หลุมดำ ( Black hole)

ลำดับตอนที่ #1 : อะไรคือหลุมดำ : ความหมายของหลุมดำ

            สวัสดีครับ ทุกๆคน  นี่ก็เป็นเรื่องที่ 3 ของผมในเด็กดีแล้ว (ยังดองเรื่องที่ 1 ไว้เป็นชาติเลย)  เพื่อไม่ให้เป็นการเสียเวลา  เข้าเรื่องเลยดีกว่าครับ.....



             คำว่า หลุมดำ ถูกตั้งขึ้นในปี ค.ศ. 1969 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันชื่อ จอห์น วีเลอร์ เพื่อใช้เรียกความคิดที่มีต้นกำเนิดมานานกว่าสองร้อยปี ในยุคนั้นมีทฤษฎีที่เกี่ยวกับแสงอยู่ 2 ทฤษฎี  ทฤษฎีแรกซึ่งนิวตันเห็นด้วยคือทฤษฎีที่ว่า แสงประกอบขึ้นจากอนุภาค   ทฤษฎีที่สองกล่าวว่าแสงคือคลื่นชนิดหนึ่ง

            

             ในปัจจุบันเราถือว่าทฤษฎีทั้งสองถูกต้องด้วยกันทั้งคู่ เพราะทฤษฎีกลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าอนุภาคและคลื่นมีความเหมือนกันและสามารถแทนกันได้ ทฤษฎีที่ว่าแสงแสงเป็นคลื่นชนิดหนึ่งยังไม่มีคำอธิบายที่ชัดเจนนักว่ามันจะมีปฏิกิริยากับแรงโน้มถ่วงได้อย่างไร แต่ถ้าแสงประกอบขึ้นจากอนุภาค เราจะเห็นได้ว่ามันจะมีปฏิกิริยากับแรงโน้มถ่วงในลักษณะเดียวกับลูกกระสุนปืนใหญ่หรือจรวดหรือดาวเคราะห์



              เมื่อก่อนนี้เราเชื่อกันว่า แสงเดินทางด้วยความเร็วไม่จำกัด ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจึงไม่อาจดึงมันให้ช้าลงได้ แต่จากการค้นพบของโรเมอร์ที่ว่าแสงเดินทางด้วยความเร็วค่าหนึ่งที่วัดได้นั้น หมายความว่าแรงโน้มถ่วงก็น่าจะมีผลอะไรกับแสงบ้าง

            

              สมมติฐานนี้ทำให้ จอห์น มิเชลล์ แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ เขียนบทความลงในวารสาร Philisophical Transactions of the Royal Society of London ในปี ค.ศ. 1783 เพื่อเสนอความคิดว่าดาวฤกษ์ที่มีมวลมากและหนักแน่นเพียงพอ อาจมีสนามแรงโน้มถ่วงมากจนถึงขนาดที่แม้แต่แสงก็ไม่สามารถเล็ดลอดออกมาได้ แสงที่แผ่ออกมาจากดาวดวงนั้นจะถูกดูดกลับเข้าไปโดยแรงโน้มถ่วงของดวงดาวก่อนที่มันจะหนีไปได้ไกล มิเชลล์บอกว่าอาจจะมีดาวประเภทนี้อยู่จำนวนมากก็ได้ถึงแม้เราไม่อาจมองเห็นมันได้ เพราะว่าแสงจากมันไม่สามารถเดินทางมาถึงเรา แต่เราก็อาจจะรับรู้ถึงแรงดึงดูดของมันได้

        

