หลุมดำ...ไม่เห็น! หรือไม่มีจริง ?

หลุมดำ มีจริงหรือไม่?

สำหรับคนจำนวนมากวันนี้ ทั้งในวงการวิทยาศาสตร์ และทั่วไป เชื่อว่า หลุมดำ มีอยู่จริง!

แสดงว่า ยังมีคนทุกวันนี้ ที่ไม่เชื่อว่า หลุมดำ มีอยู่จริง ใช่หรือไม่?

คำตอบตรงๆ คือ ใช่!

และที่น่าสนใจเป็นพิเศษ คือ สำหรับคนที่ไม่เชื่อว่า หลุมดำมีอยู่จริง ส่วนใหญ่ ก็เป็น นักวิทยาศาสตร์

ถึงแม้นักวิทยาศาสตร์ ที่ไม่เชื่อว่า หลุมดำมีอยู่จริง จะเป็นนักวิทยาศาสตร์ ส่วนน้อย แต่ในโลกวิทยาศาสตร์ เสียงของนักวิทยาศาสตร์ส่วนน้อย ไม่ว่าจะน้อยแค่ไหน เป็นจารีตศักดิ์สิทธิ์ ของวิทยาศาสตร์อยู่แล้วว่า จะต้องไม่ถูกปิด หรือปฏิเสธ เพียงแค่เพราะ เป็นเสียงของ คนส่วนน้อย

“เชื่อ คิด และทำอย่างวิทยาศาสตร์” วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่าน ไปร่วมสำรวจความคิด ความเข้าใจ และข้อมูลหลักฐานเกี่ยวกับหลุมดำถึงล่าสุด ทั้งสองด้าน เพื่อประกอบการ “ตัดสิน” ว่า หลุมดำมีจริงหรือไม่ ?

จุดเริ่มต้นที่มาเรื่องราวของ หลุมดำ คือ ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป (general theory of relativity) ของ ไอน์สไตน์ ที่สุดยอดนักวิทยาศาสตร์อันดับหนึ่งของโลกตลอดกาล ตั้งขึ้นมาเมื่อปี พ.ศ. 2458

ทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ของไอน์สไตน์ จริงๆ แล้ว ก็คือ ทฤษฎีความโน้มถ่วงแบบเดียวกับของ นิวตัน แต่ของไอน์สไตน์ มีความละเอียดซับซ้อนกว่าของ นิวตัน

ผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ที่ “ไม่มี” ในทฤษฎีความโน้มถ่วงของนิวตัน คือ ผลของความโน้มถ่วงต่อ “อวกาศเวลา” (spacetime) ที่ทำให้อวกาศเวลารอบวัตถุมีมวลมาก ดังเช่นดวงดาว “บิดงอ” (“warped” หรือ “curved”)

หลังการตั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ทั้งไอน์สไตน์ และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ก็แก้สมการความโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ และพบว่า สำหรับวัตถุ หรือดวงดาว มีมวลมากเกินระดับหนึ่ง เช่น อย่างน้อย 2 – 3 เท่า ของมวลดวงอาทิตย์ แรงดึงดูดโน้มถ่วงของมวล หรือดวงดาวจะสูงมาก จนกระทั่งดาวทั้งดวง ยุบถล่มตนเอง ไปรวมกัน อยู่ที่ใจกลางดวงดาว เรียก “ซิงกูลาริตี” (singularity)

ถึงแม้ดวงดาวจะดูเหมือนกับ “หายไป” แต่อิทธิพลของแรงดึงดูดโน้มถ่วงทั้งหมดของดวงดาว ก็ “ไม่หาย” ไปไหน ยังมีอิทธิพลดึงดูดสสารทั้งหมด ที่อยู่โดยรอบ ดังเช่น ดวงดาวทั้งดวง รวมทั้งแสงด้วย ที่เมื่อเข้าใกล้ใจกลางของดาวล่องหนถึงระดับหนึ่ง เรียก “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (event horizon) แสงก็จะหนีออกมาจาก “ซาก” ดวงดาวนั้นไม่ได้ ทำให้ดาวทั้งดวง มีสภาพเป็น “ดาวล่องหน”

