รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ปี 2020 กับงานวิจัยเกี่ยวกับหลุมดำ

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020 อุทิศให้กับการทำความเข้าใจวัตถุลึกลับที่มาพร้อมกับปริศนาดำมืดที่สุดในเอกภพ นั่นคือ ‘หลุมดำ’ (Black Hole)

เงินรางวัลจำนวน 10 ล้านโครนจากการมอบรางวัลโนเบลครั้งนี้จะถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ครึ่งแรกมอบให้แก่ โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) จากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด สำหรับการค้นพบว่าการก่อเกิดหลุมดำสอดคล้องกับคำทำนายจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เงินรางวัลอีกครึ่งหนึ่ง มอบให้แก่ เรนฮาร์ด เกนเซล (Reinhard Genzel) แห่งสถาบันมักซ์ พลังก์ เพื่อการวิจัยฟิสิกส์นอกโลก (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) และ แอนเดรีย เจซ (Andrea Ghez) มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิส สำหรับการค้นพบวัตถุอัดแน่นมวลยิ่งยวด (Supermassive Compact Object) ณ ใจกลางดาราจักรของเรา

นี่เป็นอีกครั้งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ส่งแรงกระเพื่อมมาถึงการมอบรางวัลโนเบลในปี 2020 นี้

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกล่าวถึงโครงสร้างเอกภพที่ถูกยึดโยงเอาไว้ด้วยกันด้วยแรงโน้มถ่วง ซึ่งทำให้เวลาและที่ว่างสามมิติที่เราอยู่บิดงอ คล้ายกับเวลาที่เรานั่งบนโซฟานุ่มๆ แล้วเบาะยุบลงไป วัตถุที่มีมวลมาก ยิ่งทำให้เกิดการบิดงอมากขึ้น เวลาจึงเดินช้าลงเมื่อเทียบกับผู้สังเกตภายนอก และถ้าหากวัตถุนั้นมีมวลอัดแน่นมากจนถึงจุดหนึ่งก็จะทำให้เกิดการบิดงอจนกระทั่งแม้แต่แสงไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้

โรเจอร์ เพนโรส – แนวคิดใหม่เกี่ยวกับหลุมดำในทางทฤษฎี

อันที่จริง แม้กระทั่งอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เองก็ยังไม่เชื่อว่าหลุมดำมีจริง จนกระทั่งสิบปีหลังจากที่เขาเสียชีวิต โรเจอร์ เพนโรส ได้เสนอบทพิสูจน์จนได้ข้อสรุปทางทฤษฎีว่า หลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้จริง ซึ่งเป็นการยืนยันผลการทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ก่อนหน้าที่โรเจอร์ เพนโรส จะตีพิมพ์ผลงานวิจัยในเดือนมกราคมปี 1965 หลุมดำเป็นเพียงแนวคิดที่มีอยู่ในทฤษฎี ซึ่งจะเกิดขึ้นได้ในภาวะอุดมคติที่ดาวฤกษ์มีรูปทรงกลมเกลี้ยงและสมมาตร แต่โรเจอร์ เพนโรส ผุดไอเดียใหม่ขึ้นมาได้ระหว่างที่กำลังรอข้ามถนน เขาคิดถึงวัตถุที่มีพื้นผิวที่บังคับให้แสงต้องพุ่งตรงเข้าสู่จุดศูนย์กลางได้เพียงทิศทางเดียว เรียกมันว่า Trapped Surface (พื้นผิวติดกับ) และใช้แนวคิดนี้อธิบายการก่อเกิดหลุมดำ

เมื่อดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ราว 8-10 เท่าขึ้นไป ใช้เชื้อเพลิงจนหมดและเกิดการระเบิดมหานวดารา (Supernova) มันอาจจะยุบตัวลงจนสร้าง Trapped Surface ขึ้นมา เรียกว่า ‘ขอบฟ้าเหตุการณ์’ หรือ Event Horizon วัตถุ แสง เมื่อเดินทางผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไป จะมีชะตาเพียงอย่างเดียวที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ นั่นก็คือ การถูกดึงดูดเข้าสู่ใจกลางของหลุมดำ ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงมหาศาล และมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเป็นอนันต์ ซึ่งเป็นสภาวะที่ฟิสิกส์ในปัจจุบันนี้ก็ยังไม่มีคำตอบว่าเกิดอะไรขึ้นที่นั่นกันแน่ เรียกกันว่า ภาวะเอกฐาน (Singularity)

เรนฮาร์ด เกนเซล และแอนเดรีย เจซ – ผู้เฝ้าติดตามเส้นทางแห่งดวงดาว

เมื่อไม่มีสิ่งใดหลุดออกมานอกขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ เราจึงไม่สามารถสังเกตหลุมดำได้โดยตรง แต่แรงโน้มถ่วงอันมหาศาลที่ทำให้พื้นผิวของเอกภพบิดงอ ได้ส่งผลให้ดาวฤกษ์ที่โคจรรอบหลุมดำ มีพฤติกรรมที่แปลกประหลาด ที่ไม่อาจอธิบายได้หากไม่ใช่เพราะแรงโน้มถ่วงของหลุมดำเป็นต้นเหตุ

