Booklet Blackhole

ผู้เขียน : www.NARIT.or.th พ�มพคร้งั ท่ี 3

ความเป็นมา : ตามท่คี ณะรฐั มนตร ี มีมตเิ มอ่ื วันท ี่ 20 กรกฏาคม 2541 เหน็ ชอบใน หลักการแก่กระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการจัดตั้งสถาบันวิจัย ดาราศาสตร์แหง่ ชาติขนึ้ ในประเทศไทย เพอื่ เฉลิมพระเกียรตพิ ระบาทสมเด็จ พระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวในโอกาสฉลอง 200 ปีแห่งการพระราชสมภพในปี พ.ศ.2547 และพระบาทสมเดจ็ พระเจา้ อยหู่ วั ภมู พิ ลอดลุ ยเดชในวโรกาสเจรญิ พระชนมายุครบปพี ระราชสมภพ 50 พรรษาในปี พ.ศ.2550 ภารกิจหลักประการหนึ่งของสถาบันฯ คือ การสร้างหอดูดาวแห่งชาต ิ ซึ่งจะตั้งอยู่ ณ สถานีทวนสัญญาน ทีโอที (กม. 44.4) อุทยานแห่งชาติ ดอยอนิ ทนนท ์ จงั หวดั เชยี งใหม ่ เนอื่ งจากมที ศั นวสิ ยั ทเ่ี หมาะสมตอ่ การสงั เกตการณ์ ทางดา้ นดาราศาสตรส์ ถาบนั ฯ ตงั้ เปา้ ทจี่ ะดา� เนนิ การกอ่ สรา้ งหอดดู าวแหง่ ชาติ นใี้ ห้แล้วเสรจ็ และเปดิ เป็นทางการภายในป ี พ.ศ.2554 เพือ่ เฉลมิ พระเกียรติ พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดชในวโรกาส เจริญพระชนมายุ ครบปพี ระราชสมภพ 84 พรรษา นอกจากนยี้ งั มกี ารจดั ตงั้ ศนู ยบ์ รกิ ารสารสนเทศ และฝกึ อบรมทางดาราศาสตร ์ ณ บรเิ วณทท่ี า� การอทุ ยานแหง่ ชาต ิ ดอยอนิ ทนนท์ อกี ด้วย เพื่อใชใ้ นการบริการวชิ าการทางดาราศาสตร์แกบ่ ุคคลทว่ั ไปที่สนใจ วิสัยทัศน์ เปน็ องคก์ รทม่ี คี วามเปน็ เลศิ ดา้ นดาราศาสตร ์ ในภมู ภิ าคเอเชยี ตะวนั ออกเฉยี งใต้ พันธกิจ 1. คน้ ควา้ วจิ ยั และพัฒนาดา้ นดาราศาสตร์ 2. สรา้ งเครอื ขา่ ยการวจิ ยั และวชิ าการดา้ นดาราศาสตรใ์ นระดบั ชาตแิ ละนานาชาติ กบั สถาบันต่างๆ ทงั้ ในประเทศและต่างประเทศ 3. สง่ เสรมิ สนบั สนนุ และประสานความรว่ มมอื ดา้ นดาราศาสตรก์ บั หนว่ ยงาน อ่นื ของรัฐ สถาบนั การศึกษาอ่ืนทเ่ี กย่ี วข้อง และภาคเอกชนท้งั ในประเทศ และตา่ งประเทศ 4. บริการถา่ ยทอดองค์ความร้แู ละเทคโนโลยีด้านดาราศาสตร์ 2 Black Hole หลมุ ด�ำ