“ขอบฟ้าเหตุการณ์” จึงเป็นเสมือนกับ “รัศมี” ของดาวล่องหน หรือหลุมดำ ซึ่งมวลสาร หรืออนุภาคใดๆ รวมทั้งแสงด้วย ถ้าเข้าใกล้หลุมดำเกินจุด “ขอบฟ้าเหตุการณ์” ก็จะออกมาจากหลุมดำไม่ได้

ถึงแม้หลุมดำ จะเป็นผลพวงจากทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ที่ไอน์สไตน์ตั้งขึ้นมา ตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ยี่สิบ แต่คำว่า “หลุมดำ” หรือ “black hole” ที่ใช้กันในปัจจุบัน จริงๆ แล้ว ก็เป็น “ศัพท์ใหม่” ที่ จอห์น วีเลอร์ (John Wheeler : พ.ศ.2454–2551) เพิ่งใช้เป็นครั้งแรก ในการบรรยายเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ที่สถาบันการศึกษาอวกาศกอดดาร์ดนาซา (NASA Goddard Institute of Space Studies) เมื่อปี พ.ศ.2510 หลังกำเนิดทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป 52 ปี และหลังการจากโลกไปของไอน์สไตน์ 2 ปี

โดยทั่วไป วงการวิทยาศาสตร์ยกให้ จอห์น วีเลอร์ เป็นผู้ตั้งคำ “black hole” ขึ้นมา แต่จริงๆ แล้ว จอห์น วีเลอร์ กล่าวถึงที่มาของคำนี้ว่า มาจากผู้ฟังการบรรยายเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของเขาคนหนึ่ง ตะโกนคำว่า “black hole” ขึ้นมา เพราะเบื่อกับคำอธิบายของ จอห์น วีเลอร์ ถึงวัตถุที่ยุบถล่มตนเองอย่างสมบูรณ์โดยความโน้มถ่วง

แล้วหลุมดำมีจริงหรือไม่?

การค้นหาหลุมดำ เป็นความท้าทายอย่างที่สุด เพราะหลุมดำ เป็นเสมือนกับ “ดาวล่องหน” จึงส่องหาด้วยกล้องโทรทรรศน์โดยตรงไม่ได้

หลุมดำแรก (ที่เชื่อกันว่า เป็นหลุมดำ) คือ ซิกนัส เอกซ์-1 (cygnus x-1) เป็นหลุมดำดาวคู่แฝดของดาวยักษ์สีน้ำเงิน ชื่อ HDE 226868 ถูกค้นพบโดยการตรวจสอบแหล่งที่มาของรังสีเอกซ์ สรุปเมื่อปี พ.ศ. 2514 ว่า มาจากดาวคู่หูล่องหน มีมวลประมาณ 21 เท่า (ข้อมูลล่าสุด) ของมวลดวงอาทิตย์

จริงๆ แล้ว รังสีเอกซ์มิได้ถูกปล่อยออกมาจากหลุมดำซิกนัส เอกซ์-1 โดยตรง เพราะไม่มีอะไรจะหนีออกมาจากหลุมดำได้ รวมทั้งรังสีเอกซ์ด้วย แต่มาจากกลุ่มแก๊ส มีประจุไฟฟ้าจากดาวฤกษ์ HDE 226868 ที่ถูกหลุมดำซิกนัส เอกซ์-1 ดึงดูด ให้วิ่งวนเข้าหาหลุมดำ จึงปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา ก่อนถึงจุดขอบฟ้าเหตุการณ์ ที่เป็นเหมือนตัวตนของหลุมดำซิกนัส เอกซ์-1

