การสนับสนุนจากผู้ชมเช่นคุณ ทำให้รายการนี้เกิดขึ้นได้
โปรดบริจาคให้แก่สถานีพีบีเอสของคุณ
ในบรรดาวัตถุทั้งหลายในจักรวาล...
ดาวเคราะห์...
ดวงดาว...
กาแล็กซี...
ไม่มีอะไรแปลก
ลึกลับ
หรือทรงพลัง...
เท่ากับหลุมดำ
หลุมดำเป็นสิ่งที่น่าตื่นตะลึงที่สุดในจักรวาล
มันสามารถกลืนดาวทั้งดวงโดยไม่เป็นอะไรเลย
หลุมดำมีเจ็ตพลังแรงที่พ่นสสารออกมา
- ค้นพบครั้งแรกบนกระดาษ... - บนหลังซองจดหมาย
เป็นรอยปากกาขยุกขยุย
...คำตอบแปลกๆ ของสมการ ที่ดูเหมือนจะแก้ไม่ได้...
ปริศนาทางคณิตศาสตร์
ไอน์สไตน์เองก็ไม่ยอมรับว่าหลุมดำเป็นเรื่องจริง
ผู้คนไม่เชื่อมาหลายปีด้วยซ้ำว่ามันมีอยู่
ธรรมชาติไม่ได้ทำงานแบบนั้น
ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาหลุมดำอย่างช้าๆ
โดยการสังเกตผลกระทบที่มันมี
ต่อสภาพแวดล้อมของมัน
หลักฐานเริ่มมีมากขึ้น...
นั่นคือหลักฐานของหลุมดำ
มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า
การค้นพบใหม่ๆ แสดงให้เห็น...
เราทำได้แล้ว
หลุมดำเป็นเรื่องจริงที่สุด
ผมคิดว่ามันบ้ามาก
ผมบอกว่า "ให้ตายสิ"
แต่มันคืออะไรกันแน่
ถ้าเราสามารถไปที่หลุมดำได้สักแห่ง เราจะได้เห็นอะไร
ด้วยพลังมหาศาลของมัน เป็นไปได้ไหมที่หลุมดำอาจจะกำหนด
รูปร่างของจักรวาล
เป็นไปได้ไหมที่อาจจะไม่มีเรา ถ้าไม่มีมัน
เป็นการเดินทางที่น่าทึ่งมาก
"หายนะหลุมดำ"
ตอนนี้ ที่โนวา
มีวัตถุที่สร้างหายนะมากมายในจักรวาล
เครื่องทำลายล้าง
อันตรายและลึกลับ
หลุมดำ
แม้แต่นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษามัน
ก็เห็นว่ามันน่าประหลาดใจ
หลุมดำสามารถทำให้คุณประทับใจอย่างยิ่ง
ฉันทึ่งมากที่วัตถุนี้มีอยู่จริง
หลุมดำทำลายความเข้าใจธรรมชาติของเรา
หลุมดำคือปริศนายิ่งใหญ่ในจักรวาล
มันล่องหนอย่างสมบูรณ์
แต่ทรงพลังเกินจะนึกฝัน
มันสามารถฉีกดาวเป็นชิ้นๆ
ที่จริงแล้วหลุมดำจะกลืนกินทุกสิ่งที่เข้ามาขวางทาง
ไม่ว่าอย่างไรก็ตามคุณจะไม่อยากเจอมัน
หลุมดำทำให้เวลาช้าลงได้ด้วยซ้ำ
ความคิดหนึ่งประหลาดเกินกว่าจะเป็นจริง...
หลุมดำทำให้ความเข้าใจ เรื่องฟิสิกส์ของเราแตกเป็นเสี่ยงๆ
แต่เราได้เรียนรู้ว่ามันอาจจะจำเป็น
สำหรับจักรวาลที่เราต้องรู้ว่ามันมีอยู่จริง
มันอาจจะเป็นตัวละครสำคัญในจักรวาล
วัตถุประหลาดและทรงพลังเหล่านี้คืออะไร...
รุนแรงและน่าประหลาดใจ
พวกมันอยู่ที่ไหน และควบคุมจักรวาลอย่างไร
การค้นหาหลุมดำเริ่มต้นขึ้นแล้ว
และมันจะเป็นการเดินทางข้ามจักรวาลที่โลดโผน
สู่สถานที่ที่ทุกอย่างที่คุณรู้จะถูกท้าทาย...
ที่ที่อวกาศและเวลา แม้แต่ความจริง เป็นเรื่องแปลกยิ่งกว่านิยาย
และเราจะเริ่มต้นการเดินทางนี้ ณ สถานที่ที่ไม่น่าเป็นไปได้
ที่นี่ สถานที่ห่างไกลในรัฐวอชิงตัน
ที่ซึ่งการทดลองใหม่ที่สำคัญ
ได้ตรวจพบหลุมดำเป็นครั้งแรก
(ไลโก หอสังเกตการณ์แฮนฟอร์ด)
มันเกิดขึ้นเมื่อกว่า 50 ปีก่อน
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ช่างฝันสองสามคน
จินตนาการถึงเทคโนโลยีที่ยังไม่เคย มีการประดิษฐ์ขึ้น...
สำหรับค้นหาสิ่งที่ไม่มีใครแน่ใจว่าจะหาพบ
การทดลองนี้เสี่ยงและอันตราย
ความล้มเหลวอาจจะเป็นรอยด่าง ในชีวิตพวกเขาตลอดไป
แต่พวกเขาก็ไม่พลาด
ตรงนี้ ในอาคารเหล่านี้
พวกเขาได้ค้นพบครั้งสำคัญ
(14 กันยายน 2015)
ช่วงเช้ามืดวันที่ 14 กันยายน 2015
พวกเขาบันทึกข้อความไว้ได้
มันฟังและดูเหมือนเช่นนี้
(ไลโก แฮนฟอร์ด ไลโก ลิฟวิงสตัน)
แค่เสียงเบาๆ
แต่เสียงนั้นยิ่งใหญ่และสำคัญมาก
สัญญาณเดินทางกว่าพันปีแสงเพื่อมาถึงเรา
มันมาจากที่ที่ห่างไกลมากๆ
และสิ่งที่มันบอกเราก็คือนี่
ที่ไหนสักแห่งในจักรวาล เมื่อกว่าพันล้านปีก่อน
หลุมดำขนาดใหญ่สองหลุม โคจรเข้าหากันอย่างอันตราย
พวกมันเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆ
หมุนเร็วขึ้นๆ
จนกระทั่งในที่สุด มันก็ชนกัน
หลุมดำสร้างคลื่นที่กระจายออก
เหมือนแรงสั่นสะเทือนบนกลอง...
เป็นการสั่นสะเทือนอยู่ในห้วงอวกาศเอง
การชนกันทำให้เกิดการระเบิดรุนแรง
ส่งพลังที่มากกว่าทั้งจักรวาล ที่มองเห็นได้ถึง 50 เท่าออกมา
มันส่งคลื่นออกมา ไม่ใช่คลื่นความร้อน คลื่นแสง หรือคลื่นเสียง
แต่เป็นคลื่นความโน้มถ่วง
คลื่นความโน้มถ่วงนี้เดินทางผ่านจักรวาล
ด้วยความเร็วแสง
คลื่นนี้แข่งกับดวงดาวต่างๆ
บนโลกระยะเริ่มแรก มหาทวีปกำลังก่อตัว
สิ่งมีชีวิตเล็กๆ เพิ่งปรากฏขึ้น
ไหลข้ามกาแล็กซีหนึ่ง แล้วก็อีกหนึ่ง และอีกหนึ่ง
ไดโนเสาร์ครองโลก
คลื่นยังคงเคลื่อนที่
มันพุ่งผ่านกลุ่มหมอกของฝุ่น
จากนั้นก็ใกล้มาถึงกาแล็กซีทางช้างเผือก
ยุคน้ำแข็งเพิ่งเริ่มขึ้น
เราเป็นมนุษย์ถ้ำ วาดภาพอยู่ในถ้ำ
คลื่นได้มาถึงดวงดาวใกล้ๆ
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์กำลังเรียนชั้น ป.หก
คลื่นเข้าใกล้อัลฟาเซนทอรี
ตอนเที่ยงคืนวันที่ 13 กันยายน 2015
มันก็มาถึงดาวเสาร์
ในที่สุดกว่าหนึ่งพันล้านปี หลังจากที่หลุมดำชนกัน
คลื่นก็มาถึงเรา
มันผ่านหอสังเกตการณ์ใหม่ทั้งสองแห่ง
ที่ตั้งของการทดลองที่เสี่ยงอันตราย
นี่คือไลโก
หอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง โดยใช้มาตรแทรกสอดเลเซอร์
การทดลอง 50 ปีที่ประสบความสำเร็จในที่สุด
และเปิดทางสู่การสำรวจจักรวาลใหม่ทั้งหมด
เป็นเวลา 400 ปีแล้ว ที่เกือบทุกอย่าง ที่เราสังเกตในอวกาศ
มาถึงเราในรูปแบบของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า
เสียงเล็กๆ นี้แตกต่างไป
สิ่งที่มาถึงโลกในเดือนกันยายน ปี 2015
เป็นคลื่นความโน้มถ่วง...
โครงสร้างอวกาศที่ถูกบีบและเหยียดออก
มันไม่มีแสงสว่าง
ไม่มีกล้องโทรทรรศน์ตัวใดเคยส่องเห็นการชน
เราต้องการหอสังเกตการณ์ รูปแบบใหม่ทั้งหมดเพื่อตรวจหามัน
คลื่นนั้นเป็นหลักฐานใหม่โดยตรง
ของปริศนาที่แปลกที่สุดเรื่องหนึ่ง ในจักรวาลของเรา
หลุมดำ
พวกเราส่วนใหญ่เคยได้ยินเรื่องหลุมดำ
มันล่องหนและทรงพลัง
เรากำลังพูดถึงสิ่งที่มีมวลมากกว่า ดวงอาทิตย์พันล้านเท่า
ประหลาด
อัตลักษณ์ทางกายภาพ
ที่มีความหนาแน่นไม่สิ้นสุด
ไม่มีจุดเริ่มต้น ไม่มีจุดสิ้นสุด
มันดึงดูดทุกอย่างเข้าไป
แล้วบิดเบือนแสง
เมื่อเข้าใกล้หลุมหนึ่ง เวลาเองก็เริ่มเปลี่ยนแปลง
แรงดึงดูดรุนแรงมากจนนาฬิกาที่กำลังเดิน
ขยับช้าลง
เวลาจะช้าลงมากจนเรา...
จนเราจะสามารถเห็นอนาคตทั้งหมดของจักรวาล
เปิดเผยขึ้นตรงหน้า
ถ้าหล่นลงไป คุณจะถูกบีบจนบาง เหมือนเส้นก๋วยเตี๋ยว
คุณจะถูกดันผ่านโครงสร้างของอวกาศและเวลา
เหมือนยาสีฟันผ่านหลอด
วันนี้เรารู้เรื่องหลุมดำมากขึ้นกว่าเมื่อก่อน
แต่ยิ่งเราศึกษา มันก็ยิ่งเป็นปริศนา
พวกมันเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดที่สุดในจักรวาล
เราไม่มีกฎฟิสิกส์ที่จะอธิบายมันได้
ไม่ว่าคุณจะเข้าใจมันดีแค่ไหน
มันก็ยังเข้าถึงยากในบางแง่
(ระบบถูกใช้เกินกำลัง)
ตอนนี้มนุษย์กำลังจะเข้าสู่หลุมดำ
(หลุมดำ)
หลุมดำมีชื่อเสียงน่ากลัว
และถ้าคุณอยากได้ตัวร้ายสำหรับหนังวิทยาศาสตร์ ก็ต้องเลือกหลุมดำ
แต่ในความเป็นจริง หลุมดำคืออะไรกันแน่
และมันมาจากไหน
คุณอาจจะคิดว่าหลุมดำเป็นเหมือนเช่นนี้...
วัตถุหนึ่ง
แต่มันไม่ใช่
มันคือหลุมในโครงสร้างอวกาศ
สถานที่ที่ไม่มีอะไรเลย นอกจากความโน้มถ่วง
ความโน้มถ่วงที่รุนแรงและท่วมท้น
ดังนั้นถ้าหลุมดำมีแต่ความโน้มถ่วง
ความโน้มถ่วงที่รุนแรงที่สุด
อะไรคือความโน้มถ่วงกันแน่
(คาเฟความโน้มถ่วง)
(เปิด)
เราต่างคุ้นเคยกับความโน้มถ่วง
ใช่ วันนี้วันศุกร์
มันควบคุมชีวิตเรา
แต่ถึงอย่างนั้น จริงๆ แล้ววิธีทำงาน ของความโน้มถ่วง
ยังเป็นปริศนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดเรื่องหนึ่ง
มาเป็นระยะเวลานานมาก
เมื่อกว่า 300 ปีก่อน
ไอแซก นิวตันประหลาดใจกับพฤติกรรม การเคลื่อนที่ของวัตถุ
ในที่สุดเขาก็พบกฎการเคลื่อนที่
พวกมันใช้งานได้ดีมาก เรายังคงใช้อยู่ในปัจจุบัน
ยกตัว เรายกตัวขึ้นที่เวลา 9.34 นาฬิกา
แต่กฎของนิวตันเพียงแค่อธิบาย ผลของความโน้มถ่วง
แต่ไม่ได้อธิบายว่ามันคืออะไร
และตอนนี้เองที่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์เข้ามา
เขาคิดเรื่องการเคลื่อนที่ของวัตถุเหมือนนิวตัน
และเขาสงสัยว่าความโน้มถ่วงนั้น แท้จริงแล้วคืออะไร
มันคือพลังใช่หรือไม่
หรือจะเป็นอย่างอื่นหรือเปล่า
นี่คือสิ่งที่ทำให้ไอน์สไตน์สนใจ
หยิบแอปเปิลขึ้นมา
ฉันไม่สามารถขยับมันได้โดยไม่สัมผัส
แต่ถ้าฉันปล่อยมันลง...
มันจะเคลื่อนเข้าหาโลก
แต่ถ้าฉันเอามือออก
เอาพื้นออก เอาชั้นใต้ดิน และชั้นที่ต่ำลงไปออกไปด้วย
แล้วจะเกิดอะไรขึ้น
แอปเปิลก็จะตกลงไปเรื่อยๆ
ไอน์สไตน์รู้ว่าความโน้มถ่วงนั้น
มีบางอย่างเกี่ยวข้องกับการตก
ตอนนี้ถ้าฉันโยนแอปเปิล...
มันจะหล่นลงเป็นเส้นโค้ง
แต่นึกภาพว่าฉันทำให้แอปเปิลเคลื่อนที่เร็วขึ้น
ในที่สุดถ้าฉันทำให้แอปเปิลเคลื่อนที่เร็วมากๆ
สัก 27,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง...
เส้นทางของมันจะโค้งสัมพันธ์ กับความโค้งของโลก
แอปเปิลอยู่ในวงโคจร ตกได้อย่างอิสระ
เหมือนสถานีอวกาศนานาชาติ
และนักบินอวกาศที่อยู่ด้านใน
ตามความคิดของไอน์สไตน์
แอปเปิล สถานีอวกาศ และนักบินอวกาศ...
ทั้งหมดตกอย่างอิสระไปตาม เส้นทางโค้งในอวกาศ
แล้วอะไรที่ให้เส้นทางนั้นโค้ง
มวลของโลก
ไอน์สไตน์ได้แนวคิดที่ง่ายมากๆ
และนั่นคืออวกาศและเวลาถูกบิดโดยโลก
โดยดวงอาทิตย์ และโดยวัตถุทุกอย่างบนโลก
ดังนั้นตามแนวคิดของไอน์สไตน์
มวลของวัตถุต่างๆ...
ทำให้อวกาศรอบๆ มันบิดโค้ง
และนั่นคือความเข้าใจของไอน์สไตน์
ไม่พลังใดๆ อีกแล้ว
มีแค่วัตถุต่างๆ ที่บิดกาล-อวกาศ
และวัตถุอื่นๆ ก็เคลื่อนตรงตามไป
วัตถุทุกอย่างที่เคลื่อนที่ เคลื่อนตามเส้นโค้งในอวกาศ
แล้วโลกขยับแอปเปิลโดยไม่ต้อง สัมผัสมันได้อย่างไร
โลกทำให้อวกาศโค้ง
และแอปเปิลตกอย่างอิสระไปตามเส้นโค้งนั้น
ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์
ความโน้มถ่วงทำให้อวกาศโค้ง
และความเข้าใจเรื่องความโน้มถ่วง
ที่ว่าวัตถุทำให้อวกาศรอบตัวมันโค้ง
นำไปสู่หลุมดำโดยตรง
แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ไม่ใช่คนแรก ที่สร้างความเชื่อมโยง
ระหว่างความโน้มถ่วงกับหลุมดำ
แต่เป็นนักวิทยาศาสตร์อีกคน
คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์
เป็นนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน
หัวหน้าหอสังเกตการณ์ในพอตส์ดัม ในเยอรมัน
(มาร์เซีย บาร์ทูเซียก เอ็มไอที)
ตั้งแต่สมัยวัยรุ่น เขาก็คำนวณ
คุณลักษณะที่ซับซ้อนของวงโคจร ของดาวเคราะห์มาตลอด
เมื่อไอน์สไตน์เปิดเผยทฤษฎีความโน้มถ่วง ของเขาในปี 1915
คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์อยู่ในกองทัพเยอรมัน
กำลังคำนวณวิถีกระสุนปืนใหญ่ ในสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง
และเพียงไม่กี่สัปดาห์หลังจากที่ไอน์สไตน์ ตีพิมพ์การค้นพบของเขา
ชวาทซ์ชิลท์ ซึ่งอยู่ที่แนวหน้ารัสเซีย...
