หลุมดำ

ร่างกายของจักรวาลที่มีแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงมากซึ่งไม่มีสิ่งใดแม้แต่แสงสามารถหลบหนีได้ หลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้จากการตายของดาวมวลมาก เมื่อดาวฤกษ์ดังกล่าวใช้เชื้อเพลิงแสนสาหัสภายในแกนกลางหมดสิ้นเมื่อสิ้นอายุขัย แกนกลางจะไม่เสถียรและถูกแรงโน้มถ่วงยุบตัวเข้าหาตัวมันเอง และชั้นนอกของดาวก็ปลิวหายไป น้ำหนักของสสารที่เป็นส่วนประกอบที่ตกลงมาจากทุกด้านบีบอัดดาวฤกษ์ที่กำลังจะตายจนถึงจุดที่ปริมาตรเป็นศูนย์และมีความหนาแน่นไม่สิ้นสุดที่เรียกว่าภาวะเอกฐาน

รายละเอียดโครงสร้างของหลุมดำคำนวณจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ภาวะเอกฐานประกอบด้วยศูนย์กลางของหลุมดำและถูกซ่อนไว้โดย “พื้นผิว” ของวัตถุ ซึ่งเป็นขอบฟ้าเหตุการณ์ ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ ความเร็วหนี (กล่าวคือ ความเร็วที่จำเป็นสำหรับสสารที่จะหลุดออกจากสนามโน้มถ่วงของวัตถุจักรวาล) นั้นสูงกว่าความเร็วแสง ดังนั้นแม้แต่รังสีของแสงก็ไม่สามารถเล็ดลอดออกไปในอวกาศได้ รัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์เรียกว่ารัศมีชวาร์สชิลด์ ตามชื่อคาร์ล ชวาร์สชิลด์ นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน ซึ่งในปี พ.ศ. 2459 ได้ทำนายการมีอยู่ของเนื้อดาวที่ยุบตัวซึ่งไม่แผ่รังสีออกมา ขนาดของรัศมี Schwarzschild เป็นสัดส่วนกับมวลของดาวฤกษ์ที่ยุบตัว สำหรับหลุมดำที่มีมวล 10 เท่าของดวงอาทิตย์ รัศมีจะเท่ากับ 30 กม. (18.6 ไมล์)

เฉพาะดาวฤกษ์มวลมากที่สุดซึ่งมีมวลมากกว่าสามเท่าของมวลดวงอาทิตย์เท่านั้นที่จะกลายเป็นหลุมดำเมื่อสิ้นอายุขัย ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่าจะวิวัฒนาการเป็นวัตถุที่มีการบีบอัดน้อยกว่า ไม่ว่าจะเป็นดาวแคระขาวหรือดาวนิวตรอน

หลุมดำมักจะไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงเนื่องจากทั้งมีขนาดเล็กและไม่เปล่งแสงออกมา อย่างไรก็ตาม สามารถ “สังเกต” พวกมันได้จากผลกระทบของสนามโน้มถ่วงขนาดมหึมาที่มีต่อสสารที่อยู่ใกล้เคียง ตัวอย่างเช่น หากหลุมดำเป็นสมาชิกของระบบดาวคู่ สสารที่ไหลเข้ามาจากดาวข้างเคียงจะกลายเป็นความร้อนสูง จากนั้นแผ่รังสีเอกซ์ออกมาอย่างมากมายก่อนจะเข้าสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำและหายไปตลอดกาล หนึ่งในองค์ประกอบดาวของระบบเอกซเรย์ดาวคู่ Cygnus X-1 คือหลุมดำ ค้นพบในปี พ.ศ. 2514 ในกลุ่มดาวหงส์ ดาวคู่นี้ประกอบด้วยดาวยักษ์สีน้ำเงินและดาวคู่หูที่มองไม่เห็น ซึ่งมีมวล 14.8 เท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งโคจรรอบกันและกันในระยะเวลา 5.6 วัน