จากลักษณะการเคลื่อนที่แบบส่ายของดาว HDE 226868 คล้ายกำลังจับคู่เต้นรำกับดาวล่องหน นักดาราศาสตร์จึงคำนวณหามวล และตำแหน่งของ ซิกนัส เอกซ์-1 ได้ และสรุปออกมาว่า ซิกนัส เอกซ์-1 เป็นหลุมดำ

วิธีการที่นักดาราศาสตร์ พบหลุมดำแรก ซิกนัส เอกซ์-1 กลายเป็นวิธีหลักของการค้นหาและค้นพบหลุมดำ ที่เป็นส่วนหนึ่งของระบบดาวคู่

ส่วนหลุมดำระดับดวงดาว (stellar black hole) ที่ท่องอยู่ในอวกาศอย่างเดี่ยวๆ ล่ะ ?

เป็นโจทย์ที่นักดาราศาสตร์ยอมรับว่า ยาก อย่างที่สุดที่จะตรวจพบ

แต่ข่าวใหญ่ล่าสุดเพิ่งเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2565 นี้เอง ก็เริ่มมีรายงานการค้นพบหลุมดำเดี่ยวในกาแล็กซีทางช้างเผือก ด้วยวิธีการใช้ “เลนส์ความโน้มถ่วง” (gravitational lens) ที่เกิดจากหลุมดำ อยู่ระหว่างดวงดาวที่เป็นฉากหลังกับโลก หรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ทำให้ตำแหน่งของดาวฤกษ์ฉากหลัง ขยับไปจากตำแหน่งจริง

คล้ายกับกรณีการเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง ที่ดวงอาทิตย์อยู่ระหว่างดาวฤกษ์กับโลก แล้วตำแหน่งของดาวฤกษ์จะขยับไปจากตำแหน่งจริง เพราะดวงอาทิตย์จะทำหน้าที่คล้ายเลนส์ ทำให้แสงจากดาวฤกษ์เบนไปจากแนวเส้นตรง ระหว่างดาวฤกษ์ กับโลก

นับตั้งแต่การค้นพบสิ่งที่เชื่อกันว่า เป็นหลุมดำแรก คือ ซิกนัส เอกซ์ -1 มาถึงปัจจุบัน ก็มีการค้นพบหลุมดำจำนวนมาก จำแนกตามขนาดของมวล ตั้งแต่ใหญ่สุด คือ หลุมดำยักษ์ มีมวลระหว่าง 10⁵ – 10⁸ เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ที่เชื่อกันว่า มีอยู่ที่บริเวณใจกลางของกาแล็กซีแทบทุกกาแล็กซี รวมทั้งที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราด้วย

แล้วก็มีหลุมดำขนาดกลาง มีมวลระหว่างหลุมดำดวงดาว กับหลุมดำยักษ์ที่ใจกลางกาแล็กซีส่วนใหญ่ คือ มีมวลอยู่ระหว่าง 10² – 10⁵ เท่าของมวลดวงอาทิตย์

ต่ำกว่าหลุมดำดวงดาว ก็มีหลุมดำจิ๋ว หรือหลุมดำไมโคร (micro black hole) ซึ่งเชื่อ (ตามหลักวิทยาศาสตร์) ว่า มีเกิดขึ้นในช่วงระยะแรกๆ ของกำเนิดจักรวาลแบบบิกแบง และในปัจจุบัน ก็อาจจะเกิดขึ้นได้จากรังสีคอสมิก ที่ชนกับบรรยากาศโลก และในเครื่องชนอนุภาคฮาดรอนขนาดใหญ่ คือเครื่อง แอลเอชซี (LHC :Large Hadron Collider) ของ เซิร์น (CERN) ที่เป็นเครื่องเร่งอนุภาคใหญ่ที่สุดของโลกในปัจจุบัน อยู่ใกล้กรุงเจนีวา

คำถามที่อาจเกิดขึ้นทันที ณ จุดนี้ คือ แล้วเจ้าหลุมดำจิ๋วที่เกิดจาก รังสีคอสมิก ชนกับบรรยากาศของโลก และที่เกิดจากเครื่องเร่งอนุภาคของเซิร์น จะทำให้โลกต้องพินาศหรือไม่?