ก็รีบหามาหนึ่งฉบับ
และทำแผนที่สนามแรงโน้มถ่วงรอบดวงดาว
ไอน์สไตน์ประมาณคำตอบไว้หลายชุด
แต่ชวาทซ์ชิลท์...
นั่งอยู่ที่แนวหน้า มีระเบิดและกระสุนบินว่อน
คำนวณหาคำตอบที่แน่นอนของทฤษฎีของไอน์สไตน์
แล้วส่งมันไปให้ไอน์สไตน์
ไอน์สไตน์ประหลาดใจมาก
เขาไม่เคยคิดเลยว่าจะมีคนแก้สมการ เหล่านี้ได้อย่างถูกต้อง
แต่ชวาทซ์ชิลท์ยังไม่เสร็จเรื่อง
ในคำตอบของสมการของไอน์สไตน์
เขาได้พบบางอย่างที่ไอน์สไตน์เองก็ไม่ได้คาดไว้
ชวาทซ์ชิลท์กล่าวว่า "ผมสามารถคำนวณ ระยะแปลกๆ
จากวัตถุที่มีความโน้มถ่วง
ที่แสดงถึงขอบเขต"
ชวาทซ์ชิลท์เน้นความสนใจทางคณิตศาสตร์ที่มวล
ตัวอย่างเช่น ดาวดวงหนึ่ง
เข้าไปยังจุดหนึ่ง
แล้วเขาก็คำนวณว่ามวลจะบิดอวกาศ
และรัศมีโค้งของแสงที่ผ่านมาใกล้อย่างไร
จากการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของเขา
เขาพุ่งเป้าไปที่อนุภาคของแสง หรือสสารที่มุ่งไปยังจุดนี้
มีขอบเขตล้อมรอบจุดนี้
ซึ่งอนุภาคจะหยุดลง
แล้วอนุภาคก็หายไป
เวลาหยุดลง
ชวาทซ์ชิลท์ได้ค้นพบ
ว่ามวลที่มีความหนาแน่นจะบิดเบือนอวกาศ
จนที่สุดมันได้สร้างพื้นที่ที่ไม่มีทางกลับออกมา
อะไรก็ตามที่เข้าไปในพื้นที่นั้นจะถูกกัก
ไม่สามารถออกมาได้... แม้แต่แสง
มันเหมือนกับบ้านดักแมลงสาบ
คุณเข้าไปได้ แต่ออกมาไม่ได้
เมื่อข้ามเขตแดนเข้าไป
แม้ว่าคุณจะแล่นผ่านไปได้
แต่ไม่มีทางที่คุณจะกลับออกมาได้
ไม่มีทางที่คุณจะส่งสัญญาณออกมา
มันกลายเป็นส่วนประหลาดที่ถูกตัดออก จากกาล-อวกาศ
สิ่งที่คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ค้นพบ
คือมวลสารใดถูกอัดอยู่ในพื้นที่ที่เล็กมากพอ
มันจะสร้างสิ่งที่เราเรียกกันในทุกวันนี้ว่าหลุมดำ
แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
ซึ่งทฤษฎีความโน้มถ่วงของเขาก็ทำนายสิ่งนี้เช่นกัน
ไม่เชื่อว่ามันจะสามารถเกิดขึ้นในโลกความจริง
ไอน์สไตน์ไม่คิดว่า
ธรรมชาติจะทำเช่นนั้น
เขาไม่ชอบแนวคิดนี้
คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์เริ่มป่วย
และเสียชีวิตก่อนที่เขาจะมีโอกาสได้ศึกษา การค้นพบของตัวเองต่อไปอีก
(เยอรมนียอมแพ้)
อีกสองปีครึ่งต่อมา ในเดือนพฤศจิกายน 1918
สงครามโลกครั้งที่หนึ่งสิ้นสุดลง
รูปกลมตามทฤษฎีแปลกๆ ที่คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ค้นพบ
ดูเหมือนจะถูกกำหนดให้ถูกลืม
เป็นแค่หมายเหตุทางประวัติศาสตร์แปลกๆ
แต่ในทศวรรษต่อๆ มา
นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้เรื่องอะตอมมากขึ้น...
และรู้ว่าอะตอมที่หลอมรวมกันให้พลัง แก่ดวงดาวอย่างไร
เป็นกระบวนการที่เรียกว่านิวเคลียร์ฟิวชัน
บางคนก็เริ่มสงสัยว่าอะไรอย่างหลุมดำนี้
สามารถเกิดขึ้นจากดาวได้จริงหรือไม่
แต่ไม่ใช่แค่ดาวใดก็ได้ มันจะต้องใหญ่ด้วย
ดวงดาวเกิดขึ้นทั่วไป
คุณจะเจอว่ามีขนาดและมวลที่หลากหลาย...
ดาวเล็กๆ นับพันๆ ดวง
มีดาวดวงใหญ่ ใหญ่มากอยู่บ้าง
มีมวลมากอย่างเหลือเชื่อ
ดวงดาวก็เหมือนกับสิ่งมีชีวิตในหลายๆ แง่
มนุษย์มีวงจรชีวิต
มีการศึกษาวงจรชีวิตของดาวในทศวรรษที่ 1930 โดยสองนักคิด
สุพรหมัณยัน จันทรเศขร และ โรเบิร์ต ออพเพนไฮเมอร์
ผู้ค้นพบว่าดาวที่มีมวลมากที่สุด
จะสิ้นอายุแตกต่างจากดาวที่เล็กกว่ามาก
(ฟิสิคัลรีวิว เรื่องแกนนิวตรอนมวลมาก)
(นีอา อิมารา มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด)
วงจรชีวิตของดวงดาวขึ้นอยู่กับมวลของมันจริงๆ
มวลของดาวกำหนดสิ่งที่จะเกิดขึ้น
หลังจากมันเผาพลังงานไฮโดรเจนจนหมด
ดาวทุกดวงเริ่มจากการเผาไฮโดรเจน อะตอมที่เบาที่สุด
หลอมอะตอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม
ขึ้นไปจนถึงธาตุที่หนักกว่า
ความโน้มถ่วงต้องการบีบอัดมวลทั้งหมดของดาว
แต่พลังงานมหาศาลที่ปล่อยออกมาจาก การฟิวชันผลักออก
ทำให้ดาวไม่สลาย
ดาวจะมีความเสถียรเนื่องจากมีแรงดันออก
จากนิวเคลียร์ฟิวชัน
และทำให้เกิดสมดุลกับแรงผลักเข้า ของความโน้มถ่วง
ดาวที่เล็กกว่าไม่สามารถหลอมธาตุ ที่หนักกว่าฮีเลียม
แต่ในดาวมวลมากส่วนใหญ่
การฟิวชันจะหลอมธาตุที่หนักขึ้นๆ
ไปจนถึงธาตุเหล็ก
(เหล็ก)
เหล็กเป็นธาตุมวลมาก และมีโปรตอนอยู่มาก
ตอนที่หลอมรวมธาตุเหล็ก
เราจะไม่ได้พลังงานกลับออกมา
เหล็กเป็นทางตันของดวงดาว
การหลอมอะตอมที่ใหญ่กว่าเหล็ก
ไม่ได้ปล่อยพลังงานออกมาพอที่จะค้ำจุนดวงดาว
และเมื่อไม่มีพลังงานมากพอจากการฟิวชัน
ที่จะช่วยให้ดาวพองตัวอยู่
ก็ไม่มีอะไรจะสู้แรงโน้มถ่วงได้
และความโน้มถ่วงก็ชนะ
ดาวทั้งดวงจะยุบตัวลง
วัตถุนับล้านๆ ตันจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว
กระแทกแกนหนาแน่นแล้วสะท้อนกลับออกมา
ระเบิดผิวชั้นนอกของดาวออก ในการระเบิดครั้งใหญ่
ซูเปอร์โนวา
ยิ่งมีมวลมาก ความโน้มถ่วงก็ยิ่งมาก
ถ้าแกนที่เหลืออยู่มีมวลมากพอ
ความโน้มถ่วงจะไม่สามารถหยุดยั้งได้
ไม่มีพลังไหนที่เรารู้จัก
จะสามารถป้องกันการยุบตัว กลายเป็นจุดเล็กๆ นี้ได้
ความโน้มถ่วงบีบอัดแกนดาว
ให้เล็กลงๆ เรื่อยๆ
จนมวลทั้งหมดถูกอัดถึงจุดเล็กอนันต์...
หลุมดำ
ทฤษฎีนี้มีเหตุผล
แต่นักฟิสิกส์ยังคงข้องใจเรื่องหลุมดำ
ไอน์สไตน์และเอ็ดดิงตัน และบรรดา
นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่โดดเด่น ในช่วง 1930 ถึง 1950
ไม่เชื่อว่าหลุมดำมีอยู่จริง
มันยังเป็นคำตอบของปริศนาทางคณิตศาสตร์
ต่อมาอีกนานมาก
ดังนั้นจึงต้องใช้เวลานานมาก กว่าที่ผู้คนจะเริ่มมองหามัน
จนกระทั่งทศวรรษที่ 1960
ที่แนวคิดเรื่องซูเปอร์โนวาสร้างหลุมดำ ได้รับการยอมรับอย่างจริงจัง
จอห์น วีลเลอร์ นักฟิสิกส์ จากพรินซ์ตัน ผู้ซึ่งเคยมีความข้องใจ
เริ่มใช้ชื่อจากประวัติศาสตร์ เรียกวัตถุล่องหนเหล่านี้...
ว่าหลุมดำ
คำว่า "หลุมดำ" มีต้นกำเนิดมาจากอินเดีย
หลุมดำเป็นชื่อของคุกที่เสื่อมทรามในโกลกาตา
(ถูกจองจำในหลุมดำ)
แต่ก็ยังไม่มีใครเคยตรวจพบสัญญาณของหลุมดำ
จนปี 1967 โจเซลีน เบลล์ นักศึกษาบัณฑิตศึกษา
ได้ค้นพบดาวดับดวงเล็กมากที่แปลกประหลาด
ซึ่งเปล่งแสงจางๆ
ดาวนิวตรอน
ซากเย็นที่เหลือจากการยุบตัวของดาว
ดาวนิวตรอนทำให้นักดาราศาสตร์ มีความมั่นใจมากขึ้น
ว่าหลุมดำ ที่หนักกว่าดาวที่ดับแล้วมาก
อาจจะมีอยู่
50 ปีหลังจากคาร์ล ชวาทซ์ชิลท์
แสดงผลทางคณิตศาสตร์ว่าหลุมดำ มีความเป็นไปได้ทางทฤษฎี
นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายกระบวนการธรรมชาติ
ที่อาจสร้างมันขึ้นมา นั่นคือการดับของดาวขนาดใหญ่
การระเบิดซูเปอร์โนวาขนาดยักษ์ ของดาวที่มีมวลมหาศาลเหล่านี้
ทำให้เกิดหลุมดำ
ดาวดวงใดที่เกิดโดยมีมวล
มากกว่ามวลของดวงอาทิตย์ ประมาณสิบเท่าหรือมากกว่า
จะกลายเป็นหลุมดำ
กาแล็กซีของเราเต็มไปด้วยหลุมดำเล็กๆ
ซึ่งก็คือซากดาวของดวงดาวหลายๆ รุ่น
ที่เกิดขึ้นและดับลง
แล้วซากดาวล่องหนเหล่านี้หน้าตาเป็นอย่างไร
ลองนึกภาพฉันกำลังสำรวจอวกาศ
โดยมีเทคโนโลยีทันสมัย เพื่อการเดินทางระหว่างดวงดาว
เราจึงสามารถเดินทางไปยังหลุมดำได้
อาจจะที่หนึ่งในกาแล็กซีใกล้ๆ เรา
หลุมดำหลุมนี้ไม่ได้ใหญ่มากนัก
แค่ประมาณมวลของดวงอาทิตย์สิบดวง
แปลว่าสิบเท่าของมวลของดวงอาทิตย์
และมันมีขอบฟ้าเหตุการณ์เช่นเดียวกับหลุมดำอื่นๆ
ขอบที่ชัดเจนของความมืด
ขอบเขตนี้ คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ เป็นผู้ค้นพบเป็นคนแรก
มีความโน้มถ่วงรุนแรงมากจนไม่มีอะไร หลุดรอดออกมาได้
แม้แต่แสง
และนั่นคือที่ที่เรากำลังจะไปกัน
เมื่อเราเข้าใกล้มากขึ้น เรื่องแปลกๆ ก็เริ่มเกิดขึ้น
ดูที่ขอบของหลุมดำนั่นสิ
ดูว่าภาพของดาวที่ห่างไกลนี้ถูกบิดเบือน และละเลงไว้ในวงกลมอย่างไร
นั่นคือเลนส์ความโน้มถ่วง
ความโน้มถ่วงรุนแรงของหลุมดำ บิดเส้นทางของแสงที่ผ่านมา
จนทำให้แสงจุดเดียว ที่เหมือนกับดาว
ปรากฏเป็นวงแหวนในช่วงสั้นๆ รอบขอบฟ้าเหตุการณ์
ตอนนี้ฉันถูกดูดลึกเข้าไปใน ความโน้มถ่วงของหลุมดำ
และเรากำลังจะได้รับรู้ถึงผลกระทบ
ที่จริงความโน้มถ่วงรุนแรงทำให้เวลาช้าลง
เทียบเคียงกับโลก
จากมุมมองของพวกเขา
ฉันกลายเป็นช้าลง
แต่จากมุมมองของฉัน เวลาบนโลกเร่งเร็วขึ้น
เอาเป็นว่าฉันอยากเข้าไปใกล้ขึ้นอีก
โดยการเดินในอวกาศ
(โนวา)
วิธีที่หลุมดำทำให้เวลาช้าลง
กำลังจะชัดเจนมากยิ่งขึ้น
เพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงที่ฉันกำลังจะได้เจอ
ฉันจะเป็นไฟกะพริบนี่
มันจะกะพริบนาทีละครั้ง
จากตรงนี้ ฉันสามารถเห็นเงาของ ขอบฟ้าเหตุการณ์ใกล้เข้ามา
และไฟของฉันยังกะพริบปกติ
แต่เมื่อมองจากยาน
ยิ่งฉันเคลื่อนเข้าใกล้หลุมดำมากขึ้น
ก็ดูเหมือนฉันเคลื่อนไหวช้าลง
การกะพริบเกือบจะเว้นช่วงนานไม่สิ้นสุด...
มันดูราวกับฉันถูกแช่แข็งในกาลเวลา
สำหรับฉัน ทุกอย่างปกติหมด
แม้แต่เมื่อฉันไปถึงขอบฟ้าเหตุการณ์
ถ้าคุณรอนานพอ...
อาจจะหลายล้านหรือหลายพันล้านปี
ในที่สุดยานจะเห็นฉันหายตัวไป
และนั่นคือครั้งสุดท้ายที่คุณจะเห็นฉัน
มีอะไรอยู่ด้านในหลุมดำเหรอ
นั่นยังเป็นปริศนา
และถึงแม้ฉันจะพบคำตอบ ฉันก็ไม่สามารถกลับไปบอกคุณได้
แต่ฉันขอบอกแบบนี้ หลุมดำอาจจะดูมืดจากด้านนอก
แต่ภายใน มันสามารถสว่างได้
ฉันเห็นแสงจากกาแล็กซีที่หล่นลงมาด้านหลัง
และนั่นเป็นสิ่งสุดท้ายที่ฉันจะได้เห็น
น่าเสียดาย ความสนุกกำลังจะจบลง
ตอนนี้ฉันข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์มาแล้ว
ฉันกำลังหล่นไปสู่ใจกลาง
ที่ซึ่งมวลทั้งหมดของหลุมดำถูกอัดแน่น
และฉันเริ่มที่จะเหยียดยาวออก
ขณะที่ตกลงไป แรงดึงของความโน้มถ่วงที่เท้าฉัน
แรงกว่าที่ศีรษะ
และร่างกายของฉันเริ่มที่จะถูกดึงออกจากกัน
ฉันจะถูกดึงให้ยาวและบางเหมือน เส้นก๋วยเตี๋ยว... เส้นสปาเกตตี
และในที่สุด ฉันก็จะลงเอย
ด้วยการแยกสลายเป็นอนุภาคพื้นฐาน
ซึ่งจากนั้นก็จะถูกบีบอัดจนถึงจุดเล็กอนันต์
ภาวะเอกฐาน
ที่ซึ่งทุกอย่างที่เราเข้าใจเกี่ยวกับ อวกาศและเวลาจะไม่มีความหมาย
หรือบางทีหลุมดำ
ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ด้านนอก น้อยกว่า 65 กิโลเมตร
จะใหญ่เท่ากับจักรวาลที่ด้านใน
และเมื่อฉันผ่านเข้าไป
อนุภาคของฉันจะไปรวมกับซุปแห่งชีวิต ของการเริ่มกำเนิดใหม่
ดังนั้นนั่นคือสิ่งที่ทฤษฎีบอกว่าเราอาจจะได้เจอ
ถ้าเราสามารถเดินทางไปยังหลุมดำ
แต่เราจะแน่ใจได้อย่างไร
เราจะศึกษาสิ่งที่มองไม่เห็นด้วยซ้ำได้อย่างไร
(สนามแยงกี้)
มีวิธีที่จะศึกษามากมาย
ถ้ามีอะไรกำลังเกิดขึ้นที่ไหนสักแห่ง
ถึงแม้ฉันจะมองไม่เห็นสิ่งนั้นโดยตรง
ดูอย่างสนามแยงกี้...