หลุมด�ำ หลมุ ดา� คอื อะไร? เนอื่ งจากไมม่ มี นษุ ยค์ นไหนเคยเหน็ หลมุ ดา� จงึ เปน็ การยากทจ่ี ะ อธบิ ายถงึ รปู รา่ งของหลมุ ดา� แตโ่ ดยนยิ ามแลว้ หลมุ ดา� กค็ อื วตั ถทุ ม่ี แี รงโนม้ ถว่ งมากเสยี จน ไม่สามารถมีวัตถุอะไรหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของหลุมด�าได้ แม้กระทั่งแสงเอง น่ีเป็นท่ีมาของคา� วา่ “หลมุ ดำ� ” เนื่องจากนิยามของหลุมด�าเป็นเพียงนิยามทางฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ เราอาจ ไมส่ ามารถอธบิ ายได ้ วา่ ภายในหลมุ ดา� ควรจะมหี นา้ ตา หรอื รปู รา่ งเปน็ อยา่ งไร หลมุ ดา� เอง ไมใ่ ช่วัตถุที่จับตอ้ งได ้ เราจึงไม่สามารถบอกได้ชดั เจนวา่ หลมุ ด�าเริม่ หรอื สิน้ สดุ ตรงไหน แตเ่ ราสามารถนยิ ามขอบเขตของหลมุ ดา� ได ้ เรยี กวา่ “ขอบฟำ้ เหตกุ ำรณ”์ (Event Horizon) ซึ่งกค็ ือบริเวณท่คี วามเรว็ หลดุ พ้นเท่ากบั ความเร็วของแสงพอดี ในการอธิบายถึงหลมุ ดา� สามารถอธบิ ายไดใ้ นหลายระดับขนั้ ตั้งแต่ระดับง่ายไป จนถงึ ระดบั ทซ่ี บั ซอ้ นมาก โดยเราสามารถเรมิ่ ตน้ ได ้ จากการอธบิ ายเรอ่ื งของแรงโนม้ ถว่ ง Black Hole หลมุ ด�ำ 3

Gravity ภำพที่ 1 : นักบินอวกาศก�าลังโคจรและตกลงภายใต้อิทธพิ ลของแรงโน้มถ่วงของโลกในภาพยนตเ์ ร่อื ง Gravity (ภาพจากภาพยนต์เรอ่ื ง Gravity โดย Warner Brothers Studio) แรงโน้มถ่วง แรงโนม้ ถว่ งเปน็ แรงทเ่ี ราทกุ คนรจู้ กั กนั เปน็ อยา่ งด ี เปน็ กฎธรรมชาตวิ า่ วตั ถยุ อ่ มตกจาก ทสี่ งู ลงสทู่ ต่ี า่� แตเ่ ซอรไ์ อแซค นวิ ตนั เป็นมนษุ ย์คนแรก ท่ีสงั เกตลูกแอปเป้ิลหลน่ จากตน้ ไม ้ และตระหนกั ได้วา่ มนั เป็นแรงเดยี วกนั กบั ท่ีทา� ให้ดวงจนั ทร์โคจรอยูร่ อบๆ โลกได้ ถงึ แมว้ า่ เราอาจจะไมส่ ามารถทราบไดอ้ ยา่ งแนช่ ดั วา่ กลไกอะไร ทท่ี า� ใหเ้ กดิ แรงโนม้ ถว่ ง แตเ่ ราสามารถอธิบายแรงโน้มถ่วงไดอ้ ย่างชัดเจน ไอแซค นิวตัน ไดต้ ัง้ ทฤษฎแี รงโนม้ ถว่ งวา่ แรงโน้มถ่วงเป็นแรงระหว่างมวลสองมวลโดยแรงโน้มถ่วง จะแปรผันตามมวลทั้งสอง และ แปรผกผนั กบั ระยะทางยกกา� ลังสอง ดังท่ีอธิบายไดด้ ว้ ยสมการแรงโนม้ ถว่ งของนวิ ตัน F = แรงโน้มถ่วง G = ค่าคงทแี่ รงโน้มถ่วง มคี ่าเท่ากบั 6.67384 × 10-11 m3 kg-1 s-2 M1, MR2 == รมะวยละทห้งั า่สงอรงะหวา่ งมวลท้งั สอง 4 Black Hole หลมุ ดำ�

