การค้นพบครั้งใหม่ และเป็นการหักล้างความเชื่อเดิม ระหว่าง หลุมดำ กับ กาแล็กซี อะไรเกิดก่อนกัน คอลัมน์โดย ชัยวัฒน์ คุประตกุล นักสื่อสารทางวิทยาศาสตร์
วันที่ 30 มกราคม ค.ศ. 2024 มีรายงานของคณะนักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ (Johns Hopkins University) และอื่นๆ ตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal ผลการวิเคราะห์ใหม่ ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (James Webb Space Telescope) พบว่า มีความเป็นไปได้ที่ในจักรวาลของเรา จะมีหลุมดำยักษ์เกิดขึ้นเป็นจำนวนมาก ในระยะแรกเริ่มของจักรวาล....
โดยที่หลุมดำยักษ์เหล่านี้ เป็นตัวขับเคลื่อนเร่งการเกิดของดวงดาวและกาแล็กซี
เป็นผลการวิเคราะห์ที่ขัดกับความเข้าใจยึดถือกันมาในวงการวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในประเด็นเรื่องกำเนิดของกาแล็กซี และหลุมดำ ...
ทำให้เกิดคำถาม (เป็นชื่อของรายงานตีพิมพ์ในวารสาร) ว่า "อะไรเกิดขึ้นก่อน หลุมดำยักษ์ หรือกาแล็กซี?"
"เชื่อ คิด และทำอย่างวิทยาศาสตร์" วันนี้ ขอนำท่านผู้อ่าน ไปสำรวจเรื่องของเราวันนี้อย่างเร็วๆ ไปดูกระบวนการที่นักดาราศาสตร์ใช้ จนกระทั่งนำมาสู่บทสรุป ที่ถูกนำไปเปรียบกับปริศนาชวนพิศวงเก่าแก่ "ไก่กับไข่ อะไรเกิดก่อน?"
...
ทบทวนกำเนิดจักรวาล ดวงดาว กาแล็กซี และหลุมดำ!
ตามความรู้ความเข้าใจโดยทั่วไป สำหรับกำเนิดจักรวาลแบบบิกแบง (Big Bang) ที่เกิดเมื่อประมาณหนึ่งหมื่นสามพันแปดร้อยล้านปีมาแล้วนั้น ...
หลังการเกิด บิกแบง ไม่นาน จึงเกิดอนุภาคมูลฐานจำพวก ควาร์ก, อิเล็กตรอน, โปรตอน, นิวตรอน และอื่นๆ แล้วจึงเกิดเป็น อะตอม ....
ต่อมา อะตอมรวมตัวกัน เกิดเป็นดวงดาวที่มีมวลมากพอ ก็เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน เกิดเป็นลูกไฟนิวเคลียร์ในอวกาศ คือ ดาวฤกษ์ ที่มีมวลไม่มากพอ ก็เกิดเป็นดาวเคราะห์ ดวงจันทร์ ดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง
ต่อมาอีก ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากพอ อย่างน้อยก็ต้องมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราประมาณสามเท่า ก็จะเปลี่ยนไปเป็นดาวนิวตรอน และถ้าดาวนิวตรอนมีมวลมากพอ ก็จะยุบถล่มตนเองไปเป็นหลุมดำ
ส่วน ดาวฤกษ์ ที่กำเนิดเกิดขึ้นมา ก็จับกลุ่มกัน เกิดเป็น กาแล็กซี ดังเช่น กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์ประมาณหนึ่งแสนล้านดวง
กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา นับเป็นกาแล็กซีขนาดปานกลาง มี แอนโดรมีดา เป็นกาแล็กซีเพื่อนบ้านที่มีขนาดใหญ่กว่า กาแล็กซีทางช้างเผือกประมาณสองเท่า โดยที่บรรดากาแล็กซีทั้งหมด ก็รวมกันเป็นจักรวาล คาดว่าจักรวาลของเราประกอบด้วย กาแล็กซีประมาณหนึ่งแสนล้านกาแล็กซี ...