กำลังเกิดอะไรขึ้นที่ด้านใน
มีการแข่งขันอยู่หรือเปล่า
ฉันมองไม่เห็นสนาม
ฉันไม่เห็นนักกีฬาสักคน ลูกเบสบอล หรือไม้เบสบอล
แต่ฉันสามารถบอกได้แน่ๆ ถ้ามีกิจกรรมที่รอบๆ สนาม
(รถไฟใต้ดิน)
มันชัดเจนว่าบางสิ่งกำลังเกิดขึ้น
มันอาจจะดูเด่นชัด แต่ไม่ว่ามันจะเป็นอะไร
ฉันได้เรียนรู้มากมายจากการสังเกต สิ่งที่กำลังเกิดขึ้นรอบๆ สนาม
และนี่ก็ดูเหมือนแฟนกีฬาเบสบอลมากด้วย
และนั่นคือวิธีที่เราศึกษาหลุมดำ
ด้วยการสังเกตผลกระทบที่เกิดขึ้นโดยรอบมัน
แต่ผลกระทบอะไรล่ะ
หลุมดำจะเปิดเผยตัวเองอย่างไร
มันเริ่มขึ้นเมื่อก่อนสงครามโลกครั้งที่สอง
การค้นพบสำคัญสองครั้งกำลังจะ เปลี่ยนแปลงดาราศาสตร์ครั้งใหญ่
(พบสัญญาณวิทยุอิมพัลส์ จากใจกลางทางช้างเผือก)
ในปี 1931 คาร์ล แจนสกี วิศวกรของเบลล์แล็บส์
พบคลื่นวิทยุปริศนาจากอวกาศ
จากนั้นท้องฟ้าก็ยิ่งประหลาดมากขึ้น...
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้ติดไกเกอร์เคาน์เตอร์ ไว้บนจรวดของเยอรมัน
และพบว่าจักรวาลเต็มไปด้วยรังสีเอ็กซ์
การค้นพบเหล่านี้ทำให้นักดาราศาสตร์ ได้พบเครื่องมือใหม่ที่สำคัญ
ซึ่งจะปฏิวัติการตามล่าหลุมดำ
และขยายมุมมองของเราอย่างมาก
สิ่งที่ตาสามารถรับรู้
คือส่วนที่แคบมากๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
ถ้าสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ถูกวางทอดยาวไปตามสะพานบรูคลิน
ส่วนที่เราสามารถเห็นด้วยตา จะกว้างเพียงไม่กี่ฟุต
รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
รวมคลื่นความถี่ต่างๆ ไว้
ทั้งคลื่นวิทยุ คลื่นไมโครเวฟ แสงอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต
รังสีเอ็กซ์และรังสีแกมมา
ดาราศาสตร์วิทยุและดาราศาสตร์รังสีเอ็กซ์ ได้เปิดท้องฟ้า
เผยวัตถุที่สลัวหรือแม้แต่มองไม่เห็น
ระเบิดพลังงานรุนแรงที่ไม่มีใครรู้ว่ามีอยู่ออกมา
(เรนเนอร์ ไวส์ เอ็มไอที)
พวกเขาเริ่มเข้าใจว่าสิ่งที่สงบนิ่งมากๆ ที่เราเห็นในอวกาศ
สิ่งที่สงบมากๆ ทั้งหมดนี้ ดูเหมือนไม่มีอะไรเกิดขึ้น
และสิ่งเดียวที่เคลื่อนไหวคือดาวเคราะห์
ได้พบว่ามีความวุ่นวายเกิดขึ้นที่นั่น
ที่นั่นมีความโกลาหลอยู่
รังสีเอ็กซ์มาจากด้านที่มีพลังงานสูงของสเปกตรัม
อะไรสร้างพลังงานทั้งหมดนี้
สิ่งนี้แน่นอน ไม่ว่าจะเป็นแหล่งไหน
มันมองไม่เห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ธรรมดา
และมันมีความร้อน
รังสีเอ็กซ์มาจากหลายสิ่ง
ซึ่งมีอุณหภูมิเป็นล้านๆ องศา
(พอล เมอร์ดิน สถาบันดาราศาสตร์ เคมบริดจ์)
แม้แต่หลายสิบล้านองศา
หนึ่งในแหล่งแรกๆ ของรังสีเอ็กซ์ ที่ดึงดูดความสนใจของนักดาราศาสตร์
ชื่อว่าซิกนัส เอ็กซ์-วัน
ซิกนัส มาจากกลุ่มดาวซิกนัส
เอ็กซ์ มาจากแหล่งรังสีเอ็กซ์ วัน คือแห่งแรกที่พบ
ในปี 1970 พอล เมอร์ดิน นักดาราศาสตร์หนุ่มชาวอังกฤษ
พยายามจะหางานต่อไปของเขา
ผมเป็นนักวิจัย
ตอนนั้นกำลังจะสิ้นสุดสัญญาสามปีของผม
ผมคิดว่า "ผมจะช่วยอะไรได้บ้าง เพื่อค้นหาว่าสิ่งเหล่านี้คืออะไร"
เมอร์ดินทำงานในปราสาทสมัยศตวรรษที่ 15
รายล้อมด้วยกล้องโทรทรรศน์
หอดูดาวหลวง
เขาใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในอังกฤษ
เริ่มต้นค้นหาบริเวณกลุ่มดาวซิกนัส กลุ่มดาวหงส์
เขาตัดสินใจที่จะตามหาดาวคู่
ดาวคู่เรียกว่า ระบบดาวคู่
มันอาจจะฟังแปลกๆ แต่มันปกติมากเลย
ดาวหลายดวงที่เราเห็น ที่จริงแล้วครึ่งหนึ่ง
อาจจะเป็นดาวคู่
คู่ของดาวโคจรที่ผูกมัดกันด้วยแรงโน้มถ่วง
แต่เมอร์ดินสงสัยว่า เป็นไปได้ไหมที่จะมีดาวคู่
ซึ่งสามารถมองเห็นได้เพียงดวงเดียว
ผมคิดว่ามันอาจจะมีระบบดาว
ซึ่งมีดาวดวงหนึ่งเป็นดาวธรรมดาที่ให้แสง
และมีอีกดวงหนึ่งใกล้ๆ ที่ให้รังสีเอ็กซ์
สัญญาณที่บอกว่าดาวคู่มีอยู่จริง คือดาวทั้งสองเคลื่อนที่อยู่รอบๆ กัน
ดังนั้นเมอร์ดินจึงเริ่มค้นหาดาวที่มองเห็นได้
ที่แสดงสัญญาณการเคลื่อนที่
บางครั้งมันก็เข้ามาหาคุณ บางครั้งมันก็ถอยห่างออกไป
เมื่อดาวเคลื่อนที่เข้ามาหาเรา มันจะเป็นสีฟ้ามากขึ้น
เนื่องจากความยาวคลื่นของแสงสั้นลง
พอเคลื่อนห่างออกไป ก็กลายเป็นสีแดงมากกว่า
เพราะความยาวคลื่นของแสงยาวขึ้น
รู้จักกันในชื่อ การเคลื่อนด็อพเพลอร์
หลังจากได้เห็นการเปลี่ยนสี
ในดวงดาวนับร้อยๆ ดวง ในกลุ่มดาวซิกนัส
เมอร์ดินพบดาวที่คาดว่าจะเป็นไปได้
ดาวที่มองเห็นได้ซึ่งเปลี่ยนสีไปมา ระหว่างการเคลื่อนที่ไปรอบๆ
(ซิกนัส เอ็กซ์-วัน)
แน่นอนว่ามันคือดาวคู่ ดาวแฝด
ดาวเคลื่อนที่ไปรอบๆ โดยมีคาบเวลา
เคลื่อนที่หนึ่งรอบ ทุกๆ 5.6 วัน
แต่สิ่งที่มันโคจรรอบไม่สามารถมองเห็นได้
ไม่มีร่องรอยในสเปกตรัมของดาวดวงที่สอง
มีดาวอยู่ตรงนั้นหนึ่งดวง ไม่มีดาวดวงที่สอง
เมอร์ดินพบดาวคู่ ที่มองเห็นได้เพียงดวงเดียว
วัตถุที่สองปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมา
มีมวลและความโน้มถ่วงมากพอ ที่จะเคลื่อนดาวดวงหนึ่ง
แต่ไม่มีแสง
มันคือซากดาวที่มีมวลมากพอจะกลายเป็น หลุมดำหรือไม่
ปัญหาสำคัญในการตัดสินว่า ซิกนัส เอ็กซ์-วันเป็นหลุมดำ
คือการวัดมวลของวัตถุที่ปล่อยรังสีเอ็กซ์
(คิป ทอร์น แคลเทค)
มันอาจจะมีมวลสารมาก
อย่างน้อยสามเท่าของดวงอาทิตย์ของเรา
ถ้าไม่ใช่ มันอาจจะเป็นแค่ดาวนิวตรอน...
ดาวยุบตัวที่มีความหนาแน่น แต่ไม่มากพอที่จะกลายเป็นหลุมดำ
ดังนั้นนักสังเกตจึงต้องการหาข้อสรุป
ว่าวัตถุดำมืด วัตถุที่ปล่อยรังสีเอ็กซ์ ในซิกนัส เอ็กซ์-วัน
มีมวลหนักกว่า หวังว่าจะหนักกว่า
มวลของดวงอาทิตย์เป็นสามเท่า
จากการสังเกต เมอร์ดินสามารถคะเน
มวลของคู่ดาวที่มองไม่เห็น
และได้คำตอบว่า...
หกเท่าของดวงอาทิตย์
จึงมีเรื่องราวว่าซิกนัส เอ็กซ์-วันคือหลุมดำ
และประเด็นให้ถกเถียงกันก็คือ
มวลของดาวที่เรามองไม่เห็น
มีมากกว่ามวลของดวงอาทิตย์สามเท่า
เมื่อผมเขียนข้อมูลทุกอย่างเสร็จ ผมก็นั่งลงและคิดว่า
"มันคือหลุมดำ"
นี่อาจจะเป็นการตรวจพบหลุมดำเป็นครั้งแรก
มันเป็นคำอ้างที่ใหญ่มาก ซึ่งเมอร์ดินจะต้อง ทำให้ผู้สงสัยเชื่อให้ได้
เริ่มจากเจ้านายของเขา
เซอร์ริชาร์ด วูลลีย์ นักดาราศาสตร์หลวง
เขาไม่เชื่อว่าเป็นหลุมดำ
"มันเพ้อฝันทั้งเพ..."
มันเหมือน... หลายคนในแคลิฟอร์เนีย กำลังคุยกันเรื่องนี้
มีคนตลกๆ เยอะในแคลิฟอร์เนีย
แบบว่ามีพวกฮิปปี้มากมาย
คนแบบนักทฤษฎีคิป ธอร์น
ผมเลยกังวลเรื่องนี้
ผมกังวลเรื่องระดับของการค้นพบ
และที่จริงแล้วคนอื่นๆ รอบตัวผมก็เป็นเหมือนกัน
ผมทำงานกับเพื่อนนักวิทยาศาสตร์ หลุยส์ เว็บสเตอร์
และเราถ่อมตัวในการอ้างสิทธิ์ในสิ่งที่เรากำลังทำ
เพราะเรารู้ว่าคนอื่นจะคิดยังไง
และถ้าคุณดูเอกสารที่เราตีพิมพ์
มันมีคำว่า "หลุมดำ" แค่ครั้งเดียว ในตอนท้าย
(มันอาจจะเป็นหลุมดำ บี หลุยส์ เว็บสเตอร์ - พอล เมอร์ดิน)
"เราคิดว่านี่อาจจะเป็นหลุมดำ"
บทความของพอล เมอร์ดินและหลุยส์ เว็บสเตอร์ ตีพิมพ์ในเดือนกันยายน 1971
นักดาราศาสตร์คนอื่นๆ เห็นด้วยว่า มันอาจจะเป็นหลุมดำ
(มีความเป็นไปได้สูงที่ดาวดวงที่สอง จะเป็นหลุมดำ - ซี ที โบลตัน)
แต่ไม่มีใครรู้ชัด
สามปีต่อมา
คิป ธอร์นและสตีเฟน ฮอว์กิง นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้มีชื่อเสียง
วางเดิมพันเรื่องซิกนัส เอ็กซ์-วันที่มีชื่อเสียงแล้ว
เราพนันกันว่าซิกนัส เอ็กซ์-วัน เป็นหลุมดำจริงหรือไม่
เดิมพันที่ส่วนหนึ่งเป็นการล้อเล่นกัน
ทั้งสองคนหวังว่ามันจะเป็นหลุมดำ
แต่ฮอว์กิง ไม่อยากให้เป็นลาง จึงพนันค้านกับความเชื่อของตัวเอง
(ซิกนัส เอ็กซ์-วันไม่ได้เป็นหลุมดำ)
สตีเฟนบอกว่าซิกนัส เอ็กซ์-วันไม่ใช่หลุมดำ
ส่วนผมบอกว่ามันเป็นหลุมดำ
แล้วเราก็เซ็นสัญญากันเมื่อเดือนธันวาคม 1974
และเหตุผลที่สนับสนุนว่ามันเป็นหลุมดำก็ค่อยๆ
ก็เริ่มชัดเจนขึ้นเรื่อยๆ
ในเดือนมิถุนายน ปี 1990 สตีเฟนมาห้องทำงานผม
แล้วประทับนิ้วโป้งลงบนสัญญา
ยอมแพ้พนันตอนผมไม่อยู่
ผมกลับมาจากรัสเซีย และเจอว่าเขายอมแพ้
เมื่อปี 1990 หลักฐานเรื่องมวล ของซิกนัส เอ็กซ์-วัน
อาจจะหนักแน่นพอที่จะสรุป ผลการพนันระหว่างเพื่อนทั้งสอง
แต่การคะเนแรกไม่แม่นยำพอที่จะสรุปได้
เพื่อที่จะคำนวณมวลสาร
พอล เมอร์ดินต้องพึ่งการประมาณ
ระยะไปยังซิกนัส เอ็กซ์-วันคร่าวๆ
ซึ่งแปรผันโดยตัวประกอบสิบ
และคำถามก็ไม่ได้รับคำตอบจน 20 ปีต่อมา
เมื่อมาร์ก รี้ด นักดาราศาสตร์เริ่มสนใจปริศนานี้
รี้ดเป็นนักดาราศาสตร์
ที่ศูนย์ดาราฟิสิกส์แห่งฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน
เมื่อเขาเริ่มทำการพิสูจน์เพื่อสรุป
ว่าซิกนัส เอ็กซ์-วันเป็นหลุมดำ
โดยการวัดมวลที่ถูกต้องของมัน
แต่เราจะวัดมวลของสิ่งที่มองไม่เห็นได้อย่างไร
การใช้กฎที่พัฒนาโดยนักดาราศาสตร์เยอรมัน โยฮันเนส เคปเลอร์ ในศตวรรษที่ 16
มันสามารถคำนวณมวลของวัตถุท้องฟ้าได้
ถ้าเพียงแต่เรารู้ระยะทาง
ระยะทางในดาราศาสตร์นั้นสำคัญที่สุด
ถ้าเราไม่รู้ระยะทาง เราก็ไม่รู้ว่าวัตถุนั้นคืออะไร
(มาร์ก รี้ด ศูนย์ดาราฟิสิกส์แห่งฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน)
มันอาจจะเป็นอะไรที่เหมือนหิ่งห้อยที่อยู่ใกล้มากๆ
มันอาจจะเป็นดาวดวงใหญ่ ที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ มากๆ และอยู่ไกลมาก
ดังนั้นเพื่อหามวลที่ถูกต้องของซิกนัส เอ็กซ์-วัน
และยืนยันว่ามันเป็นหลุมดำ
รี้ดจึงต้องรู้ว่ามันอยู่ห่างไปเท่าไร
แต่เขาจะวัดระยะทางถึงดาวนั้นได้อย่างไร
ความลับอยู่ที่ปรากฏการณ์ที่คุ้นเคย การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุตามมุมมอง
มันคือสิ่งที่ตาและสมองของเราใช้มองเป็นสามมิติ
คุณสามารถยกนิ้วขึ้นมา โดยแขนเหยียดตรง
มองดูมัน แล้วหลับตาลงข้างหนึ่ง
ผมหลับตาซ้าย
แล้วมองดูที่นิ้ว
เทียบกับผนังที่อยู่ด้านหลัง
ตอนนี้ถ้าผมลืม แล้วหลับตาขวา
ผมเห็นเหมือนนิ้วเคลื่อนที่
จากตำแหน่งเดิม
นั่นเป็นเพราะดวงตาของเราแยกจากกัน
และเราเห็นจากจุดได้เปรียบต่างกัน
การใช้การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุตามมุมมอง เพื่อวัดระยะของวัตถุบนท้องฟ้า
นักดาราศาสตร์จะให้การเคลื่อนที่ของโลก
บอกจุดได้เปรียบที่ต่างกันสองจุด
นึกภาพซิกนัส เอ็กซ์-วันอยู่ตรงนี้
แล้วโลกกับดวงอาทิตย์อยู่ตรงนั้น
โลกหมุนรอบดวงอาทิตย์ปีละครั้ง
ในช่วงฤดูใบไม้ผลิ โลกจะไปอยู่ที่ ด้านหนึ่งของดวงอาทิตย์
เราสังเกตซิกนัส เอ็กซ์-วันตามแนวรังสีแบบนี้
หกเดือนต่อมา โลกหมุนอ้อมดวงอาทิตย์
ไปอยู่ที่อีกด้าน
เราก็จะได้จุดได้เปรียบอีกจุด จากซิกนัส เอ็กซ์-วัน
ตอนนี้เขามีสามเหลี่ยมจากตำแหน่งของโลก ทั้งสองตำแหน่ง
และซิกนัส เอ็กซ์-วัน
เรารู้ฐานของสามเหลี่ยม
และเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรโลก
สูตรเรขาคณิตบอกเราว่า
สิ่งที่เราต้องใช้ในการคำนวณระยะทาง
คือขนาดของมุมด้านบน
และเราได้วัดมุมเล็กๆ ตรงนี้
ตรงจุดของซิกนัส เอ็กซ์-วัน
จากนั้นด้วยการใช้เรขาคณิต
เราสามารถคำนวณระยะทางของซิกนัส เอ็กซ์-วัน
และสามารถอนุมานมวลที่ถูกต้องได้
แนวคิดนี้ง่ายมาก
แต่ซิกนัส เอ็กซ์-วันอยู่ไกลมาก
จนมุมที่จะนำมาวัดนั้นเล็กมาก
แค่เสี้ยวเล็กๆ ของหนึ่งองศา
มันเล็กกว่าช่วงกว้างบนจมูกอับราฮัม ลินคอล์น
บนเหรียญหนึ่งเพนนีที่อยู่ในซานฟรานซิสโก เมื่อมองจากนิวยอร์ก
เพราะมุมนั้นเล็กมากๆ
จึงไม่สามารถวัดได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ใดๆ
แต่ทีมของรี้ดมีทางแก้ไข
เราใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุสิบตัว
ที่กระจายอยู่ทั่วทวีปอเมริกา
และที่ฮาวายกับเซนต์ครอยในหมู่เกาะเวอร์จิน
เราใช้กล้องโทรทรรศน์เหล่านั้นพร้อมๆ กัน
และสังเคราะห์ในคอมพิวเตอร์
เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง ขนาดเท่าโลก
ซึ่งให้ความละเอียดเชิงมุมที่น่าทึ่งมาก
ทีมของรี้ดสามารถระบุว่าซิกนัส เอ็กซ์-วัน
อยู่ห่างไป 6,000 ปีแสง ด้วยการใช้เทคนิคนี้
ด้วยระยะใหม่ที่เราได้มา ระยะห่าง 6,000 ปีแสง
เราสามารถระบุได้ว่าว่ามีมวล ประมาณ 15 เท่าของดวงอาทิตย์
เป็นหลุมดำแน่ๆ
สี่สิบปีหลังจากที่ถูกวิเคราะห์ว่ามีความเป็นไปได้
ตอนนี้ซิกนัส เอ็กซ์-วันได้รับ การยอมรับอย่างกว้างขวาง
ว่าเป็นหลุมดำที่ได้รับการยืนยันหลุมแรก
มันเป็นรายงานที่กล่าวถึงอย่างไม่เต็มที่
และการที่มีชื่อผมและหลุยส์ เว็บสเตอร์อยู่บนนั้น
เป็นประโยชน์กับอาชีพของเรามาก
ผมคิดว่าผลจากการค้นพบนี้ ทำให้ผมได้มีงานประจำ
และเป็นการฉลองที่ยอดเยี่ยมสำหรับครอบครัว
มันออกมาดีมากสำหรับผม...
รวมทั้งได้ความพึงพอใจในสติปัญญา
จากการแก้ปัญหา
ในที่สุดหลังจากการคาดคะเนมาหลายปี
เราก็ได้หลุมดำจริงๆ
ไม่เพียงเท่านั้น แต่เป็นหลุมดำ ที่ส่งรังสีเอ็กซ์ออกมา
และมีดาวคู่
ถ้าเราสามารถไปที่นั่นด้วย ยานอวกาศในจินตนาการของฉัน
เราจะได้เห็นอะไร
ระยะทางถึงซิกนัส เอ็กซ์-วัน
ถูกกำหนดที่ 6,000 ปีแสงจากโลก
และมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 15 เท่า
ซิกนัส เอ็กซ์-วัน ถูกล้อมรอบ ด้วยจานรวมมวล...
กลุ่มก๊าซและฝุ่นรูปจานที่ด้านนอกขอบฟ้าเหตุการณ์
จุดที่ไม่สามารถย้อนกลับ
ขณะที่ความโน้มถ่วงดึงสสารเข้าหาหลุมดำ
เมฆก็เริ่มหมุนวน
เหมือนน้ำที่ถูกดึงลงไปในท่อ
ภายในจานรวมมวลนั้น
อนุภาคที่อยู่ใกล้หลุมดำที่สุดหมุนวน
ด้วยความเร็วครึ่งหนึ่งของความเร็วแสง
มันเหมือนตัวเร่งอนุภาคยักษ์ในอวกาศ
แต่ทำไมมันถึงปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมา
ขณะที่อนุภาคเหล่านั้นวิ่งวนไป พวกมันก็ชนกัน
ซึ่งทำให้เกิดความร้อนนับล้านองศา
เมื่อมันร้อนมากขึ้น อนุภาคจึงระเบิดรังสีเอ็กซ์ออกมา
และรังสีเอ็กซ์เหล่านี้เองที่ทำให้พอล เมอร์ดิน
ศึกษาหลุมดำแห่งนี้เมื่อเกือบห้าทศวรรษก่อน
และยังมีอย่างอื่นเกี่ยวกับซิกนัสที่แตกต่างไป
มันมีดาวคู่
ดาวยักษ์ใหญ่สีฟ้า
โคจรรอบหลุมดำทุกๆ 5.6 วัน
มันโคจรใกล้ซิกนัส เอ็กซ์-วันมาก
จนหลุมดำดึงวัตถุไปจากดาว
และดูดเข้าไปในจานรวมมวล
วัตถุบางส่วนจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไป
และถูกกลืนลงไป แต่ไม่ทั้งหมด
ที่จริงแล้วมีบางส่วนกลับออกมา
ก่อนที่จะเข้าไปในหลุมดำ
เหมือนกับเด็กทารกที่กินอาหาร ครึ่งหนึ่งของพาสตาจะหกลงบนพื้น...
(เฟอร์ยาล โอเซล มหาวิทยาลัยแอริโซนา)
...ครึ่งหนึ่งอาจจะขึ้นไปติดบนเพดาน และบางส่วนก็เข้าปากไป
สิ่งที่น่าประทับใจและน่าสงสัยที่สุด อย่างหนึ่งเกี่ยวกับซิกนัส เอ็กซ์-วัน
คือเจ็ตขนาดยักษ์ของมัน
ลำแสงอนุภาคและธารรังสีที่พุ่งออกมา
จากขั้วเหนือและขั้วใต้ของซิกนัส
ตั้งฉากกับจานรวมมวล
ยังมีอีกหลายเรื่องที่เราไม่รู้เกี่ยวกับเจ็ตเหล่านี้
แต่มันถูกจับตาอย่างใกล้ชิดและทรงพลังอย่างมาก
ระเบิดออกมาด้วยความเร็ว เกือบเท่าความเร็วแสง
และพุ่งไกลไปกว่าซิกนัสมาก
เมื่อก๊าซมีอุณหภูมิสูงมากและเปล่งแสง
ยังมีสนามแม่เหล็กเล็กน้อย
ที่ก่อตัวขึ้นรอบๆ มันด้วย
แม้เราจะไม่เข้าใจอย่างชัดเจนในตอนนี้
แต่สนามแม่เหล็กเหล่านี้
ช่วยปรับการไหลของมวลที่พุ่งออกจากหลุมดำ
ท่อทรงพลังที่พ่นสสารออกมา ถ้าคุณอยากจะเรียกอย่างนั้น
นั่นคือซิกนัส เอ็กซ์-วัน ถ้าเราสามารถดูมันได้ใกล้ๆ
หลุมดำที่กำลังดูดกลืนและใหญ่ขึ้นกับเจ็ตมหึมา...
ระเบิดอนุภาคออกมาสู่จักรวาล
พวกมันเกือบจะเหมือนปิศาจกินไฟ
ที่กำลังหายใจ ถ้าจะว่าอย่างนั้น
มันกะพริบ ปะทุ
เป็นลูกไฟที่รุนแรงมาก ไม่หยุดนิ่งเลย
สิ่งซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นความสงสัย ทางคณิตศาสตร์ประหลาดๆ
ตอนนี้กลายเป็นจริงขึ้นมาแล้ว
หลังจากหลายทศวรรษแห่งความกังขา
ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ยอมรับว่า ซากดาวยักษ์ที่ดับแล้ว
สามารถกักแสงไว้ภายในมันได้
บิดเบือนอวกาศและเวลารอบตัวมัน
ดึงดูดสสาร และเร่งมันได้ ด้วยความเร็วที่น่าตกใจ
หลุมดำดูเหมือนเป็นแนวคิดสุดโต่ง
ที่เราไม่ควรยอมรับ
แต่หลักฐานเกี่ยวกับหลุมดำ
ก็ค่อยๆ หนักแน่นมากขึ้นเรื่อยๆ
(ปีเตอร์ กาลิสัน มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด)
และเราได้เห็นสิ่งที่น่าทึ่งเหล่านี้
มีการพบหลุมดำอย่างน้อย 20 แห่ง ในกาแล็กซีของเรา
คู่ดาวรังสีเอ็กซ์ อย่างซิกนัส เอ็กซ์-วัน
และอาจจะมีซากดาวมวลมากอีกหลายล้านดวง
แค่เฉพาะในกาแล็กซีของเรา
ยังคงมีเรื่องน่าประหลาดใจรอคอยอยู่
ทุกอย่างที่นักดาราศาสตร์คิดว่ารู้เกี่ยวกับหลุมดำ
และสิ่งที่พวกเขาเชื่อเกี่ยวกับจักรวาลเองอีกมาก
จะจบลงด้วยการค้นพบที่น่าตกใจ
การค้นพบเริ่มเมื่อกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ได้สำรวจท้องฟ้า
และตรวจพบจุดร้อนน่าสงสัย ที่ปล่อยพลังงานวิทยุออกมา
พวกมันมาจากสิ่งที่ดูเหมือนดาว
เพราะวัตถุเหล่านี้เหมือนดวงดาว
แต่ถูกค้นพบจากสัญญาณวิทยุ
นักดาราศาสตร์ตั้งชื่อให้มันว่า แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุคล้ายดาวฤกษ์
เควซาร์
แต่มันคือดาวหรือไม่
ขั้นแรกของการตรวจสอบ
คือหาคำตอบว่ามันเกิดจากอะไร
การจะทำเช่นนั้นได้ นักดาราศาสตร์ต้องวิเคราะห์ พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกมา
ทุกธาตุจะมีลายนิ้วมือทางสเปกตรัมเฉพาะ
ตัวอย่างเช่น คาร์บอน
ฮีเลียม
ไฮโดรเจน
แถบเหล่านี้แสดงการเกิดเคมีของดาว
แต่สเปกตรัมของเควซาร์ กลับไม่สามารถเข้าใจได้
พวกเขาศึกษาดูและมันไม่มีความหมาย
มันดูไม่เหมือนว่ามีการปล่อยพลังงาน
จากธาตุที่เรารู้จัก
พวกเขาพลาดอะไรไป
จะต้องมีเบาะแสอยู่ที่ไหนสักแห่ง
ในที่สุด เมื่อปี 1963 มาร์เทน ชมิดต์ นักดาราศาสตร์จากแคลเทค
ได้พบว่ามันมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
สิ่งที่ถูกซ่อนอยู่ในสเปกตรัมของเควซาร์ คือลายนิ้วมือของไฮโดรเจน
เขาสังเกตเห็นบางอย่างที่คุ้นเคย แต่มันอยู่ผิดที่
(เควซาร์ ทรีซี 273)
ลายนิ้วมือของไฮโดรเจนได้ถูกเปลี่ยนเป็นสีแดง
มันยากที่จะเห็น เนื่องจากเส้นสเปกตรัม ของไฮโดรเจน
ถูกเปลี่ยนไปอยู่ที่ย่านความถี่ต่ำ
ของสเปกตรัม
และนั่นหมายถึงสิ่งเดียวเท่านั้น
เควซาร์กำลังเคลื่อนห่างจากเรา ด้วยความเร็วที่ไม่น่าเชื่อ
แต่นักดาราศาสตร์ไม่เคยเห็นการเปลี่ยนแสง
สุดขั้วเช่นนั้นมาก่อน
เหมือนเสียงที่คุ้นเคยเปลี่ยน เป็นต่ำเกินกว่าจะเข้าใจได้...
แสงจากเควซาร์เปลี่ยนไปในระดับ...
ที่จำไฮโดรเจนไม่ได้
การเปลี่ยนแปลงอย่างสุดขั้วนี้
แปลว่าเควซาร์กำลังเร่งห่างจากเรา ไปด้วยความเร็วสูง
ด้วยสาเหตุอะไร
มันเป็นมรดกจากเหตุการณ์
ที่เกิดขึ้นเมื่อเกือบ 14,000 ล้านปีก่อน บิ๊กแบง
จุดเริ่มต้นของจักรวาลของเรา
และนับแต่นั้น จักรวาลก็ขยายออกไป
โดยนำวัตถุที่มีอยู่ทั้งหมดออกไปด้วย รวมถึงเควซาร์
ไม่มีใครเคยเห็นอะไรกำลังเคลื่อนที่ ห่างไปด้วยความเร็วสูง
นั่นทำให้วัตถุนี้เป็นสิ่งที่ห่างที่สุด
ที่เคยเห็นมา
ซึ่งแปลว่าสิ่งนั้นเองจะต้องสว่างมากๆ
และเราต้องมีเหตุผลสำหรับเรื่องนั้น
อยู่ห่างไปสองพันล้านปีแสง และส่งพลังงาน
เท่ากับดวงอาทิตย์ล้านล้านดวงทุกวินาที
อะไรกันที่จะสามารถสร้างมันขึ้นได้
ไม่มีใครรู้ว่าสิ่งที่ให้พลังงานแก่พวกมันคืออะไร
แล้วพลังงานทั้งหมดนี้มาจากไหน
ถ้าคุณลองคำนวณดู
มันไม่มีทางเป็นพลังงานเคมี
พวกเขารู้ว่าไม่ใช่พลังงานนิวเคลียร์
ไม่มีทางที่เควซาร์จะเป็นดาวได้
ไม่มีนิวเคลียร์ฟิวชันปริมาณใด จะสามารถให้พลังขนาดนั้นแก่ดาวได้
สิ่งเดียวที่สามารถให้พลังงาน มากขนาดนั้นได้คือความโน้มถ่วง
ความโน้มถ่วง
ในชีวิตประจำวัน เราสามารถ เอาชนะความโน้มถ่วงได้ง่ายๆ
แต่เมื่อหลุมดำทำให้มันเข้มข้นจนสุดขีด
ความโน้มถ่วงจะมีพลังมหาศาล
นักวิทยาศาสตร์ไม่กี่คนเริ่มสงสัย
เควซาร์อาจจะได้พลังงาน จากความโน้มถ่วงใช่หรือไม่
ถ้าพลังงานที่ระเบิดออกมาจากเควซาร์
เกิดจากจานรวมมวลที่สว่างไสวรอบหลุมดำล่ะ
การสร้างพลังงานเช่นนั้น
ความสว่างขนาดนั้น
มันต้องเกี่ยวข้องกับหลุมดำ
แต่ไม่ใช่หลุมดำไหนก็ได้
ไม่ว่าพลังงานที่ปล่อยจากเควซาร์ จะมาจากแหล่งไหน
มันจะต้องใหญ่มาก
ใหญ่แค่ไหน
มากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้าน หรือหลายพันล้านเท่า
ซิกนัส เอ็กซ์-วัน มีมวลมากกว่า ดวงอาทิตย์ 15 เท่า
(มวลดวงอาทิตย์ 15 ดวง)
หลุมดำที่ให้พลังแก่เควซาร์
เป็นประเภทที่แตกต่างไปอย่างสิ้นเชิง
มันคือหลุมดำมวลยวดยิ่ง
และดูเหมือนมันจะอยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี
แต่กาแล็กซีของเราเองล่ะ
มีหลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ใกล้ๆ เราบ้างไหม
ที่ใจกลางกาแล็กซี ซึ่งหลุมดำมวลยวดยิ่งจะถูกพบ
ทอดอยู่ในแนวกลุ่มดาวราศีธนู
นักยิงธนู
ตอนนี้กลุ่มดาวคนยิงธนูไม่ใช่แค่กลุ่มดาว
มันอยู่กลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา
แต่ในเมื่อเราอาศัยอยู่ในกาแล็กซีทางช้างเผือก
เราจะไม่เห็นกาแล็กซีอย่างที่ นักท่องอวกาศจะมองเห็น
แต่ฉันสามารถใช้เครื่องดูดาวในจินตนาการ
แสดงภาพกาแล็กซีของเราให้ด้านนอกได้
บ้านเราเป็นกาแล็กซีก้นหอย ดวงดาวหลายแสนล้านดวง
รวมอยู่ด้วยกันในจานใหญ่มหึมา
มันกว้างประมาณหนึ่งแสนปีแสง
แต่บางมาก
หนาแค่ประมาณหนึ่งพันปีแสง
และก้นหอยทั้งหมดหมุนวนไปช้าๆ
ระบบสุริยะของเราอยู่ตรงนี้
และนี่ ห่างจากโลกไปประมาณ 26,000 ปีแสง คือใจกลางกาแล็กซี
ซึ่งเราเห็นว่าอยู่ในทิศของกลุ่มดาวคนยิงธนู
ตรงใจกลางที่หนาแน่นนี้ มีดาวหลายล้านดวง
กับกลุ่มฝุ่นและก๊าซมากมาย
นั่นคือภาพของกาแล็กซีของเราจากด้านนอก
ต้องขอบคุณเทคโนโลยีในจินตนาการของฉัน
แต่เนื่องจากเราอาศัยอยู่ภายในทางช้างเผือก
เมื่อเรามองไปตรงกลาง
เราจะมองผ่านกาแล็กซีของเราเอง
ซึ่งแปลว่าเราจะเห็น
เป็นแถบดาวและฝุ่นพาดท้องฟ้า... ทางช้างเผือก
ลึกเข้าไปในแถบดาวและฝุ่นนี้
อาจจะมีหลุมดำมวลยวดยิ่งซ่อนอยู่หรือไม่
ข้อมูลที่เราได้รับในตอนนี้...
ในปี 1990 นักดาราศาสตร์เริ่มมุ่งมั่น ที่จะไขปริศนา
เพื่อมองเข้าไปในทางช้างเผือกมัวซัว
แล้วศึกษาว่าอะไรอยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี ถ้ามันมีอะไรอยู่
หนึ่งในนั้นคือ อันเดรีย เกซ
หนึ่งใน 20...
เกซเผชิญความท้าทายที่น่ากลัว
เธอพยายามจะติดตามดาวบางดวง
ที่โคจรรอบใจกลางกาแล็กซี
ความสำคัญของการทดลองนี้มาจากการเฝ้าดู
ดวงดาวโคจรรอบใจกลางกาแล็กซี
ดังนั้นคุณต้องการหาดาว
ที่อยู่ใกล้ใจกลางกาแล็กซีมากเท่าที่จะเป็นไปได้
แปลว่าฉันอยากจะใช้
กล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุด ที่ฉันสามารถหามาใช้ได้
นั่นหมายถึงการมาที่นี่
ยอดเขาเมานาเคอา ภูเขาไฟที่สงบแล้ว
มันสูงกว่าสี่กิโลเมตร เหนือชายหาดฮาวาย
มีความสูงมากและความชื้นต่ำ ทำให้ที่นี่ เหมาะสำหรับการศึกษาดาราศาสตร์
เครื่องมือที่เกซใช้คือหอดูดาวเคกบนเมานาเคอา
หนึ่งในหอดูดาวที่ใหญ่ที่สุดในโลก
แต่แม้จะมีขนาดใหญ่ เคกก็พบปัญหาเดียวกับ
กล้องโทรทรรศน์ทุกแห่งบนโลก
การบิดเบือนของบรรยากาศ
ลองนึกถึงการมองก้อนกรวด
ที่ก้นแม่น้ำ
แม่น้ำไหลเร็วมาก
และภาพก้อนกรวดที่คุณเห็นก็บิดเบือนไป
เช่นเดียวกับแม่น้ำ
บรรยากาศโลกเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอด
และบิดเบือนแสงเหมือนกระจกในสวนสนุก
เพื่อชดเชยเรื่องนี้ เคกได้บุกเบิกการใช้ เทคโนโลยีทางทหาร
ที่เปิดเผยได้เพื่อประโยชน์ทางวิทยาศาสตร์
เรียกว่า ระบบเลนส์ปรับสภาพ
อย่างแรก พวกเขาจะยิงเลเซอร์ขึ้นไปบนฟ้า
เพื่อสร้างดาวนำทางเทียม
บรรยากาศที่รุนแรงจะบิดเบือนดาวนำทาง
แต่คอมพิวเตอร์รู้ว่ามันควรจะมีหน้าตาอย่างไร
และปรับกระจกของกล้องโทรทรรศน์ให้สอดคล้อง
ดังนั้นถ้าคุณมองตัวเองในกระจกสวนสนุก
คุณจะเห็นภาพที่บิดเบือนไปหมด
เป้าหมายของการใช้ระบบเลนส์ปรับสภาพ
ก็เพื่อใช้กระจกอีกชุดที่มีรูปร่างตรงกันข้าม
เพื่อทำให้คุณดูแบนอีกครั้ง
มันถูกฝังลึกอยู่ด้านในกล้องโทรทรรศน์
กระจกเปลี่ยนรูปจะเปลี่ยนรูปร่างได้ถึง สองพันครั้งต่อวินาที
เพื่อย้อนการบิดเบือนของบรรยากาศ
(กลางกาแล็กซี ขนาด 2.2 ไมครอน เลนส์ปรับสภาพ - ปิด)
และมันช่วยให้เราสามารถถ่ายภาพที่คมชัด
ของใจกลางกาแล็กซีที่เคยถ่ายได้
(เลนส์ปรับสภาพ - เปิด)
ความคมชัดของภาพเหล่านั้นทำให้เกซ
ระบุดาวใกล้ใจกลางกาแล็กซีได้
เป็นความก้าวหน้าครั้งใหญ่ในวงการดาราศาสตร์
เธอเริ่มบันทึกตำแหน่งของมันในปี 1995
และทุกๆ ปีหลังจากนั้น
เราถ่ายรูป... แค่ถ่ายรูป
แล้วนำภาพรายปีเหล่านั้นมารวมกัน
เพื่อทำเป็นภาพยนตร์แบบเร่งความเร็ว ของวงโคจรดาว
และสิ่งที่ภาพยนตร์เหล่านั้นได้นำเสนอ ก็น่าประหลาดใจมาก
ดวงดาววิ่งวนอยู่ที่ใจกลางทางช้างเผือก
ด้วยความเร็วเหลือเชื่อ
ดาวเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว
หลายพันถึงหลายหมื่นกิโลเมตรต่อวินาที
หรือ 16 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง
พวกมันเร็วมากจริงๆ
การจะเร็วได้ขนาดนั้น ดาวจะต้องโคจรรอบ
อะไรที่มีมวลมหาศาล
เราอนุมานได้ว่ามีมวลอยู่
สี่ล้านเท่าของดวงอาทิตย์
อะไรที่มีมวลสี่ล้านเท่าของดวงอาทิตย์
แต่ล่องหนโดยสิ้นเชิง
นั่นพิสูจน์ว่าคือหลุมดำ
และไม่ใช่แค่หลุมดำไหนๆ ก็ได้
แต่ต้องมีมวลยวดยิ่ง สงบและกำลังหลับ
อยู่ที่ใจกลางกาแล็กซีของเรา
นี่เป็นหลักฐานที่ดีที่สุด
ที่เรามีเกี่ยวกับหลุมดำมวลยวดยิ่ง
ไม่เพียงแต่ในใจกลางกาแล็กซีของเราเท่านั้น
แต่เป็นทุกแห่งในจักรวาล
หลุมดำมวลยวดยิ่ง
มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์สี่ล้านเท่า
อยู่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา
จากมุมมองระดับจักรวาล มันอยู่ใกล้ๆ นี่เอง
และได้เกิดคำถามที่ลึกซึ้งขึ้น
มีกาแล็กซีอีกหลายพันล้านอยู่ข้างนอกนั่น
ถ้ากาแล็กซีของเรามีหลุมดำมวลยวดยิ่ง อยู่ที่ตรงกลาง
แล้วถ้าพบว่าเควซาร์ก็อยู่ที่กลางกาแล็กซีของมัน
แล้วหลุมดำอื่นๆ ล่ะ
มีหลุมดำอยู่ที่กลางกาแล็กซีใช่ไหม
ถ้ามี มันเหมือนกันอย่างไร
เราไม่รู้เลย
นักดาราศาสตร์หวังจะพบสิ่งที่ซ่อนอยู่
ที่ใจกลางของกาแล็กซีอื่น
ที่ห่างไปหลายล้านปีแสง อย่างที่เกซทำกับ กาแล็กซีทางช้างเผือกของเราไหม
ห้า สี่...
คงต้องใช้นวัตกรรมอีกอย่างในดาราศาสตร์ เพื่อให้เรื่องนั้นเป็นไปได้
แล้วกระสวยอวกาศดิสคัฟเวอรีก็ได้ยกตัวขึ้น
พร้อมด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล หน้าต่างสู่จักรวาลของเรา
เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เริ่มส่งภาพที่ชัดเจน
ของกาแล็กซีที่ห่างไกลมาให้เรา
ทีมนักดาราศาสตร์ได้ลงมือทำงาน
พวกเขาได้รับการรู้จักในชื่อ "นุกเกอร์"
เพราะเป้าหมายของพวกเขาคือ นิวเคลียสของกาแล็กซี
ใจกลางกาแล็กซี
ท้อด ลาวเออร์ หนึ่งในทีมงาน
ก้าวแรก เราถ่ายรูปของกาแล็กซี
ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
มันบอกเราว่าดวงดาวอยู่ตรงไหนในกาแล็กซี
มันบอกโครงสร้างกาแล็กซีด้วยความละเอียดสูง
กุญแจในการค้นหาหลุมดำมวลยวดยิ่ง
คือเรียนรู้ว่าดาวในกาแล็กซีเคลื่อนที่ เร็วได้อย่างไร
กาแล็กซีอื่นๆ ที่อยู่นอกกาแล็กซีของเรานั้น อยู่ไกลเกินกว่า
จะวัดความเร็วของดาวได้
แต่ด้วยการวิเคราะห์วิธีที่แสง เปลี่ยนจากสีฟ้าเป็นแดง
ที่จุดต่างๆ ในกาแล็กซี
นักดาราศาสตร์สามารถหา ความเร็วเฉลี่ยของดาว
ที่โคจรรอบศูนย์กลางได้
มันแม่นยำเพียงพอที่จะสร้างแบบจำลอง ขึ้นในคอมพิวเตอร์
ขั้นที่สองที่งานจริงได้เริ่มขึ้น
คือการพยายามทำแบบจำลองการสังเกต
และเราทำได้โดยสร้างแบบจำลองกาแล็กซี
ในคอมพิวเตอร์
รู้จักกันในชื่อวิธีของชวาทซ์ชิลท์
มันถูกพัฒนาโดยมาร์ติน ชวาทซ์ชิลท์ นักดาราศาสตร์จากพรินซ์ตัน
ลูกชายของคาร์ล ชวาทซ์ชิลท์
ผู้ใช้คณิดศาสตร์อธิบายความเป็นไปได้
ของหลุมดำเป็นคนแรก
วิธีของมาร์ติน ชวาทซ์ชิลท์คือ
เขาสร้างแบบจำลองของกาแล็กซี
ที่ไม่เพียงบอกว่ามีมวลอยู่ตรงไหน
แต่ยังบอกว่าดาวเคลื่อนที่เร็วขนาดไหนด้วย
ในแต่ละกาแล็กซีที่พวกเขาศึกษา
ทีมนุกเกอร์พากเพียรสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์
แล้วใช้ลองผิดลองถูก
ปรับค่าตัวแปรของมวลและความเร็ว
พยายามที่จะสร้างแบบจำลองที่สอดคล้อง กับการสังเกตเดิม
ที่พวกเขาได้จากฮับเบิล
แล้วเราก็บอกว่า "ลองดาวตรงนี้ดู
ลองดวงตรงโน้น
ลองให้มันอ้อมมาทางนี้
ลองเอาอันนี้อ้อมไปทางโน้น"
แล้วเรามันเป็นพันๆ ครั้ง
จนเราสร้างห้องสมุด
วิธีที่ดาวโคจรในกาแล็กซีนี้ได้
ความสำเร็จจะเกิดขึ้นเมื่อแบบจำลองการสังเกต
ตรงกับการสังเกตที่ทำด้วย กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
แต่มันไม่เกิดขึ้น
แบบจำลองขาดบางอย่างไป
เราพยายามครั้งแล้วครั้งเล่า
ทุกทางแต่ก็ไม่มีหลุมดำ เราเลยพูดว่า
"ให้ตายสิ เราไม่สามารถทำให้แบบจำลอง
อธิบายการสังเกตได้"
เพียงแต่เมื่อพวกเขาเพิ่มมวล ที่มองไม่เห็นขนาดใหญ่
เข้าไปที่กลางกาแล็กซี
แบบจำลองถึงจะตรงกับการสังเกตของฮับเบิล
เราจะใส่หลุมดำเข้าไป
ตรงกลางเกือบตลอด
เราไม่สามารถจับคู่การสังเกตได้
ถ้าไม่มีหลุมดำตรงกลาง
ทีมนุกเกอร์ศึกษากาแล็กซีอยู่ประมาณ 36 แห่ง
ทั้งหมดต้องการหลุมดำมวลยวดยิ่ง
และตั้งแต่นั้น การสังเกตอื่นๆ ก็ทำให้เรา
แน่ใจมากยิ่งขึ้น
ว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งและกาแล็กซีต้องอยู่ด้วยกัน
ทุกๆ กาแล็กซีที่เรามองหา
เราจะเจอหลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ที่ใจกลาง
มันเป็นการค้นพบที่น่าทึ่ง
หลุมดำมวลยวดยิ่ง
ที่ครั้งหนึ่งเป็นหลุมดำประเภทที่ไม่คาดคิดเลย
อาจจะเป็นเรื่องธรรมดา
ไม่เพียงแต่มีอยู่ที่ใจกลางกาแล็กซีของเรา
แต่มีอยู่ในทุกกาแล็กซี
มาดูกาแล็กซี เอ็ม31
ซึ่งรู้จักกันในชื่อกาแล็กซีแอนโดรมิดาใหญ่
มันอยู่ห่างไปสองล้านห้าแสนปีแสง
ในคืนที่ท้องฟ้าแจ่มใส เราจะสามารถมองเห็นมันได้จากโลก
แต่แม้จะมีกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
เราก็ไม่สามารถเห็นรายละเอียด ตรงกลางได้ชัดเจน
แต่เราก็ยังมั่นใจ
ว่ามีบางสิ่งที่มีมวลมหาศาลซ่อนอยู่ที่นั่น
ถ้าเราสามารถเข้าไปดูใกล้ๆ ได้ล่ะ
ถ้าเราสามารถไปเยี่ยมกาแล็กซี ที่อยู่ไกลมากๆ ได้ล่ะ
เมื่อเราเข้าไปด้านนอกของแอนโดรมิดา
เราก็ยังอยู่ไกลเกินกว่าจะมองเห็น สิ่งที่ซ่อนอยู่ตรงกลาง
แต่เราสามารถเห็นกระจุกดาว หนาแน่นที่แกนกลางได้
และนั่นอาจจะเป็นสัญญาณ
ว่ามีหลุมดำยักษ์อยู่ใกล้ๆ
หลายพันล้านปีก่อน มันน่าจะถูกล้อมรอบด้วย
ก๊าซและดาว และหลุมดำเล็กๆ อื่นๆ
หลุมดำอาจจะให้พลังแก่เควซาร์
ที่กลืนกินอย่างบ้าคลั่ง และระเบิดรังสีเจิดจ้าออกมา
ตลอดหลายร้อยล้านปี
มันได้กลืนกิน
ก๊าซและดาวที่อยู่ใกล้ที่สุดทั้งหมดเข้าไป
ในตอนนี้มันค่อนข้างสงบ
แต่มันมีลักษณะเด่นบางอย่าง
ที่เราไม่เคยเห็นมาก่อน
ข้อแรกมันใหญ่มหึมา
ถ้ามันหล่นลงมาในระบบสุริยะของเรา
ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร
ทั้งหมดจะติดอยู่ด้านในขอบฟ้าเหตุการณ์
มันใหญ่ขนาดนั้น แต่ไม่มีอะไรเทียบกับมวลได้
มันมากกว่ามวลของดวงอาทิตย์ร้อยล้านเท่า
และการทำลายล้างจะไม่หยุดอยู่แค่นั้น
ดาวพฤหัสก็คงอยู่ไม่ได้นาน
สนามความโน้มถ่วงของหลุมดำมวลยวดยิ่ง
จะจับแล้วกลืนมันเข้าไปทั้งหมด
ในที่สุดดาวเสาร์ก็จะพบชะตากรรมเดียวกัน
ดาวเคราะห์ชั้นนอกอาจจะรอด แต่ต้องอยู่ ในวงโคจรที่มืดและหนาวเย็น
หลุมดำนี้หมุนเร็วมาก
บิดเบือนและดึงกาล-อวกาศ
เหมือนเช่นหลุมดำอื่นๆ
ขอบฟ้าเหตุการณ์ราบเรียบไปหมด
จำได้ไหม ว่าไม่มีอะไรอยู่ที่นั่น
มันเป็นแค่เขตแดนที่ปิดซ่อนภายในไว้
แต่จานรวมมวลสามารถบอกอะไรเรา ได้หลายอย่างว่ากำลังเกิดอะไรขึ้น
นั่นคือวงแหวนไฟของกลุ่มก๊าซและฝุ่นรอบหลุมดำ
ลองนึกภาพถ้าเราสามารถปล่อย ฝูงหุ่นยนต์ที่ทำงานได้อัตโนมัติ
ไปสำรวจจานรวมมวล
จานหมุนด้วยความเร็วเหลือเชื่อ
เร็วเท่ากับครึ่งหนึ่งของแสง
ถ้าดาวพฤหัสเคลื่อนที่เร็วขนาดนั้น
มันจะโคจรครบรอบในเวลาไม่กี่ชั่วโมง
พื้นที่รอบหลุมดำเป็นพายุทอร์นาโดคอสมิก
ตอนนี้ฝูงหุ่นยนต์ของเราติดอยู่ในลมหมุนด้วย
มันเหมือนตัวติดตามร่องรอยที่ถูกหย่อนลงในพายุ
เพื่อทำแผนที่การเคลื่อนที่
หุ่นยนต์ที่อยู่ตรงกลางสามารถส่งภาพมาให้เราได้
มันตามผู้นำไปเหมือนรถแข่ง
เร่งความเร็วไปรอบสนาม
จากตรงนี้ กาล-อวกาศที่ถูกบิดเบือน สุดขั้วรอบๆ หลุมดำ
จะหลอกตาเรา
มันดูเหมือนมีจานรวมมวลอยู่
หมุนรอบเส้นศูนย์สูตร
และมีส่วนโค้งอื่นอยู่เหนือและใต้ขั้ว
แต่นั่นคือภาพลวงตา
ความโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำบิดเบือนแสง
ที่ปล่อยออกมาด้านหลังของหลุมดำ
และทำให้มันดูเหมือนจานรวมมวล
ทั้งด้านบนและด้านล่าง
ที่จริงแล้วไม่มีอะไรอยู่รอบๆ ขั้วทั้งสอง
เป็นแค่แสงที่ผ่านออกมา
มันคือเลนส์ความโน้มถ่วงอีกครั้ง
ยิ่งถูกดึงเข้าไปใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์มากขึ้น
เลนส์ความโน้มถ่วงก็ยิ่งรุนแรง
จนหุ่นยนต์ของฉันตัวหนึ่งสามารถ มองตรงไปข้างหน้า
และเห็นด้านหลังของมันเองได้ในที่สุด
แสงติดอยู่ในวงจรไม่สิ้นสุดชั่วนิรันดร์
นั่นคือการเที่ยวชมหลุมดำมวลยวดยิ่ง
ที่ใจกลางกาแล็กซีแอนโดรมิดา
น่าทึ่งมากจริงๆ
และยังน่าทึ่งด้วยที่ไม่มีอะไรในทางคณิตศาสตร์
ที่จะทำให้นักวิทยาศาสตร์จินตนาการ ถึงหลุมดำที่ใหญ่ขนาดนั้น
แปลกประหลาดอย่างที่มันเป็น
หลุมดำมวลดาวฤกษ์ธรรมดา
อย่างน้อยก็สามารถคะเนได้ด้วยทฤษฎี
แต่หลุมดำมวลยวดยิ่งนั้น เป็นเรื่องประหลาดใจโดยแท้
สำหรับหลุมดำมวลดาวฤกษ์
ผู้คนคิดถึงมันด้วยความเข้าใจเชิงทฤษฎี
แล้วเราก็พบมันจากการสังเกต
แต่หลุมดำมวลยวดยิ่ง มีเรื่องราวที่สลับกัน
เราพบหลักฐานจากการสังเกตก่อน
และกำลังคิดทฤษฎีอยู่
ว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร
เรารู้ว่าดาวสามารถยุบตัวได้
เพื่อเกิดเป็นหลุมดำธรรมดา
แต่หลุมดำมวลยวดยิ่งใหญ่กว่า ในหลายๆ ลำดับของขนาด
ซิกนัส เอ็กซ์-วัน ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 15 เท่า
หลุมดำมวลยวดยิ่งที่กลางกาแล็กซีทางช้างเผือก
ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์สี่ล้านเท่า
หลุมดำที่กาแล็กซีแอนโดรมิดา
ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ร้อยล้านเท่า
และมันยังไม่ใหญ่ที่สุด ไม่ใกล้เคียงด้วยซ้ำ
มีหลุมดำมวลยวดยิ่งที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์
หนึ่งหมื่นหรือสองหมื่นล้านเท่าด้วยซ้ำ
เกิดหลุมดำขนาดมหึมาเช่นนั้นขึ้นได้อย่างไร
หลุมดำมวลยวดยิ่งเกิดจากการยุบตัว ของดาวได้หรือไม่
นั่นดูไม่น่าเป็นไปได้
เราไม่รู้จักดาวอะไรที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ เป็นพันล้านเท่า
เรารู้ว่าหลุมดำที่อาจจะเกิดจากดาวที่กำลังจะดับ
มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์
อยู่ไม่กี่เท่า
แต่มวลขนาดที่มากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่า
แบบนั้น ดาวที่กำลังจะตายไม่สามารถสร้างมันได้
ดังนั้นหลุมดำมวลยวดยิ่งเหล่านี้
ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้าน หรือหลายพันล้านเท่า
จะแค่โตขึ้น และดูดกินทุกอย่าง เหมือนยักษ์ที่หิวโหยได้หรือไม่
เรื่องประหลาดเกี่ยวกับหลุมดำก็คือมันกิน
มันสวาปามเข้าทุกอย่างที่เข้ามา
ภายในรัศมีเข้าไป
และใหญ่ขึ้น
แต่มันใหญ่ขึ้นอย่างไร
พวกมันกินอะไรและหาของกินจากที่ไหน
เราเชื่อว่าหลุมดำใหญ่ขึ้นได้
จากการพอกพูนของก๊าซ
วิธีนี้คือมีก๊าซมากมาย
รอบใจกลางกาแล็กซี
และก๊าซนี้จะรวมตัวกันและก่อตัวเป็นจานรวมมวล
จานรวมมวลเกิดจากไฮโดรเจน ฮีเลียม
และธาตุอื่นๆ ในรูปของก๊าซ
ความโน้มถ่วงรุนแรงของหลุมดำ
ดึงก๊าซเข้าหามัน
แล้วหมุนไปรอบๆ
มันโคจรเข้าใกล้หลุมดำมากขึ้นเรื่อยๆ
แล้วการกินก็เริ่มขึ้น
สิ่งที่อยู่บริเวณด้านในจะถูกดึงเข้าไปช้าๆ
และเร็วขึ้นเมื่อถึงขอบฟ้าเหตุการณ์
แล้วก็นั่นแหละ
ไม่ว่าก๊าซอะไรที่ผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไป จะหายไปตลอดกาล
หลุมดำดูดซับวัตถุเหล่านั้น
ที่จริงแล้วมันเพิ่มมวลให้กับหลุมดำ
ดังนั้นนี่จึงเป็นวิธีหนึ่งที่หลุมดำสามารถใหญ่ขึ้น
ค่อยๆ แทะเล็มก๊าซและฝุ่น
แต่มันไม่ใช่วิธีเดียว
ซิกนัส เอ็กซ์-วันฉีกทึ้งวัตถุ
จากดาวใกล้ๆ อย่างช้าๆ
กระบวนการนี้จะดำเนินไปเรื่อยๆ
อีกหลายพันหรือหลายล้านปี
แต่ถ้าหลุมดำสามารถฉีกทึ้งดวงดาวได้
ในเวลาไม่กี่ปี หรือไม่กี่สัปดาห์ล่ะ
มันจะต้องเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรงมาก
และทีมนักสำรวจอวกาศก็กำลังเฝ้าดูอยู่
นี่คือศูนย์ควบคุมปฏิบัติการของกล้อง โทรทรรศน์อวกาศ
ผมได้ยินคุณชัดเจนดี...
เราแสดงการเริ่มต้นของเส้นทางที่ 0330
หอดูดาวรังสีเอ็กซ์จันทรา
โคจรอยู่เหนือโลกที่ความสูง 140,000 กิโลเมตร
กล้องจันทราถ่ายภาพความละเอียดสูง
ของวัตถุที่ปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมาไว้ได้
นี่คือภาพที่หนึ่ง เหตุการณ์รุนแรงมากซึ่งมีอายุสั้น
เรียกว่า ภาวะชั่วครู่
ซึ่งทำให้เจมส์ กิลชอน ประหลาดใจ
ซูเปอร์โนวา การล่มสลายของหมู่ดาว โดยดาวเจ้าภาพ
ใช่ ผมประหลาดใจกับสิ่งที่ถูกทำลาย เพื่อวิทยาศาสตร์
เจมส์ศึกษาปริศนาที่ค้นพบ โดยเพื่อนร่วมงานคนหนึ่ง
หลินต้าเฉิง
ภาพเบลอบนหน้าจอของเจมส์นี้
ที่จริงแล้วคือการระเบิดอย่างกะทันหัน และรุนแรงของพลังงานรังสีเอ็กซ์
ที่ถ่ายไว้ได้โดยบังเอิญ
รอยเปื้อนเล็กๆ นี้โผล่ขึ้นมาที่ฉากหลังของภาพนี้
และจากระยะห่างที่ไกลมาก
มันจะต้องสว่างเจิดจ้ามาก
นี่อาจจะเป็นหลุมดำที่ถูกจับภาพไว้ได้ ระหว่างการเกิด
ในการยุบตัวรุนแรงของดาวยักษ์ เกิดซูเปอร์โนวาใช่หรือไม่
ก็อาจจะใช่
แต่การแผ่รังสีที่เข้มข้นของซูเปอร์โนวา
จะอยู่เพียงไม่กี่เดือน
แล้ววัตถุปริศนานี้จะระเบิดรังสีเอ็กซ์ ออกมาได้นานแค่ไหน
เพื่อหาคำตอบ พวกเขาได้ดูภาพบนท้องฟ้า บริเวณเดียวกันภาพอื่นๆ
ที่ถูกถ่ายไว้ก่อนหน้า
กรกฎาคม 2005
เมษายน 2005
ไม่พบรังสีเอ็กซ์
แต่พบรังสีเอ็กซ์ที่นั่นในอีกสามเดือนต่อมา ในเดือนกรกฎาคม
และยังคงส่งสัญญาณที่สว่างและทรงพลังต่อไป
อีกมากกว่าสิบปี
จากกรกฎาคม 2005 ถึงปัจจุบัน
นานเกินไปสำหรับซูเปอร์โนวา
แล้วมันคืออะไร
หลุมดำที่ไม่กินจะมืดสนิทและนิ่งสงบ
มันจะไม่ปรากฏในกล้องโทรทรรศน์ใดๆ
แต่หลุมดำที่กำลังกินนั้นแตกต่าง
เมื่อมันกิน มันจะระเบิดรังสีเอ็กซ์ออกมา
นี่อาจจะเป็นหลุมดำ
ที่เริ่มสวาปามอะไรที่มีขนาดใหญ่ใช่หรือไม่
จะเกิดอะไรขึ้นกับสิ่งที่เข้าไปใกล้
มันจะทำอะไรกับดวงดาวที่เข้าไปใกล้เกินไป
มันจะลอกดาวออกทีละชั้น
จนในที่สุดก็กลืนกิน
เข้าไปทั้งดวง
หลุมดำนี้ไม่ได้ทำเพียงแทะเล็ม เหมือนซิกนัส เอ็กซ์-วัน
นี่เป็นการกินสิบปีอย่างบ้าคลั่ง
หลุมดำมวลยวดยิ่งกลืนกินดาวทั้งดวง
ในพริบตาจักรวาล
มันเป็นผลของการชนโดยบังเอิญ
เมื่อดาวที่โชคร้ายเดินทางเข้ามาใกล้เกินไป
และความโน้มถ่วงรุนแรงของหลุมดำ ได้ฉีกมันออกเป็นชิ้นๆ
ความโน้มถ่วงจากหลุมดำ
จะแรงขึ้นเรื่อยๆ
เมื่อดาวเข้ามาใกล้
และในจุดนั้น ดาวจะเริ่มเปลี่ยนรูป
เรียกว่า การทำลายโดยแรงน้ำขึ้นลง
เหมือนกับการที่แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์
สามารถเคลื่อนมหาสมุทรบนโลกได้อย่างง่ายดาย
กระแสขึ้นลงที่เกิดจากหลุมดำ
จะรุนแรงขึ้นหลายพันล้านเท่า
และร้ายแรงกว่ามากมายนัก
คุณจะเจอเหตุการณ์เหล่านี้
ตอนที่ดาวจะถูกหลุมดำฉีกออกจากกัน
คุณจะเห็นลำแสง
จากลมหายใจสุดท้ายของวัตถุในดวงดาว
แต่มีโอกาสที่บางส่วนของดาวจะรอดมาได้
เหมือนในภาพของเจมส์
เมื่อดาวถูกยืดออกโดยแรงน้ำขึ้นน้ำลงของหลุมดำ
มันจึงจำเป็นที่จะต้องกินหลุมดำ
ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากครึ่งหนึ่งของมัน พยายามจะหนีออกมา
ทุกอย่างเหนือจุดนี้โดยประมาณ
จะมีโอกาสจะหนีจากจักรวาล
มันเคลื่อนที่เร็วมาก
และทุกอย่างที่อยู่ใต้จุดนี้
จะตกลงไปในหลุมดำ
และถูกกลืนกินในที่สุด
นี่เป็นอีกวิธีหนึ่งที่หลุมดำใช้เพิ่มน้ำหนัก
ไม่เหมือนกับซิกนัส เอ็กซ์-วัน ที่ค่อยๆ แทะเล็มไปเรื่อยๆ
หลุมดำนี้สวาปามเอาดาวเข้าไปทั้งดวง
ในคำเดียว
แต่ไม่ว่าหลุมดำจะกินเร็ว
โดยกลืนดาวเข้าไปครึ่งดวง
หรือค่อยๆ เพิ่มพูนไปเรื่อยๆ
นักดาราศาสตร์ก็ยังเผชิญกับปัญหา เมื่อพวกเขาพยายามจะเข้าใจ
ว่าหลุมดำมวลยวดยิ่งใหญ่ขนาดนั้นได้อย่างไร
ปัญหาเรื่องเวลา
ปัญหาเกิดกับหลุมดำมวลยวดยิ่งที่เก่าแก่มากๆ
เช่น เควซาร์ วัตถุโบราณที่อยู่ห่างไกล
และสว่างไสวมาก
ถูกค้นพบครั้งแรกในช่วงต้นทศวรรษที่ 1960
ปัญหาคือเมื่อเราเริ่มพบเควซาร์เหล่านี้
เควซาร์ที่สว่างเจิดจ้า ในยุคแรกๆ ของจักรวาล
(ห่าง 13,000 ปีแสง)
พวกมันส่งพลังงานเยอะมาก
ที่มันต้องมีหลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ที่ใจกลาง
แต่เควซาร์อยู่ห่างไปมาก
แปลว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของจักรวาลยุคแรกๆ
ซึ่งเริ่มขึ้นเมื่อเกือบ 14,000 ล้านปีก่อน
เควซาร์สว่างไสว
หกร้อยล้านปีหลังจากเกิดบิ๊กแบง
เศษเสี้ยวของยุคปัจจุบัน
และมันมีขนาดมหาศาล
หลุมดำที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์เป็นพันล้านเท่า ปิศาจขนาดมหึมาเหล่านี้
ต้องอยู่ที่นั่นตอนที่จักรวาล
มีอายุประมาณ 550 ล้านปี
ตอนนี้เรามีปัญหาแล้ว
เพราะเราต้องเลี้ยงอะไรที่ใหญ่มากๆ เร็วมากๆ
และเรากำลังเพิ่มขึ้นจนถึงขีดจำกัดทางฟิสิกส์
ไม่ว่าจะเป็นหลุมดำแทะเล็ม
หรือพวกที่สวาปามลงไป
กลายเป็นว่าการเพิ่มพูน และวิธีกินของหลุมดำ
มีการจำกัดความเร็ว
มันถูกตั้งชื่อตามชื่อของนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ อาร์เธอร์ เอ็ดดิงตัน
ขีดจำกัดของเอ็ดดิงตันจะไม่ยอมให้หลุมดำ
กินเร็วเกินไป
เพราะแสงที่ระเบิดออกมาจาก
จานรวมมวลของมันเอง
แสงมีแรงดัน
โฟตอนสามารถแบ่งพลังใส่บางอย่าง
เราเห็นสิ่งนี้ในลมจากดาว หรือแสงที่ผลักก๊าซออกมา
มีขีดจำกัดว่าคุณจะให้หลุมดำกินได้เร็วแค่ไหน
ก่อนที่ความสว่างของมัน จะหยุดการเติบโตของมันเอง
ด้วยขีดจำกัดความเร็วนี้ หลุมดำมวลยวดยิ่งในยุคแรกๆ
เช่นเควซาร์ ใหญ่และเร็วขนาดนั้นได้อย่างไร
มีวิธีที่จะเลี่ยงขีดจำกัดความเร็วนี้ได้หรือไม่
ปัญหาก็ยังเป็นเรื่องของเวลานั่นเอง
คุณจะทำให้มันใหญ่ขึ้น
โดยมีมวลพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ได้อย่างไร
สภาวะใดที่คุณต้องการสำหรับการเติบโตแบบนั้น
นักวิทยาศาสตร์บางคนกำลังถามว่า
ถ้ามีวิธีสร้างหลุมดำ
ที่มีมวลมหาศาลอยู่แล้วตั้งแต่เกิดล่ะ
ให้มันล่วงหน้าไปก่อนเลย
ถ้ามีกลไกทางฟิสิกส์
ที่ทำให้คุณสร้างเมล็ดหลุมดำ
ซึ่งมีมวลมากตั้งแต่ต้น
เช่นนั้นวิกฤตเวลาก็ไม่ได้เป็นปัญหามากนัก
และปัญหาการเติบโตก็ไม่รุนแรง
บางคนเชื่อว่าคำตอบคือ
การสร้างหลุมดำจากกลุ่มก๊าซโดยตรง
เหตุการณ์นี้เรียกว่า การยุบตัวโดยตรง
มันเริ่มด้วยกลุ่มก๊าซที่มีไฮโดรเจน ฮีเลียม
และธาตุอื่นๆ
วัตถุดิบเหมือนกับการเกิดของดาว
เมฆหนาแน่นจะเริ่มยุบตัว จากความโน้มถ่วงของตัวเอง
ขณะที่มันยุบตัว ส่วนต่างๆ ที่หนาแน่นกว่า
จะยุบตัวเร็วกว่า
และสิ่งที่เกิดขึ้นคือเมฆแตกตัว
เศษต่างๆ ยังคงยุบตัวต่อไป
จนอะตอมไฮโดรเจนในตัวมัน เริ่มหลอมรวมกัน
เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันขึ้น และดาวก็ถือกำเนิด
แต่ถ้ากลุ่มก๊าซยักษ์ยุบตัวโดยไม่เกิดเป็นดาวล่ะ
เรารู้ว่ามีรูปแบบสภาวะทางฟิสิกส์
ที่ทำให้เราสามารถก่อจานก๊าซที่ใหญ่มาก
ก่อนการก่อตัวของดาวใดๆ
ดังนั้นจานก๊าซนี้จะเริ่มไม่เสถียร
นั่นจะทำให้มวลไหลเข้าสู่ใจกลาง
อย่างรวดเร็วมากๆ และเกิดหลุมดำที่มีมวลมาก
เป็นสิ่งที่เราเห็นได้ในธรรมชาติ
จากพายุทอร์นาโดจนถึงอ่างอาบน้ำ
กระแสน้ำวน
แต่ในระดับที่มหาศาลกว่ามาก
ถ้าคุณอยู่ในอ่างอาบน้ำ แล้วดึงปลั๊กอุดรูออก
คุณจะเห็นน้ำหมุนวน
ลงไปเร็วมากตรงกลาง
นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น
การยุบตัวโดยตรงอาจจะเป็นวิธี
สร้างหลุมดำขนาดใหญ่มากในช่วงต้นจักรวาล
จากกลุ่มก๊าซมหึมา
ข้ามขั้นตอนการกำเนิดดาวไป
เพราะพวกมันอาจจะใหญ่โตมากอยู่แล้วตั้งแต่แรก
หลุมดำที่เกิดจากการยุบตัวโดยตรงเหล่านี้
ได้ออกตัวไปก่อน ช่วยให้มันโตขึ้นอย่างรวดเร็ว
กลายเป็นหลุมดำมวลยวดยิ่งอายุน้อยที่เราเห็น
ในจักรวาลที่ห่างไกล
คุณอาจจะเจอหลุมดำที่เกิดจากการยุบตัว โดยตรงเหล่านี้ได้
หลุมดำที่มีมวลเดิม
มวลเมล็ดพันธุ์ มวลเริ่มต้น
อยู่ที่ประมาณหนึ่งหมื่นหรืออาจจะหนื่งแสนเท่า
ของมวลของดวงอาทิตย์
และพวกมันก่อตัวด้วยมวลนั้นตั้งแต่แรก
การยุบตัวโดยตรงอาจจะอธิบายว่า หลุมดำมวลยวดยิ่งในยุคแรกๆ
เกิดขึ้นได้อย่างไร
แต่ยังมีคำถามสำคัญอีกข้อเกี่ยวกับหลุมดำมวลยวดยิ่ง
มันมีหน้าที่อะไรในจักรวาล
มันเกิดขึ้นมาโดยบังเอิญหรือเปล่า
หรือว่ามันเชื่อมโยงกับโครงสร้าง
ของจักรวาลในบางแง่มุมที่สำคัญ
หลุมดำมวลยวดยิ่งไม่อยู่โดดเดี่ยว
ดูเหมือนพวกมันจะอยู่ร่วมกับกาแล็กซี
การรวมตัวของดวงดาวหลายล้านดวง หลายพันล้านดวง
หรือแม้แต่ล้านล้านดวง ผูกพันกันด้วยแรงโน้มถ่วง
กาแล็กซีคือหน่วยโครงสร้างที่สำคัญของจักรวาล
หลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ที่ตรงกลางกาแล็กซี
มีความสำคัญบางอย่างต่อการมีอยู่ ของกาแล็กซีใช่หรือไม่
ตอนนี้เราสันนิษฐานว่าทุกกาแล็กซี
แม้แต่กาแล็กซีที่เรายังไม่ได้ยืนยัน
จะมีหลุมดำมวลยวดยิ่งอยู่ตรงกลาง
มันอาจจะเป็นเช่นนั้นแทนที่จะเป็น เพียงแค่ของประหลาด
ที่พวกมันเป็นองค์ประกอบสำคัญของกาแล็กซี
องค์ประกอบสำคัญของจักรวาล
เราใช้เวลาไม่นานที่จะรู้ว่า
พวกมันน่าจะอาศัยอยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี
ซึ่งนั่นจะเกิดขึ้นได้
ถ้ามีความสัมพันธ์แบบการอยู่ร่วมกัน
ระหว่างการอุบัติของกาแล็กซี
และหลุมดำมวลยวดยิ่งที่ใจกลางของมัน
ความสัมพันธ์นั้นจะเป็นอย่างไร
เบาะแสที่น่าทึ่งอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับขนาด
ยิ่งกาแล็กซีมีขนาดใหญ่
หลุมดำก็ดูจะยิ่งมีมวลมาก
หลุมดำที่อยู่ตรงกลางเหล่านี้
ดูจะเข้าใจสภาพแวดล้อมในระดับใหญ่ของมัน
แล้วอะไรเกิดขึ้นก่อน
กาแล็กซีหรือหลุมดำมวลยวดยิ่ง
มันไม่ง่ายขนาดนั้น
ดูเหมือนว่ามันจะเกิดตามกันมา
มันยากที่สิ่งใดจะก่อตัวขึ้นก่อน แล้วส่งผลกระทบให้อีกสิ่ง
วันนี้เราคิดว่าไม่ว่าอะไรจะก่อตัวขึ้น
ต้องสร้างอีกสิ่งขึ้นมาเป็นผลพลอยได้ ในกระบวนการ
และต้องมีกลไกตอบกลับบางอย่าง
ระหว่างกาแล็กซีและหลุมดำ
ที่ทำให้การเติบโตของทั้งสองอย่างเชื่อมโยงกัน
กาแล็กซีขยายตัวโดยการสร้างดาวใหม่
จากกลุ่มก๊าซไฮโดรเจน
ก๊าซเป็นเชื้อเพลิงที่จำเป็นในการกำเนิดของดาว
เหมือนน้ำมันที่เราใช้เป็นเชื้อเพลิงให้รถยนต์
และถ้าน้ำมันหมด คุณก็ไม่มีดาวใหม่
ดังนั้นหลุมดำมวลยวดยิ่งนี้
อาจจะแทรกแซงการเกิดดาว ในทางใดทางหนึ่งใช่หรือไม่
เมื่อหลุมดำใหญ่ขึ้น
พลังงานมหาศาลจะถูกปลดปล่อยออกมา
และส่งออกไปยังกาแล็กซี
เราคิดว่าพลังงานบางส่วนช่วยทำให้ก๊าซอุ่นขึ้น
และก๊าซที่อุ่นเกินไปจะไม่ก่อตัวเป็นดาวอีกต่อไป
ความร้อนจากหลุมดำที่ขยายตัวขึ้น
ทำให้ดวงดาวไม่สามารถก่อตัวขึ้น ในบริเวณใกล้เคียง
ดังนั้นวิธีเดียวที่หลุมดำที่กำลังขยายตัว
จะสามารถมีอิทธิพลต่อกาแล็กซีเจ้าบ้าน คือหยุดการก่อตัวของดาว
การขยายตัวของหลุมดำ
เป็นตัวกำหนดว่ากาแล็กซีเจ้าบ้าน จะขยายขึ้นหรือว่าหยุดนิ่งหรือไม่
พวกมันมีระยะการกิน
จากนั้นจึงเข้าสู่ระยะสงบ
ดังนั้นจึงดูเหมือนว่าพวกมันเกี่ยวข้อง
กับการก่อตัวของกาแล็กซีในวิธีนั้น
แล้วรักษาระดับของกาแล็กซี่ไว้ในเวลาเดียว
หลุมดำมวลยวดยิ่งที่เป็นปริศนาพวกนี้
อาจจะควบคุมการสร้างจักรวาลจริงๆ
อาจไม่เกี่ยวกับขนาดของมันเท่าไหร่
แต่ด้วยการที่พลังงานที่มันสร้างขึ้น เป็นตัวกำหนดรูปร่างของกาแล็กซี
ถ้าคุณสามารถนับหลุมดำทั้งหมดในจักรวาล
หลุมดำเล็กๆ รวมถึงหลุมดำมวลยวดยิ่ง
หลุมดำมวลมหาศาล
ด้วยมวลแล้ว หลุมดำไม่มีความหมายอะไรเลย
อย่างไรก็ตาม กาแล็กซีได้รับพลังมากแค่ไหน
และในเวลาใดที่มันรวมตัวกัน
ดูเหมือนจะถูกกำหนดด้วยหลุมดำที่อยู่ตรงกลาง
มันอาจจะเป็นตัวละครสำคัญในจักรวาล
อีกสองปีข้างหน้า นาซามีแผนที่จะปล่อย
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์
กล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังที่สุดของมนุษยชาติ
กล้องเจมส์ เว็บบ์ถูกออกแบบให้จับ รังสีอินฟราเรด
ให้มันสามารถมองย้อนเวลาไปได้ไกลกว่าฮับเบิล
ได้มองดูกาแล็กซีและดาวดวงแรก
ที่ก่อตัวหลังจากบิ๊กแบง
หวังไว้สูงว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์
จะช่วยไขปริศนามากมายที่ยังมีอยู่
เกี่ยวกับหลุมดำมวลยวดยิ่งในยุคแรกสุด
กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ถูกปรับจูนเป็นพิเศษ
เพื่อสังเกตจักรวาลในยุคแรก เมื่อกาแล็กซีกำเนิดขึ้น
นั่นอาจจะทำให้เราเข้าใจได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
ว่าเราได้หลุมดำมวลยวดยิ่งมาอยู่ใน
กาแล็กซีของเราได้อย่างไรตั้งแต่แรก
เทคโนโลยีเคลื่อนที่ไปเร็วมาก
และผลที่ได้คือเราได้พบมุมมองใหม่ที่สำคัญมากๆ
เกี่ยวกับจักรวาล
ฉันคิดว่าเราอยู่ในยุคทองของดาราศาสตร์
และกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์
ไม่ใช่การพัฒนาขึ้นใหม่เพียงอย่างเดียว ที่จะช่วยหาคำตอบ
ของปริศนาบางอย่างเกี่ยวกับหลุมดำ
(มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด คณะวิทยาศาสตร์และศิลปศาสตร์)
(ศูนย์ศึกษาการกำเนิดหลุมดำทางคณิตศาสตร์)
(การกำเนิดหลุมดำ - มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด คณะวิทยาศาสตร์และศิลปศาสตร์)
ฉันเชื่อว่ามีองค์ประกอบรังสีอินฟราเรด...
กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ซึ่งนำโดย เช็ป โดลแมน
กำลังพยายามทำสิ่งที่เป็นไปไม่ได้
เพื่อถ่ายภาพหลุมดำ
มันน่าสนใจที่เราสามารถบอกอะไร
เกี่ยวกับกระแสการพอกพูนใกล้กับหลุมดำทั้งหมด
และถ้าบางส่วนเกี่ยวข้องกับ พฤติกรรมการเอาชีวิตรอด
เราอาจจะมีทางถอดความหมายของมันออกมา
โครงการนี้มีชื่อว่า กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์
เป้าหมายหลักของโครงการ กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์
จริงๆ แล้วคือการมองหาสิ่งที่มองไม่เห็น
เพื่อนำมันมาสู่ความสนใจ
สิ่งที่วิทยาศาสตร์บอกเรามาหลายต่อหลายปี
คือมีสิ่งที่เราไม่สามารถสังเกตได้
หลุมดำ
เป้าหมายหลักของพวกเขาคือ หลุมดำซาจิสทาเรียสเอสตาร์
หลุมดำมวลยวดยิ่งที่อยู่ตรงกลาง กาแล็กซีทางช้างเผือก
พวกเขาใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั่วโลก
เราต้องการสภาพอากาศที่ดีบริเวณกล้องแปดตัว
ที่อยู่รอบโลก
และนั่นเป็นเรื่องยาก
แต่ถ้าหลุมดำล่องหน
พวกเขาหวังจะถ่ายรูปอะไรกันแน่
สิ่งที่เราพยายามจะถ่ายภาพจริงแล้วคือเงา
ขณะที่ก๊าซรอบๆ หลุมดำ
หมุนวนเข้าด้านใน และชนกับขอบฟ้าเหตุการณ์
มันทำให้เกิดภาพเงา
เงาที่ชัดเจนมากบนแสงที่ล้อมรอบอยู่
ดังนั้นจริงๆ แล้วมันควรจะมีหน้าตาเหมือนโดนัท
ที่มีหลุมที่ชัดเจนมาก
และนั่นคือภาพที่เราต้องการ
ถ้าผมแปลงนี่เป็นความถี่
ผมจะได้ สอง ไพ ยกกำลังสอง
ทีมงานทำการสังเกตครั้งแรก
และกำลังประมวลผลอยู่ในตอนนี้
โอเค คุณบอกว่าความเร็ว...
หวังว่าเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้
จะทำให้เราได้มุมมองที่ไม่เคยเห็นมาก่อน ของหลุมดำในจักรวาล
แต่มีเทคโนโลยีใหม่อย่างหนึ่งที่พร้อมจะให้ผลลัพธ์
นั่นได้พาเรากลับมาที่นี่ กลับไปยังไลโก
ตัวละครสำคัญในละครหลุมดำ
เพื่อแนวคิดที่หยั่งรากไปล่วงหน้าในกาลเวลา
คลื่นความโน้มถ่วง
ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทฤษฎีเกี่ยวกับความโน้มถ่วงของเขา
ไอน์สไตน์ได้ทำนายว่าเมื่อวัตถุเคลื่อนที่
มันจะสร้างระลอกคลื่นในอวกาศและเวลา
การบีบอัดและเหยียดออกของตัวอวกาศเอง
หนึ่งในเป้าหมายสำคัญของฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 20
คือการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วง
ซึ่งไม่ใช่จะทำได้ง่ายๆ
ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
เพราะผลลัพธ์ทุกอย่างที่คุณคิดออก
มันเล็กมากจนวัดไม่ได้
วัดได้ยากมากๆ
แนวคิดก็คือ
ถ้าคลื่นความโน้มถ่วงสามารถวัดได้
มันจะยืนยันการทำนายของไอน์สไตน์
และน่าจะมีประโยชน์เพิ่มขึ้น
มันอาจจะพิสูจน์การมีอยู่ของหลุมดำได้ด้วย
และช่วยไขปริศนาการขยายตัว ของหลุมดำมวลยวดยิ่ง
แต่จะตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงได้อย่างไร
ในปี 1970 ปัญหานี้ได้รับความสนใจ
จากเร ไวส์ นักฟิสิกส์เชิงทดลองหนุ่ม
เรมีประวัติดีเยี่ยมในการตามล่า คลื่นความโน้มถ่วง
เขาทำงานกับคลื่นที่คุ้นเคยอื่นๆ มาหลายทศวรรษ
คลื่นเสียง
เราเป็นผู้อพยพ
เราเป็นคนเยอรมันเชื้อสายยิว
เพื่อนหลายคนของเราสนใจเรื่องดนตรีมากๆ
เรอุทิศตัวเอง
เพื่อหาความแตกต่างเพียงเล็กน้อยที่เขาพบ
จากเสียงเพลงที่บันทึกไว้
เสียงเพลงเหล่านี้มีปัญหาหนัก
เมื่อเพลงดังมาก มันจะฟังไพเราะ
พอดนตรีเงียบและช้า
สิ่งที่คุณได้ยินคือสิ่งนี้...