ควำมเร็วหลุดพ้น หากเราหยิบกอ้ นหินข้ึนมากอ้ นหน่งึ และโยนมนั ขึน้ ฟา้ หินกอ้ นนน้ั กจ็ ะเคลอ่ื นท่ี ช้าลงเรื่อยๆ ดว้ ยแรงโน้มถ่วง จนหยดุ น่งิ และตกกลบั ลงมาอกี คร้งั หลังจากเวลาผ่านไป ระยะหนึ่ง หากเราโยนหินกอ้ นน้นั ด้วยความเร็วทสี่ งู ขึ้น หนิ กอ้ นนน้ั ก็จะใช้เวลานานขนึ้ ทจ่ี ะตกลงมา หากเราสามารถโยนหนิ กอ้ นนน้ั ดว้ ยความเรว็ ทส่ี งู มากคา่ หนง่ึ เราจะพบวา่ หินก้อนน้นั จะใช้เวลานานมากๆ จบเกือบเป็นอนันต์ กว่าจะตกลงมา หากเราโยนหนิ ที่ ความเรว็ สงู กวา่ ความเร็วค่านน้ั เราจะพบว่าหินจะไมม่ ีวนั ตกกลบั ลงมาอีกเลย เราเรียก ความเร็วตา่� ทสี่ ุดท่หี นิ จะไมต่ กกลบั ลงมาน้ีวา่ “ความเร็วหลดุ พ้น” (Escape Velocity) บนพนื้ โลก เราจะพบวา่ หากเราตอ้ งการทจี่ ะขวา้ งวตั ถใุ หห้ ลดุ ออกไปจากแรงโนม้ ถว่ ง ของโลก เราจะตอ้ งขวา้ งวตั ถดุ ว้ ยความเรว็ ไมต่ า�่ กวา่ ความเรว็ หลดุ พน้ จากพนื้ โลก 11.2 กม./ วนิ าท ี (ในความเป็นจริงแล้ว จรวดท่ีขึ้นจากพ้ืนโลก ไมจ่ า� เป็นตอ้ งมคี วามเร็วสูงขนาดน้ี เพราะวา่ เราสามารถค่อยๆ ใช้เชื้อเพลิงขบั ดนั จรวดข้นึ ไปช้าๆ ก็ได ้ ดงั ภาพท่ ี 2) ภำพที่ 2: การปล่อยกระสวยอวกาศโคลมั เบยี ในการปลอ่ ยจรวดใหห้ ลดุ พน้ จากแรงโนม้ ถว่ งของโลกนน้ั เนอ่ื งจากจรวดมเี ชอื้ เพลงิ และมแี รงขบั ดนั อยเู่ สมอ จงึ ไมจ่ า� เปน็ ตอ้ งออกตวั ออกจากพน้ื โลกดว้ ยความเรว็ หลดุ พ้น (ภาพโดย องคก์ ารอวกาศ NASA) เน่ืองจากความเร็วหลุดพ้นเป็นผลจากแรงโน้มถ่วง ความเร็วหลุดพ้นออกจาก ดาวดวงหนึ่ง จะขึ้นอย่กู บั มวลของดาวดวงน้ัน และแปรผกผนั กับขนาด น่นั หมายความว่า วัตถุท่ีมีมวลมาก และขนาดเล็ก จะมีแรงโน้มถ่วง และต้องใช้ความเร็วหลุดพ้นที่สูงท่ีจะ Black Hole หลมุ ด�ำ 5

Escape Velocity หลดุ ออกมาจากแรงโนม้ ถว่ งนน้ั ได ้ สา� หรบั ดวงอาทติ ยข์ องเรา มคี วามเรว็ หลดุ พน้ จากพน้ื ผวิ เท่ากับ 617 กม./วินาที ในขณะที่ดาวแคระขาวจะมีความเร็วหลุดพ้นสูงถึงกว่า 1,000 กม./วนิ าท ี ในขณะท่ดี าวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นท่ีสุด จะมีความเร็วหลุดพ้นถึง ในระดบั 100,000 กม./วนิ าท ี นกั บนิ อวกาศทโ่ี คจรอยรู่ อบๆ ดาวเคราะหด์ วงหนงึ่ จะไดร้ บั แรงโน้มถ่วงท่ีน้อย และจะต้องใช้ความเร็วเพียงนิดเดียว ที่จะหลุดพ้นไปจากอิทธิพลของ แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ดวงน้ี แต่เม่ือนักบินอวกาศลดเพดานบินลงมาแรงโน้มถ่วง