หลุมดำ

หลุมดำคือบริเวณในอวกาศที่มวลจำนวนมากถูกอัดอยู่ในพื้นที่เล็กมาก จนความเร็วหลุดพ้นมากกว่าความเร็วแสง ไม่มีสิ่งใดหนีออกมาได้ แม้แต่แสง ขอบเขตที่เลยจุดนั้นแล้วกลับออกมาไม่ได้เรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ และขนาดของขอบเขตนี้สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุนเรียกว่ารัศมีชวาร์สชิลด์ ซึ่งราว 3 กิโลเมตรต่อมวลดวงอาทิตย์ 1 เท่า ถ้าอัดโลกทั้งใบให้เป็นหลุมดำ จะเหลือขนาดเพียงราวเม็ดลูกแก้ว

หลุมดำใหญ่แค่ไหน

รัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุนหาได้จากรัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุนแปรตามมวลตรง ๆ ราว 3 กิโลเมตรต่อมวลหนึ่งเท่าของดวงอาทิตย์

• ถ้าโลกกลายเป็นหลุมดำ จะมีรัศมีเพียงราว 9 มิลลิเมตร
• หลุมดำมวลดาวฤกษ์ 10 เท่าของดวงอาทิตย์ มีรัศมีราว 30 กิโลเมตร ขนาดราวเมืองหนึ่ง
• Sgr A* มวล 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ มีรัศมีราว 12 ล้านกิโลเมตร เล็กกว่าวงโคจรของดาวพุธ
• M87* มวล 6,500 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ มีรัศมีราว 130 หน่วยดาราศาสตร์ ใหญ่กว่าระบบสุริยะถึงวงโคจรของดาวเนปจูนหลายเท่า

ขนาดแปรตามมวลตรง ๆ ความหนาแน่นเฉลี่ยภายในขอบฟ้าเหตุการณ์จึงลดลงตามมวลยกกำลังสอง หลุมดำมวลยวดยิ่งขนาดใหญ่มาก ๆ มีความหนาแน่นเฉลี่ยต่ำกว่าน้ำเสียอีก ส่วนหลุมดำในธรรมชาติซึ่งส่วนใหญ่หมุนอยู่ มีขอบฟ้าเหตุการณ์เล็กกว่ารัศมีชวาร์ซชิลด์ และถ้าหมุนเร็วที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ ขอบฟ้าจะเล็กลงเหลือครึ่งหนึ่ง

หลุมดำมีกี่แบบ

• หลุมดำมวลดาวฤกษ์ มวลราว 3 ถึงหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ เกิดจากแกนของดาวฤกษ์มวลมากที่ยุบตัวเมื่อหมดเชื้อเพลิง ในดาราจักรทางช้างเผือกน่าจะมีหลายล้านหลุม ซิกนัส X-1 ซึ่งพบในทศวรรษ 1970 เป็นวัตถุแรกที่ได้รับการยอมรับว่าน่าจะเป็นหลุมดำ
• หลุมดำมวลยวดยิ่ง มวลหลายล้านถึงหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ อยู่ใจกลางดาราจักรขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง หลุมดำใจกลางทางช้างเผือกชื่อ Sagittarius A* มีมวลราว 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์
• หลุมดำมวลปานกลาง มวลหลายร้อยถึงหลายแสนเท่าของดวงอาทิตย์ พบหลักฐานแล้วบางส่วน แต่ยังมีน้อย