              สิ่งที่กล่าวมาเป็นสิ่งที่เราเรียกกันในปัจจุบันว่า หลุมดำ ข้อเสนอคล้าย ๆ กันถูกเสนอขึ้นในอีกสองสามปีถัดมาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ มาควิส เดอ ลาพาส โดยดูเหมือนว่าจะไม่มีส่วนใดเกี่ยวข้องกับมิเชลล์เลย เป็นที่น่าสนใจว่าลาพาสเขียนสิ่งนี้ลงไปในหนังสือของเขาชื่อ The System of the World ในการตีพิมพ์ครั้งแรกและครั้งที่สองเท่านั้น โดยละมันออกในการตีพิมพ์ครั้งต่อ ๆ มา นี่อาจเป็นเพราะว่าเขารู้สึกภายหลังว่ามันเป็นเพียงความคิดบ้า ๆ เท่านั้น (นอกจากนี้แล้วอาจมีสาเหตุมาจากการเริ่มเสื่อมความนิยมในทฤษฎีที่ว่าแสงเป็นอนุภาคด้วย ในช่วงนั้นมันดูเหมือนว่าทุก ๆ อย่างเกี่ยวกับแสงจะถูกอธิบายได้หมดถ้าคิดว่าแสงเป็นคลื่นและจะไม่มีการอธิบายในทฤษฎีคลื่นแสงว่าแสงจะได้รับผลจากแรงโน้มถ่วงอย่างไร)

        

              ที่จริงถ้าเราจะเปรียบเทียบแสงกับลูกกระสุนปืนใหญ่ก็ยังไม่ตรงนัก เพราะแสงตามทฤษฎีของนิวตันจะเดินทางด้วยความเร็วคงที่ ส่วนลูกกระสุนปืนใหญ่ที่ยิงออกไปจากโลกจะค่อย ๆ ชะลอความเร็วและตกลงสู่พื้นโลกในที่สุด แต่โฟตอนที่พุ่งออกจากโลกจะวิ่งออกไปด้วยความเร็วคงที่ดังนั้นแรงโน้มถ่วงของโลกจะมีผลต่อแสงได้อย่างไร ทฤษฎีที่กล่าวถึงผลของแรงโน้มถ่วงต่อแสงเพิ่งจะออกมาในรูปของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปี ค.ศ. 1915 นี้เอง และก็กินเวลาหลังจากนั้นอีกนานเราจึงเข้าใจผลของมันที่ทีต่อดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ได้

             (จากเวบ http://www.doodaw.com/article/index.php?topic=blackhole1)



             หลุมดำ คือหลุมในอวกาศที่เป็นสุสานของทุกๆสิ่งที่หลงเข้าไปใกล้รัศมีแรงโน้มถ่วงของมัน ไม่มีสิ่งใดในจักรวาลที่จะหนีพ้นแรงดึงดูดมหาศาลของมันได้แม้แต่แสงสว่าง คำเล่าขานเกี่ยวกับเรื่องราวอันมหัศจรรย์ของหลุมดำทำให้ผู้คนทั้วไปยากที่จะเชื่อว่ามันมีอยู่จริงในธรรมชาติ ส่วนใหญ่มักเชื่อว่าเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ หรือเป็นจินตนาการที่ไม่เป็นจริง  แต่นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพากันเชื่อมั่นว่าหลุมดำมีอยู่จริง ไม่ใช่เป็นเพียงสมการทางคณิตศาสตร์ ยิ่งไปกว่านั้นมันยังอยู่ใกล้ตัวเรามากกว่าที่หลายๆคนคิด คำทำนายจากทฤษฎีฟิสิกส์ขั้นสูง ทำนายว่า หลุมดำไม่ได้เป็นเพียงแค่ดาวยักษ์สีดำที่คอยจ้องจะกลืนกินทุกสิ่งที่เข้าใกล้เท่านั้น แต่ยังมีหลุมดำขนาดจิ๋ว ที่เล็กจนสามารถซ่อนในวัตถุต่างๆในโลกของเรา หรือแม้แต่ในตัวของคุณเอง! ในเมื่อหลุมดำอยู่ใกล้ตัวของเรามากขนาดนี้ คุณจะไม่ลองทำความรู้จักมันให้มากกว่านี้หรือ (อ่าฮะ...)