สำหรับหลุมดำ นอกเหนือไปจาก หลุมดำที่กำเนิดจากการยุบถล่มตนเองของดาวนิวตรอน ซึ่งกระจายอยู่ทั่วไปในกาแล็กซีต่างๆ แล้ว ก็ยังมีหลุมดำยักษ์ อยู่ที่ตำแหน่งใจกลาง หรือใกล้ใจกลางของกาแล็กซี แทบทุกกาแล็กซี ดังเช่น กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ก็มีหลุมดำยักษ์ มีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์
สำหรับกำเนิดของหลุมดำยักษ์ ที่ใจกลางกาแล็กซีต่างๆ ก็ยังไม่ทราบกันแน่ชัด แต่คาดว่าอาจจะกำเนิดจากกลุ่มแก๊สที่ใจกลางกาแล็กซีรวมอัดตัวกันแน่น จนกระทั่งกลายเป็นหลุมดำยักษ์หรืออาจจะเกิดจากหลุมดำขนาดปรกติทั่วไป ที่เกิดขึ้นในแถบบริเวณใกล้ใจกลางกาแล็กซี แล้วก็รวมตัวกัน จนกระทั่งเกิดเป็นหลุมดำยักษ์
จากประวัติศาสตร์ฉบับย่นย่อที่สุดของจักรวาลของเรา สำหรับส่วนที่เกี่ยวกับเรื่องของเราวันนี้ ก็คือ กำเนิดของหลุมดำ กับกาแล็กซี ซึ่งตามความรู้ความเข้าใจโดยทั่วไปถึงปัจจุบัน สรุปอย่างง่ายๆ ได้ว่า ...
• หลังบิกแบง เกิดอนุภาคมูลฐาน อะตอม ตามด้วยดาวฤกษ์ และกาแล็กซี
• หลังดาวฤกษ์ จึงเกิดเป็นหลุมดำ
สรุปรวบยอดคือ กาแล็กซี เกิดก่อน หลุมดำ
เส้นทางสู่การค้นพบใหม่ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์!
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ เป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศล่าสุดของ นาซา (NASA : องค์การอวกาศสหรัฐฯ) โดยความร่วมมือของ อีซา (ESA : องค์การอวกาศยุโรป) และซีเอสเอ (CSA : องค์การอวกาศแคนาดา)
ชื่อของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ มาจากชื่อของ เจมส์. อี. เวบบ์ (James E. Webb) ผู้บริหารนาซา ระหว่างปี ค.ศ. 1961–1968 ซึ่งในช่วงเวลานั้น สหรัฐอเมริกา กับสหภาพโซเวียต กำลังแข่งขันกันอย่างเข้มข้นในการสำรวจระบบสุริยะ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เป้าหมายใหญ่ คือ การพิชิตดวงจันทร์
...