คำตอบตรงๆ จากนักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเรื่องนี้ คือ ไม่!

เพราะเจ้าหลุมดำจิ๋วเหล่านี้ ถ้าเกิดขึ้น ก็จะสลายตัวอย่างเกือบจะในทันทีที่กำเนิดขึ้นมา

หลักฐานสนับสนุน การมีอยู่จริงของหลุมดำ ที่ดูจะน่าเชื่อถืออย่างที่สุด ก็คือ ข่าวการถ่ายภาพหลุมดำยักษ์โดยตรงได้เป็นครั้งแรก เมื่อเดือนเมษายน พ.ศ. 2562 เป็นภาพหลุมดำยักษ์อยู่ที่ใจกลาง กาแล็กซี ซีเอ็ม 87 (M 87) มีมวลประมาณ 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ อยู่ห่างจากโลกประมาณ 55 ล้านปีแสง

ตามมาด้วย ข่าวการถ่ายภาพหลุมดำยักษ์ เผยแพร่เมื่อเดือนมีนาคม พ.ศ. 2565 อยู่ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราเอง มีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์

จากนี้ ก็ถึงเวลาของการ “ชั่งน้ำหนัก” ประกอบการ “ตัดสิน” โจทย์ใหญ่ของเราว่า หลุมดำมีจริงหรือไม่ ?

ถ้าถามนักวิทยาศาสตร์ฝ่ายที่เชื่อว่า หลุมดำมีจริง คำตอบใหญ่ๆ ที่จะได้ยิน คือ ...

• ความน่าเชื่อถือของทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป ที่เป็นต้นเรื่องที่มาของหลุมดำ ที่ผ่านการทดสอบว่า ถูกต้อง และใช้ประโยชน์ได้จริง

• คำอธิบายถึงสภาพการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์บางดวง ที่เคลื่อนที่อย่างไม่เป็นปกติ คำอธิบายดีที่สุด ก็คือ ดาวฤกษ์ ที่มองเห็น มี “หลุมดำ” เป็นดาวคู่หู

• สภาพการเคลื่อนไหวของมวลสาร ที่วิ่งวนเข้าหาตำแหน่งบริเวณใจกลางกาแล็กซีดังเช่น กาแล็กซีทางช้างเผือก และการตรวจพบแหล่งกำเนิดของรังสีเอกซ์ขนาดใหญ่ คำอธิบายดีที่สุด ก็คือ มีหลุมดำยักษ์ ที่ใจกลางกาแล็กซี

• การค้นพบ “เลนส์คอสมิก” ที่มิใช่ดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้ คำอธิบายดีที่สุด ก็คือ เลนส์คอสมิก ที่พบ เป็นหลุมดำ

• ภาพถ่ายหลุมดำยักษ์ที่ใจกลางกาแล็กซี เอ็ม 87 และกาแล็กซีทางช้างเผือก เป็นหลักฐานอย่างเป็นรูปธรรมที่สุดของหลุมดำ

แล้วฝ่ายที่ไม่เชื่อว่า หลุมดำ มีจริงล่ะ ?

คำตอบจะไม่ “ตรงไปตรงมา” ชัดเจน เท่าคำตอบของฝ่ายที่เชื่อ และก็ไม่ขัดแย้งกับฝ่ายที่เชื่อไปเสียทั้งหมด

โดยภาพรวม พอจะประมวลออกมาได้ว่า ฝ่ายที่ไม่เชื่อเรื่องหลุมดำ ส่วนใหญ่ก็ไม่ปฏิเสธทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์ ไม่ปฏิเสธวิธีการค้นหา หรือค้นพบ ทั้งหลุมดำดวงดาว และหลุมดำยักษ์ ไม่ปฏิเสธแหล่งกำเนิดของรังสีเอกซ์จากหลุมดำ และไม่ปฏิเสธการมีอยู่จริงของสิ่งที่เรียกกันว่า หลุมดำ