            หลุมดำคืออะไรกันแน่ เกิดขึ้นมาได้อย่างไร โลกของเราจะถูกมันกลืนเข้าไปหรือไม่ ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างหลุมดำได้หรือไม่ มาหาคำตอบเหล่านี้ด้วยกันสิครับ เราจะมาตามล่าหา Black Hole กัน  เหอๆ



            ตามทฤษฎีฟิสิกส์ หลุมดำ หรือ (Black Hole) นั้นก็เปรียบได้กับดาวฤกษ์ที่ตายดับแล้วดาวบนฝากฟ้ามีเกิดมีตายด้วยหรือ อย่ากระนั้น เรามารับรู้ชะตาชีวิตของดวงดาวกันเสียหน่อย



            ดาวที่จะกลายเป็นหลุมดำนั้นคือ \"ดาวฤกษ์\" หรือดาวที่มีแสงสว่างในตัวเอง เช่น ดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นก้อนก็าซร้อนๆที่ลอยเคว้งคว้างอยู่ในอวกาศ โดยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบหลักพลังงานที่เราได้รับจากดวงอาทิตย์นั้น เกิดจากปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ในแกนกลางของดาวและปฏิกริยานิวเคลียร์ที่ว่านี้นอกจากจะให้แสงสว่างแล้ว ยังทำให้เกิดแรงดันมหาศาลจากภายในดาวซึ่งจะทำหน้าที่พยุงไม่ให้ดาวทั้งดวงเกิดการยุบตัวลง  สาเหตุที่ดาวต้องยุบตัวเพราะว่าตามธรรมชาติแล้ววัตถุทุกชนิดจะมีแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงดึงดูดนี้ขึ้นกับมวลของวัตถุนั้นๆ ยิ่งมีมวลมากแรงก็จะยิ่งมาก ดวงดาวต่างๆที่เราเห็นบนท้องฟ้านั้น มีมวลมากมายมหาศาล แต่ละอนูแต่ละโมเลกุลของมันก็จะดึงดูดกันและกัน ตามกฏแรงดึงดูดระหว่างมวลของนิวตัน แรงดึงดูดที่ว่านี้มีความแรงมหาศาล หากว่าไม่มีแรงต้านจากปฎิกริยานิวเคลียร์แล้วดาวทั้งดวง ย่อมยุบตัวลงเหลือขนาดนิดเดียว  



            นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการศึกษาปรากฎการณ์การยุบตัวของดวงดาวทั้งในทางทฤษฏี และการจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์(Computer simulation) พวกเขาพบว่าในดาวที่มีขนาดใหญ่ เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่มีอยู่ถูกเผาใหม้หมดไปดาวจะเกิดการระเบิดอย่างรุนแรง ที่เรียกว่า \" Supernova \" ผิวนอกของดาวจะระเบิดตัวกระจายอยู่รอบๆ ส่วนแกนกลางของดาวจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว การยุบตัวนี้อาจจะทำให้ดาวกลายสภาพเป็น ดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน หรือ หลุมดำ แล้วแต่กรณี ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป



            จันทราสิขากับดาวแคระขาว



            คนแรกที่สามารถไขความลับเรื่องการยุบตัวของดวงดาวคือ นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย ดร. สุบามายันต์ จันทราสิขา (Subrahmanyan Chandrasekhar) จันทราสิขาพบว่า ในดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่า 1.4เท่าของดวงอาทิตย์ (โดยประมาณ) เมื่อเผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จนหมดแล้วจะเกิดการยุบตัวลง เป็นวัตถุท้องฟ้าที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (white dwarf)



            จากการคำนวนโดยอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) พบว่า ในขณะที่ดาวยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วง อะตอมของธาตุต่างๆจะถูกอัดให้ใกล้กันมากจนอิเลกตรอนของแต่ละอะตอมมาอยู่ใกล้กัน ปัญหามีอยู่ว่าอิเลกตรอนนั้นมีนิสัยประหลาดอยู่อย่างหนึ่งคือมันไม่ชอบอยู่ใกล้กัน เมื่อมันถูกจับให้มาอยู่ใกล้กันมากจนเกินไป มันจะผลักกันทำให้เกิดแรงดันขึ้น ซึ่งเรียกว่า Electron degeneracy pressure แรงดันนี้เป็นคุณสมบัติทางควอนตัมฟิสิกส์ของอิเล็คตรอน ไม่ใช่เกิดจากแรงผลักของประจุไฟฟ้า แรงผลักจากประจุไฟฟ้านั้นมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงบีบอัดเนื่องจากความโน้มถ่วง เจ้าแรงดัน Electron degeneracy นี้มีค่ามากเสียจนกระทั่งสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดวงดาวได้ และทำให้เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ซึ่งเรียกกันว่า ดาวแคระขาว เป็นดาวที่หนาวเย็นและมีขนาดเล็ก (ประมาณโลกของเรา) อย่างไรก็ตามถ้าหากว่าดาวมีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ แรงดันจากอิเลกตรอน จะไม่สามารถต้านทานการยุบตัวของดาวได้อีกต่อไป ดาวที่มีมวลมากกว่านี้จะเปลี่ยนสภาพเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดยิ่งขึ้น



