สมาคมดาราศาสตร์ไทย

เปิดภาพแรก หลุมดำกลางดาราจักรทางช้างเผือก

เปิดภาพแรก หลุมดำกลางดาราจักรทางช้างเผือก

14 พ.ค. 2565
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
เมื่อปี 2562 วงการดาราศาสตร์ทั่วโลกต้องตื่นตะลึง เมื่อนักดาราศาสตร์ได้เปิดเผยภาพภาพหนึ่งที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซัน เป็นภาพของหลุมดำยักษ์ที่อยู่ใจกลางดาราจักรเอ็ม 87 นับเป็นครั้งแรกที่มีการถ่ายภาพของวัตถุชนิดนี้ได้โดยตรง

วันนี้ (12 พฤษภาคม 2565) บรรยากาศเดิมในวันนั้นได้หวนคืนมาอีกครั้งเมื่อมีการเปิดเผยภาพของหลุมดำที่ใจกลางดาราจักรทางช้างเผือก โดยกล้องโทรทรรศน์กล้องเดิม 

กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาด เมตรของเครือข่ายเอสเอ็มเอบนยอดเขามานาเคอาในฮาวาย ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซัน (จาก Tyler Jump)

เป็นเวลานานมาแล้วที่นักดาราศาสตร์ทราบว่าที่ใจกลางของดาราจักรเกือบทุกดาราจักรมีหลุมดำที่มีมวลสูงมากอยู่ เรียกว่า หลุมดำมวลยวดยิ่ง 

ที่ใจกลางของดาราจักรทางช้างเผือก คือที่สิงสถิตของหลุมดำมวลยวดยิ่งที่มีชื่อว่า คนยิงธนูเอ* (Sagittarius A* หรือเรียกย่อ ๆ ว่า Sgr A*) มีมวลประมาณ 4.3 ล้านมวลสุริยะ 

เช่นเดียวกับหลุมดำทั้งหลาย หลุมดำคนยิงธนูเอ* มืดสนิท ไม่เปล่งแสงใด ๆ แต่นักดาราศาสตร์ทราบว่ามีอยู่จริงจากการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของดาวที่อยู่ใกล้ ๆ ซึ่งแสดงถึงมวลมหาศาลที่มองไม่เห็นแฝงอยู่ในความมืดมิดนั้น

กายวิภาคของหลุมดำมวลยวดยิ่ง (จาก ESO)

หลุมดำเป็นวัตถุที่ถ่ายภาพยากมาก เนื่องจากเป็นวัตถุที่ดูดกลืนทุกสิ่งแม้แต่แสง ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะมองเห็นหลุมดำโดยตรง สิ่งที่พอจะมองเห็นจากวัตถุชนิดนี้ได้คือสิ่งที่เกิดขึ้นบริเวณใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งถือว่าเป็นขอบเขตของหลุมดำหรือพรมแดนสุดท้ายของแสงที่จะเปล่งออกมาภายนอกได้ก่อนที่จะตกลงไปในหลุมดำ

ความพยายามของนักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกในปี 2562 เมื่อกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซันถ่ายภาพของหลุมดำที่อยู่ใจกลางดาราจักรเอ็ม 87 ได้ ภาพที่ปรากฏคือรูปวงแหวนสว่างเหมือนโดนัท สิ่งนั้นคือจานพอกพูนมวล ซึ่งเป็นกลุ่มของแก๊สร้อนที่กำลังหมุนวนรอบหลุมดำก่อนจะไหลผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ลงสู่หุบเหวของความโน้มถ่วงอันมืดมิด

ดาราจักรเอ็ม 87 อยู่ห่างจากโลก 55 ล้านปีแสง หลุมดำของดาราจักรเอ็ม 87 มีชื่อว่า เอ็ม 87* มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 6.5 พันล้านเท่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำดวงนี้มีรัศมีประมาณ 20 พันล้านกิโลเมตร การถ่ายภาพวัตถุขนาดนี้ที่ระยะไกลระดับนั้นเทียบได้กับการถ่ายภาพวัตถุขนาด มิลลิเมตรจากระยะ 13,000 กิโลเมตร

ส่วนหลุมดำคนยิงธนูเอ* ซึ่งเป็นหลุมดำมวลยวดยิ่งของดาราจักรทางช้างเผือก แม้จะอยู่ใกล้เพียง 25,800 ปีแสง แต่การถ่ายภาพหลุมดำมวลยวดยิ่งในบ้านของเราเองกลับยากกว่ากรณีของเอ็ม 87 มาก
 
สาเหตุแรกคือ หลุมดำกลางดาราจักรของเราแห่งนี้มีขนาดเล็กกว่ามาก มีรัศมีเพียง 13 ล้านกิโลเมตร และมีมวลเพียง 4.3 ล้านมวลสุริยะเท่านั้น มวลต่ำกว่าเอ็ม 87* ถึง 1,500 เท่า 

เอ็ม 87 เป็นดาราจักรที่เรียกว่าดาราจักรกัมมันต์ หลุมดำมวลยวดยิ่งมีจานพอกพูนมวลขนาดมหึมาล้อมรอบที่เต็มไปด้วยฝุ่นแก๊สที่กำลังไหลวนตกลงไป หลุมดำแห่งนี้จึงอ้วนท้วนสมบูรณ์ มีสสารให้เขมือบตลอดเวลา 