แต่ เจมส์ อี.เวบบ์ ก็มิได้อยู่กับนาซาถึงช่วงเวลานาซาประสบความสำเร็จสูงสุดกับ อะพอลโล 11 (Apolo 11) ในการนำมนุษย์สองคน คือ นีล อาร์มสตรอง และเอ็ดวิน อัลดริน ย่างเหยียบลงบนพื้นผิวดวงจันทร์ วันที่ 20 กรกฎาคม ค.ศ. 1969
เป้าหมายหลักของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ คือ เพื่อทำงานต่อเนื่องกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ ถูกออกแบบเป็นพิเศษให้สามารถ "มอง" ได้ไกลกว่ากล้องฮับเบิล และ "เห็น" สิ่งที่ "เย็น" กว่าที่มองเห็นได้โดยกล้องฮับเบิล โดยออกแบบให้กล้อง เจมส์ เวบบ์ เป็น กล้องรังสีอินฟราเรด เป็นหลัก
อย่างเป็นรูปธรรม และเป็นเป้าหมายที่เราสนใจวันนี้ กล้องเจมส์ เวบบ์ ถูกออกแบบเพื่อให้สามารถตรวจจับแสงจาก ดาวฤกษ์ดวงแรกๆ และกาแล็กซีแรกๆ ที่กำเนิดขึ้นมา หลังกำเนิดของจักรวาล คือ บิกแบง
กล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ ถูกส่งขึ้นสู่อวกาศวันที่ 25 ธันวาคม ค.ศ. 2021 และเริ่มต้นปฏิบัติงานอย่างเป็นทางการในวันที่ 12 กรกฎาคม ค.ศ. 2022
โดยในวันที่ 11 กรกฎาคม ค.ศ. 2022 นาซา ได้บรรยายสรุปผลการเตรียมการและผลงานของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ แก่ประธานาธิบดีสหรัฐฯ โจ ไบเดน ซึ่งส่วนหนึ่งของการบรรยายสรุป ก็ถูกนำออกเผยแพร่ โดย โจ ไบเดน เป็นผู้นำกล่าวถึงการเตรียมการและเป้าหมายของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์...
และแสดงภาพแรกๆ จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ แสดงกลุ่มกาแล็กซีจำนวนมากมาย โดยกล่าวว่า เป็นภาพรังสีอินฟราเรดที่ไกลที่สุด และคมชัดที่สุดของจักรวาล ที่เคยถ่ายภาพได้ โดยกล้องโทรทรรศน์ใดๆ ...
และบางภาพก็เป็นกาแล็กซีที่มีอายุมากกว่า หนึ่งหมื่นสามพันล้านปี ซึ่งหมายความว่า เป็นภาพของกาแล็กซีที่เพิ่งเกิดขึ้นหลังกำเนิดของจักรวาล คือ บิกแบง เมื่อประมาณ หนึ่งหมื่นสามพันแปดร้อยล้านปีก่อน
...
หลังการเปิดตัวอย่างเป็นทางการของ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ ก็มีการเผยแพร่ภาพจากกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ และรายงานเกี่ยวกับผลงานของกล้องโทรทรรศน์ เจมส์ เวบบ์ โดยนักดาราศาสตร์ที่กำกับการทำงานของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ คือ สถาบันวิทยาศาสตร์โทรทรรศน์อวกาศ (Space Telescope Science Institute) ที่มหาวิทยาลัยจอห์น ฮอปกินส์ ในบัลติมอร์ รัฐแมริแลนด์ และนักดาราศาสตร์ในสถาบันต่างๆ ทั่วโลก ทั้งในสหรัฐอเมริกา ยุโรป แคนาดา เอเชีย และประเทศไทยด้วย
นับตั้งแต่การเริ่มเปิดตัวปฏิบัติการอย่างเป็นทางการของ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ เมื่อวันที่ 12 กรกฎาคม ค.ศ. 2022 จนกระทั่งถึงปัจจุบัน ก็มีรายงานผลการทำงานของกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ อย่างต่อเนื่องตลอดมา ครอบคลุมทุกด้านของเป้าหมายของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ ดังเช่น การค้นพบหลักฐานเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมในอวกาศลึก และในอวกาศใกล้โลก รวมทั้งในระบบสุริยะ เกี่ยวกับโอกาสการมี หรือเอื้อต่อการกำเนิดของสิ่งมีชีวิต ..
แต่สำหรับภารกิจของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ ที่เป็นเป้าหมายความสนใจของเราวันนี้ และเป็นการค้นพบที่เกิดขึ้นตั้งแต่สองสัปดาห์มา ของการเปิดเผยภาพแรกจากกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ เมื่อวันที่ 11 กรกฎาคม ค.ศ. 2022 คือ ....
...