            (หมายเหตุ ค่าจำกัดของมวลนี้เรียกว่า ลิมิตของจันทราสิขา, Chandrasekhar limit, เพื่อเป็น เกียรติแก่จันทราสิขานั่นเอง)



             ดาวนิวตรอน

            

             ในกรณีที่ดาวมีมวลมากกว่า Chandrasekhar limit  แรงจากอิเลคตรอนจะไม่สามารถยับยั้งการยุบตัวของดาวได้อีก ดาวจะยุบตัวลงจนอัดนิวเคลียสของอะตอมต่างๆเข้าใกล้กัน เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ ที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอน หรือที่รู้จักกันในชื่อ \"ดาวนิวตรอน\"



            ในทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์นั้นนิวเคลียสของธาตุต่างๆประกอบด้วยอนุภาคสองชนิดคือโปรตรอนและนิวตรอน ที่น่าสนใจคือเจ้าอนุภาคทั้งสองนี่มีนิสัยไม่ชอบอยู่ใกล้ๆกันเหมือนอิเลคตรอน ดังนั้นเมื่อถูกอัดให้ใกล้กันมากๆมันก็จะเกิดแรงผลักกันเกิดเป็น degeneracy pressure เช่นเดียวกับกรณีของอิเลกตรอนในดาวแคระขาว แต่ที่น่าสงสัยยิ่งไปกว่านั้นคือ อนุภาคโปรตรอนหายไปใหน ทำไมดาวทั้งดวงจึงมีแต่นิวตรอน??? โดยธรรมชาติ นิวตรอน สามารถสลายตัวให้ โปรตอน อิเลกตรอน กับ นิวตริโน (neutrino)ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Beta-Decay process ซึ่งเป็นการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสีซึ่งให้อนุภาคเบต้า (อนุภาคเบต้า ก็คืออิเลกตรอนนั่นเอง) แต่ในดาวนิวตรอนนั้นมีความดันสูงมากจึงทำให้เกิดปฎิกริยาย้อนกลับที่เรียกกันว่าปรากฏการณ์ Inverse Beta decay คืออิเลคตรอนรวมกับโปรตรอน เกิดเป็นนิวตรอนและ นิวตริโน ในสภาพปกติ นิวตรอน และ นิวตริโน ที่เกิดขึ้น จะรวมตัวกลับไปเป็นโปรตรอนดังเดิมแต่เนื่องจากนิวตริโนมีพลังงานสูง และเคลื่อนที่ด้วยอัตตราเร็วเกือบๆเท่าแสง มันจึงหนีออกจากดาวหมด ปฎิกริยาย้อนกลับจึงเกิดได้ไม่สมบรูณ์ เป็นสาเหตุให้โปรตรอนถูกใช้หมดไป ดาวทั้งดวงจึงเหลือแต่นิวตรอนในที่สุด จากการศึกษาโดยนักฟิสิกส์หลายท่านพบว่าถ้าดาวมีมวลมากกว่า 3 เท่า ของดวงอาทิตย์แล้วละก็จะไม่มีสิ่งใดสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดาวได้ แม้แต่แรงต้านจากนิวตรอน ดวงดาวจะยุบตัวลงเรื่อยๆ จนกระทั้งกลายเป็นวัตถุประหลาด ที่มีแรงดึงดูดมากมายมหาศาล ขนาดที่ไม่มีสิ่งใดจะหลุดรอดออกมาได้หากพลัดหลงเข้าไปเจ้าวัตถุที่ว่านั้นก็คือ \"หลุมดำ\" นั่นเอง ส่วนเหตุผลที่ว่าอะไรทำให้หลุมดำมีแรงดึงดูดมหาศาลนั้น เราจะคุยกันในบทต่อไป