ประเด็นใหญ่ของฝ่ายไม่เชื่อ ก็คือ สภาพความเป็นอยู่จริง หรือสภาพรายละเอียดภายในของหลุมดำ ตั้งแต่จุดที่เป็น “ขอบฟ้าเหตุการณ์” หรือรัศมีของหลุมดำ เข้าไปถึงใจกลางหลุมดำ

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความหมายอย่างเป็นรูปธรรมของสิ่งที่เรียกกันว่า “ซิงกูลาริตี” ซึ่งฝ่ายไม่เชื่อมองว่า เป็นสิ่งที่ไม่สามารถจะมีอยู่จริงอย่างเป็นรูปธรรมได้

แล้วภาพถ่าย หลุมดำยักษ์ล่ะ?

ฝ่ายที่ไม่เชื่อ ก็ตอบอย่างชัดเจนว่า ภาพถ่ายหลุมดำยักษ์เหล่านั้น เป็นเพียงภาพถ่ายบริเวณโดยรอบหลุมดำ หรือเงาโดยรอบของหลุมดำ ไม่ใช่แม้แต่ภาพถ่ายตัวตนภายนอกอย่างแท้จริงของหลุมดำ ดังเช่น ภาพถ่ายลักษณะเฉพาะของคนเราแต่ละคน ที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว

ภาพถ่ายหลุมดำยักษ์ จึงยังไม่ใช่หลักฐานที่จะพิสูจน์ตัวตนที่แท้จริงของหลุมดำได้ นั่นคือ ประเด็น “หลุมดำหรือ? ก็ยังไม่เห็นตัวตนที่แท้จริง! หรือ หลุมดำ จะไม่มีอยู่จริง?” ก็ยังเป็นประเด็นท้าทายนักวิทยาศาสตร์ต่อไปฃ

น่าสนใจว่า ไอน์สไตน์ ผู้ตั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไป จริงๆ แล้ว ก็ไม่คิดว่า หลุมดำ จะมีอยู่จริง หรือจะมีการค้นพบได้จริง

ไอน์สไตน์ คิดว่า “ซิงกูลาริตี” มีอยู่จริงเฉพาะในสมการ

และจนกระทั่งถึงลมหายใจสุดท้ายของไอน์สไตน์ ก็ยังไม่มีการค้นพบหลุมดำเลย เพราะหลุมดำแรก ซิกนัส เอกซ์-1 ถูกค้นพบ หลังจากที่ไอน์สไตน์จากโลกไปแล้วเป็นเวลา 9 ปี

ถ้าไอน์สไตน์ ยังมีชีวิตอยู่ จนกระทั่งมีการค้นพบหลุมดำ และได้เห็นภาพถ่ายหลุมดำยักษ์ ไอน์สไตน์ จะคิดอย่างไร ?

ผู้เขียนเชื่อว่า ไอน์สไตน์ ก็ยังไม่เปลี่ยนความคิด นั่นคือ ยังคิดว่า “ซิงกูลาริตี” มีอยู่จริง เฉพาะในสมการ แต่ก็จะพยายามอธิบายว่า สิ่งที่ถูกค้นพบ และเรียกกันว่า หลุมดำ จริงๆ แล้ว เป็นอย่างไร?

ส่วนภาพถ่าย ไอน์สไตน์ ก็จะบอกว่า มิใช่ภาพถ่ายหลุมดำจริงๆ เป็นเพียงภาพถ่ายของสภาพโดยรอบ หรือเป็นเพียงภาพถ่ายเงารางๆ ของหลุมดำ

ดังนั้น จริงๆ แล้ว ไอน์สไตน์ ก็จะเป็นฝ่ายของนักวิทยาศาสตร์ส่วนน้อย ที่คิดว่า หลุมดำในแบบที่เข้าใจกัน ไม่มีอยู่จริง!

แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ มีความคิดเรื่องหลุมดำอย่างไร? คิดว่า หลุมดำมีจริงหรือไม่?