(ข้อมูลต้นฉบับจาก http://www.thaiphysoc.org/article/293/)

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2020 ครึ่งหนึ่งเป็นของโรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) สำหรับการทำนายการเกิดขึ้นของหลุมดำโดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และอีกครึ่งหนึ่งเป็นของ ไรน์ฮาร์ด เกนเซล (Reinhard Genzel) และ แอนเดรีย เกซ (Andrea Ghez) สำหรับการศึกษาและติดตามการโคจรของดาว S2 รอบใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราเพื่อพิสูจน์ว่า วัตถุที่ใจกลางกาแล็กซีนั้นมีมวลมหาศาลอยู่ภายในบริเวณเล็กๆ ซึ่งจะเป็นอย่างอื่นไปไม่ได้นอกจากหลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black hole)

บางคนอาจจะอุทานว่า หลุมดำอีกแล้ว! เมื่อปี 2017 ก็ให้รางวัลโนเบลกับการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่มาจากการรวมตัวกันของหลุมดำ แต่อย่าลืมว่าหลุมดำนั้นเต็มไปด้วยปริศนาทั้งที่มีคำตอบแล้ว และยังไม่มีคำตอบรอการค้นพบอีกหลายอย่าง หลุมดำเป็นวัตถุที่ได้รับความสนใจจากนักฟิสิกส์ทั้งทางทฤษฎีและทั้งทางการสังเกตการณ์โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ สตีเฟน ฮอร์กิง (Stephen Hawking) เคยกล่าวไว้ว่า หลุมดำเป็นวัตถุที่เชื่อมค่าคงตัวพื้นฐานหลักๆของฟิสิกส์ไว้ด้วยกัน ไม่ว่าจะเป็นค่าคงตัวความโน้มถ่วงสากล G, ค่าคงตัวของพลังค์ h ที่เกี่ยวข้องกับทฤษฏีควอนตัม และค่าคงตัวของโบลทซ์มันน์ kB การไขปริศนาของหลุมดำอาจจะนำเราไปสู่การรู้ความลับของเอกภพทั้งหมดได้

1. โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose) และทฤษฎีภาวะเอกฐาน (singularity)

ผลงานสำคัญของเขาได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในปี ค.ศ. 1965 ไม่นานหลังจากการค้นพบ ควอซ่า วัตถุท้องฟ้าที่มีความสว่างมาก นักดาราศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าปรากฏการณ์นี้อาจเกิดจากสสารถูกดูดเข้าไปในวัตถุท้องฟ้าที่มีความหนาแน่นมหาศาล การค้นพบนี้ทำให้นักฟิสิกส์กลับมาสนใจคำถามที่ว่าหลุมดำสามารถเกิดขึ้นได้จริงหรือเป็นเพียงแค่ภาพมายาทางคณิตศาสตร์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์เท่านั้น และโรเจอร์ เพนโรส ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นว่าพวกมันเกิดขึ้นได้ แต่มันยังเป็นสิ่งที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้อีกด้วย

ก่อนหน้างานของเพนโรส นักฟิสิกส์พยายามทำความเข้าใจหลุมดำในแบบที่เรียบง่ายที่สุด หรือ หลุมดำชวาร์สชิลด์ ซึ่งค้นพบโดย คาร์ล ชวาร์สชิลด์ (Karl Scwarzschild) ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1916 ในฐานะคำตอบทางคณิตศาสตร์ของสมการไอน์สไตน์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพอธิบายว่าภายในหลุมดำ หรือถ้าจะให้รัดกุมขึ้นคือภายใต้ผิวของหลุมดำที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon)” อวกาศและเวลามีการบิดโค้งมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำเป็นบริเวณเล็กๆ ที่มี “การบิดโค้งที่เป็นอนันต์” ซึ่งหมายถึงแรงโน้มถ่วงที่มีค่าเป็นอนันต์เช่นกัน สภาวะเช่นนี้นักฟิสิกส์เรียกว่า ภาวะเอกฐาน (singularity) ในปี 1939 เจ โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์ และนักศึกษาของเขา ฮาร์ทแลนด์ สไนเดอร์ ได้วิเคราะห์โดยอาศัยทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปและพบว่า ถ้าการยุบตัวของมวลสารเป็นไปในลักษณะที่มีสมมาตรทรงกลม (spherical symmetry) ดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวจะกลายเป็นหลุมดำ มวลสารของมันจะหลบซ่อนอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์และสร้างภาวะเอกฐานขึ้นที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำ จากนั้นดาวจะถูกกลืนเข้าไปในภาวะเอกฐานจนไม่มีสสารเหลืออยู่ทิ้งไว้แต่เพียงเวลาและอวกาศที่บิดโค้งเท่านั้น อย่างไรก็ตามการศึกษาเชิงทฤษฎีนี้อาศัยสมมติฐานสำคัญว่า การยุบตัวมีสมมาตรแบบทรงกลม ซึ่งเป็นเรื่องง่ายในกระดาษทดแต่ยากที่จะเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ

ในบทความปี 1965 ของเขา เพนโรสแสดงให้เห็นว่า การเบี่ยงเบนออกจากสมมาตรทรงกลมไม่สามารถป้องกัน ไม่ให้ภาวะเอกฐานเกิดขึ้นได้ หรือพูดอีกลักษณะหนึ่งก็คือ แม้ว่าดาวฤกษ์จะถูกทำให้บิดเบี้ยวผิดรูปไปมันก็จะยังคงยุบตัวลงไปที่จุดเพียงจุดเดียว เพื่อที่จะพิสูจน์สิ่งนี้ เพนโรส ได้นำแนวคิดเรื่อง “ความไม่สมบูรณ์ (incompleteness)” มาใช้อธิบายภาวะเอกฐานของกาลอวกาศ และเขายังได้ประดิษฐ์เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า “พื้นผิวกักขังแบบปิด (closed trapped surface)” ซึ่งเป็นแนวคิดสำคัญสำหรับการศึกษาฟิสิกส์ของสนามโน้มถ่วงหลังยุคของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ก่อนที่จะอธิบายแนวคิดสำคัญสองเรื่องนี้ ขออธิบายถึงผลลัพธ์สำคัญบางอย่างที่ได้จาก “ทฤษฎีภาวะเอกฐาน (singularity theorem)” ของเพนโรส

เพนโรสพบว่ามิติของเวลาและมิติของอวกาศที่อยู่ภายในพื้นผิวกักขังมีการสลับบทบาทหน้าที่กัน ทิศทางของเวลามีทิศทางพุ่งเข้าสู่ศูนย์กลางของหลุมดำ นี่คือคำอธิบายว่าทำไมทุกสิ่งหลุดพ้นของฟ้าเหตุการณ์จึงมุ่งตรงเข้าสู่ภาวะเอกฐาน นั่นเป็นเพราะอนาคตของพวกมันอยู่ที่นั่น การหลบหนีออกนอกขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ มันไม่ต่างอะไรกับความพยายามในการย้อนเวลากลับไปหาอดีต ในประเด็นนี้มีเกร็ดประวัติศาสตร์ที่น่าสนใจและควรกล่าวถึงเรื่องหนึ่งที่ก็คือ หลังจากเพนโรสตีพิมพ์ทฤษฎีสภาวะเอกฐานไม่นาน สตีเฟน ฮอว์กิง ก็ได้แรงบันดาลใจจากงานของเพนโรส ทั้งฮอวกิงและเพนโรส (รวมถึงเพื่อนร่วมงานบางคนของฮอว์กิง)ได้ประยุกต์ใช้การวิเคราะห์ลักษณะเดียวกันกับเอกภพทั้งเอกภพ พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่า เมื่อมองย้อนกลับไปในอดีต สสารและพลังงานถูกอัดให้รวมกันอยู่อย่างหนาแน่น สภาวะเอกฐานเป็นสิ่งที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ณ จุดกำเนิดของเอกภพที่เราอ้างถึงในชื่อของ บิกแบง