การค้นพบกาแล็กซีที่เก่าแก่อย่างมาก และสว่างอย่างมาก (แสดงว่า มีขนาดใหญ่มาก) ที่มีอายุเพียง 235 ถึง 280 ปี หลังการเกิด บิกแบง
หรือหลุมดำจะเกิดก่อนกาแล็กซี?
หลังการเปิดเผยภาพรังสีอินฟราเรดจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ แสดงกลุ่มกาแล็กซีจำนวนมาก ที่มีความสว่างมากอย่างผิดปรกติ (อย่างที่นักวิทยาศาสตร์คาดคิด) ก็มีความพยายามมากมายที่จะอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้น
คำตอบที่มีการเสนอขึ้นมา ก็มีอย่างหลากหลายและพิสดาร แต่ที่มีการกล่าวถึงค่อนข้างมากจากนักดาราศาสตร์หลายคน คือ เกี่ยวกับการกำเนิดของดาวฤกษ์ และกาแล็กซีอย่างค่อนข้างพิสดาร และเกี่ยวกับ หลุมดำ แต่มิใช่หลุมดำอย่างที่ "เข้าใจกัน" และที่ถูกค้นพบมาแล้วเป็นจำนวนมาก หากเป็นหลุมดำ "พิเศษ" ในแบบคล้ายๆ กับที่ สตีเฟน ฮอว์คิง (Stephen Hawking) เคยกล่าวไว้ว่า มีเกิดขึ้นในระยะแรกๆ ของจักรวาล และมีชื่อเรียกกันในวงการวิทยาศาสตร์ว่า "primordial black hole" หรือ "หลุมดำต้นกำเนิด"
จนกระทั่งมาถึงรายงานล่าสุด เปิดเรื่องของเราวันนี้ ซึ่งเป็นรายงานจากคณะนักดาราศาสตร์หลายสถาบัน มี ศาสตราจารย์โจเซฟ ซิลค์ (Joseph Silk) นักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ และสถาบันแห่งฟิสิกส์ดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยซอร์บอร์น ปารีส เป็นหนึ่งในคณะนักดาราศาสตร์ และเป็นผู้ที่ให้ข้อมูลรายละเอียดการทำงานของทีมงาน
โจเซฟ ซิลค์ อธิบายว่า จากการวิเคราะห์ศึกษาใหม่ ข้อมูลและภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ คณะทำงานของเขาเชื่อว่า สิ่งที่ตรวจจับได้โดยกล้องโทรทรรศน์ เจมส์ เวบบ์ เป็นสภาพของจักรวาลในระยะแรกเริ่มก่อกำเนิด ซึ่งจากการวิเคราะห์ศึกษาใหม่อย่างละเอียด เชื่อว่า สิ่งที่กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ จับได้ เป็นสภาพของจักรวาลในระยะแรกเริ่ม ที่มี "กระบวนการพิเศษ" เกิดขึ้น เกี่ยวข้องกับ 3 สิ่ง คือ ......
หนึ่ง : กาแล็กซี
สอง : ดาวฤกษ์เกิดใหม่
สาม : หลุมดำ
สิ่งที่ภาพถ่ายแสดงให้เห็นจริงๆ คือ กาแล็กซีที่มีความสว่างผิดปรกติ และร่องรอยหลักฐานการเกิดขึ้นของดาวฤกษ์จำนวนมากอย่างผิดปรกติ ...
