ภาพแรกของหลุมดำ ณ ใจกลางทางช้างเผือก

ทีมนักดาราศาสตร์ใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Event Horizon Telescope (EHT) บันทึกภาพของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางทางช้างเผือก นับเป็นครั้งแรกที่เราสามารถบันทึกภาพ และเป็นหลักฐานที่สำคัญที่สุดที่ยืนยันว่า ณ ใจกลางของกาแล็กซีทางช้างเผือกนั้นมีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ ซึ่งการค้นพบนี้จะช่วยให้เราเข้าใจเกี่ยวกับหลุมดำมวลยิ่งยวดมากขึ้น และจะเป็นบทพิสูจน์ที่สำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์

ภาพที่เราเห็นอยู่นี้ คือภาพแรกของ “Sagittarius A*” (แซจิแทเรียส เอ สตาร์) หรือเรียกสั้นๆ ว่า Sgr A* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีของระบบสุริยะ ที่นักดาราศาสตร์คาดการณ์กันอยู่นาน แต่จนกระทั่งทุกวันนี้ ยังไม่เคยบันทึกภาพได้มาก่อน

นักดาราศาสตร์ค้นพบแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุปริศนา จากบริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ในตำแหน่งของกลุ่มดาวคนยิงธนูมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1933 ซึ่งเป็นที่มาของชื่อ Sgr A* ต่อมาได้มีการค้นพบหลักฐานชัดเจนยิ่งขึ้น ที่บ่งชี้ว่า ดาวฤกษ์และแก๊สร้อนที่โคจรรอบวัตถุนี้ มีความเร็วสูงมากเสียจนวัตถุนี้จะต้องมีแรงโน้มถ่วงมหาศาล ที่อยู่ภายในปริมาตรที่น้อยมากๆ สอดคล้องกับหลุมดำมวลยิ่งยวด ซึ่งทำให้นักดาราศาสตร์ Reinhard Genzel และ Andrea M. Ghez ได้รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 2020 ร่วมกับ Roger Penrose ในการค้นพบหลักฐานที่บ่งชี้ถึงการมีอยู่ของหลุมดำ

แต่แม้กระนั้นก็ตาม นอกจากหลักฐานโดยอ้อมนั้น เราก็ยังไม่เคยมีหลักฐานโดยตรงถึงหลุมดำนี้มาก่อน และเราก็ไม่เคยเห็นภาพของวัตถุปริศนานี้มาก่อน จนกระทั่งวันนี้

หลุมดำนั้นเป็นวัตถุปริศนาที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมากเสียจนแม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหนีออกมาจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำได้ ถึงแม้ว่าเราจะไม่สามารถสังเกตเห็นหลุมดำได้โดยตรง แต่เราก็สามารถสังเกตเห็นแก๊สร้อนที่สว่าง ในขณะที่พวกมันกำลังค่อยๆ ตกลงสู่หลุมดำได้ จึงปรากฏเป็น “วงแหวน” สว่างล้อมรอบ “เงา” สีดำ ซึ่งเป็นบริเวณอันมืดมิดที่รายล้อม “ขอบฟ้าเหตุการณ์” ของหลุมดำ ซึ่งแสงไม่สามารถหลบหนีออกมาได้

สาเหตุหนึ่งที่ทำให้การสังเกตการณ์ Sgr A* เป็นไปได้ยากมากนั้น ก็มาจากขนาดที่อัดแน่น และระยะห่างที่ไกลออกไปของหลุมดำนี้ แม้ว่า Sgr A* นี้จะมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 4 ล้านเท่า แต่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์เพียงแค่ 31 เท่า เท่านั้นเอง ซึ่งเทียบกันแล้วหลุมดำขนาดยักษ์นี้มีขนาดเล็กกว่าวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์เสียอีก หากเราเทียบกันกับระยะห่างที่อยู่ห่างออกไปถึง 27,000 ปีแสง ณ​ ใจกลางกาแล็กซีแล้ว การจะสังเกตการณ์หลุมดำนี้เปรียบได้กับการพยายามถ่ายภาพโดนัท ที่วางอยู่บนพื้นผิวของดวงจันทร์ที่ห่างออกไปเกือบสี่แสนกิโลเมตร ซึ่งจะต้องอาศัยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ และมีกำลังในการแยกภาพที่มากเกินกว่าที่กล้องใดในโลกเพียงกล้องเดียวจะสามารถทำได้

การจะบันทึกภาพประวัติศาสตร์ภาพนี้ได้นั้น จึงจำเป็นต้องอาศัยกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เกินกว่ากล้องโทรทรรศน์ที่เราเคยมีทั้งหมดในปัจจุบัน ผ่านการเชื่อมโยงเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลก ด้วยเทคนิคที่เรียกว่า “อินเทอร์เฟอโรเมทรี” ที่ต้องอาศัยกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่อยู่ทั่วทุกมุมโลกให้ทำงานร่วมกันประหนึ่งราวกับเป็นส่วนหนึ่งของจานรับสัญญาณวิทยุขนาดใหญ่ ประกอบขึ้นเป็นกล้องโทรทรรศน์เสมือนที่มีขนาดใหญ่พอๆ กับโลกทั้งใบ เพื่อสังเกตการณ์นี้

ความสำเร็จจากการบันทึกภาพของหลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซี M87 หรือ M87* โดยทีมของ EHT ในปี ค.ศ. 2019 นั้นมีผลต่อความสำเร็จในการสังเกตการณ์หลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกนี้เป็นอย่างมาก เมื่อเทียบกันแล้ว M87* มีมวลที่มากกว่า Sgr A* กว่าพันเท่า แม้ว่า Sgr A* จะมีระยะทางที่ใกล้กว่า และมีขนาดปรากฏเชิงมุมที่ใหญ่กว่า แต่ขนาดที่เล็กกว่านับพันเท่านั้นย่อมหมายความว่า แก๊สที่โคจรที่ขอบหลุมดำด้วยความเร็วเข้าใกล้แสงนั้นจะใช้เวลาน้อยมากในการโคจรรอบ Sgr A*

ในขณะที่แก๊สร้อนรอบ M87* จะใช้เวลานานนับสัปดาห์ในการโคจรรอบหลุมดำ ภาพที่ได้จาก M87* นั้นจึงเปรียบได้กับการถ่ายภาพนิ่งของวัตถุที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่แก๊สที่โคจรรอบ Sgr A* นั้นจะใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีในการโคจรไปรอบๆ ซึ่งนี่หมายความว่าความสว่างของวงแหวนที่วนรอบๆ หลุมดำ ณ ใจกลางกาแล็กซีของเรานั้นจะมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาหลายชั่วโมงที่ EHT ทำการสังเกต เปรียบได้กับการพยายามบันทึกภาพนิ่งของลูกสุนัขที่กำลังวิ่งไล่กวดหางตัวเองอยู่ ซึ่งเป็นความท้าทายที่สำคัญอย่างหนึ่งของโครงการนี้ ภาพที่เราเห็นอยู่ของ Sgr A* นั้นเปรียบได้กับภาพเฉลี่ยที่ได้จากเฟรมต่างๆ ที่สามารถเก็บมาได้ เพื่อแสดงถึงภาพของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซีของเราที่หลบซ่อนจากการสังเกตการณ์มาตลอด

ผลสุดท้ายที่เราเห็นอยู่นี้ จึงได้มาจากความพยายามและพัฒนาเครื่องมือมากว่า 5 ปี ด้วยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ผ่านความร่วมมือของนักวิจัยกว่า 300 ชีวิต จากสถาบันทั่วโลกกว่า 80 สถาบัน ซึ่งในฐานะของหนึ่งในผู้ดำเนินการของเครือข่าย East Asian Observatory (EAO) ที่บริหารกล้องโทรทรรศน์ JCMT ที่ใช้ในการสังเกตการณ์ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) จึงมีความยินดีเป็นอย่างยิ่งที่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการค้นพบอันเป็นประวัติศาสตร์นี้

การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่เป็นการเปิดเผยภาพแรกของวัตถุปริศนาที่อยู่ ณ ใจกลางของกาแล็กซีที่เราอาศัยอยู่เพียงเท่านั้น แต่การบันทึกภาพของหลุมดำมวลยิ่งยวดหลุมที่สองในประวัติศาสตร์ที่มีมวลแตกต่างจาก M87* เป็นอย่างมาก ยังเป็นเครื่องมือสำคัญที่ช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถทำความเข้าใจเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง และทฤษฎีสัมพัทธภาพที่เป็นกลไกสำคัญที่คอยขับเคลื่อนไม่เพียงแต่สิ่งที่เกิดขึ้นในหลุมดำ แต่ยังรวมไปถึงกฎของแรงโน้มถ่วงที่เป็นส่วนหนึ่งของเอกภพที่เราอาศัยอยู่ด้วย ภาพถ่ายของหลุมดำทั้งสองนี้จึงเปรียบได้กับห้องปฏิบัติการอันมหึมา ที่มีแรงโน้มถ่วงจากวัตถุอันมหาศาลกำลังบิดงอกาลอวกาศไปรอบๆ จนทำให้แม้กระทั่งแสงที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดในเอกภพ ก็ยังต้องโค้งงอไปตามอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลนี้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้เลยที่เราจะจำลองสภาวะเหล่านี้ในห้องทดลองบนโลกของเรา

นอกไปจากนี้ การเปรียบเทียบการถ่ายเทมวลจากดาวฤกษ์รอบข้างสู่หลุมดำ เป็นกระบวนการที่สำคัญอย่างยิ่งต่อการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแล็กซี ซึ่งปัจจุบันนักดาราศาสตร์ยังไม่มีความเข้าใจที่สมบูรณ์เท่าใดนัก ข้อมูลล่าสุดจากทั้งหลุมดำ Sgr A* และ M87* ที่มีมวลที่แตกต่างกันเป็นอย่างมาก นอกจากจะเป็นห้องทดลองทฤษฎีสัมพัทธภาพให้กับเราได้แล้ว ยังช่วยเติมเต็มแบบจำลองของการถ่ายเทมวลสู่หลุมดำให้แก่เราได้อีกด้วย ซึ่งผลงานวิจัยทั้งหมดนี้ถูกตีพิมพ์และเผยแพร่ออกมาพร้อมกันกับการแถลงข่าวในครั้งนี้

นี่เป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น EHT ยังมีโครงการการสังเกตการณ์ครั้งใหญ่ที่รวมกล้องโทรทรรศน์เพิ่มมากขึ้นไปอีกในเดือนมีนาคมที่ผ่านมา นอกจากนี้ยังมีโครงการที่จะขยายเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ และพัฒนาเทคโนโลยีเพิ่มขึ้นไปอีกในอนาคต ที่จะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถศึกษาหลุมดำมวลยิ่งยวดที่เพิ่มมากขึ้นไปอีก ด้วยรายละเอียดที่เพิ่มมากขึ้น ไปจนถึงบันทึกภาพต่อเนื่อง หรือ “วิดีโอ” ของมวลสารที่กำลังวนไปรอบๆ และตกลงสู่หลุมดำในอนาคต

และด้วยความสามารถในการผนวกกล้องโทรทรรศน์เข้าด้วยกันผ่านเทคนิคอินเทอร์เฟอโรเมทรีที่พัฒนาขึ้นอย่างไม่หยุดยั้ง เราคงต้องติดตามดูว่ากล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติขนาด 40 เมตรของไทยที่กำลังจะเปิดประจำการในปีนี้ จะได้กลายเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายความร่วมมือนานาชาติ และช่วยเปิดเผยความลับใดของเอกภพให้เราได้รู้กันอีกในอนาคตอันใกล้ที่จะถึงนี้

ภาพ: ภาพแรกของหลุมดำมวลยิ่งยวด Sgr A* ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก ภาพนี้ได้มาจากการเชื่อมต่อข้อมูลจากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุกว่า 8 แห่งทั่วโลกภายใต้เครือข่ายของ EHT เข้าด้วยกันเพื่อประกอบกันเป็นกล้องเสมือนที่มีขนาดเท่าโลกของเรา เปิดเผยให้เห็นถึงโครงสร้างของแก๊สร้อนที่โคจรด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง วนรอบหลุมดำที่ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงมหาศาลมากเสียจนแม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้อีก ปรากฏเป็นโครงสร้างวงแหวนสว่างล้อมรอบ “เงา” มืดของหลุมดำ ภาพโดย EHT Collaboration


Cr. ดร. มติพล ตั้งมติธรรม
https://www.facebook.com/matiponblog/posts/1851688711707993