เรากล่าวถึงภาวะเอกฐานบ่อยครั้งแต่การนิยามภาวะเอกฐานในทฤษฎีสัมพัทธภาพนับเป็นปัญหาที่ยากปัญหาหนึ่ง ตามสามัญสำนึกภาวะเอกฐานเป็นบริเวณที่ความบิดโค้งของอวกาศและเวลามีค่าเป็นอนันต์ แต่ก็ยังมีตัวอย่างของภาวะเอกฐานที่ไม่มีความบิดโค้งของอวกาศ ในทางคณิตศาสตร์ภาวะเอกฐานไม่นับเป็นส่วนหนึ่งของกาลอวกาศซึ่งประกอบขึ้นจากจุดต่างๆ ที่มีพฤติกรรมเป็นแบบปรกติ ความผิดปรกติของภาวะเอกฐานทำให้หลายคนประสบปัญหาในการจำแนกประเภทของพวกมัน อย่างไรก็ตามแทนที่จะพิจารณาจุดใดจุดหนึ่ง เราอาจใช้เส้นโค้ง (curve) มาช่วยในการศึกษา ลองพิจารณานักเดินทางผู้โชคร้ายที่เคลื่อนที่เข้าสู่ภาวะเอกฐาน เส้นทางการเคลื่อนที่ของเขา (world line) อธิบายได้ด้วยเส้นโค้งบนกาลอวกาศ (geodesic curve) เราจะพบว่าพวกเขาเหล่านั้นจะ “หายไป” จากเอกภพของเราภายในช่วงเวลาอันจำกัดค่าหนึ่ง ณ ตำแหน่งที่เป็นภาวะเอกฐาน หรือถ้าเราพิจารณาในทิศทางเวลาที่ย้อนกลับ แนวคิดนี้สามารถอธิบายการ “กำเนิด” ของเอกภพ เพราะสิ่งต่างๆ ล้วนเกิดขึ้นจากไหนก็ไม่รู้ ณ เวลาใดเวลาหนึ่งในอดีต มันจึงสมเหตุสมผลที่จะอ้างถึงภาวะเอกฐานเมื่อไหร่ก็ตามที่อยู่ๆ ก็มีนักเดินทางหายไปจากเอกภพของเรา หรือ ปรากฏตัวขึ้นมาอย่างไม่มีปี่ไม่มีขลุ่ย ภาวะเอกฐานคือความไม่สมบูรณ์ของเส้นโค้งในกาลอวกาศ ทฤษฎีภาวะเอกฐานหลังจากงานของเพนโรสมักจะเป็นการพิสูจน์การมีอยู่ของความไม่สมบูรณ์ของเส้นโค้งที่สั้นที่สุด (the existence of geodesic incompleteness)

นอกจากให้คำนิยามที่สมเหตุสมผลกับภาวะเอกฐานแล้ว เพนโรสได้นิยามสิ่งที่เรียกว่า “พื้นผิวกักขัง” เพื่อใช้อธิบายอิทธิพลของความโน้มถ่วง ในกลศาสตร์ของนิวตันเราสามารถใช้ อัตราเร็วหลุดพ้น กำหนดเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับวัตถุก้อนเล็กๆ ที่ต้องการหลบหนีออกจากอิทธิพลของสนามโน้มถ่วง (ที่แผ่ออกมาจากวัตถุก้อนที่ใหญ่กว่า เช่น ดาวเคราะห์ ดวงอาทิตย์ เป็นต้น) แน่นอนว่ายิ่งสนามโน้มถ่วงมีความเข้มมากขึ้นเท่าไหร่ อัตราเร็วหลุดพ้นยิ่งต้องมีค่าเพิ่มมากขึ้น และอาจเพิ่มเข้าใกล้ค่าอัตราเร็วของแสง ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเรื่องราวจะยิ่งซับซ้อนเพราะสนามโน้มถ่วงสามารถบิดโค้งเส้นทางเดินของแสงได้ เพนโรสจึงต้องใช้อัจฉริยะภาพทางคณิตศาสตร์ของเขาสร้างเครื่องมือที่จะอธิบาย “การหลบหนีออกจากอิทธิพลของสนามโน้มถ่วง” ให้ชัดเจนและรัดกุมยิ่งขึ้น พื้นผิวนี้ต่างกับพื้นผิวธรรมดาซึ่งแสงสามารถผ่านทะลุในทิศทางใดก็ได้ พื้นผิวกักขังแบบปิด เป็นพื้นผิวสองมิติที่ยอมให้แสงเดินทางในทิศทางเดียวคือมุ่งเข้าสู่จุดศูนย์กลาง เพนโรสนิยามพื้นผิวดังกล่าวในลักษณะที่ไม่ขึ้นกับพิกัดและสมมาตรของระบบที่พิจารณา และด้วยเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่กล่าวมานี้ เพนโรส สามารถพิสูจน์ทฤษฏีภาวะเอกฐาน และนำมาสู่ข้อสรุปที่ว่าภาวะเอกฐานเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับการยุบตัวภายใต้ความโน้มถ่วง

รางวัลโนเบลของโรเจอร์ เพนโรส ที่ได้รับในปีนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของคณิตศาสตร์ในฐานะเครื่องมือศึกษาธรรมชาติของนักฟิสิกส์ โดยเฉพาะในช่วงเวลาที่เทคโนโลยียังเป็นข้อจำกัดที่ขัดขวางไม่ให้เราสำรวจเอกภพได้อย่างละเอียดในทุกแง่มุม นักฟิสิกส์ยังอาศัยคณิตศาสตร์ยังเป็นเครื่องช่วยนำทางได้