หลุมดำบางหลุมมีต้นกำเนิดที่ไม่ใช่ดาวฤกษ์ นักดาราศาสตร์หลายคนคาดการณ์ว่าก๊าซระหว่างดาวปริมาณมากจะรวมตัวกันและยุบตัวกลายเป็นหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางควาซาร์และกาแลคซี มวลของก๊าซที่ตกลงสู่หลุมดำอย่างรวดเร็วคาดว่าจะให้พลังงานมากกว่า 100 เท่าของพลังงานที่ปล่อยออกมาจากมวลที่เท่ากันผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ดังนั้นการยุบตัวของมวลดวงอาทิตย์หลายล้านหรือพันล้านมวลของก๊าซระหว่างดาวภายใต้แรงโน้มถ่วงเข้าสู่หลุมดำขนาดใหญ่จะส่งผลต่อพลังงานมหาศาลที่ปล่อยออกมาจากควาซาร์และระบบกาแลคซีบางแห่ง

หลุมดำมวลมหาศาลดังกล่าว Sagittarius A* มีอยู่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก การสังเกตดาวที่โคจรรอบตำแหน่งของราศีธนู A* แสดงให้เห็นหลุมดำที่มีมวลเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์มากกว่า 4,000,000 ดวง (สำหรับข้อสังเกตเหล่านี้ Andrea Ghez นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกันและ Reinhard Genzel นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020) มีการตรวจพบหลุมดำมวลมหาศาลในกาแลคซีอื่นๆ ด้วย ในปี 2560 กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ภาพหลุมดำมวลมหาศาลที่ใจกลางดาราจักร M87 หลุมดำนั้นมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ 6.5 พันล้านดวง แต่มีความกว้างเพียง 3.8 หมื่นล้านกิโลเมตร (2.4 หมื่นล้านไมล์) มันเป็นหลุมดำแห่งแรกที่ถ่ายภาพได้โดยตรง การมีอยู่ของหลุมดำขนาดใหญ่กว่านั้น ซึ่งแต่ละหลุมมีมวลเท่ากับ 10 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ สามารถอนุมานได้จากผลกระทบเชิงพลังงานของการหมุนวนของก๊าซด้วยความเร็วสูงมากรอบๆ ใจกลางของ NGC 3842 และ NGC 4889 กาแล็กซีใกล้ทางช้างเผือก

การมีอยู่ของหลุมดำที่ไม่ใช่ดาวฤกษ์อีกประเภทหนึ่งถูกเสนอโดย Stephen Hawking นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ตามทฤษฎีของฮอว์คิง หลุมดำในยุคดึกดำบรรพ์ขนาดเล็กจำนวนมาก อาจมีมวลเท่ากับหรือน้อยกว่าดาวเคราะห์น้อย อาจถูกสร้างขึ้นในช่วงบิ๊กแบง ซึ่งเป็นสภาวะที่มีอุณหภูมิและความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งเอกภพกำเนิดขึ้นเมื่อ 13.8 พันล้านปี ที่ผ่านมา. สิ่งที่เรียกว่าหลุมดำขนาดเล็กเหล่านี้ เช่นเดียวกับความหลากหลายที่มีมวลมากกว่า สูญเสียมวลเมื่อเวลาผ่านไปผ่านการแผ่รังสีฮอว์คิงและหายไป หากทฤษฎีบางอย่างของเอกภพที่ต้องการมิติเพิ่มเติมนั้นถูกต้อง เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่สามารถสร้างหลุมดำขนาดเล็กจำนวนมากได้

หลุมดำ

อย่าปล่อยให้ชื่อหลอกคุณ: หลุมดำคืออะไรนอกจากความว่างเปล่า ค่อนข้างจะเป็นสสารจำนวนมากที่อัดแน่นอยู่ในพื้นที่เล็กๆ ลองนึกถึงดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึงสิบเท่าเมื่ออัดเข้าไปในทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณนครนิวยอร์ก ผลที่ได้คือสนามโน้มถ่วงรุนแรงจนไม่มีสิ่งใดเล็ดลอดออกไปได้ แม้แต่แสง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เครื่องมือของ NASA ได้วาดภาพวัตถุประหลาดเหล่านี้ใหม่ ซึ่งเป็นวัตถุที่น่าสนใจที่สุดในอวกาศสำหรับหลายๆ คน

แนวคิดเกี่ยวกับวัตถุในอวกาศที่ใหญ่โตและหนาแน่นจนแสงไม่สามารถเล็ดลอดออกไปได้นั้นมีมานานหลายศตวรรษแล้ว หลุมดำที่โด่งดังที่สุดได้รับการทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อดาวฤกษ์มวลมากตายลง มันจะเหลือแกนกลางขนาดเล็กที่หนาแน่นไว้เบื้องหลัง หากมวลของแกนกลางมีมากกว่ามวลดวงอาทิตย์ประมาณสามเท่า สมการแสดงให้เห็น แรงโน้มถ่วงจะครอบงำแรงอื่นๆ ทั้งหมดและก่อให้เกิดหลุมดำ

นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสังเกตหลุมดำได้โดยตรงด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่ตรวจจับรังสีเอกซ์ แสง หรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบอื่นๆ อย่างไรก็ตาม เราสามารถสรุปการมีอยู่ของหลุมดำและศึกษาหลุมดำได้โดยการตรวจหาผลกระทบต่อสสารอื่นที่อยู่ใกล้เคียง ตัวอย่างเช่น หากหลุมดำผ่านกลุ่มเมฆของสสารระหว่างดาว มันจะดึงดูดสสารเข้าสู่กระบวนการที่เรียกว่าการสะสม กระบวนการที่คล้ายกันนี้อาจเกิดขึ้นได้หากดาวฤกษ์ปกติเคลื่อนที่เข้าใกล้หลุมดำ ในกรณีนี้ หลุมดำสามารถฉีกดาวออกจากกันได้ในขณะที่มันดึงเข้าหาตัวมันเอง เมื่อสสารดึงดูดเร่งความเร็วและร้อนขึ้น มันจะปล่อยรังสีเอกซ์ออกมาในอวกาศ การค้นพบเมื่อเร็วๆ นี้เสนอหลักฐานที่ยั่วเย้าว่าหลุมดำมีอิทธิพลอย่างมากต่อบริเวณใกล้เคียง โดยปล่อยรังสีแกมมาออกมาอย่างรุนแรง กลืนกินดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เคียง และกระตุ้นการเติบโตของดาวดวงใหม่ในบางพื้นที่ ขณะเดียวกันก็หยุดมันไว้ในที่อื่นๆ

One Star’s End คือจุดเริ่มต้นของหลุมดำ

หลุมดำส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นจากเศษซากของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ที่ตายจากการระเบิดของซุปเปอร์โนวา (ดาวฤกษ์ที่เล็กกว่ากลายเป็นดาวนิวตรอนหนาแน่น ซึ่งมีมวลไม่เพียงพอที่จะดักจับแสง) หากมวลรวมของดาวฤกษ์มีมากพอ (ประมาณ 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ก็สามารถพิสูจน์ได้ในทางทฤษฎีว่าไม่มีแรงใดๆ ดาวจากการยุบตัวภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม เมื่อดาวดวงนั้นพังทลายลง สิ่งประหลาดก็เกิดขึ้น เมื่อพื้นผิวของดาวอยู่ใกล้พื้นผิวในจินตนาการที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” เวลาบนดาวจะช้าลงเมื่อเทียบกับเวลาที่ผู้สังเกตการณ์อยู่ไกลออกไป เมื่อพื้นผิวมาถึงขอบฟ้าเหตุการณ์ เวลาหยุดนิ่ง และดาวฤกษ์ไม่สามารถยุบตัวได้อีกต่อไป มันคือวัตถุที่ยุบตัวเป็นน้ำแข็ง