ส่วนหลุมดำนั้น แน่นอน ไม่สามารถเห็นได้ แต่คณะนักดาราศาสตร์ประมวลจากสภาพของจักรวาลในระยะแรกเริ่มนั้น และสรุปว่า มีหลักฐานคือ สภาพความปั่นป่วนของจักรวาลในระยะแรกๆ นั้น ซึ่งน่าจะเกิดจาก หลุมดำที่มีพลังงานสูง ทำให้เกิดความปั่นป่วนของสนามแม่เหล็ก ส่งผลต่อการเกิดขึ้นของกลุ่มแก๊สแรกเริ่มของจักรวาล หลังบิกแบง ให้รวมตัวกันเป็น ดวงดาว และเกิดเป็นกาแล็กซีอย่างมากมาย ในระยะแรก ดังหลักฐานจากกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ ที่จับได้
โดย โจเซฟ ซิลค์ กล่าวว่า จากหลักฐานข้อมูลเท่าที่มีอยู่ อาจแบ่งสภาพของจักรวาลในระยะ หนึ่งร้อยล้านปีแรกหลังบิกแบง เป็น 2 ส่วน คือ ส่วนแรก การเกิดขึ้นของดาวฤกษ์อย่างมากมาย จากการขับดันขอ หลุมดำ ....
และส่วนที่สอง เหมือนกับสภาพขาลง เพื่อให้เกิดความสมดุล นั่นคือ การเกิดขึ้นของดาวฤกษ์ที่ลดลง ซึ่งอาจอธิบายได้ว่า เป็นผลเพื่อ "ความสมดุลของพลังงาน" ....
แล้วหลังจากนั้นไม่กี่ร้อยล้านปี จักรวาลก็ดูจะสงบลง และขยายตัวตามสภาพการขยายตัวของจักรวาล ที่ตรวจจับได้ถึงในปัจจุบัน
บทสรุปอย่างตรงๆ ของคณะนักดาราศาสตร์ ก็คือมีหลุมดำยักษ์เกิดขึ้น ตั้งแต่ในระยะแรกๆ ของกำเนิดจักรวาล และก็เพราะการขับเคลื่อน หรืออิทธิพลของหลุมดำเหล่านี้ จึงทำให้เกิดการรวมตัวของกลุ่มแก๊ส เกิดเป็นดวงดาว และเป็นกาแล็กซี ในที่สุด
อย่างแน่นอน เป็นบทสรุปที่ตรงกันข้ามกับความรู้ความเข้าใจที่ยึดถือกันมา ตั้งแต่เริ่มต้นมีการกล่าวถึงกำเนิดของดวงดาว ของกาแล็กซี และของหลุมดำ...
และทำให้คนหลายคน ทั้งในวงการวิทยาศาสตร์และทั่วไป นึกถึงปริศนาชวนพิศวง "ไก่กับไข่ อะไรเกิดก่อน?"
แล้วก็เลยมีการถกกัน "อย่างวิทยาศาสตร์" ว่า "หลุมดำ กับ กาแล็กซี อะไรเกิดขึ้นก่อน?"
สำหรับปริศนาชวนพิศวง "ไก่กับไข่ อะไรเกิดขึ้นก่อน?"
อย่างเป็นวิทยาศาสตร์ ก็มีคำตอบออกมาบ้างแล้ว ดังเช่น คำตอบ อิงทฤษฎีวิวัฒนาการ ซึ่งก็น่าสนใจ แต่สำหรับเราวันนี้ คงต้องปล่อยไปก่อน เพราะต้องคุยกันยาวทีเดียว
แล้วสำหรับประเด็น "หลุมดำกับกาแล็กซี อะไรเกิดขึ้นก่อน" ล่ะ?
โจเซฟ ซิลค์ กล่าวว่า เราคงไม่ต้องรอนานเกินไปนัก เพราะเขาเชื่อว่า ภายในเวลาหนึ่งปี ก็จะมีข้อมูลใหม่จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ เจมส์ เวบบ์ ที่จะช่วยตัดสินอย่างชัดเจนว่า ในจักรวาลของเรา "อะไรเกิดขึ้นก่อน หลุมดำ หรือกาแล็กซี?"
แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ เห็นด้วยกับข้อสรุปใหม่ "หลุมดำเกิดก่อน กาแล็กซี" หรือไม่?
หรือท่านผู้อ่านเอง ยังคิดหรือสงสัยเรื่อง "ไก่ กับ ไข่ อะไรเกิดขึ้นก่อน" หรือไม่ครับ?