2. ไรน์ฮาร์ท เกนเซล (Reinhard Genzel) และ แอนเดรีย เกซ (Andrea Ghez)

อีกครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลเป็นของ Reinhard Genzel นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน และ Andrea Ghez นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ที่ศึกษาวงโคจรของดาวฤกษ์หลายดวงที่โคจรกันอย่างซับซ้อนบริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก บริเวณที่เรียกว่า Sagittarius A* (Sgr A*) หรือหากมองไปบนท้องฟ้าก็จะอยู่ในกลุ่มดาวคนยิงธนู

ทีมของ Genzel ใช้กล้อง Very Large Telescope (VLT) ตั้งอยู่บนยอดเขาทะเลทราย Atacama ประเทศชิลีในย่านความถี่ของอินฟราเรด (infrared) ซึ่งสามารถมองทะลุไปจนถึงใจกลางกาแล็กซี กล้อง VLT ประกอบด้วยกล้องย่อยจำนวน 4 กล้อง เส้นผ่านศูนย์ 8 เมตร วางห่างกัน 30 – 100 เมตร กล้องทั้งสี่ทำงานพร้อมกันเพื่อประมวลสัญญาณจากคลื่นอินฟราเรดที่มาถึงกล้องพร้อมๆ กันในรูปแบบของ interferometer ซึ่งให้ผลเสมือนมีกล้องขนาดใหญ่เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 เมตร

ทีมของ Ghez นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ใช้กล้องโทรทรรศน์ Keck ตั้งอยู่ที่ยอดเขา Mauna Kea บนรัฐ Hawaii กล้อง Keck ถือเป็นกล้องขนาดใหญ่ในตำนานที่เริ่มใช้ Adaptive Optics (AO) เป็นแห่งแรกของโลกตั้งแต่ประมาณปี ค.ศ. 2001 กล้องโทรทรรศน์ Keck ประกอบด้วยกล้องจำนวน 2 กล้อง แต่ละกล้องประกอบด้วยกระจกเหลี่ยมประกอบเข้าด้วยกันจนมีรัศมีประมาณ 10 เมตร กระจกแต่ละชิ้นสามารถเคลื่อนที่ขึ้นลงเป็นระยะทางเล็กๆ เพื่อปรับโฟกัสของกล้องให้คมชัดที่สุด ระบบ AO จะใช้ระบบเลเซอร์ยิงขึ้นไปบนท้องฟ้า การเทียบแสงจากดวงดาวกับแสงเลเซอร์ที่สะท้อนชั้นบรรยากาศกลับมายังกล้องโทรทรรศน์ทำให้เราทราบความแปรปรวนของชั้นบรรยากาศ ข้อมูลนี้ใช้ในการปรับระยะของกระจกเพื่อหักล้างความแปรปรวนจากชั้นบรรยากาศนั่นเอง ภาพของดาวจะมีความคมชัดขึ้นเป็นอย่างมาก

การเฝ้าสังเกตดาวฤกษ์ดวงนี้เริ่มตั้งแต่ปี 1995 รวมเป็นเวลากว่า 20 ปี เพื่อกำหนดตำแหน่ง ความเร็วตลอดช่วงวงโคจร และมีการอัพเกรดเทคนิคและวิธีการอยู่ตลอดเวลาเพื่อให้การวัดแม่นยำมากขึ้นเรื่อยๆ

ดาวที่สำคัญมากดวงหนึ่งคือ S2 ซึ่งเป็นดาวฤกษ์มวลประมาณ 14 เท่าของมวลดวงอาทิตย์มีสีน้ำเงิน (B-Type) โคจรเป็นวงรีรอบๆ Sgr A* มีคาบการโคจรประมาณ 16 ปี ตำแหน่งการโคจรที่ใกล้ Sgr A* ที่สุด (pericenter) เกิดขึ้นในเดือนกรกฎาคม 2018 ที่ระยะประมาณ 120 a.u. (1 a.u. เทียบเท่าระยะทางจากโลกไปยังดวงอาทิตย์) ซึ่งที่ตำแหน่งนี้ มันมีอัตราเร็วการโคจรถึงประมาณ 7650 กิโลเมตรต่อวินาที หรือประมาณ 2.55% ของความเร็วแสง!

