Black Hole :: หลุมดำ ...

หลุมดำ

บทความนี้เกี่ยวกับหลุมดำในเอกภพ บทความนี้ใช้ระบบปีคริสต์ศักราช เพราะอ้างอิงถึงคริสต์ศักราชและคริสต์ศตวรรษ หรืออย่างใดอย่างหนึ่ง
มุมมองจำลองของหลุมดำด้านหน้าของทางช้างเผือก โดยมีมวลเทียบเท่าดวงอาทิตย์ 10 ดวงจากระยะทาง 600 กิโลเมตร


[มุมมองจำลองของหลุมดำด้านหน้าของทางช้างเผือก โดยมีมวลเทียบเท่าดวงอาทิตย์ 10 ดวงจากระยะทาง 600 กิโลเมตร]

หลุมดำ (อังกฤษ: black hole) หมายถึงเทหวัตถุในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมาก ไม่มีอะไรออกจากบริเวณนี้ได้แม้แต่แสง เราจึงมองไม่เห็นใจกลางของหลุมดำ หลุมดำจะมีพื้นที่หนึ่งที่เป็นขอบเขตของตัวเองเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ ที่ตำแหน่งรัศมีชวาร์สชิลด์ ถ้าหากวัตถุหลุดเข้าไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุจะต้องเร่งความเร็วให้มากกว่าความเร็วแสงจึงจะหลุดออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ แต่เป็นไปไม่ได้ที่วัตถุใดจะมีความเร็วมากกว่าแสง วัตถุนั้นจึงไม่สามารถออกมาได้อีกต่อไป

เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลมหึมาแตกดับลง มันอาจจะทิ้งสิ่งที่ดำมืดที่สุด ทว่ามีอำนาจทำลายล้างสูงสุดไว้เบื้องหลัง นักดาราศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า "หลุมดำ" เราไม่สามารถมองเห็นหลุมดำด้วยกล้องโทรทรรศน์ใดๆ เนื่องจากหลุมดำไม่เปล่งแสงหรือรังสีใดเลย แต่สามารถตรวจพบได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ และคลื่นโน้มถ่วงของหลุ่มดำ (ในเชิงทฤษฎี โครงการ แอลไอจีโอ) และจนถึงปัจจุบันได้ค้นพบหลุมดำในจักรวาลแล้วอย่างน้อย 6 แห่ง

หลุมดำเป็นซากที่สิ้นสลายของดาวฤกษ์ที่ถึงอายุขัยแล้ว สสารที่เคยประกอบกันเป็นดาวนั้นได้ถูกอัดตัวด้วยแรงดึงดูดของตนเองจนเหลือเป็นเพียงมวลหนาแน่นที่มีขนาดเล็กยิ่งกว่านิวเคลียสของอะตอมเดียว ซึ่งเรียกว่า เอกภาวะ

หลุมดำแบ่งได้เป็น 4 ประเภท คือ หลุมดำมวลยวดยิ่ง เป็นหลุมดำในใจกลางของดาราจักร, หลุมดำขนาดกลาง, หลุมดำจากดาวฤกษ์ ซึ่งเกิดจากการแตกดับของดาวฤกษ์, และ หลุมดำจิ๋วหรือหลุมดำเชิงควอนตัม ซึ่งเกิดขึ้นในยุคเริ่มแรกของเอกภพ

แม้ว่าจะไม่สามารถมองเห็นภายในหลุมดำได้ แต่ตัวมันก็แสดงการมีอยู่ผ่านการมีผลกระทบกับวัตถุที่อยู่ในวงโคจรภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ ตัวอย่างเช่น หลุมดำอาจจะถูกสังเกตเห็นได้โดยการติดตามกลุ่มดาวที่โคจรอยู่ภายในศูนย์กลางหลุมดำ หรืออาจมีการสังเกตก๊าซ (จากดาวข้างเคียง) ที่ถูกดึงดูดเข้าสู่หลุมดำ ก๊าซจะม้วนตัวเข้าสู่ภายใน และจะร้อนขึ้นถึงอุณหภูมิสูง ๆ และปลดปล่อยรังสีขนาดใหญ่ที่สามารถตรวจจับได้จากกล้องโทรทรรศน์ที่โคจรอยู่รอบโลก [1][2] การสำรวจให้ผลในทางวิทยาศาสตร์เห็นพ้องต้องกันว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริงในเอกภพ[3]

แนวคิดของวัตถุที่มีแรงดึงดูดมากพอที่จะกันไม่ให้แสงเดินทางออกไปนั้นถูกเสนอโดยนักดาราศาสตร์มือสมัครเล่นชาวอังกฤษ จอห์น มิเชล[4] ในปี 1783 และต่อมาในปี 1795 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ปีแยร์-ซีมง ลาปลาซ ก็ได้ข้อสรุปเดียวกัน [5][6] ตามความเข้าใจล่าสุด หลุมดำถูกอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งทำนายว่าเมื่อมีมวลขนาดใหญ่มากในพื้นที่ขนาดเล็ก เส้นทางในพื้นที่ว่างนั้นจะถูกทำให้บิดเบี้ยวไปจนถึงศูนย์กลางของปริมาตร เพื่อไม่ให้วัตถุหรือรังสีใดๆ สามารถออกมาได้

ขณะที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่าหลุมดำเป็นพื้นที่ว่างที่มีความเป็นเอกภาวะที่จุดศูนย์กลางและที่ขอบฟ้าเหตุการณ์บริเวณขอบ คำอธิบายนี่เปลี่ยนไปเมื่อค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม การค้นคว้าในหัวข้อนี้แสดงให้เห็นว่านอกจากหลุมดำจะดึงวัตถุไว้ตลอดกาล แล้วยังมีการค่อย ๆ ปลดปล่อยพลังงานภายใน เรียกว่า รังสีฮอว์คิง และอาจสิ้นสุดลงในที่สุด [7][8][9] อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีคำอธิบายเกี่ยวกับหลุมดำที่ถูกต้องตามทฤษฎีควอนตัม
_________________________________________________________________________

ประวัติการศึกษาหลุมดำ
_________________________________________________________________________

อิงตามทฤษฎีของนิวตัน
แนวความคิดเกี่ยวกับวัตถุที่มีมวลมากเสียจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหนีออกมาได้เริ่มขึ้นจากนักธรณีวิทยาชื่อ จอห์น มิเชล ซึ่งได้เขียนจดหมายฉบับหนึ่งในปี ค.ศ. 1783 ส่งถึงเพื่อนชื่อ เฮนรี่ คาเวนดิช ในเวลาต่อมาแนวคิดนี้ได้รับการตีพิมพ์โดยรอยัลโซไซตี้[12]

สำหรับทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ แต่มีความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นของดวงอาทิตย์ถึง 500 เท่า วัตถุที่ตกลงจากความสูงไม่จำกัดสู่ผิวทรงกลมนั้นจะมีความเร็วที่พื้นผิวทรงกลมสูงกว่าความเร็วแสง ผลที่ตามมาหากแสงถูกกระทำโดยแรงเดียวกันในสัดส่วนสัมพันธ์กับแรงเฉื่อยทิศทางตรงข้ามที่เกิดจากวัตถุอื่น แสงทั้งหมดที่แผ่ออกจากวัตถุนั้นจะถูกดึงกลับไปยังทรงกลมด้วยแรงโน้มถ่วงเฉพาะของตัวมันเอง


ทฤษฎีนี้ถือว่าแสงได้รับอิทธิพลจากความโน้มถ่วงเช่นเดียวกันกับวัตถุอื่นที่มีมวล

ในปี ค.ศ. 1796 นักคณิตศาสตร์ชื่อ ปีแยร์-ซีมง ลาปลาซ ได้เสนอแนวคิดเดียวกันนี้ในหนังสือของเขา Exposition du système du Monde ทั้งในฉบับพิมพ์ครั้งที่หนึ่งและสอง (แต่แนวคิดนี้ไม่ปรากฏในฉบับพิมพ์ครั้งหลังๆ) ในเวลาต่อมา แนวคิดของทั้งมิเชลและลาปลาซที่อิงอยู่บนหลักการของนิวตันมักถูกอ้างถึงว่าเป็น ดาวมืด เพื่อแยกมันออกจาก "หลุมดำ" ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แนวความคิดส่วนใหญ่เกี่ยวกับหลุมดำได้ถูกเพิกเฉยไปในคริสต์ศตวรรษที่ 19 หลังจากที่ยอมรับกันแล้วว่าแสงเป็นคลื่นที่ไม่มีมวล ดังนั้นจึงไม่ได้รับอิทธิพลจากความโน้มถ่วง ไม่เหมือนกับหลุมดำในปัจจุบันที่เชื่อว่าวัตถุด้านหลังขอบฟ้าจะยังคงที่อยู่แม้จะเกิดการยุบตัว

อิงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
ในปี ค.ศ. 1915 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้พัฒนาทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วงเรียกว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งแสดงให้เห็นดังกล่าวข้างต้นแล้วว่า แรงโน้มถ่วงมีผลกระทบกับแสง (แม้ว่าแสงจะมีมวลเป็นศูนย์ก็ตาม ทว่าจุดกำเนิดของสภาพโน้มถ่วงมิได้เกิดจากมวล แต่เกิดจากพลังงาน) หลังจากนั้นไม่กี่เดือน คาร์ล ชวาร์สชิลด์ ได้เสนอมาตราชวาร์สชิลด์สำหรับสนามโน้มถ่วงของมวลแบบจุดและมวลทรงกลม[13] ที่แสดงว่าหลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้ตามทฤษฎี ปัจจุบันรัศมีชวาร์สชิลด์เป็นที่รู้จักกันในฐานะรัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำที่ไม่หมุน แต่ในเวลานั้นผู้คนยังไม่เข้าใจกัน ตัวอย่างเช่นชวาร์สชิลด์เองก็ยังคิดว่ามันไม่อาจเป็นจริงในทางกายภาพ โจฮันเนส โดรสเต นักศึกษาของเฮนดริก ลอว์เรนซ์ ได้เสนอผลลัพธ์แบบเดียวกันสำหรับมวลแบบจุดหลังจากที่ชวาร์สชิลด์เสนอแนวคิดเป็นเวลาหลายเดือน ทั้งยังได้อธิบายคุณสมบัติบางประการเพิ่มเติมอีกด้วย

ในปี ค.ศ. 1930 นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชื่อ สุพราหมัณยัน จันทรสิกขา แย้งว่า ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ วัตถุที่ไม่หมุนและมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 1.44 เท่า (คือค่าขอบเขตจันทรสิกขา) จะยุบตัวลงจนสิ้นสูญเพราะไม่มีอะไรเท่าที่รู้จักจะมาหยุดมันได้ ข้อโต้แย้งของเขาถูกโต้กลับโดยนายอาร์เทอร์ เอ็ดดิงตัน ผู้ซึ่งเชื่อว่ามีบางอย่างสามารถหยุดการยุบตัวได้ ความคิดของเอ็ดดิงตันก็มีส่วนถูก เพราะดาวแคระขาวที่มีมวลมากกว่าขอบเขตจันทรสิกขาจะยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอน แต่ในปี ค.ศ. 1939 โรเบิร์ต ออพเพนไฮม์เมอร์ได้ตีพิมพ์บทความ (โดยมีผู้เขียนร่วมหลายคน) ที่ทำนายว่าดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 3 เท่าขึ้นไป (คือค่าขอบเขตโทลแมน-ออพเพนไฮม์เมอร์-โวลคอฟฟ์) จะยุบตัวลงกลายเป็นหลุมดำ ด้วยเหตุผลเดียวกันกับที่จันทรสิกขาเคยนำเสนอ[14]

