สมาชิก

     ติ-ชม-แนะนำ

     ส่งอี-เมล์ถึงเรา

     เว็บบอร์ด

     เล่มก่อน

     หน้าแรก

     ซีเอ็ดฯ

จะว่าไปแล้ว หากพูดถึงวัตถุที่มีความประหลาด น่าอัศจรรย์ ชวนพิศวง ดูลึกลับน่ากลัว และเข้าใจได้ยากจนถึงขั้นเข้าใจผิดได้มากที่สุดในเอกภพของเราแล้วก็คงไม่เกินวัตถุที่มีชื่อเรียกว่า “หลุมดำ” ซึ่งในภาษาอังกฤษใช้คำว่า “black hole” อย่างแน่นอน

ว่ากันว่า หากเราเอ่ยปากถามเพื่อน หรือใครต่อใครว่าหลุมดำในความคิดของเขาเป็นอย่างไร คำตอบที่มักจะได้กลับมาก็อยู่ในทำนองที่ว่า “หลุมดำก็เหมือนกับเครื่องดูดฝุ่นในอวกาศ” “หลุมดำจะดูดทุกๆ สิ่งเข้าไปสู่ตัวมัน” คำตอบเหล่านี้เป็นภาพพจน์ที่เขาได้รู้จักกับหลุมดำ ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว หลุมดำแตกต่างจากความเข้าใจเหล่านี้อยู่พอสมควร

ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2326 ชาวอังกฤษที่ชื่อ จอห์น มิเชล ได้เสนอความคิดว่า เป็นไปได้ที่จะมีวัตถุซึ่งมีความหนา-แน่นสูงมากๆ ถึงขนาดที่แรงดึงดูดโน้มถ่วงของมันสามารถกักมวลสารและแสงไม่ให้หนีพ้นจากตัวมันออกมาได้ นั่นเป็นครั้งแรกที่มีการอ้างถึงหลุมดำ(แต่ยังไม่มีชื่อเรียก) และมีการอ้างถึงอีกครั้งโดยชาวฝรั่งเศสชื่อ ปิแอร์-ซิมง ลาปลาส ในปี  พ.ศ. 2338 ซึ่งเขาได้อนุมานจากกฎความโน้มถ่วงและทฤษฎีแสงของ ไอแซก นิวตัน วัตถุประหลาดนี้ได้รับการเรียกขานว่าเป็น “วัตถุดำ” ของมิเชล/ลาปลาส และมันได้กลายเป็นหมายเหตุของประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ไปในที่สุดเมื่อไอน์สไตน์ แสดงให้โลกเห็นว่า ทฤษฎีของนิวตันมีความผิดพลาดคลาดเคลื่อน

   หลุมดำมาจากไหน ?  
ในปี พ.ศ. 2482 เจ. รอเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ และผู้ร่วมงานของเขาได้เสนอเรื่องของหลุมดำขึ้นมาอีกครั้งหลังจากที่เขาได้ศึกษาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ (ออปเพนไฮเมอร์เป็นหัวหน้าคณะนักฟิสิกส์ที่บุกเบิกการสร้างระเบิดปรมาณูในยุคสงครามโลกครั้งที่สอง) จากสมการในทฤษฎีนี้ทำให้พวกเขาเสนอว่า หากวัตถุที่มีความหนาแน่นมากเพียงพอ แรงดึงดูดโน้มถ่วงของมันจะมีอิทธิพลเหนือลักษณะอื่นๆ จนทำให้มันสร้างอาณาบริเวณที่มวลสารและแสงไม่สามารถหลุดพ้นออกมาได้ (เหมือนกับที่มิเชลและลาปลาสเสนอไว้แล้ว ทว่าในตอนนี้ ทฤษฎีสมบูรณ์กว่า) และต่อมาในปี พ.ศ. 2510 จอห์น วีลเลอร์ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันก็คิดคำว่า “หลุมดำ” ขึ้นมาเรียกอาณาบริเวณดังกล่าวนี้

ขอบเขตของหลุมดำนั้น มีพรมแดนสมมุติที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (event horizon) ซึ่งเป็นเส้นขีดคั่นระหว่างตัวหลุมดำกับพื้นที่ส่วนอื่นของเอกภพ

อะไรก็ตามที่เพลี่ยงพล้ำพลาดท่าก้าวข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไป ก็จะไม่สามารถหันหลังย้อนกลับออกมาสู่อวกาศปกติได้ ดังนั้น ขนาดของขอบฟ้าเหตุการณ์ก็คือขอบเขตปริมณฑลที่หลุมดำส่งผลไปถึงนั่นเอง

มีคำถามสำคัญอยู่ข้อหนึ่ง นั่นก็คือ หลุมดำนั้นมีตัวตนอยู่จริงๆ หรือ ถึงแม้ว่าเราไม่สามารถมองเห็นตัวหลุมดำได้โดยตรง เพราะมันไม่มีแสงออกมาให้เราเห็น แต่เราก็พบเห็นหลุมดำได้จากอิทธิพลของมันที่มีต่อสิ่งรอบข้างอย่างกลุ่มก๊าซ และดวงดาวต่างๆ ซึ่งร่องรอยที่เกิดจากหลุมดำนั้นต่างจากร่องรอยที่เกิดขึ้นจากวัตถุประเภทอื่น ทำให้เราสรุปได้ว่ามันเป็นหลุมดำ และจากศักยภาพของกล้องดูดาวอวกาศฮับเบิล และกล้องอื่นๆ ก็ได้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ระบุตำแหน่งของหลุมดำได้ตลอดช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมานี้

  นามนั้นสำคัญอย่างนี้  
อันที่จริง.....การที่ผู้คนเข้าใจหลุมดำไม่ถูกต้องนักก็เริ่มต้นมาจากชื่อของมันเองนั่นแหละ หลุมดำนั้นไม่จำเป็นว่ามันจะต้องดำสนิท แล้วมันเองก็ไม่ได้เป็นหลุม เป็นโพรง หรือรูอะไรด้วย ในแง่ของ “ดำ” นั้น เราใช้ในการบ่งบอกถึงการที่ปราศจากสีโดยสิ้นเชิง (สีของวัตถุต่างๆ ที่เราเห็นอยู่ทุกวันนั้น เกิดจากการที่วัตถุมีสีดังกล่าวอยู่ในตัวแล้วสะท้อนสีนั้นออกมาให้เราเห็น) และเรานำมาใช้กับหลุมดำในความหมายของ การที่มันไม่เปล่งแสง ไม่แผ่รังสีอะไรออกมาเลย สำหรับหลุมดำขนาดใหญ่แล้ว มันมีความดำตามความหมายนี้เต็มที่ แต่หลุมดำที่มีขนาดเล็กลงมานั้นสามารถแผ่รังสีพลังงานออกมาได้ โดยที่ฮอว์คิงได้เสนอกลไกที่หลุมดำเปลี่ยนมวลสารของมันให้กลายเป็นทั้งรังสี และอนุภาค แล้วหลุดออกมานอกตัวหลุมดำได้

การระเหยของหลุมดำนี้มีชื่อเรียกว่า “กระบวนการฮอว์คิง” ซึ่งมีกลไกดังนี้

ที่บริเวณขอบด้านนอกของขอบฟ้าเหตุการณ์เองมีการสร้างคู่อนุภาคเสมือนเกิดขึ้น และมันก็อาจกลายเป็นอนุภาคตัวจริงขึ้นมาได้ด้วยในกรณีที่ อนุภาคตัวหนึ่งในคู่อนุภาคนั้น อยู่ใกล้กับขอบฟ้าเหตุการณ์มากกว่าอนุภาคอีกตัวหนึ่ง สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ แรงดึงดูดโน้มถ่วงจากหลุมดำจะมีอิทธิพลต่อตัวอนุภาคนั้นมากกว่าคู่ของมัน(ที่อยู่ห่างจากขอบฟ้าเหตุการณ์มากกว่า) แล้วดึงดูดอนุภาคตัวนี้ให้เข้าไปอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ อนุภาคที่เคยเป็นคู่กันก็เลยกลายเป็นอนุภาคอิสระจากกัน ตัวหนึ่งหลุดเข้าไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ ส่วนอีกตัวก็จะกลายเป็นอนุภาคตัวจริงขึ้นมา