เรารู้ได้อย่างไรว่ามีหลุมดำ

แม้หลุมดำจะไม่เปล่งแสง แต่ส่งผลต่อสิ่งรอบข้างจนสังเกตได้หลายทาง

• ดาวที่โคจรรอบสิ่งที่มองไม่เห็น ทีมของไรน์ฮาร์ด เกนเซล และแอนเดรีย เกซ ติดตามดาวที่โคจรรอบใจกลางทางช้างเผือกนานหลายสิบปี จนคำนวณมวลของ Sagittarius A* ได้ และได้รับรางวัลโนเบลปี ค.ศ. 2020
• จานพอกพูนมวล แก๊สที่หมุนวนก่อนตกลงไปร้อนจัดจนเปล่งรังสีเอกซ์
• คลื่นความโน้มถ่วง LIGO ตรวจพบคลื่นจากหลุมดำสองหลุมชนกันเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 2015
• ภาพถ่ายเงาหลุมดำ กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (EHT) ถ่ายภาพเงาของหลุมดำใจกลางดาราจักร M87 ได้ในปี ค.ศ. 2019 และของ Sagittarius A* ในปี ค.ศ. 2022 เห็นเป็นวงแหวนแสงล้อมเงามืดตรงกลาง

ภาพเงาหลุมดำสองภาพแรก

หลุมดำที่อยู่ใกล้ที่สุดก็ยังปรากฏเล็กมากบนท้องฟ้า Event Horizon Telescope จึงไม่ใช่กล้องตัวเดียว แต่เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุหลายแห่งทั่วโลก ตั้งแต่ฮาวาย ชิลี สเปน ไปจนถึงขั้วโลกใต้ ที่บันทึกสัญญาณพร้อมกันโดยใช้นาฬิกาอะตอมเทียบเวลา แล้วนำข้อมูลมารวมกันจนทำงานเหมือนจานรับสัญญาณขนาดเท่าโลก ที่ความยาวคลื่น 1.3 มิลลิเมตร

ความคมชัดของกล้องขนาดนี้คือราว 20 ไมโครพิลิปดา เทียบได้กับการมองเห็นลูกกอล์ฟที่วางอยู่บนผิวดวงจันทร์จากโลก

สิ่งที่เห็นในภาพไม่ใช่ตัวหลุมดำ แต่เป็นเงาของมัน แสงจากแก๊สร้อนรอบหลุมดำที่ผ่านเข้าใกล้เกินไปจะตกลงไปไม่กลับมา จึงเกิดบริเวณมืดตรงกลางที่ใหญ่กว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าเงานี้มีรัศมีราว 2.6 เท่าของรัศมีชวาร์ซชิลด์ R_s = 2GM/c^2 จึงกว้างราว 5.2 เท่า

• M87* ใจกลางดาราจักร M87 มวลราว 6,500 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ห่างราว 55 ล้านปีแสง สูตรนี้ทฤษฎีทำนายว่าเงาจะปรากฏกว้างราว 40 ไมโครพิลิปดา วงแหวนที่วัดได้ในภาพปี ค.ศ. 2019 กว้างราว 42 ไมโครพิลิปดา เงาของมันใหญ่กว่าวงโคจรของดาวเนปจูน
• Sgr A* ใจกลางทางช้างเผือก มวลราว 4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ห่างราว 27,000 ปีแสง ทำนายไว้ราว 50 ไมโครพิลิปดา วัดได้ในภาพปี ค.ศ. 2022 ราว 52 ไมโครพิลิปดา

บนท้องฟ้าทั้งสองดูใหญ่พอ ๆ กัน เพราะ Sgr A* เบากว่าราว 1,600 เท่า แต่อยู่ใกล้กว่าราว 2,000 เท่า ภาพที่ตรงกับคำทำนายทั้งที่มวลต่างกันกว่าพันเท่าเป็นการทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่สำคัญ แต่ Sgr A* ถ่ายยากกว่ามาก เพราะหลุมดำที่เล็กกว่า แก๊สรอบตัวโคจรครบรอบในเวลาเพียงไม่กี่นาที ภาพจึงเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ ระหว่างการถ่าย ขณะที่แก๊สรอบ M87* ใช้เวลาเป็นวันถึงสัปดาห์ เหมือนการถ่ายภาพเด็กที่วิ่งไปมาเทียบกับการถ่ายภาพคนนั่งนิ่ง ๆ