หลุมดำที่ใหญ่กว่าอาจเป็นผลมาจากการชนกันของดาวฤกษ์ ไม่นานหลังจากเปิดตัวในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2547 กล้องโทรทรรศน์สวิฟต์ของนาซาสังเกตเห็นแสงวาบอันทรงพลังที่เรียกกันว่าการระเบิดของรังสีแกมมา ต่อมากล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของจันทราและนาซาได้รวบรวมข้อมูลจาก “แสงระเรื่อ” ของเหตุการณ์ และการสังเกตร่วมกันทำให้นักดาราศาสตร์สรุปว่าการระเบิดที่ทรงพลังอาจเกิดขึ้นเมื่อหลุมดำและดาวนิวตรอนชนกัน ทำให้เกิดหลุมดำอีกแห่ง

ทารกและยักษ์

แม้ว่าจะเข้าใจกระบวนการก่อตัวพื้นฐานแล้ว แต่ความลึกลับอย่างหนึ่งที่คงอยู่ตลอดกาลในศาสตร์ของหลุมดำก็คือ หลุมดำดูเหมือนจะมีอยู่สองขนาดที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ด้านหนึ่งมีหลุมดำนับไม่ถ้วนซึ่งเป็นเศษซากของดาวฤกษ์มวลมาก หลุมดำ “มวลดาวฤกษ์” เหล่านี้กระจายอยู่ทั่วจักรวาลโดยทั่วไปมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 10 ถึง 24 เท่า นักดาราศาสตร์มองเห็นพวกมันเมื่อดาวอีกดวงหนึ่งเข้ามาใกล้มากพอที่สสารบางส่วนที่อยู่รอบๆ มันจะถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำดักไว้ ทำให้เกิดรังสีเอกซ์ในกระบวนการนี้ อย่างไรก็ตาม หลุมดำของดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ตรวจจับได้ยากมาก เมื่อพิจารณาจากจำนวนดาวฤกษ์ที่ใหญ่พอที่จะสร้างหลุมดำดังกล่าวได้ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์คาดว่ามีหลุมดำดังกล่าวมากถึง 10 ล้านถึงพันล้านหลุมในทางช้างเผือกเพียงแห่งเดียว

อีกด้านหนึ่งของสเปกตรัมขนาดคือหลุมดำขนาดยักษ์ที่เรียกว่า “มวลมหาศาล” ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่าหรือหลายพันล้านเท่า นักดาราศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ที่ศูนย์กลางของกาแลคซีขนาดใหญ่แทบทุกแห่ง แม้กระทั่งทางช้างเผือกของเราเอง นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับพวกมันได้โดยเฝ้าดูผลกระทบที่มีต่อดาวฤกษ์และก๊าซที่อยู่ใกล้เคียง

ในอดีต นักดาราศาสตร์เชื่อกันมานานแล้วว่าไม่มีหลุมดำขนาดกลางอยู่จริง อย่างไรก็ตาม หลักฐานล่าสุดจาก Chandra, XMM-Newton และ Hubble ทำให้กรณีที่หลุมดำขนาดกลางมีอยู่จริง กลไกหนึ่งที่เป็นไปได้สำหรับการก่อตัวของหลุมดำมวลมหาศาลเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาลูกโซ่ของการชนกันของดาวฤกษ์ในกระจุกดาวขนาดกะทัดรัด ซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวเป็นดาวฤกษ์มวลมหาศาล จากนั้นจะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำมวลปานกลาง จากนั้นกระจุกดาวจะจมลงสู่ใจกลางกาแลคซี ซึ่งหลุมดำมวลปานกลางรวมตัวกันเป็นหลุมดำมวลมหาศาล

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ needlezbyshalimar.com