กจ็ ะสงู ขน้ึ และนกั บนิ อวกาศจะตอ้ งใชค้ วามเรว็ สงู กวา่ เดมิ ทจี่ ะหลดุ พน้ ออกมาจากอทิ ธพิ ล ของแรงโนม้ ถว่ งของดาวเคราะหด์ วงนไี้ ด ้ โดยนกั บนิ อวกาศจะพบแรงโนม้ ถว่ ง และความเรว็ หลุดพน้ มากทสี่ ุด ที่บรเิ วณพนื้ ผวิ ของดาวพอด ี เนอ่ื งจากเปน็ บริเวณท่ใี กลท้ ่สี ดุ ทนี่ ักบิน อวกาศจะสามารถเข้าใกล้ดาวเคราะห์ดวงนไ้ี ด ้ เวน้ เสยี แตว่ า่ เขาจะสามารถยบุ ดาวเคราะห์ ท้งั ดวงให้เล็กกว่านไ้ี ด้ ภำพท่ี 3: นกั บนิ อวกาศในสถานอี วกาศนานาชาต ิ (ISS) อยใู่ นสภาพแรงโนม้ ถว่ งนอ้ ย (microgravity) นักบินอวกาศที่อยู่ในสถานีอวกาศนอกโลกนั้น ยังคงอยู่ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงโลก และไม่ได้ อยู่ในสภาพไร้น�้าหนักอย่างแท้จริง วัตถุภายในสถานีอวกาศจะค่อยๆ ตกลงสู่ทิศทางของพ้ืนโลกอย่าง ช้าๆ เราเรยี กวา่ สภาพแรงโนม้ ถ่วงนอ้ ย (microgravity) อย่างไรกต็ าม ในบน้ั ปลายชีวติ ของดาวมวลมากๆ บางดวง แรงโนม้ ถว่ งอนั มหาศาล ของดาวฤกษ์เอง อาจจะเพียงพอที่ท�าให้พ้ืนผิวของดาวดวงน้ียุบตัวลงอย่างรวดเร็ว หาก นักบนิ อวกาศสามารถ บินตามพื้นผิวท่กี า� ลงั ยบุ ตัวลงอย่างรวดเรว็ น ี้ เขาจะสามารถสัมผัส กับแรงโน้มถว่ งทีส่ ูงขนึ้ เรอ่ื ยๆ จนในทส่ี ดุ เขาจะไปถึงบริเวณหน่ึง ทเ่ี ขาจะตอ้ งใช้ความเร็ว มากกวา่ ความเรว็ ของแสง จงึ จะสามารถหลดุ ออกจากแรงโนม้ ถว่ งอนั มหาศาลนไี้ ด ้ เราเรยี ก เขตแดนน้ีว่า “ขอบฟา้ เหตุการณ”์ (Event Horizon) 6 Black Hole หลุมด�ำ

Eventขอบฟ้าเหตุการณ์ Horizon ขอบฟา้ เหตกุ ารณไ์ มไ่ ดเ้ ปน็ สถานทพ่ี เิ ศษแตอ่ ยา่ งใด ไมไ่ ดเ้ ปน็ เสน้ ขอบฟา้ ทเี่ ราสามารถสงั เกตเหน็ ได ้ เชน่ เดยี วกบั เสน้ ขอบฟา้ ของโลก ขอบฟา้ เหตกุ ารณ์ ไมไ่ ดม้ รี ปู รา่ ง ลกั ษณะ หรอื สที แี่ ตกตา่ งออกไปจากบรเิ วณอน่ื ๆ รอบๆ หลมุ ดา� และหลมุ ดา� กไ็ มไ่ ดม้ ขี อบเขตทช่ี ดั เจนทเี่ ราสามารถสงั เกตได ้ และหากผสู้ งั เกต คนหนงึ่ กา� ลงั เคลอื่ นทผ่ี า่ นขอบฟา้ เหตกุ ารณ ์ เขาจะไมร่ ตู้ วั เลยดว้ ยซา�้ วา่ ไดผ้ า่ น เขตนน้ั มาแลว้ หรอื ยงั ขอบฟา้ เหตกุ ารณเ์ ปน็ เพยี งบรเิ วณทเ่ี รานยิ ามกนั วา่ เปน็ ขอบเขตทบี่ รเิ วณ ความเรว็ หลดุ พน้ มากกวา่ ความเรว็ แสงถงึ แมว้ า่ เราจะสามารถคา� นวณระยะของ ขอบฟา้ เหตกุ ารณไ์ ดอ้ ยา่ งชดั เจน แตบ่ รเิ วณนกี้ ไ็ มไ่ ดม้ คี วามพเิ ศษอยา่ งใดเมอื่ เทยี บกบั บรเิ วณขา้ งเคยี ง อยา่ งไรกต็ ามบรเิ วณทคี่ วามเรว็ หลดุ พน้ เกนิ ขอบเขต ของความเรว็ แสงนม้ี คี วามสา� คญั ยง่ิ เนอ่ื งจากความเขา้ ใจในเอกภพปจั จบุ นั ของ มนษุ ย ์ พบวา่ ไมส่ ามารถมวี ตั ถหุ รอื ขอ้ มลู ใด ทสี่ ามารถเดนิ ทางไดเ้ รว็ กวา่ ความเรว็ แสงไดห้ ากไมม่ วี ตั ถใุ ดทเี่ คลอื่ นทไ่ี ดเ้ รว็ กวา่ แสงได ้ ยอ่ มหมายความวา่ ไมส่ ามารถ ทจ่ี ะมวี ตั ถใุ ด ทเี่ มอ่ื หลดุ เขา้ ไปภายในขอบฟา้ เหตกุ ารณแ์ ลว้ นน้ั จะสามารถหลดุ พน้ ออกมาจากสนามแรงโนม้ ถว่ งมาสภู่ ายนอกได ้ แมก้ ระทงั่ แสงเองการทแ่ี สงไม่ สามารถหลดุ ออกมาจากวตั ถไุ ด ้ นนั่ หมายความวา่ วตั ถนุ จ้ี ะไมส่ ามารถสอ่ งแสง ออกมา และมสี ภาพดมู ดื ดา� สนทิ เราจงึ มกั จะใชน้ ยิ ามของขอบฟา้ เหตกุ ารณน์ ้ี ในการนยิ ามขอบเขตของวตั ถทุ เี่ รารจู้ กั กนั ในนามของ “หลมุ ดา� ” Event Horizon Black Hole หลมุ ดำ� 7

หลุมด�า (Black Hole) โดยทางทฤษฎีแล้ว วัตถุใดก็ตามท่ีมีแรงโน้มถ่วง มากพอ กจ็ ะสามารถมคี วามเรว็ หลดุ พน้ ทม่ี ากกวา่ ความเรว็ แสง มีขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นของตัวเองได้ และนั่นก็ คอื กลายเปน็ “หลมุ ดา� ” ซง่ึ จากธรรมชาตขิ องแรงโนม้ ถว่ ง แล้วนัน้ เราสามารถเพ่ิมแรงโนม้ ถ่วงได ้ โดยการเพิม่ มวล หรอื ลดขนาดของวตั ถุ หลุมด�าในธรรมชาติ ในธรรมชาต ิ เราสามารถพบแรงโนม้ ถว่ งทส่ี งู พอทจ่ี ะกลายเปน็ หลุมด�าได้ในบ้ันปลายสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลมหาศาล เพยี งเทา่ นน้ั ในชว่ งเรมิ่ ตน้ ของอายขุ องดาวฤกษ ์ แรงโนม้ ถว่ ง ของดาวจะบีบอัดให้ธาตุในแกนกลางของดาวรวมตัวกัน เกดิ เปน็ การระเบดิ นวิ เคลยี รฟ์ วิ ชน่ั ซงึ่ คอยตา้ นแรงโนม้ ถว่ ง อันมหาศาลเอาไว ้ อย่างไรก็ตาม เมอ่ื เช้อื เพลงิ นวิ เคลยี ร์ ค่อยๆ หมดไป มวลสารในแกนของดาวฤกษ์ขนาดยักษ์ เหล่านี้ก็จะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วและแรงโน้มถ่วงเพ่ิมข้ึน จนเกดิ ขอบฟา้ เหตกุ ารณ ์ และกลายเปน็ หลมุ ดา� ไปในทสี่ ดุ เนื่องจากเราไมส่ ามารถเหน็ แสง หรอื ได้รบั ข้อมลู ขา่ วสาร ใดๆ จากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ เราจึงไม่สามารถ สงั เกตเหน็ การมีอย่ขู องหลุมดา� ไดโ้ ดยตรง 8 Black Hole หลมุ ดำ�

ในปัจจุบัน เรำได้พบหลกั ฐำนมำกมำย ทยี่ นื ยันกำรมอี ยูข่ องหลุมด�ำ จานพอกพนู มวล (Accretion Disk) เราสามารถพบเห็นรังสีเอก็ ซท์ ีป่ ล่อย ออกมาจากสสารในขณะท่กี �าลงั ค่อยๆ หมุนวนและตกลงส่วู ัตถทุ ่มี ขี นาดเล็ก แต่มี แรงโน้มถ่วงสูง สอดคล้องกบั ลกั ษณะของหลุมดา� (ภาพที่ 4) Cygnus X-1 เปน็ ระบบดาวคใู่ นกลมุ่ ดาวหงส ์ โดยนกั ดาราศาสตรไ์ ดต้ รวจพบ แหลง่ กา� เนดิ รงั สเี อก็ ซ ์ ทแ่ี ตกตา่ งจากปรกตแิ ละไมส่ อดคลอ้ งกบั วตั ถใุ ดๆ ในบรเิ วณนน้ั จากการค�านวณพบว่า วัตถุน้ีจะต้องมีขนาดเล็กมาก ท�าให้กลายเป็นวัตถุแรกท่ี สนั นษิ ฐานกนั วา่ นา่ จะเปน็ หลมุ ดา� ทกี่ า� ลงั กลนื กนิ มวลทอี่ อกมาจากดาวฤกษท์ โ่ี คจร อยรู่ อบๆ ปัจจุบันนกั วิทยาศาสตร์เชื่อว่า Cygnus X-1 เปน็ หลมุ ด�าท่มี ีมวล 15 เทา่ ของดวงอาทิตย์ และมีรัศมเี ส้นขอบฟา้ เหตุการณข์ นาดประมาณ 44 กม. ภำพที่ 4: ภาพจ�าลองจานพอกพนู มวลในระบบดาว ภำพที่ 5: ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮบั เบิล Cygnus X-1 เม่ือมวลหมุนเข้าสู่หลมุ ด�า โมเมนตมั แสดงเจ็ทของสสารท่ีถูกดีดออกมาจากหลุมด�า เชิงมุมบางส่วนจะถูกดีดออกไปตามแกนการหมุน ขนาดยกั ษ ์ ภายในแกน่ ดาราจกั รกมั มนั ต์ ปลดปล่อยพลังงานออกมาเป็นรังสีเอ็กซ์ (ภาพวาดโดย องคก์ ารอวกาศ NASA) แกน่ ดาราจกั ร (Galactic Nuclei) ในปัจจบุ นั น้ีนกั ดาราศาสตรเ์ ชื่อแลว้ ว่า ในแกนกลางของดาราจักรทุกดาราจักร จะมีหลุมด�าขนาดยักษ์ (supermassive black hole) อยโู่ ดยในกาแลก็ ซที างชา้ งเผอื กเองนกั ดาราศาสตรไ์ ดศ้ กึ ษาการเคลอื่ นที่ ของดาวฤกษ์รอบๆ บริเวณท่ีเรียกว่า Sagittarius A* และพบว่าดาวฤกษ์รอบๆ ศนู ยก์ ลางของกาแลก็ ซที างชา้ งเผอื กไดม้ กี ารเคลอื่ นทรี่ อบๆ วตั ถอุ ยา่ งหนงึ่ ซงึ่ มมี วล ถึง 4.3 ล้านเทา่ ของมวลดวงอาทติ ย ์ แตม่ ีขนาดเพยี งไมถ่ ึง 0.002 ปแี สง วตั ถุทมี่ ี ความหนาแนน่ มากเชน่ น ้ี นา่ จะเป็นสง่ิ อน่ื ใดไปไม่ได้นอกจากหลมุ ดา� (ภาพที่ 5) Accretion disk Black Hole หลมุ ด�ำ 9