ระบบสุริยะที่มนุษย์เราอาศัยอยู่ เป็นบริเวณขอบของดาราจักรทางช้างเผือก แต่เรนฮาร์ด เกนเซล และแอนเดรีย เจซ กลับมองลึกเข้าไปยังใจกลางดาราจักร ปัญหาคือ ฝุ่นผงและก้อนก๊าซในอวกาศนั้น แม้จะกระจายตัวอยู่อย่างเบาบาง แต่ด้วยระยะทางมหาศาลทำให้มันบดบังแสงจากใจกลางดาราจักรไปเสียสิ้น ทว่าด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่รับสัญญาณภาพผ่านรังสีอินฟราเรด ได้ส่องทะลุอุปสรรคต่างๆ จนมองเห็นถึงดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลออกไป 25,000 ปีแสงได้

เนิ่นนานเป็นร้อยปีมาแล้วที่นักดาราศาสตร์เริ่มสงสัยว่าอาจจะมีวัตถุมวลมหึมาอยู่ใจกลางดาราจักรของเรา หากสังเกตจากพื้นโลก มันจะอยู่ในอาณาเขตกลุ่มดาวคนยิงธนู มันจึงถูกเรียกว่า Sagittarius A*

ต้องรอจนกระทั่งทศวรรษที่ 1990 เมื่อเทคโนโลยีถึงพร้อม ทั้งเรนฮาร์ดและแอนเดรียได้ตัดสินใจริเริ่มโครงการเฝ้าติดตามวงโคจรของดาวฤกษ์รอบ Sagittarius A*

ทีมของเรนฮาร์ดอาศัยหอสังเกตการณ์ Very Large Telescope (VLT) ตั้งอยู่ในประเทศชิลี ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ประกอบด้วยกระจกเส้นศูนย์ผ่านกลางยาวกว่า 8 เมตร ส่วนแอนเดรียสังเกตผ่านกล้องโทรทรรศน์ในรัฐฮาวายจากหอสังเกตการณ์เค็ก (Keck Observatory) เส้นผ่านศูนย์กลางของกระจกมากถึง 10 เมตร

แสงจากดาวฤกษ์เพียงไม่กี่ดวงจากระยะทางอันไกลโพ้น อาจวิบวับสั่นไหวจากการรบกวนโดยชั้นบรรยากาศของโลก ระบบปรับภาพตามแสง (Adaptive Optics) ได้ถูกนำมาใช้โดยการยิงเลเซอร์ความเข้มสูงขึ้นไปบนท้องฟ้า กล้องโทรทรรศน์จะรับแสงจากเบื้องบนแล้วระบบคอมพิวเตอร์จะคำนวณความบิดเบี้ยวของภาพที่เกิดขึ้น ชิ้นกระจกบางๆ ที่ฉาบอยู่บนหน้ากล้องจะปรับสภาพตัวเองจนแก้ไขความบิดเบี้ยวนั้นได้ ผลที่ได้คือภาพดาวฤกษ์ที่คมชัดกว่ายุคก่อนถึงพันเท่า ทำให้ง่ายต่อการติดตามและประมวลผลเป็นอย่างมาก

ภาคทฤษฎีและภาคปฏิบัติ การปะทะสังสรรค์ที่ไม่สิ้นสุด

ยิ่งดาวฤกษ์โคจรใกล้หลุมดำมากเท่าไร มันยิ่งเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่านั้น วัตถุที่สองนักดาราศาสตร์สนใจคือดาวฤกษ์ S-O2 ซึ่งใช้เวลาโคจรรอบ Sagittarius A*เพียง 16 ปี (ดวงอาทิตย์ของเราใช้เวลาโคจรรอบดาราจักร 200 ล้านปี)

เมื่อนำข้อมูลจากวิถีวงโคจรของ S-O2 มาคำนวณ สิ่งเดียวที่จะทำให้เกิดเหตุการณ์นี้ได้ คือการมีอยู่ของวัตถุอัดแน่นมวลยิ่งยวด มากกว่าดวงอาทิตย์ 4 ล้านเท่า และกินพื้นที่เท่ากับระบบสุริยะของเรา

ก่อนหน้านี้ หลุมดำเป็นเพียงการต่อยอดในทางทฤษฎีจากแนวคิดสัมพัทธภาพทั่วไป จนกระทั่งผลลัพธ์จากความพากเพียรในการสังเกต จึงพิสูจน์การมีอยู่ของหลุมดำได้

ใจกลางหลุมดำมีธรรมชาติเป็นอย่างไร

การจะตอบคำถามนี้ อาจต้องเฝ้ารอให้นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี รวมทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัมเข้าด้วยกันให้ได้เสียก่อน ในเวลาเดียวกัน เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั่วโลกกำลังจับจ้องไปที่หลุมดำมวลยิ่งยวดที่อยู่ไกลออกไปนอกดาราจักรทางช้างเผือก ซึ่งอาจพาเราไปพบกับความแปลกประหลาดพิสดารพันลึก ที่บอกใบ้ถึงทฤษฎีใหม่ๆ ที่มนุษยชาติจะนำมาใช้อธิบายความเป็นไปของเอกภพในอนาคต

พิสูจน์อักษร: ลักษณ์นารา พักตร์เพียงจันทร์

อ้างอิง: