หลุมดำ

หลุมดำ หลมุ ดำ (องั กฤษ: black hole) หมายถงึ เทหวตั ถใุ นเอกภพทมี่ แี รงโนม้ ถ่วงสูงมาก ไม่มีอะไรออกจาก บริเวณน้ีไดแ้ มแ้ ต่แสง ยกเวน้ หลุมดาดว้ ยกนั เราจึงมองไมเ่ ห็นใจกลางของหลุมดา หลมุ ดาจะมพี ้ืนที่หน่ึงที่เป็น ขอบเขตของตวั เองเรียกวา่ ขอบฟ้าเหตุการณ์ ท่ีตาแหน่งรัศมชี วาร์สชิลด์ ถา้ หากวตั ถุหลุดเขา้ ไปในขอบฟ้า เหตุการณ์ วตั ถจุ ะตอ้ งเร่งความเร็วใหม้ ากกว่าความเร็วแสงจึงจะหลดุ ออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ แต่เป็นไป ไมไ่ ดท้ ี่วตั ถุใดจะมคี วามเร็วมากกว่าแสง วตั ถุน้นั จึงไม่สามารถออกมาไดอ้ กี ต่อไป เม่อื ดาวฤกษท์ ี่มมี วลมหึมาแตกดบั ลง มนั อาจจะทิ้งสิ่งท่ีดามืดท่ีสุด ทว่ามีอานาจทาลายลา้ งสูงสุดไว้ เบ้ืองหลงั นกั ดาราศาสตร์เรียกส่ิงน้ีวา่ \"หลุมดา\" เราไมส่ ามารถมองเห็นหลุมดาดว้ ยกลอ้ งโทรทรรศน์ใด ๆ เนื่องจากหลุมดาไมเ่ ปล่งแสงหรือรังสีใดเลย แต่สามารถตรวจพบไดด้ ว้ ยกลอ้ งโทรทรรศนว์ ิทยุ และคล่นื โนม้ ถว่ งของหลมุ ดา (ในเชิงทฤษฎี โครงการแอลไอจีโอ) และจนถึงปัจจุบนั ไดค้ น้ พบหลมุ ดาในจกั รวาลแลว้ อยา่ ง นอ้ ย 6 แห่ง หลมุ ดาเป็นซากที่สิ้นสลายของดาวฤกษท์ ่ีถงึ อายขุ ยั แลว้ สสารที่เคยประกอบกนั เป็นดาวน้นั ไดถ้ ูกอดั ตวั ดว้ ยแรงดึงดูดของตนเองจนเหลือเป็นเพียงมวลหนาแน่นทม่ี ีขนาดเลก็ ยง่ิ กว่านิวเคลียสของอะตอมเดียว ซ่ึง เรียกวา่ ภาวะเอกฐาน หลุมดาแบ่งไดเ้ ป็น 4 ประเภท คือ หลุมดามวลยวดยง่ิ เป็นหลมุ ดาในใจกลางของดาราจกั ร, หลุมดาขนาด กลาง, หลมุ ดาจากดาวฤกษ์ ซ่ึงเกิดจากการแตกดบั ของดาวฤกษ,์ และ หลมุ ดาจิ๋วหรือหลมุ ดาเชิงควอนตมั ซ่ึง เกิดข้นึ ในยคุ เร่ิมแรกของเอกภพ แมว้ ่าจะไม่สามารถมองเห็นภายในหลมุ ดาได้ แต่ตวั มนั กแ็ สดงการมอี ยผู่ า่ นการมผี ลกระทบกบั วตั ถทุ ่ีอยู่ ในวงโคจรภายนอกขอบฟ้าเหตกุ ารณ์ ตวั อยา่ งเช่น หลมุ ดาอาจจะถูกสงั เกตเห็นไดโ้ ดยการติดตามกลุม่ ดาวที่ โคจรอยภู่ ายในศนู ยก์ ลางหลุมดา หรืออาจมกี ารสงั เกตก๊าซ (จากดาวขา้ งเคียง) ที่ถกู ดึงดดู เขา้ สู่หลมุ ดา กา๊ ซจะ มว้ นตวั เขา้ สู่ภายใน และจะร้อนข้ึนถึงอุณหภูมสิ ูง ๆ และปลดปล่อยรังสีขนาดใหญ่ท่ีสามารถตรวจจบั ไดจ้ าก กลอ้ งโทรทรรศนท์ ี่โคจรอยรู่ อบโลก[1][2] การสารวจใหผ้ ลในทางวทิ ยาศาสตร์เห็นพอ้ งตอ้ งกนั วา่ หลุมดาน้นั มอี ยู่ จริงในเอกภพ[3]

แนวคิดของวตั ถทุ ่ีมีแรงดึงดูดมากพอท่ีจะกนั ไมใ่ ห้แสงเดินทางออกไปน้นั ถกู เสนอโดยนกั ดาราศาสตร์ มือสมคั รเล่นชาวองั กฤษ จอหน์ มิเชล[4] ในปี 1783 และต่อมาในปี 1795 นกั ฟิ สิกส์ชาวฝร่ังเศส ปี แยร์-ซีมง ลา ปลาส ก็ไดข้ อ้ สรุปเดียวกนั [5][6] ตามความเขา้ ใจลา่ สุด หลมุ ดาถกู อธิบายโดยทฤษฎีสมั พทั ธภาพทว่ั ไป ซ่ึงทานาย ว่าเม่อื มมี วลขนาดใหญ่มากในพ้ืนท่ีขนาดเลก็ เสน้ ทางในพน้ื ที่ว่างน้นั จะถกู ทาใหบ้ ิดเบ้ียวไปจนถึงศูนยก์ ลาง ของปริมาตร เพื่อไมใ่ หว้ ตั ถุหรือรังสีใด ๆ สามารถออกมาได้ ขณะท่ีทฤษฏสี มั พทั ธภาพทว่ั ไปอธิบายว่าหลมุ ดาเป็นพ้นื ที่ว่างที่มคี วามเป็นภาวะเอกฐานท่ีจุดศนู ยก์ ลาง และท่ีขอบฟ้าเหตุการณ์บริเวณขอบ คาอธิบายน้ีเปลย่ี นไปเม่อื คน้ พบกลศาสตร์ควอนตมั การคน้ ควา้ ในหวั ขอ้ น้ี แสดงใหเ้ ห็นวา่ นอกจากหลุมดาจะดึงวตั ถไุ วต้ ลอดกาล แลว้ ยงั มีการค่อย ๆ ปลดปล่อยพลงั งานภายใน เรียกวา่ รังสีฮอวค์ ิง และอาจส้ินสุดลงในที่สุด[7][8][9] อยา่ งไรก็ตาม ยงั ไม่มคี าอธิบายเก่ียวกบั หลุมดาที่ถูกตอ้ งตาม ทฤษฎีควอนตมั ที่มาของชื่อ การท่ีเราใชค้ าวา่ หลมุ ดำ เพอ่ื อธิบายปรากฏการณ์น้ีเร่ิมข้ึนในช่วงกลางคริสตท์ ศวรรษ 1960 โดยไม่ ปรากฏหลกั ฐานที่แน่ชดั โดยทวั่ ไปจะใหก้ ารยกยอ่ งแก่นกั ฟิ สิกส์ช่ือ จอหน์ วลี เลอร์ ว่าเป็นผู้ บญั ญตั ิศพั ทค์ าน้ีข้ึนในการบรรยายของเขาในปี ค.ศ. 1967 เร่ือง เอกภพของเรา : ส่ิงท่ีรู้และไม่รู้ โดยใช้ คาน้ีแทนคาเดิมวา่ ดาวท่ียบุ ตัวอย่างสมบูรณ์โดยความโน้มถ่วง อยา่ งไรก็ตามวลี เลอร์ไดย้ นื กรานวา่ ผู้ บญั ญตั ิศพั ทเ์ ป็นผรู้ ่วมสมั มนาคนอื่น เขาเพยี งแต่นามาใชเ้ พราะมนั กระชบั และใชง้ ่ายดี คาน้ียงั ปรากฏอยใู่ น จดหมายฉบบั หน่ึงของ แอนน์ อวิ วงิ ท่ีเขียนถึง เอเอเอเอส ในปี ค.ศ. 1964[10] มใี จความว่า \"..ตาม ทฤษฎีสมั พทั ธภาพทว่ั ไปของไอนส์ ไตน์ เม่อื เพิ่มมวลใหก้ บั ดาวที่กาลงั จะหมดอายขุ ยั จะทาใหเ้ กิด การยบุ ตวั ลงอยา่ งรวดเร็วและทาใหเ้ กิดสนามโนม้ ถว่ งรุนแรงที่ดาวกระทาต่อตวั เอง แลว้ ดาวดวงน้นั กก็ ลายเป็น \"หลุมดา\" ในเอกภพ..\" มกี ารใชว้ ลีน้ีในภาษาองั กฤษมาหลายปีก่อนหนา้ น้นั แลว้ ตามชื่อหลุมดาแห่งกลั กตั ตา ซ่ึง เป็นตรุเลก็ ๆ ในฟอร์ตวลิ เลียม เมอื งป้อมทหารขององั กฤษท่ีกลั กตั ตา ชาวยโุ รป 146 คนถูก Siraj- ud-Daulah เจา้ แควน้ เบงกอลลงโทษคุมขงั เอาไวท้ ่ีน่ีระหวา่ งการสงครามเม่ือปี ค.ศ. 1756 โดยมี เพยี ง 23 คนท่ีรอดชีวติ [11]

ประวตั ิการศึกษาหลุมดา องิ ตำมทฤษฎขี องนวิ ตนั แนวความคิดเกี่ยวกบั วตั ถุท่ีมมี วลมากเสียจนแมแ้ ต่แสงกไ็ ม่สามารถหนีออกมาไดเ้ ริ่มข้ึนจากนกั ธรณีวิทยาชื่อ จอห์น มเิ ชล ซ่ึงไดเ้ ขียนจดหมายฉบบั หน่ึงในปี ค.ศ. 1783 ส่งถงึ เพ่ือนชื่อ เฮนรี คา เวนดิช ในเวลาต่อมาแนวคิดน้ีไดร้ ับการตีพิมพโ์ ดยรอยลั โซไซต้ี สาหรับทรงกลมท่ีมเี ส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ แต่มคี วามหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่น ของดวงอาทิตย์ถึง 500 เท่า วตั ถทุ ่ีตกลงจากความสูงไม่จากดั สู่ผวิ ทรงกลมน้ันจะมคี วามเร็วท่ีพนื้ ผวิ ทรง กลมสูงกว่าความเร็วแสง ผลที่ตามมาหากแสงถกู กระทาโดยแรงเดยี วกนั ในสัดส่วนสัมพันธ์กบั แรงเฉื่อยทิศ ทางตรงข้ามที่เกิดจากวัตถอุ ื่น แสงทั้งหมดท่ีแผ่ออกจากวตั ถนุ ั้นจะถกู ดึงกลบั ไปยงั ทรงกลมด้วยแรงโน้มถ่วง เฉพาะของตวั มนั เอง ทฤษฎีน้ีถือวา่ แสงไดร้ ับอทิ ธิพลจากความโนม้ ถว่ งเช่นเดียวกนั กบั วตั ถอุ ื่นท่ีมมี วล ในปี ค.ศ. 1796 นกั คณิตศาสตร์ชื่อ ปี แยร์-ซีมง ลาปลาส ไดเ้ สนอแนวคดิ เดียวกนั น้ีในหนงั สือของ เขา Exposition du système du Monde ท้งั ในฉบบั พิมพค์ ร้ังที่หน่ึงและสอง (แต่แนวคิดน้ี ไม่ปรากฏในฉบบั พมิ พค์ ร้ังหลงั ๆ) ในเวลาต่อมา แนวคิดของท้งั มเิ ชลและลาปลาสที่อิงอยบู่ นหลกั การของนิว ตนั มกั ถกู อา้ งถงึ ว่าเป็น ดาวมืด เพอ่ื แยกมนั ออกจาก \"หลมุ ดา\" ตามทฤษฎีสมั พทั ธภาพทว่ั ไป แนวความคิดส่วนใหญ่เก่ียวกบั หลมุ ดาไดถ้ กู เพกิ เฉยไปในคริสตศ์ ตวรรษที่ 19 หลงั จากที่ยอมรับกนั แลว้ ว่าแสงเป็นคลืน่ ที่ไมม่ มี วล ดงั น้นั จึงไมไ่ ดร้ ับอทิ ธิพลจากความโนม้ ถว่ ง ไมเ่ หมือนกบั หลมุ ดาในปัจจุบนั ที่ เชื่อวา่ วตั ถดุ า้ นหลงั ขอบฟ้าจะยงั คงที่อยแู่ มจ้ ะเกิดการยบุ ตวั องิ ตำมทฤษฎสี ัมพทั ธภำพทว่ั ไป ในปี ค.ศ. 1915 อลั เบิร์ต ไอน์สไตน์ ไดพ้ ฒั นาทฤษฎีเกี่ยวกบั ความโนม้ ถ่วงเรียกว่า ทฤษฎีสมั พทั ธ ภาพทว่ั ไป ซ่ึงแสดงใหเ้ ห็นดงั กลา่ วขา้ งตน้ แลว้ วา่ แรงโนม้ ถ่วงมีผลกระทบกบั แสง (แมว้ ่าแสงจะมมี วลเป็นศนู ย์ ก็ตาม ทวา่ จุดกาเนิดของสภาพโนม้ ถว่ งมไิ ดเ้ กิดจากมวล แต่เกิดจากพลงั งาน) หลงั จากน้นั ไมก่ ่ีเดือน คาร์ล ชวาทซช์ ิลท์ ไดเ้ สนอมาตราชวาร์สชิลดส์ าหรับสนามโนม้ ถว่ งของมวลแบบจุดและมวลทรงกลม[13] ท่ีแสดงว่า หลมุ ดาสามารถเกิดข้ึนไดต้ ามทฤษฎี ปัจจุบนั รัศมชี วาร์สชลิ ดเ์ ป็นที่รู้จกั กนั ในฐานะรัศมขี องขอบฟ้าเหตกุ ารณ์

ของหลมุ ดาที่ไม่หมนุ แต่ในเวลาน้นั ผคู้ นยงั ไม่เขา้ ใจกนั ตวั อยา่ งเช่นชวาร์สชิลดเ์ องก็ยงั คิดว่ามนั ไมอ่ าจเป็นจริง ในทางกายภาพ โจฮนั เนส โดรสเต นกั ศกึ ษาของแฮน็ ดริก โลเรินตส์ ไดเ้ สนอผลลพั ธแ์ บบเดียวกนั สาหรับมวล แบบจุดหลงั จากท่ีชวาร์สชิลดเ์ สนอแนวคิดเป็นเวลาหลายเดือน ท้งั ยงั ไดอ้ ธิบายคุณสมบตั ิบางประการเพ่มิ เติมอกี ดว้ ย ในปี ค.ศ. 1930 นกั ฟิ สิกส์ดาราศาสตร์ชื่อ สุพราหมณั ยนั จนั ทรสิกขา แยง้ วา่ ตามทฤษฎีสมั พทั ธ ภาพพิเศษ วตั ถทุ ี่ไมห่ มนุ และมีมวลมากกวา่ ดวงอาทิตย์ 1.44 เท่า (คือค่าขอบเขตจนั ทรสิกขา) จะยบุ ตวั ลง จนสิ้นสูญเพราะไมม่ ีอะไรเท่าท่ีรู้จกั จะมาหยดุ มนั ได้ ขอ้ โตแ้ ยง้ ของเขาถูกโตก้ ลบั โดยนายอาร์เทอร์ เอด็ ดิงตนั ผู้ ซ่ึงเช่ือวา่ มบี างอยา่ งสามารถหยดุ การยบุ ตวั ได้ ความคิดของเอด็ ดิงตนั ก็มสี ่วนถกู เพราะดาวแคระขาวท่ีมีมวล มากกวา่ ขอบเขตจนั ทรสิกขาจะยบุ ตวั ลงกลายเป็นดาวนิวตรอน แต่ในปี ค.ศ. 1939 โรเบิร์ต ออพเพนไฮม์ เมอร์ไดต้ ีพมิ พบ์ ทความ (โดยมผี เู้ ขียนร่วมหลายคน) ที่ทานายว่าดาวที่มีมวลมากกวา่ ดวงอาทิตย์ 3 เท่าข้ึนไป (คือค่าขอบเขตโทลแมน-ออพเพนไฮมเ์ มอร์-โวลคอฟฟ์ ) จะยบุ ตวั ลงกลายเป็นหลมุ ดา ดว้ ยเหตุผลเดียวกนั กบั ที่ จนั ทรสิกขาเคยนาเสนอ[14] ออพเพนไฮมเ์ มอร์กบั เพอ่ื นร่วมงานใชร้ ะบบอา้ งองิ พกิ ดั ของชวาร์สชิลด์ (ซ่ึงเป็นระบบพิกดั อยา่ งเดียวท่ี มีใหใ้ ชใ้ น ค.ศ. 1939) ทาใหส้ ร้างเอกภาวะทางคณิตศาสตร์ออกมาไดท้ ่ีรัศมชี วาร์สชิลด์ กล่าวอกี นยั หน่ึง สมการล่มลงไปที่ค่ารัศมชี วาร์สชิลดเ์ พราะค่าบางค่ากลายเป็นอนนั ต์ คาแปลน้ีบ่งช้ีว่ารัศมีชวาร์สชิลดเ์ ป็นค่า ขอบเขตของ \"ฟอง\" ท่ีซ่ึงเวลา \"หยดุ \" เป็นเวลาหลายปี ทีเดยี วท่ีดาวยบุ ตวั เหลา่ น้ีถูกเรียกวา่ \"ดาวแช่แข็ง\" เพราะ การคานวณแสดงว่าผสู้ งั เกตภายนอกจะเห็นพ้ืนผวิ ของดาวหยดุ นิ่งที่เวลาซ่ึงการยบุ ตวั เกดิ ข้ึนภายในรัศมีชวาร์ส ชิลด์ ทวา่ นกั ฟิ สิกสจ์ านวนมากยงั ไม่สามารถยอมรับแนวคดิ เร่ืองเวลาที่หยดุ น่ิงภายในรัศมชี วาร์สชิลด์ ประเดน็ น้ี ยงั เป็นที่สนใจอยบู่ า้ งเลก็ นอ้ ยตลอดเวลาที่ผา่ นไป 20 ปี