พลังงานของแรงโน้มถ่วงที่ใช้ในการทำให้เกิดอนุภาคตัวจริงขึ้นมานั้น ได้มาจากมวลภายในตัวหลุมดำเอง ซึ่งพลังงานตัวนี้หาได้จากสมการของไอน์สไตน์ที่ว่า E=mc² แต่ว่าค่า m ในกรณีนี้มีค่าเท่ากับ 2m พลังงานตัวนี้จะส่งผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำออกไป ทำให้มวลภายในหลุมดำลดลงไป 2m ด้วย แต่มีอนุภาคเพียงตัวเดียวที่โดนดูดกลับเข้ามา ทำให้มวลของหลุมดำเพิ่มขึ้นเพียง m หักลบกลบหนี้กันแล้วกลายเป็นว่า ในกระบวนการสร้างอนุภาคจริงนี้ทำให้หลุมดำมีมวลลดลงเท่ากับอนุภาคจริงที่เกิดขึ้น

ทีนี้ถ้าเราสังเกตหลุมดำจากระยะไกลๆ ก็จะกลายเป็นว่า หลุมดำที่มีขนาดเล็กๆ จะมีการปลดปล่อยมวลสารและแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา และเมื่อย้อนไปดูความหมายของคำว่าดำในตอนแรกก็จะกลายเป็นว่า หลุมดำนั้นไม่ได้ดำสนิทจริงๆ

จากที่เราคุยกันมานี่.....หลุมดำจะหดตัวลง อัตราการระเหยของหลุมดำจะเพิ่มขึ้นเมื่อขอบฟ้าเหตุการณ์หดเล็กลงแม้มวลของหลุมดำจะลดลงก็ตาม ซึ่งหมายความว่า หลุมดำแต่ละแห่งจะอันตรธานหายไปในอวกาศธาตุในที่สุด

  เครื่องดูดฝุ่นยักษ์กลางอวกาศ ?  
 ที่นี้มาถึงความเข้าใจ(ผิด)ยอดฮิตของคนส่วนมากที่ว่า หลุมดำก็คือเครื่องดูดฝุ่นขนาดยักษ์ในอวกาศ ปรากฏว่า หลุมดำนั้นมีความสามารถในการ“ดูด”วัตถุต่างๆ เข้าไปสู่ตัวมัน “ต่ำ” กว่ามวลสารปกติก่อนจะเปลี่ยนมาเป็นหลุมดำเสียอีก

หลุมดำที่เกิดจากแกนดาวฤกษ์ยุบตัวนั้นมีขนาดเล็กจนมันจะดูดซับมวลสารได้คราวละไม่มากนัก ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำขนาดมวล 10 เท่าของดวงอาทิตย์จะมีขอบเขตเพียง 16 กิโลเมตรกว่าๆ ในขณะที่ดาวฤกษ์ขนาดมวล 10 เท่าของดวงอาทิตย์จะมีรัศมีถึง 32 ล้านกิโลเมตร ผลที่ตามมาก็คือ หลุมดำอาจจะมีแรงดึงดูดโน้มถ่วงมากพอในการดึงดูดก๊าซปริมาณมากๆ จากวัตถุรอบข้างอย่างดาวฤกษ์ข้างเคียง แต่หลุมดำก็มีขนาดเล็กเสียจนก๊าซเหล่านั้นทำได้แค่หมุนวนเป็นเกลียวไปรอบหลุมดำ บางทีอาจหมุนวนอยู่อย่างนั้นนับปี ก่อนจะโดนดูดเข้าไปได้หมด

แม้กระทั่งหลุมดำขนาดมวลพันล้านเท่าของดาวอาทิตย์ที่ใจกลางดาราจักรเองก็ตาม นักดาราศาสตร์ก็ยังเห็นก๊าซและดวงดาวเคลื่อนที่ไปรอบๆ มันโดยที่ไม่โดนดูดกินเข้าไป ดังนั้นหลุมดำจึงไม่มีความสามารถในการดูดวัตถุอื่นๆ และมันก็จะไม่มีทางโตขึ้นแล้วหันมาเขมือบโลกของเราแน่นอน

โดย..ไพรัตน์ ยิ้มวิลัย

บทความเรื่องนี้เป็นฉบับย่อ โปรดอ่านฉบับเต็มได้ในนิตยสาร UpDATE ฉบับ 179 กรกฎาคม 2545

จาก http://update.se-ed.com/179/blackhole.htm