ออพเพนไฮม์เมอร์กับเพื่อนร่วมงานใช้ระบบอ้างอิงพิกัดของชวาร์สชิลด์ (ซึ่งเป็นระบบพิกัดอย่างเดียวที่มีให้ใช้ใน ค.ศ. 1939) ทำให้สร้างเอกภาวะทางคณิตศาสตร์ออกมาได้ที่รัศมีชวาร์สชิลด์ กล่าวอีกนัยหนึ่งสมการล่มลงไปที่ค่ารัศมีชวาร์สชิลด์เพราะค่าบางค่ากลายเป็นอนันต์ คำแปลนี้บ่งชี้ว่ารัศมีชวาร์สชิลด์เป็นค่าขอบเขตของ "ฟอง" ที่ซึ่งเวลา "หยุด" เป็นเวลาหลายปีทีเดียวที่ดาวยุบตัวเหล่านี้ถูกเรียกว่า "ดาวแช่แข็ง" เพราะการคำนวณแสดงว่าผู้สังเกตภายนอกจะเห็นพื้นผิวของดาวหยุดนิ่งที่เวลาซึ่งการยุบตัวเกิดขึ้นภายในรัศมีชวาร์สชิลด์ ทว่านักฟิสิกส์จำนวนมากยังไม่สามารถยอมรับแนวคิดเรื่องเวลาที่หยุดนิ่งภายในรัศมีชวาร์สชิลด์ ประเด็นนี้ยังเป็นที่สนใจอยู่บ้างเล็กน้อยตลอดเวลาที่ผ่านไป 20 ปี
________________________________________________________________________

คุณสมบัติ
________________________________________________________________________

[ภาพจำลองของหลุมดำจากนาซ่า]

ตามทฤษฎีโนแฮร์ หลุมดำมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แยกออกจากกัน 3 ประการ ได้แก่ มวล ประจุไฟฟ้า และโมเมนตัมเชิงมุม[16] หลุมดำสองหลุมใด ๆ ที่มีค่าคุณสมบัติทั้งสามเท่ากันจะไม่สามารถแยกแยะความแตกต่างกันได้เลย ซึ่งไม่เหมือนกับวัตถุทางดาราศาสตร์อื่น ๆ เช่น ดาวฤกษ์ ที่มีค่าคุณสมบัติมากมายจนอาจจะนับไม่ถ้วน แสดงว่าในการยุบตัวของดาวฤกษ์จนกลายไปเป็นหลุมดำนั้นมีข้อมูลของคุณสมบัติที่สูญหายไปเป็นจำนวนมหาศาล แต่นัยยะหนึ่งในการศึกษาทฤษฎีทางกายภาพ ข้อมูลก็เป็นคุณสมบัติหนึ่งที่ไม่มีวันสูญหาย การที่ข้อมูลคุณสมบัติของหลุมดำสูญหายไปเกือบหมดจึงเป็นเรื่องน่าพิศวง นักฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า พาราดอกซ์ข้อมูลของหลุมดำ

ทฤษฎีโนแฮร์ได้สร้างสมมติฐานบางอย่างเกี่ยวกับธรรมชาติของเอกภพและสสารที่อยู่ในเอกภพ สมมติฐานอื่นๆ จะนำไปสู่บทสรุปที่ต่างไป ตัวอย่างเช่น ถ้าธรรมชาติยอมให้มีแม่เหล็กขั้วเดียว ซึ่งเป็นไปได้ในทางทฤษฎีแต่ไม่เคยถูกสังเกตพบ ก็น่าจะเป็นไปได้ที่หลุมดำจะมีประจุแม่เหล็ก แต่ถ้าเอกภพมีมากกว่า 4 มิติ (เหมือนที่กล่าวไว้ในทฤษฎีสตริง) หรือมีโครงสร้างทรงกลมแบบ แอนไท เดอ ซิทเตอร์ สเปซ ทฤษฎีนี้ก็จะผิดไปโดยสิ้นเชิง เพราะจะเกิด "แฮร์" ขึ้นได้จากหลายแหล่ง อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้จะยังคงใช้ได้ในมิติของพวกเราที่ปรากฏเป็น 4 มิติ ซึ่งเอกภพมีรูปร่างเกือบจะแบน[17]

