดำมวลยิ่งยวดที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด (หลุมดำที่อยู่ใกล้ที่สุดคือ A0620-00 เป็นหลุมดำที่ใกล้ระบบสุริยะของเรามากที่สุด) หลุมดำดวงนั้นชื่อว่า Sagittarius A* ที่ว่าใกล้เรามากที่สุดก็อยู่ห่างโลกออกไปมากถึง 26,540 ปีแสงเสียแล้ว ซึ่งเมื่อระยะทางที่ไกลขนาดนั้น หลุมดำที่มีขนาดใหญ่เพียงใดก็ดูเล็กลงไปเป็นเพียงจุดแสงที่เล็กไม่มีความหมายบนท้องฟ้าจุดหนึ่งเท่านั้น ดังนั้นหากเรามีความต้องการที่จะถ่ายภาพจุดเล็ก ๆ ที่เราเชื่อว่าเป็นหลุมดำจริง ๆ เราก็จำเป็นที่จะต้องสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่มีศักยภาพสูงหรือมีความละเอียดเชิงมุมที่สูง

Angular resolution หรือความละเอียดเชิงมุม นั้นคือความสามารถของเลนส์ในการแยกแยะรายละเอียดของภาพให้ออกจากกันได้ ซึ่งสามารถคำนวนได้ด้วยสมการด้านล่าง

ซึ่งเมื่อเราคำนวนด้วยรูปสมการนี้ เราจะพบว่าข้อจำกัดที่แท้จริงของการถ่ายภาพหลุมดำคือความละเอียดเชิงมุม คือเรานั้นไม่มีกล้องที่มีความละเอียดเชิงมุมที่สูงมากพอที่สามารถแยกแยะแสงจากจานพอกพูนมวลของหลุมดำออกจากแสงจากดาวดวงอื่นได้ ซึ่งสำหรับกรณีของ Sagittarius A* จานพอกพูนมวลของมันนั้นมีขนาด 60 ล้านกิโลเมตร หรือแค่ใหญ่กว่าวงโคจรของดาวพุธเพียงเล็กน้อยเท่านั้นเอง (วงโคจรของดาวพุธ 48 ล้านกิโลเมตร) ดังนั้นทำให้ขนาดมุมของมันจะมีเพียง 50μas หรือ 0.00005 as เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าเราจำเป็นที่จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดกระจกที่มีความกว้างอย่างต่ำคือ 2 km สำหรับการศึกษาคลื่นแสงในย่านแสงที่สายตาสามารถมองเห็นได้ (400-700 nm) และการศึกษาจานพอกพูนมวลของหลุมดำนั้นเราต้องการที่จะศึกษาคลื่นที่แผ่ออกมาในย่านของอินฟราเรด (1-1000 μm) ดังนั้นจึงจำเป็นที่จะต้องขยายขนาดของกระจกให้ใหญ่ขึ้นกว่าเดิมเป็น 4000 – 5000 กิโลเมตร เพื่อที่จะสามารถเก็บข้อมูลของคลื่นได้ครบทุกช่วง

มันจึงเป็นปัญหาใหญ่ที่ว่าเราไม่มีกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เวอร์วังขนาดนั้นได้ รวมถึงคงไม่สามารถที่จะมีงบประมาณมหาศาลที่จะสามารถระดมทุนเพื่อสร้างกล้องโทรทรรศน์เพียงตัวเดียวเพื่อศึกษาเพียงหลุมดำเพียงดวงเดียว อย่างเดียวได้ ดังนั้นเหล่านักวิทยาศาสตร์จึงระดมความคิดในการเปลี่ยนแปลงโลกทั้งใบให้กลายสภาพเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เท่ากับโลกทั้งใบเพื่อทำการถ่ายภาพของหลุมดำ

โครงการ Event Horizon Telescope

Event Horizon Telescope เป็นโครงการความร่วมมือทางดาราศาสตร์ระดับนานาชาติ โดยจุดเริ่มต้นจากการพยายามที่จะถ่ายภาพหลุมดำให้จงได้ด้วยการเปลี่ยนแปลงโลกทั้งใบให้กล้องเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เทียบเท่ากับโลก

กล้อง SPT หรือ South Pole Telescope ที่ขั้วโลกใต้ ที่มา – ESO

โดยโครงการ Event Horizon Telescope ได้รับความร่วมมือจากกล้องโทรทรรศน์ที่มีศักยภาพสูงทั่วทุกมุมโลกโดยมีรายชื่อกล้องตามนี้

เริ่มต้นโครงการในปี 2017 มีกล้องทั้งหมด 8 ตัวที่ใช้ในการถ่ายภาพหลุมดำ M87

ซึ่งภายหลังในปี 2018 ได้มีกล้องเข้ามาร่วมในโครงการ EHT เพิ่มเติม

ซึ่งการที่เราจะถ่ายภาพหลุมดำจากกล้องหลากหลายที่มีระยะห่างกันแทบจะเรียกได้ว่าครึ่งโลก เราจำเป็นต้องใช้เทคนิค Interferometry การเก็บและวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์เพื่อประมวลผลที่ได้ตามสมการที่เราได้คิดขึ้นไว้แล้วสร้างออกมาเป็นภาพ

ALMA หรือ Atacama Large Millimeter Array ที่ประเทศชิลี ที่มา – ESO

โดยเทคนิค Interferometry นั้นคือการใช้ความห่างของกล้องในระยะต่าง ๆ เก็บข้อมูลเดียวกัน ดังนั้นเราจะได้ตัวแปรสำหรับวิเคราะห์เพิ่มคือความห่างของกล้อง ทำให้การเทียบเคียงข้อมูลมีความแม่นยำยิ่งขึ้น

การถ่ายภาพหลุมดำนั้นก็เหมือนกับการพยายามฟังเปียโนที่มีคนเล่น แต่เปียโนนั้นไม่มีเสียงออกมาซัก Key เราให้คนเล่นเปียโนไปแล้วค่อย ๆ เปิดเสียงแต่ละ Key ถ้าเปิด Key เดียวก็ฟังไม่รู้เรื่อง เปิด 2-3 Key ก็อาจจะฟังไม่รู้เรื่องอยู่ แต่ถ้าเริ่มเปิดซัก 5-6 Key เราอาจจะเริ่มฟังออกว่าเพลงนั้นเป็นเพลงอะไร หรืออธิบายง่าย ๆ อีกอย่างก็เหมือนกับเกมเปิดภาพรายการแฟนพันธุ์แท้ที่ค่อยให้เปิดภาพออกทีละแผ่นป้ายแล้วเดา

ข้อมูลมหาศาล

ปริมาณข้อมูลที่ได้รับจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุในโครงการ EHT เมื่อนำปริมาณข้อมูลมารวมกันแล้ว พบว่าปริมาณข้อมูลนั้นมากถึง 5.242880 Petabyte หรือ 5,242,880 Gigabtye ซึ่งมากมายมหาศาลถึงระดับที่ว่ามากจนไม่สามารถส่งกันผ่านทางสายเคเบิ้ลใต้ทะเลได้เลย เนื่องจากปริมาณข้อมูลที่มหาศาลระดับนี้อาจทำให้เครือข่ายอินเทอร์เน็ตทั่วโลกล่มได้อย่างง่ายดาย

Katie Bouman ผู้คิดค้นอัลกอริทึมในการประมวลผลภาพถ่ายหลุมดำ กับฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟที่บรรจุข้อมูลภาพถ่ายของหลุมดำทั้งหมดภายในโครงการ EHT ซึ่งมีจำนวนข้อมูลมากถึง 5 Petabyte ที่มา – EHT

อีกทั้งกล้องโทรทรรศน์วิทยุ South Pole Telescope นั้นอยู่ที่ทวีปแอนตาร์กติกาซึ่งเป็นพื้นที่ที่ไม่มีสายเคเบิ้ลใต้ทะเลเชื่อมต่อไปถึงยังสถานีวิจัย ดังนั้นโครงการ EHT จึงต้องใช้วิธีในการส่งข้อมูลไปยัง MIT และ สถาบันวิจัยมักซ์พลังค์ ในประเทศเยอรมนีด้วยการบรรจุใส่ภายในฮาร์ดดิสก์ไดร์ฟแล้วส่งขึ้นเครื่องบินไปยังสถาบันวิจัยที่ทำการเก็บรวบรวมข้อมูลและทำการวิเคราะห์ข้อมูล แต่ก็มีปัญหาให้เกิดความล่าช้าเกิดขึ้นเนื่องจากช่วงที่ทำการบันทึกภาพนั้นเป็นช่วงฤดูหนาวของแอนตาร์กติกา ทำให้ทีมวิจัยที่กล้อง SPT ไม่สามารถส่งข้อมูลกลับไปยัง MIT ได้ จึงจำเป็นต้องรอเป็นระยะเวลานานถึง 6 เดือนกว่าที่ข้อมูลจากแอนตาร์กติกาจะส่งมายัง MIT ได้สำเร็จ และได้รับข้อมูลครบถ้วนจากทุกกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่อยู่ภายในโครงการ EHT

การวิเคราะห์ข้อมูล

ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุในเครือข่าย EHT ถูกส่งมาเพื่อทำการวิเคราะห์ข้อมูลยัง MIT และสถาบันมักซ์พลังค์ ในประเทศเยอรมนี หนึ่งในปัญหาหลักของทีมวิจัย EHT คือการสรรหาวิธีในการประมวลผลภาพถ่ายหลุมดำให้ถูกต้องตามความเป็นจริงและได้ความละเอียดที่สูงที่สุดที่สามารถทำให้นักวิจัยสามารถแยกแยะได้

Katie Bouman ได้สร้างอัลกอริทึมที่มีชื่อ CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors)

ปัญหาทั้งหมดถูกตกลงที่ Katie Bouman นักศึกษาระดับปริญญาเอก ด้าน electrical engineering and computer science จาก MIT หนึ่งในทีม Machine Learning โครงการ EHT เธอได้คิดค้นอัลกอริทึมที่จำเป็นต่อการประมวลผลภาพชื่อว่า CHIRP (Continuous High-resolution Image Reconstruction using Patch priors)

เจ้าอัลกอริทึมนี้ถูกออกแบบมาเพื่อวิเคราะห์ภาพถ่ายที่มีความละเอียดต่ำแล้วประมวลผลสร้างเป็นภาพถ่ายที่มีความละเอียดสูงได้ โดยเธอทำการสอนมันตั้งแต่ภาพถ่ายทางดาราศาสตร์จนไปถึงภาพถ่ายจากกล้องมือถือธรรมดาทั่วไปเพื่อให้มันเรียนรู้และเข้าใจ สามารถให้มันประมวลผลภาพถ่ายหลุมดำที่มีความละเอียดจากบรรดากล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีความละเอียดแค่ 64 พิกเซลเท่านั้น

สุดท้ายไม่ว่าเธอจะใช้วิธีสอนมันด้วยรูปภาพแบบใดก็ตามที่มีความละเอียดแค่ 64 พิกเซล ผลลัพธ์จากข้อมูลภาพหลุมดำที่เธอส่งมันเข้าไปประมวลผลภายในอัลกอริทึมก็ได้ค่าออกมาเช่นเดิมตลอด เธอจึงมั่นใจได้ว่า ภาพหลุมดำที่ได้จากอัลกอริทึมที่เธอสร้างนั้นมันใกล้เคียงกับความเป็นจริงมากที่สุดแล้ว

ภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำ

นี่คือภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำจากใจกลางกาแลกซี่ Messier 87 หรือ M87 จากภาพถ่ายทำให้เรามองเห็นส่วนที่มีสีขาว ส้ม และ แดง ผสมกันไป นั้นคือสิ่งที่เรียกว่า จานพอกพูนมวลหลุมดำ ซึ่งคือจานพลาสม่าที่อยู่สถานะยิ่งยวดจากความตึงเครียดของสสารที่หมุนวนล้อมรอบหลุมดำก่อนที่จะตกลงไปภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ที่อยู่ภายในของหลุมดำ

จากการวิเคราะห์ภาพถ่ายของหลุมดำทำให้เราค่อนข้างที่จะทราบว่า จานพอกพูนมวลของหลุมดำนั้นมีรูปร่างเป็นจานกลุ่มหมุนล้อมรอบตัวหลุมดำ โดยจานพอกพูนมวลของหลุมดำนั้นมีการหมุนไปในทิศทางตามเข็มนาฬิกา ซึ่งจานพอกพูนนั้นใช้เวลาถึง 2 วันในการหมุนรอบหลุมดำครบ 1 คาบ

ภาพถ่ายกาแลกซี่ M87 ซึ่งเป็นที่อยู่ของหลุมดำ M87 ที่เราถ่ายภาพด้วยกล้อง EHT จะเห็นพลาสม่าเจ็ตสีฟ้าพวยพุ่งออกมาจากจุดสีเหลืองภายในภาพซึ่งเป็นที่อยู่ของหลุมดำ ภาพนี้ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ที่มา NASA

ซึ่งเมื่อเราวิเคราะห์ข้อมูลของจานพอกพูนมวลหลุมดำ M87 แล้วก็พบว่า relativistic beaming ที่เราใช้ในการอธิบายการบิดเบือนของจานพอกพูนหลุมดำเนื่องจากความโน้มถ่วงของหลุมดำ ทำให้เราเห็นจานพอกพูนของหลุมดำมีลักษณะเป็นทรงกลมโดนัท