ส่วนหลุมดำคนยิงธนูเอ* กลับต่างไปอย่างสิ้นเชิง หลุมดำแห่งนี้เป็นหลุมดำประเภทอดอยาก มีสสารตกลงสู่หลุมดำน้อยมาก หากเปรียบหลุมดำคนยิงธนูเอ* เป็นคน ก็เป็นคนที่ได้กินข้าวแค่เม็ดเดียวในรอบล้านปี ด้วยเหตุนี้จานพอกพูนมวลของหลุมดำคนยิงธนูเอ* จึงมีอุณหภูมิค่อนข้างต่ำ เปล่งแสงออกมาไม่มาก ตรวจจับได้ยาก 

การที่หลุมดำคนยิงธนูเอ* มีขนาดเล็กกว่า คาบการหมุนของจานพอกพูนมวลจึงสั้นกว่า แก๊สที่อยู่ใกล้ขอบหลุมดำเคลื่อนที่เร็วมากใกล้เคียงความเร็วแสง ในหลุมดำที่มีขนาดใหญ่อย่างเอ็ม 87* สสารในวงแหวนรอบหลุมดำใช้เวลาหลายวันในการโคจรครบรอบ แต่ในกรณีของคนยิงธนูเอ* สสารใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีก็โคจรครบรอบ แสงจากหลุมดำแห่งนี้จึงเปลี่ยนแปลงเร็วมาก ทำให้การถ่ายภาพให้ชัดเจนทำได้ยากมาก 

"มันเหมือนการพยายามถ่ายภาพหมาที่กำลังวิ่งไล่งับหางตัวเองให้ภาพออกมาคมชัดนั่นแหละ" เฉิน จื้อจวิน นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแอริโซนา หนึ่งในคณะของกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซันเปรียบเทียบ

หลุมดำ คนยิงธนูเอ* (จาก EHT Collaboration)

เปรียบเทียบขนาดของ เอ็ม 87* กับ คนยิงธนูเอ* (จาก EHT collaboration, acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)

การบันทึกภาพของหลุมดำคนยิงธนูเอ* นี้ไม่ได้เกิดจากการกดชัตเตอร์ครั้งเดียว นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซันสำรวจใจกลางดาราจักรทางช้างเผือกเพื่อบันทึกภาพของหลุมดำมวลยวดยิ่งในปี 2560 แต่ต้องใช้เวลาอีกหลายปีในการประมวลผลและวิเคราะห์ข้อมูลที่มีอยู่มากราว เทระไบต์ และการทำงานร่วมกันของนักวิทยาศาสตร์อีกกว่า 300 คน จึงจะได้ภาพจะได้ภาพประวัติศาสตร์ภาพนี้ขึ้นมา 

เป็นที่น่าสังเกตว่า แม้หลุมดำสองแห่งจะมีสมบัติทางกายภาพต่างกันมาก แต่กลับมีลักษณะคล้ายคลึงจนเกือบเหมือนกัน นอกจากนี้ยังมีขนาดตรงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอนส์ไตน์อธิบายไว้อีกด้วย 

กล้องอีเวนต์ฮอไรซัน เป็นเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์แปดกล้องกระจายไปตามจุดต่าง ๆ ทั่วโลก ทั้งหมดทำงานประสานกันโดยใช้หลักการวิธีแทรกสอดของสัญญาณเพื่อให้ได้กำลังแยกภาพเทียบเท่ากล้องเดี่ยวที่มีขนาดเท่าโลกทั้งใบ นั่นทำให้ภาพที่ได้จากกล้องนี้สามารถแยกแยะรายละเอียดได้ดีกว่าสายตามนุษย์ถึงสามล้านเท่า 

ตำแหน่งที่ตั้งของกล้องโทรทรรศน์ที่อยู่ในเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซัน ประกอบด้วยกล้องอัลมา (ALMA--Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) และกล้องเอเปกซ์ (APEX--Atacama Pathfinder Experiment telescope) ตั้งอยู่ในทะเลทรายอาตากามา ประเทศชิลี, กล้องไอแรม 30 เมตร (IRAM 30-meter telescope) ตั้งอยู่ในในประเทศสเปน, กล้องเจมส์คลาร์กแมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell Telescope (JCMT)) อยู่ในฮาวาย, กล้องแอลเอ็มที (Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT)) อยู่ในประเทศเมกซิโก, กล้องเอสเอ็มเอ (Submillimeter Array (SMA)) ตั้งอยู่ในฮาวาย, กล้องซับมิลลิเมตรยูแอริโซนา UArizona Submillimeter Telescope (SMT) ในแอริโซนา สหรัฐอเมริกา และเอสพีที (South Pole Telescope (SPT)) ตั้งอยู่ที่ขั้วโลกใต้  


ความสำเร็จของกล้องอีเวนต์ฮอไรซันในครั้งนี้จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เข้าใจถึงความเร้นลับหลายด้านของหลุมดำ เช่นศึกษาว่าการพอกพูนมวลเกิดขึ้นได้อย่างไร มีสสารพุ่งออกไปเป็นลำจากขั้วหลุมดำได้อย่างไร รวมถึงการพิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในบริเวณใกล้หลุมดำได้ถูกต้องแม่นยำเพียงใด

"การสำรวจนี้จึงเป็นการช่วยยกระดับความเข้าใจถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในใจกลางดาราจักรของเราได้เป็นอย่างดี และยังให้ภาพที่ชัดเจนว่าหลุมดำมีอันตรกิริยากับสิ่งรอบด้านอย่างไร" ชอฟรัว โบเวอร์ จากสถาบันวิจัยแห่งชาติจีนในไทเป หนึ่งนักวิทยาศาสตร์ในโครงการอีเอชทีกล่าว