ประเภทของหลุมดำ

หลุมดำแบบง่ายที่สุดที่เป็นไปได้ คือแบบที่มีเพียงมวล แต่ไม่มีประจุและโมเมนตัมเชิงมุม หลุมดำประเภทนี้เรียกว่า หลุมดำชวาร์สชิลด์ ตามชื่อนักฟิสิกส์ผู้ค้นพบคำตอบดังกล่าวในปี ค.ศ. 1915 คือ คาร์ล ชวาร์สชิลด์[13] หลุมดำชนิดนี้เป็นผลลัพธ์แท้จริงสำหรับสมการไอน์สไตน์อย่างแรกที่มีการค้นพบ รวมถึงสอดคล้องกับทฤษฎีเบอร์คอฟฟ์ที่อธิบายถึงสุญญากาศเพียงชนิดเดียวที่เป็นสมมาตรทรงกลม ในโลกแห่งความจริงของฟิสิกส์ นี่หมายความว่าการสังเกตการณ์สนามแรงโน้มถ่วงของหลุมดำกับของวัตถุทรงกลมอื่นที่มีมวลพอๆ กันอย่างเช่นดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์ทรงกลมซึ่งครั้งหนึ่งเคยอยู่ในอวกาศว่างเปล่าภายนอกวัตถุ จะไม่มีความแตกต่างกันเลย ทำให้แนวคิดยอดนิยมที่ว่าหลุมดำจะ "ดูดทุกอย่าง" รอบตัวมันเข้าไปนั้นไม่ถูกต้อง สนามโน้มถ่วงภายนอกที่อยู่พ้นจากขอบฟ้าเหตุการณ์ก็มีสภาพเหมือนกับสนามของวัตถุขนาดใหญ่ธรรมดาทั่วไป

ในคริสต์ศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบคำอธิบายสำหรับหลุมดำที่กว้างกว่านั้น ทฤษฎีของไรส์เนอร์-นอร์ดสตรอมอธิบายเกี่ยวกับหลุมดำที่มีประจุไฟฟ้า ขณะที่ ทฤษฎีของเคอร์แสดงให้เห็นหลุมดำแบบที่มีการหมุนรอบตัวเอง คำอธิบายที่เป็นที่รู้จักมากที่สุดสำหรับหลุมดำที่อยู่กับที่คือ มาตราเคอร์-นิวแมน ซึ่งหลุมดำจะมีทั้งประจุและโมเมนตัมเชิงมุม ในบรรดาคำอธิบายต่างๆ เหล่านี้มีคุณสมบัติร่วมกันอยู่ซึ่งนำมารวมเข้ากับงานของชวาร์สชิลด์เป็นระยะทางที่ใหญ่มากเมื่อเทียบกับสัดส่วนของประจุและโมเมนตัมเชิงมุมกับมวล (ในหน่วยธรรมชาติ)

ขณะที่มวลของหลุมดำสามารถจะมีค่าเท่าใดก็ได้ (ที่เป็นบวก) แต่คุณสมบัติอีกสองประการอันได้แก่ประจุและโมเมนตัมเชิงมุมนั้นจะต้องขึ้นกับมวล ในหน่วยธรรมชาติ ประจุรวม Q และโมเมนตัมเชิงมุมลัพธ์ J จะเป็นไปตามความสัมพันธ์ Q2+ (J/M) 2 ≤ M2 สำหรับหลุมดำที่มีมวล M หลุมดำที่มีความไม่เท่ากันของความสัมพันธ์นี้อย่างล้นเหลือเรียกว่า เอกซ์ตรีมอลแบล็คโฮล ผลลัพธ์จากสมการไอน์สไตน์ที่ฝืนความไม่เท่ากันนี้เป็นไปได้โดยไม่มีขอบฟ้าเหตุการณ์ คำอธิบายเหล่านี้ทำลายความเป็นเอกภาวะและไม่อาจเกิดขึ้นได้ในทางฟิสิกส์ ทฤษฎีรังสีคอสมิก (cosmic censorship hypothesis) กล่าวว่าไม่มีทางที่เอกภาวะจะเกิดขึ้นได้เนื่องจากการสลายของความโน้มถ่วงของสภาพแท้จริงของวัตถุทั่วไป[18] ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้โดยแบบจำลองทางคณิตศาสตร์[19]

สำหรับหลุมดำที่เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์คาดว่าจะมีประจุที่เกือบเป็นกลางของดาว ทั้งนี้เป็นผลจากแรงมหาศาลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า กระนั้นก็ดี คาดว่าการหมุนรอบตัวเองจะเป็นคุณลักษณะร่วมของวัตถุอัดแน่น และแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ในระบบดาวคู่ GRS 1915+105 ซึ่งน่าจะเป็นหลุมดำด้วย[20] ดูจะมีโมเมนตัมเชิงมุมใกล้เคียงค่าสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้