จากการวิเคราะห์วงโคจรแบบวงรีที่มีความแม่นยำ ผสมกับการวัดอัตราเร็วของดาวฤกษ์บริเวณ pericenter บ่งบอกว่าต้องมีแรงดึงดูดมหาศาลจากบริเวณ Sgr A* และเมื่อคำนวณตามสัมพัทธภาพทั่วไปของบริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูง พบว่า Sgr A* จะต้องมีมวลถึงประมาณ 4.3 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์! แม้ก่อนหน้านี้จะมีผู้เสนอว่าวัตถุที่ใจกลางอาจไม่ใช่หลุมดำก็ได้ แต่ความแม่นยำจากการเฝ้าสังเกตที่ใช้เวลากว่า 20 ปี ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตัดความเป็นได้อื่นๆ ออกไปทั้งหมด และสรุปได้ว่า Agr A* จะต้องเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดเท่านั้น

การวิจัยนี้ยังได้ผลที่สอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปอีกสองอย่างคือ เมื่อดาวโคจรมาใกล้หลุมดำมากขึ้น สีที่เราสังเกตเห็นจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย เรียกว่าการเลื่อนไปทางแดง (redshift) ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้คร่าวๆ ว่าเกิดจากการที่อนุภาคโฟตอน (อนุภาคของแสง) ต้องสูญเสียพลังงานไปบางส่วนเพื่อหนีออกจากอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ แล้วเดินทางมายังกล้องโทรทรรศน์

นอกจากนี้ยังมีผลการวิจัยที่สำคัญมากอีกอย่างหนึ่งคือการเหลื่อมของวงโคจร (precession) ปรากฏการณ์นี้จริงๆ แล้วถูกค้นพบตั้งแต่ประมาณทศวรรษ 1880s จากการเฝ้าสังเกตดาวพุธที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งพบว่าวงโคจรเป็นวงรีเสมอ แต่เมื่อผ่านไป 1 รอบจะไม่ซ้อนทับรอยเดิม จะเกิดการเหลื่อมออกไปเป็นมุมเล็กน้อย วงโคจรของทั้งดาวพุธและ S2 มีการเหลื่อมเช่นเดียวกัน และสอดคล้องกับผลการทำนายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์

ทั้งหมดถือเป็นความสำเร็จอย่างงดงามของทีมที่ทุ่มเทเฝ้าสังเกตมาเป็นเวลากว่า 20 ปี

3. ปริศนาอื่นๆ ของหลุมดำที่รอการคำตอบและการค้นพบ

แน่นอนว่าเรื่องราวยังไม่จบเพียงแค่นั้น งานของโรเจอร์ เพนโรสเป็นเพียงจุดเริ่มของยุคทองของการศึกษาหลุมดำ ยังมีปริศนาอีกมากมายที่ยังไม่ได้รับคำตอบ เพราะทฤษฎีภาวะเอกฐานของเพนโรสแทบไม่ได้ให้ข้อมูลใดๆ เกี่ยวกับธรรมชาติของภาวะเอกฐาน เรามักจะจินตนาการถึงการยุบตัวภายใต้ความความโน้มถ่วงที่สร้างภาวะเอกฐานซึ่งทำให้ความโค้งของอวกาศมีค่าเป็นอนันต์และส่งผลให้อะไรก็ตามที่หลุดเข้าไปในใจกลางหลุมดำหายไปจากเอกภพของเรา แต่ทฤษฎีไม่ได้อธิบายสิ่งนี้มันเพียงแต่บอกว่าเส้นทางของแสงหรือผู้สังเกตบางคนจะหายไปด้วยเหตุผลที่ไม่แน่ชัด

การศึกษาพฤติกรรมของภาวะเอกฐานอาจทำได้โดยนำเอาสมการของไอน์สไตน์เข้ามาร่วมพิจารณา ซึ่งได้ถูกพัฒนาโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย 3 คนคือ วลาดิเมียร์ เบลินสกี ไอแซค คาลัทนิคอฟ และยูจีน ลิฟชิทซ์ ในปี 1971 โดยอาศัยการคำนวนอันซับซ้อน และในทศวรรษ 2000 เมื่อการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์มีความก้าวหน้าพอคำทำนายของพวกเขาก็ได้รับการยืนยันโดย เดวิด การ์ฟินเคิล ซึ่งแสดงให้เห็นถึงภาวะเอกฐานที่มีเสถียรภาพ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า ภาวะเอกฐานบีเคเอล (BKL) เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ทั้งสาม ภาวะเอกฐานแบบนี้มีลักษณะที่ไร้ระเบียบโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่หลุมดำมีการหมุน ยังไม่เป็นที่แน่ชัดว่าสสารที่ตกลงไปในสภาวะเอกฐานจะมีชะตากรรมอย่างไรและนักวิทยาศาสตร์อาจต้องใช้ทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม (Quantum Gravity) เพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมเหล่านี้