ไม่ว่ามองจากทิศทางไหนของหลุมดำก็ตามและจะมีลักษณะที่จานพอกพูนมวลมีขนาดเข้มของแสงที่ไม่เท่ากันเนื่องจากผลจากความโน้มถ่วงของหลุมดำ ซึ่งได้รับการพิสูจน์จากภาพถ่ายของหลุมดำแล้วว่าถูกต้องเป็นไปตามทฤษฎีที่เราใช้งานกันในปัจจุบัน

ทำไมไม่เป็น Sagittarius A*

ดูเหมือนว่าภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำที่ทาง Event Horizon Telescope ได้ประกาศความสำเร็จออกมาจะไม่เป็นไปตามที่เคยประกาศไว้ในช่วงเริ่มต้นของโครงการที่มีความประสงค์ที่จะถ่ายภาพหลุมดำที่ชื่อว่า Sagittarius A*  แต่เหล่าทีมวิจัยกลับเลือกที่จะถ่ายรูปหลุมดำ M87 แทน

ซึ่งเหตุผลหลักก็คือ Sagittarius A* นั้นคือมันเล็กเกินไป

ภาพถ่ายหลุมดำ sagittarius a* ที่มา ESO

หลุมดำ Sagittarius A* ที่อยู่ภายในกาแลกซี่ทางช้างเผือกนั้นมีรัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์เพียง 22,000,000 กิโลเมตรเท่านั้นและมีขนาดของจานพอกพูนมวลที่มีรัศมีเพียง 60,000,000 กิโลเมตร หรืออย่างที่บอกไปก็คือเล็กกว่าวงโคจรของดาวศุกร์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์

ซึ่งหลุมดำ Sagittarius A* เป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดที่อยู่ใกล้เรามากที่สุดที่กิจกรรมค่อนข้างต่ำทำให้การถ่ายภาพหลุมดำ Sagittarius A* ถึงแม้อาจจะไม่ได้ยากไปกว่าการถ่าย M87 และก็ได้ภาพถ่ายที่มีความละเอียดคมชัดมากกว่า M87 แต่ว่า Sagittarius A* นั้นดูเหมือนว่าจะให้ข้อมูลที่เราต้องการเกี่ยวกับการตรวจสอบ relativistic beaming จากทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไปไม่ครบถ้วนเหมือนกับเจ้ายักษ์ใหญ่อย่าง M87 ที่เป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด ดังนั้นภาพถ่ายที่ทีม EHT เผยแพร่ออกมาจึงให้ความสำคัญกับภาพจาก M87 มากกว่า ภาพถ่ายจาก Sagittarius A*

สิ่งที่โลกได้รับจากการถ่ายภาพหลุมดำในครั้งนี้

เราอาจจะเคยเรียนกันในหนังสือเรียนถึงวันที่มีการค้นพบ Cosmic Microwave Background ได้ หรือวันที่เราสามารถถ่ายภาพด้านหลังของดวงจันทร์ได้เป็นครั้งแรก ซึ่งเหตุกาณ์เหล่านั้น เรารู้ว่ามันได้ข้อมูลอะไร ส่งผลให้เกิดอะไร แต่การที่เราไม่ได้มีส่วนร่วมในเหตุการณ์ ทำให้เราไม่รู้ความรู้สึกที่เกิดจากสิ่งที่เกิดขึ้นตอนนั้น

เมื่อวันที่ 10 เมษายน 2019 เราได้อยู่ร่วมกันในเหตุการณ์ประวัติศาสตร์ของการถ่ายภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรก เมื่อเหตุการณ์นี้ถูกพูดถึง ไม่ว่าจะในการบรรยาย ในหนังสือ หรือใน Paper ฉบับใด เราก็จะจำความรู้สึกที่เกิดขึ้นได้ จำได้ว่าเรากำลังทำอะไรอยู่

หรือแม้กระทั่งประโยชน์ที่จะเกิดขึ้นกับมวลมนุษยชาติ การศึกษาอวกาศเป็นศาสตร์ที่กระตุ้นให้เราทำสิ่งที่เป็นสุดยอดของขีดจำกัด ทั้งในการการวิเคราะห์ข้อมูล สายทฤษฎี สายทดลอง หรือศาสตร์อื่น ๆ ที่จำเป็น เช่น Engineering หรือ Computer Science สุดท้ายแล้ว สิ่งที่เราได้ ไม่ใช่แค่ภาพของหลุมดำ แต่เป็นการพามนุษย์เดินหน้าไปอีกก้าวใหญ่ ๆ ก้าวหนึ่ง

อ้างอิง

Event Horizon Telescope – Official

Focus on the First Event Horizon Telescope Results

A method to image black holes





Must Know Topics