              หลายคนอาจสงสัยว่า ดวงอาทิตย์ของเราจะมีโอกาสเป็นหลุมดำได้หรือไม่ คำตอบคือ ไม่เนื่องจากว่ามันมีมวลน้อยกว่าลิมิตของจันทราสิขา ดังนั้นเมื่อดวงอาทิตย์เผาใหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์หมดไป มันจะค่อยๆกลายเป็นดาวแคระขาวแทน นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทำนายว่า ก่อนที่ดวงอาทิตย์จะยุบตัวนั้น มันจะขยายตัวก่อน และ อาจจะกลืนดาวเคราะห์วงในเช่นดาวพุธเข้าไป ซึ่งแน่นอนว่าถ้าวันนั้นมาถึง โลกจะต้องพบภัยภิบัติอย่างไม่ต้องสงสัย แต่นั่นคงเป็นอีกหลายพันล้านปีข้างหน้า ดวงอาทิตย์ยังมีเชื้อเพลิง ส่องแสงสว่างให้มนุษย์ อีกนานแสนนาน  เหอๆ



              อ้างอิงจาก http://web1.dara.ac.th/daraspace/universe/blackhole/blackhole.htm  นะครับ



              จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ สามารถอธิบายถึงแรงโน้มถ่วงของอวกาศ โดยสมมติให้อวกาศเป็นเสมือนแผ่นผ้าใบขึงตึงทั้งสี่ด้านถ้ากลิ้งลูกหินลงไปบนผืนผ้าใบ มันจะวิ่งเป็นทางตรงเนื่องจากผ้าใบเรียบ แต่ถ้าวางตุ้มน้ำหนักน้ำหนักของตุ้มจะทำให้ผ้าใบบุ๋ม และเมื่อกลิ้งลูกหิน ทิศทางการเคลื่อนที่ของลูกหินย่อมได้รับผลกระทบจากความโค้งของผืนผ้าใบ ซึ่งหมายความว่า แรงโน้มถ่วงจากดาวต่างๆ คือ ความโค้งของอวกาศรอบๆ ดวงดาวเหล่านั้น เกิดขึ้นในลักษณะเดียวกันกับที่ลูกตุ้มกระทำต่อผืนผ้าใบยิ่งมวลของดาวมีค่ามาก ความโค้งของอวกาศก็ยิ่งมีค่ามาก ทำให้แรงโน้มถ่วงที่เกิดจากดาวนั้นมีค่ามากตามไปด้วย



              ไอน์สไตน์ได้เขียนคำอธิบายถึงแรงโน้มถ่วงของอวกาศนี้ออกมาเป็นสูตรที่เรียกกันว่า Einstein’s Field Equation โดยผู้ที่สามารถหาคำตอบแรกของสมการนี้ได้ คือ คาร์ล ชวาชชิลล์(Karl Schwarzschild) ซึ่งเขาได้พิจารณาถึงความโค้งของอวกาศรอบๆ ดาวที่มีรูปทรงกลมสมบูรณ์และไม่หมุนรอบตัวเอง และพบว่า ระยะห่างค่าหนึ่งจากใจกลางของดวงดาว ซึ่งเรียกว่ารัศมีของSchwarzschild ความโค้งของอวกาศจะมีค่ามากจน แม้แต่แสงยังถูกกักขังเอาไว้ได้



              ดาวฤกษ์ที่ระเบิดและยุบตัวจนมีขนาดเล็กกว่ารัศมีของ Schwarzschild ดาวจะแปรสภาพเป็นหลุมดำ โดยจะสร้างผิวทรงกลมที่เรียกว่า Event Horizon ขึ้น ซึ่งจะมีขนาดเท่ากับ รัศมีของ Schwarzschild หากมีวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้หลุมดำเกินกว่า Event Horizon ก็จะถูกแรงดึงดูดอันมหาศาลของมันดูดเอาไว้ และไม่สามารถหนีออกมาได้อีก แม้ว่าวัตถุนั้นจะมีความเร็วเท่ากับแสงก็ตาม ซึ่งสิ่งนี้เองคือต้นกำเนิดของหลุมดำ



              อ่า......งงใช่ไหมครับ   ไปดูตอนต่อไปกันดีกว่า  อิอิ