ฟิสิกส์ของหลุมดำยังมีเรื่องให้ประหลาดใจอย่างต่อเนื่องในปี 1991 อีริค ปัวซอง และ เวอร์เนอร์ อิสราเอล ยังได้พบความเป็นไปได้ของภาวะเอกฐานอีกแบบหนึ่งเป็นผลมาจากพฤติกรรมของขอบฟ้าชั้นในของหลุมดำที่มีประจุและหลุมดำที่มีการหมุน พวกเขาแสดงให้เห็นว่าพื้นผิวที่เรียกว่าขอบฟ้าชั้นในเหล่านี้ไม่มีสเถียรภาพและสามารถยุบตัวเป็นภาวะเอกฐานได้เช่นกัน

นอกจากนี้ สตีเฟน ฮอร์กิง (Stephen Hawking) และ จาคอบ เบคเคนสไตน์ (Jacob Bekenstein) ได้ร่วมกันเสนอว่า หลุมดำนั้นมีเอนโทรปี (Entropy) ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดพื้นผิวของหลุมดำ เมื่อมีเอนโทรปีย่อมหมายถึงมันมีอุณหภูมิ ซึ่งวัตถุที่มีอุณหภูมิจะแผ่รังสี การแผ่รังสีของหลุมดำเกิดขึ้นได้เพราะสุญญากาศเต็มไปด้วยคู่อนุภาคที่เกิดขึ้นมาและสลายตัวไปอยู่ตลอดเวลา หากอนุภาคตัวหนึ่งเกิดตกลงไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ คู่ของมันสามารถที่จะหนีรอดออกมากได้ ตามกระบวนการที่นำเสนอโดยฮอร์กิง

ในปี 2018-2019 เรายังได้เห็นภาพแรกของหลุมดำที่ใจกลางของอีกกาแล็กซีหนึ่ง ชื่อว่า M87 ซึ่งยืนยันความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ภาพนี้มาจากความร่วมมือของนักฟิสิกส์หลายร้อยชีวิต และใช้กล้องโทรทรรศน์ในย่านความถี่ไมโครเวฟจำนวนหลายกล้องกระจายอยู่ทั่วโลกในรูปแบบของ Very Long Baseline Interferometer (VLBI) เสมือนกับว่าเรามีกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เท่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก! ทำให้มองเห็นได้ไกลขึ้นและมีกำลังแยกแยะที่สูงขึ้น ผู้ที่สนใจสามารถหาอ่านได้เพิ่มเติมในเว็บไซต์สมาคมฟิสิกส์ไทย http://www.thaiphysoc.org

ในยุคปัจจุบันที่การสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์เข้าสู่ยุคของ multimessenger astronomy ความลับอีกหลายอย่างที่ยังคงหลบซ่อนอยู่ภายในหลุมดำอาจทยอยออกมาให้เราได้ประหลาดใจในอีกไม่ช้านี้

ผู้เขียน
ผศ. ดร. อรรถกฤติ ฉัตรภูติ ภาควิชาฟิสิกส์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
ผศ. ดร. พิเชษฐ กิจธารา ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยมหิดล

อ้างอิง
1. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/
2. José M M Senovilla and David Garfinkle, “The 1965 Penrose singularity theorem”, Class.Quantum Grav. 32 (2015) 124008
3. Roger Penrose, “Gravitational collapse and space–time singularities” Phys. Rev. Lett. 14 (1965) 57
4. https://www.keckobservatory.org/
5. https://www.eso.org/.../teles-instr/paranal-observatory/vlt/
6. GRAVITY Collaboration, “Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole”. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833718
7. https://eventhorizontelescope.org/
8. Tuan Do et al, 2019 "Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic Center supermassive black hole" SCIENCE, Vol. 365, Issue 6454, pp. 664-668
9. A.M. Ghez, 2008, “Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits” The Astrophysical Journal, https://iopscience.iop.org/article/10.1086/592738
10. https://www.nobelprize.org/.../advanced-physicsprize2020.pdf
11. https://www.keckobservatory.org/nobel-prize-ghez/
12. https://www.mpg.de/15493117/nobel-prize-physics-2020-genzel