ถ้าเข้าใกล้หลุมดำจะเกิดอะไรขึ้น

ใกล้หลุมดำ เวลาเดินช้าลงเมื่อมองจากผู้สังเกตที่อยู่ไกล ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ผู้ที่อยู่ไกลจะเห็นวัตถุที่ตกลงไปเคลื่อนช้าลงเรื่อย ๆ และแดงลงจนจางหายไปก่อนถึงขอบฟ้าเหตุการณ์ สำหรับหลุมดำมวลดาวฤกษ์ ความต่างของแรงโน้มถ่วงระหว่างเท้ากับศีรษะรุนแรงมากจนร่างกายถูกยืดเป็นเส้น ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกเล่น ๆ ว่า spaghettification แต่สำหรับหลุมดำมวลยวดยิ่ง แรงนี้ที่ขอบฟ้าเหตุการณ์กลับอ่อนพอที่จะข้ามไปได้โดยยังไม่รู้สึกอะไร

ความต่างของความเร่งระหว่างสองปลายของวัตถุยาว L ที่ระยะ r คือ 2GML/r^3 แทน r ด้วยรัศมีชวาร์ซชิลด์จะได้แรงยืดที่ขอบฟ้า

แรงยืดที่ขอบฟ้าลดลงตามกำลังสองของมวล ที่ขอบฟ้าของหลุมดำมวล 10 เท่าของดวงอาทิตย์ ความต่างของแรงดึงระหว่างศีรษะกับเท้าของคนสูงสองเมตรสูงถึงราวยี่สิบล้านเท่าของแรงโน้มถ่วงโลก แต่ที่ขอบฟ้าของ Sgr A* ซึ่งหนักกว่าสี่แสนเท่า มีค่าเพียงราวหนึ่งในหมื่นของแรงโน้มถ่วงโลก

มืดเองแต่สว่างที่สุดในเอกภพ

แก๊สที่หมุนวนลงสู่หลุมดำร้อนขึ้นจนเปล่งแสงก่อนจะตกลงไป และเปลี่ยนมวลเป็นพลังงานได้มีประสิทธิภาพกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดาวฤกษ์มาก ฟิวชันไฮโดรเจนเปลี่ยนมวลเป็นพลังงานได้เพียงราว 0.7% แต่สสารที่ไหลลงหลุมดำปล่อยพลังงานได้ราว 6% ถึง 42% ของพลังงานมวล ขึ้นกับว่าหลุมดำหมุนเร็วแค่ไหน

หลุมดำมวลยวดยิ่งที่กลืนแก๊สเพียงราวหนึ่งเท่าของมวลดวงอาทิตย์ต่อปี ด้วยประสิทธิภาพราว 10% จะสว่างราวล้านล้านเท่าของดวงอาทิตย์ มากกว่าดาวทั้งดาราจักรรวมกัน นี่คือที่มาของเควซาร์ วัตถุที่สว่างที่สุดในเอกภพ

หลุมดำระเหยได้

สตีเฟน ฮอว์คิง เสนอในปี ค.ศ. 1974 ว่าผลทางควอนตัมทำให้หลุมดำแผ่รังสีออกมาเล็กน้อย เรียกว่ารังสีฮอว์คิง หลุมดำจึงค่อย ๆ สูญเสียมวลและระเหยหายไปได้ในที่สุด แต่สำหรับหลุมดำมวลดาวฤกษ์ต้องใช้เวลานานกว่าอายุเอกภพปัจจุบันอย่างมหาศาล อุณหภูมิของรังสีนี้แปรผกผันกับมวล

หลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์เย็นกว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพ (2.7 เคลวิน) มาก ปัจจุบันมันจึงดูดกลืนพลังงานมากกว่าแผ่ออก และจะเริ่มระเหยจริงจังก็ต่อเมื่อเอกภพเย็นลงกว่านี้ เวลาที่ใช้ระเหยหมดยาวราว 10⁶⁷ ปี รังสีนี้ยังไม่เคยถูกตรวจวัดได้จริง และนำไปสู่ปริศนาข้อมูลของหลุมดำ