แบบนั้น
เสียงซ่า
และมันน่ารำคาญ
สิ่งที่เขาได้เรียนรู้ในการพยายาม กำจัดเสียงในดนตรีที่บันทึกไว้
จะส่งผลต่อมา
เมื่อเรหันไปสนใจ
การตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วง
คุณต้องเข้าใจ
วิธีที่คลื่นความโน้มถ่วงทำสิ่งไม่น่าพอใจ
มันเป็นปัญหาทางฟิสิกส์
คลื่นความโน้มถ่วงไม่เหมือนคลื่นเสียง
สมมุติว่าคลื่นมาจากบางอย่าง
ซึ่งในทางหนึ่งเคลื่อนไหวและส่ายไปมา
คลื่นเสียงบีบและขยายอากาศ
คลื่นความโน้มถ่วงบีบและขยายอวกาศ
และทุกอย่างในนั้น
ถ้าคลื่นนั้นผ่านโลก
มันจะทำให้อวกาศ
ขยายออกครู่หนึ่งก่อนจะหดกลับไปอีกครั้ง
มันทำเช่นนี้ไปเรื่อยๆ ดังนั้นคลื่นจะเป็นแบบนี้
ที่จะ... ไปเรื่อยๆ แบบนั้น
แล้วจะวัดการขยายตัวเต็มที่ช่วงสั้นๆ
และการหดกลับของอวกาศได้อย่างไร
เรมีความคิดว่าต้องใช้แสง
ยิงลำแสงออกไป
จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง
และจับเวลาที่ใช้ในการไปถึงจุดนั้น
นั่นคือวิธีคำนวณระยะทางไปดวงจันทร์
แสงเลเซอร์จากโลกสะท้อน
จากกระจกที่นักบินอวกาศอะพอลโล 11 ทิ้งไว้
(ที = 2.57 วินาที)
จากระยะเวลาในการไปกลับ
นักวิทยาศาสตร์สามารถบอกระยะทางได้
(ดี = 384,469 กิโลเมตร)
เรได้คิดแบบที่ชาญฉลาด
สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้เลเซอร์และกระจก
เพื่อตรวจหาการขยายตัวเบาๆ และการหดตัวของอวกาศ
ซึ่งอาจจะเกิดจากคลื่นความโน้มถ่วง
มันมีชื่อว่า อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์
มันทำงานโดยยิงแสงเลเซอร์เข้าไปในตัวแยก
ลำแสงครึ่งหนึ่งจะเคลื่อนที่ตรงไปข้างหน้า
ไปยังกระจกบานหนึ่ง
ขณะที่ลำแสงอีกครึ่งจะถูกส่งไปยังกระจกอีกบาน
กระจกที่อยู่ห่างออกไปจะสะท้อนลำแสงกลับมา
ซึ่งมันจะรวมตัวกันใหม่ที่เครื่องจับภาพ
ถ้าระยะทางที่ลำแสงทั้งสองเดินทางไปเหมือนกัน
ระบบถูกออกแบบให้ลำแสงทั้งสองตัดตัวเองออก
เครื่องตรวจจับจะไม่พบอะไร
คุณวางกับดักเพื่อวัดคลื่นความโน้มถ่วง
ตอนนี้พอคลื่นความโน้มถ่วงเข้ามา
สมมุติว่าที่โครงสร้างนี้
ถ้าคลื่นความโน้มถ่วงผ่านไป
มันจะเปลี่ยนความยาวของแขนช่วงสั้นๆ
ลำแสงจะไม่กลับมาพร้อมกัน
เพื่อตัดตัวเองออกอีก
คลื่นความโน้มถ่วงเข้ามาชน
แสงจะปรากฏที่เครื่องตรวจจับ
กับดักได้ดีดออก
นั่นคือความคิดพื้นฐาน
มันเป็นการวัดที่ง่ายมากๆ
แนวคิดที่ชาญฉลาด และมีหลักการง่ายๆ
แต่สิ่งที่น่าตื่นตาและรางวัลโนเบล
นั้นขึ้นอยู่กับรายละเอียด
ความแตกต่างของความยาวระหว่างแขนทั้งสอง
อาจจะเล็กน้อยเกินคาดคิด
เล็กแค่ไหน พูดขนาดของอะตอม
มันเล็กกว่านั้น
ลงไปถึงเศษหนึ่งส่วนแสน
นั่นคือนิวเคลียสของอะตอม
มันเล็กกว่านั้นอีก
น้อยกว่านั้นร้อยเท่า
เรากำลังพูดถึงสิ่งที่เล็กจิ๋วหลิวมากๆ
ผมคิดว่ามันบ้ามาก
ผมคิดว่าปฏิกิริยาแรกของทุกคนต่อแนวคิดนี้
คือมันเป็นไปไม่ได้
ในปี 1973 คิป ธอร์น ได้บันทึก ข้อสงสัยของเขาไว้
ในตำราคลาสสิก
สงสัยว่ามันจะได้ผลจริงไหม
(ความโน้มถ่วง)
แต่คิป ไม่เคยฟังเร ไวส์
อธิบายรายละเอียดแนวคิดของเขา
และเมื่อเขาทำ...
เราคุยกันทั้งคืน
แล้วผมก็บอกว่า "ไม่ๆ มันเป็นไปได้จริง"
ใช้เวลาไม่นานเลย 20 นาที หรืออาจจะครึ่งชั่วโมง
คิปเข้าใจเรื่องนี้อย่างถ่องแท้ เขาบอกว่า "ใช่"
ผมคิดผิดมาตลอดชีวิตการทำงานของผมเลย
เพราะเมื่อผมได้คุยรายละเอียดกับเร
ผมตัดสินใจว่าจะใช้เศษเสี้ยวใหญ่ๆ
ในชีวิตการทำงานที่เหลือของผมช่วยทำการทดลอง
แต่มันต้องใช้เวลาถึง 40 ปี
และเงินจำนวนมหาศาล
เพื่อทำให้วิสัยทัศน์ของเรและคิปเป็นจริง
การได้ทุนจากไลโก
ทำให้เกิดการโต้แย้งมาก
เงินหลายร้อยล้านเหรียญ
เพื่อใช้จับสัญญาณที่ไม่เคยมีใครเห็นมาก่อน
(ไลโก หอสังเกตการณ์แฮนฟอร์ด)
มีหลายคนที่กลัวว่า
ไลโกจะถลุงเงินจนหมด
จึงมีความขัดแย้งมากมาย
สิ่งที่ทุกคนเห็นพ้องกันคือ
นี่เป็นสิ่งที่ยากมากๆ
ด้วยเครื่องมือที่มีความอ่อนไหวเช่นนี้
ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดอย่างหนึ่ง
คือศัตรูเก่าของเร ไวส์ เสียงนั่นเอง
การเคลื่อนที่ของพื้นดิน
การสั่นสะเทือนของโลก
เสียงสะท้อน
เสียง...
ทุกสิ่งที่มีแนวโน้มจะทำให้กระจกขยับ
กลายเป็นว่าแม้แต่ความว่างเปล่าของสูญญากาศ
ก็สร้างปัญหาการกระเพื่อมได้
ที่ระยะทางที่เล็กกว่าอะตอม
การไม่มีแบบแผนแปลกๆ ของโลกควอนตัม
ทำให้เกิดเสียงอึกทึกที่กระจก
เสียงควอนตัมนี้เกิดจาก การกระเพื่อมแบบควอนตัม
กระจกพวกนี้ทำสิ่งที่อิเล็กตรอนทำภายในอะตอม
พวกมันเคลื่อนที่ไปรอบๆ
การตอบสนองรวดเร็วมาก
สภาวะสูญญากาศเต็มที่
วงจรไฟฟ้าหลายแสน...
ไลโกเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ซับซ้อนที่สุด
ในประวัติศาสตร์ของวงการวิทยาศาสตร์
และเพื่อใช้เป็นวิธีสุดท้ายในการกำจัด สัญญาณผิดพลาด
พวกเขาจึงสร้างอุปกรณ์ที่เสร็จสมบูรณ์
ถึงสองชุด ไม่ใช่แค่เพียงชุดเดียว
หนึ่งชุดอยู่ที่รัฐวอชิงตัน และอีกชุดอยู่ที่หลุยเซียนา
นักออกแบบของไลโกทำได้ถูกต้อง
พวกออกแบบเครื่องตรวจจับไว้มากกว่า หนึ่งเครื่อง
แยกมันให้อยู่ห่างจากกันเป็นระยะทางไกล
เพื่อที่ว่าหากเราตรวจพบบางอย่างที่จุดหนึ่ง แต่ไม่พบที่อีกจุด
เราจะได้รู้ว่าต้องกลับไปตรวจสอบเรื่องไฟฟ้า
ตรวจดูว่ามันมีอะไรผิดพลาดหรือไม่
หรือบางคนไม่ได้หมุนปุ่มหรือเปล่า
ช่วงต้นฤดูใบไม้ร่วง ปี 2015
ทั้งสองที่กำลังปฏิบัติทำงาน
แต่การทดสอบครั้งแรกยังไม่เริ่มขึ้น
พวกเขายังคงทดสอบ
ช่วงเช้าตรู่ของวันอาทิตย์ที่ 14 กันยายน 2015
นักวิทยาศาสตร์ในหลุยเซียนา ต้องตัดสินใจครั้งสำคัญ
โรเบิร์ต สโคฟิลด์ ทำงานมาตลอดสุดสัปดาห์
ทำการทดสอบครั้งสุดท้าย
เอาละ มาดูสเปกตรัมกัน
เขาเหลือการทดสอบอย่างสุดท้าย
ดูสิว่าคอมพิวเตอร์นี่ได้พลังงานมาจากไหน
แต่มันดึกแล้ว และอุปกรณ์ก็ไม่ให้ความร่วมมือ
ประมาณตีสี่ หรือราวๆ นั้น
เรายังเหลืองานที่ต้องทำอีกประมาณหนึ่งชั่วโมง
แล้วเราก็คิดว่า "ใช่ อะไรๆ ก็ทำงานได้ไม่ดีนัก
และผมก็เหนื่อยมาก
ไม่ต้องทำงานชั่วโมงสุดท้ายนี่แล้ว"
พวกเขาจึงเลิกงาน
และประมาณ 40 นาทีต่อมา
ท่ามกลางความเงียบจากการหยุดกิจกรรม
พวกเขาเปิดประตูไปสู่ประวัติศาสตร์
คลื่นความโน้มถ่วงกำลังแรงส่งเสียงดัง เข้ามาที่เครื่องตรวจจับทั้งสองเครื่อง
ทั้งที่หลุยเซียนาและวอชิงตัน
ถ้าโรเบิร์ต สโคฟิลด์ทำงานต่อ อีก 40 นาทีในคืนนั้น
โดยอุปกรณ์อยู่ในโหมดทดสอบ
สัญญาณที่เดินทางมา 1,300 ล้านปี
จะไม่มีทางถูกบันทึกไว้
ผมอยากจะบอกว่า
สิ่งสำคัญที่สุดอย่างหนึ่งที่ผมทำให้ไลโก
คือความขี้เกียจของผมในวันนั้น
ผมได้รับอีเมลจากใครบางคน บอกว่า
"เฮ้ ดูนี่ ดูที่นี่ในเว็บสิ"
ผมดูมันแล้วก็บอกว่า "ให้ตายสิ"
มันแรงมาก
จนคุณเห็นข้อมูลได้ด้วยตา
มันเหลือเชื่อจริงๆ
แต่มันก็เป็นความจริง
ที่จริงมันดังและชัดเจนอย่างน่าประหลาดใจ
และมันกำลังร้องเพลงให้คุณฟัง
นี่ไงล่ะ ชัดเจนเลย
สัญญาณคงอยู่ไม่ถึงวินาที
แต่ในช่วงเวลาที่สั้นที่สุดนั้น
มันได้นำข้อความสุดซึ้งจากจักรวาล
ที่ใช้เวลาในการสร้างกว่าพันล้านปีมาด้วย
มันพิสูจน์ว่าหลุมดำมีอยู่จริง
สิ่งที่เราเห็นในสัญญาณ
เกี่ยวข้องกับการแกว่งของกระจกที่ช้าในตอนแรก
แล้วจึงเร็วขึ้นๆ เรื่อยๆ
และนี่เป็นพฤติกรรม
ที่คุณคาดว่าจะได้จากคลื่นความโน้มถ่วง
ที่เกิดจากหลุมดำสองหลุมที่โคจรรอบกัน
หมุนวนไปด้วยกัน
หลุมดำมวลมากสองหลุม
หลุมหนึ่งใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 29 เท่า
อีกหลุมใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ 36 เท่า
หมุนวนรอบกันหลายร้อยครั้งต่อวินาที
ในที่สุดมันก็ทำลายกันเองด้วยการหลอมรวม...
เกิดเป็นหลุมดำเดี่ยวที่ใหญ่ขึ้น มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 62 เท่า
ความรุนแรงจากการหลอมรวม ได้เปลี่ยนมวลสารบางส่วน
ให้กลายเป็นการปล่อยพลังงานที่รุนแรง
เกินกว่าอะไรที่เคยเห็นมา
ผลที่เกิดจากการหลอมรวม
สร้างพายุที่รุนแรงในโครงสร้างหรือรูปร่าง
ของกาลอวกาศ
เหมือนกับคุณเอาดวงอาทิตย์สามดวง
มาบดขยี้จนหมด
และเปลี่ยนมันเป็นคลื่นความโน้มถ่วง
กำลังของมันมากกว่าพลังของดาวทุกดวง
ในจักรวาลรวมกันถึง 50 เท่า
ในเวลาแค่เสี้ยววินาที
แต่ระเบิดรุนแรงที่สุด
เท่าที่มนุษย์เคยพบหลักฐานมา
ยกเว้นบิ๊กแบง
ตั้งแต่พบสัญญาณแรกในเดือนกันยายน 2015
ไลโกได้ตรวจเจอการชนของหลุมดำอีกหลายครั้ง
ในเดือนตุลาคม 2017 เร ไวส์ คิป ธอร์น
และแบร์รี แบริช อดีตผู้อำนวยการไลโก
ได้รับรางวัลโนเบล
การค้นพบของไลโกพิสูจน์ว่าหลุมดำสามารถรวมกัน
เป็นวิธีหนึ่งที่มันสามารถใหญ่ขึ้นอย่างรวดเร็ว
หลักฐานอีกหลายชิ้นเกี่ยวกับการหลอมรวม ของหลุมดำบอกเราว่า
มีหลุมดำดาวฤกษ์อีกมากมาย
ที่พวกมันจะหากันพบและหลอมรวมกัน
และการค้นพบนี้ได้เปิดโลกใหม่
ของการสังเกตจักรวาล
เราคิดเสมอว่าดาราศาสตร์ เป็นสนามของการสังเกต
ที่ซึ่งเรามองเห็นการแผ่รังสี
เรากำลังดูหลายอย่าง
แต่นี่ไม่ใช่การแผ่รังสี
นี่เป็นอะไรที่สำคัญกว่านั้นมาก
มันเป็นการสั่นไหวที่สำคัญในตัวกาล-อวกาศเอง
ตอนนี้เราสามารถได้ยินเสียงจักรวาล
เป็นครั้งแรก
ที่นักดาราศาสตร์ได้เห็นและได้ยิน เหตุการณ์ในจักรวาลไปพร้อมๆ กัน
ในเดือนสิงหาคม 2017 ไลโกตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วง
จากการชนกันของดาวนิวตรอนสองดวง
หลุมดำคือที่ว่าง
แต่ดาวนิวตรอนเป็นดาวดับที่มีมวลหนาแน่น
ที่สามารถชนกันแล้วทำให้ท้องฟ้าสว่างไสว
เมื่อกล้องโทรทรรศน์และดาวเทียมทั่วโลก
ชี้ไปยังทิศทางของเสียง
โลกก็จะได้เห็นดอกไม้ไฟ
จากการชนกันจนระเบิดและแสงเรือง หลังการระเบิด
เป็นไปได้ว่าการชนกันส่งผลให้เกิด
หลุมดำใหม่
แต่ถ้าเราไม่สังเกตการก่อตัวของหลุมดำ
ยังมีอีกมากที่เรายังไม่รู้
เพราะมีหลายอย่างเหลือเกินเกี่ยวกับหลุมดำ
ที่เกินเราจะเอื้อมถึงและเรียกคืนกลับมาไม่ได้
เราอาจจะไม่รู้ว่ามันมาจากไหน
มีอะไรอยู่ภายใน หรือประวัติของมัน
แต่เราสามารถจินตนาการถึงอนาคตของมันได้
จำนวนหลุมดำในจักรวาลกำลังเพิ่มขึ้น
และมันกำลังใหญ่ขึ้น
ดวงดาวยุบตัว
หลุมดำกลืนกินและหลอมรวม
เกิดเป็นหลุมดำใหม่
เป็นไปได้ไหมที่วันหนึ่ง
ทุกอย่างจะไปลงเอยอยู่ภายในหลุมดำ
และมันจะครองจักรวาลนี้
ยาวนานนับล้านล้านปีหลังจากเรื่องนี้เกิดขึ้น
จนสสารชิ้นสุดท้ายที่ข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์เข้าไป
หลุมดำเองอาจจะปล่อยพลังงานออกมา
แล้วหายไปจากความเป็นจริงนี้
ปริศนาของมันมีมากมาย และเราเพิ่งเริ่ม
ไขความลับของสถานที่ที่ทรงพลัง และแปลกประหลาดเหล่านี้
แต่มีสิ่งหนึ่งที่แน่นอน
หลุมดำจะยังคงทำให้เราประหลาดใจ
ดึงดูดเรา
และท้าทายทั้งวิทยาศาสตร์ และจินตนาการของเรา
(ด้วยความระลึกถึงคาโรลิน ลินช์ ด้วยความซาบซึ้งต่อความหลงใหล)
(ในวิทยาศาสตร์และความทุ่มเท เพื่อการศึกษาของเธอ)
แปลโดย: วรกันยา ธนารักษ์