กำรเกิดหลุมด�ำ ในธรรมชำติ เราพบว่า ยงิ่ ดาวฤกษม์ มี วลมากเทา่ ใด ป้ันปลายชวี ติ ของมันก็จะจบลงโดยกลายเปน็ วตั ถทุ มี่ คี วามหนาแนน่ มากเทา่ นน้ั โดยดาวฤกษ์ ท่ีมีมวลไม่เกิน 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย ์ จะกลายเปน็ ดาวแคระขาว (white dwarf) ซง่ึ มมี วลพอๆ กบั มวลดวงอาทติ ย ์ แตข่ นาดใกลเ้ คยี ง กับโลก (ภาพท่ี 6) ซึ่งเกิดจากการที่มวล ทง้ั หมดในดาวถกู บบี อดั รวมกนั จนพยงุ ตวั อยไู่ ด้ ดว้ ยแรงดนั ดเี จอเนอเรซ ี (degeneracy pressure) หากเปรยี บเทยี บแลว้ มวลของดาวแคระขาว ขนาดหนงึ่ กลกั ไมข้ ดี จะมมี วลประมาณ 250 ตนั ดาวฤกษท์ ีม่ มี วลมากกวา่ 10 เท่าของ มวลดวงอาทิตย์ จะสามารถยุบตัวลงต่อไป จนแม้กระทั่งอิเล็กตรอนก็ยังถูกบีบอัดเข้าไป รวมกบั โปรตอนในนวิ เคลยี ส กลายเปน็ วตั ถทุ ี่ ประกอบไปดว้ ยนวิ ตรอนเปน็ สว่ นมาก พยงุ ตวั ภำพท่ี 6: แสดงขนาดของดาวแคระขาวเม่ือเทียบ เอาไว้ได้ด้วยแรงดีเจเนเรซีระหว่างอนุภาค กบั โลก (บน) และขนาดของดาวนวิ ตรอน และหลมุ นวิ ตรอน เรยี กวา่ ดาวนวิ ตรอน (neutron star) ด�าขนาดมวลเท่าดวงอาทิตย์ เมอื่ เทียบกบั ล่มุ แมน่ ้า� โดยดาวนิวตรอนท่ัวๆไป จะมีมวลประมาณ เจ้าพระยาบรเิ วณกรงุ เทพมหานคร (ล่าง) 1.4 ถงึ 3.2 เท่าของมวลดวงอาทิตย ์ แต่มรี ศั มเี พียงประมาณ 10 กโิ ลเมตร (ภาพท่ี 6) กลกั ไมข้ ดี ทเ่ี ตม็ ไปดว้ ยสสารจากดาวนวิ ตรอนจะมมี วลประมาณ 5 พนั ลา้ นตนั นบั เปน็ วตั ถุ ท่หี นาแน่นทีส่ ุดในเอกภพท่เี ราร้จู ักในปจั จุบนั แตห่ ากดาวฤกษ์ท่มี มี วลตั้งแต ่ 20 เท่าของมวลดวงอาทติ ยเ์ ป็นต้นไปเกดิ การระเบดิ แลว้ น้นั จะไม่มแี รงใดอีกในดาวฤกษท์ ีจ่ ะตา้ นการยบุ ตัวของมวลภายใต้แรงโน้มถ่วงได ้ เมือ่ แกนกลางของดาวยบุ ตวั ลงอยา่ งรวดเรว็ และหากแกนกลางทเ่ี หลอื อยมู่ มี วลมากกวา่ 4-5 เทา่ ของมวลดวงอาทติ ย ์ แมก้ ระทงั่ นวิ ตรอนกจ็ ะไมส่ ามารถตา้ นทานแรงบบี อดั อนั มหาศาลของ แรงโนม้ ถว่ งได ้ จนกระทงั่ ไมม่ แี รงใดอกี ในเอกภพ ทจ่ี ะตา้ นทานการยบุ ตวั ลงไปได ้ จงึ เกดิ เปน็ วัตถุท่ีมีความหนาแน่นและแรงโน้มถ่วงอันมหาศาล ที่แม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหลีกหนี ออกมาไดก้ ลายมาเปน็ หลมุ ดา� โดยหากเราสามารถบบี อดั มวลของดวงอาทติ ยใ์ หก้ ลายเปน็ หลุมด�าได้ หลมุ ดา� นจี้ ะมรี ัศมเี พียงประมาณ 3 กิโลเมตร (ภาพท่ี 6) 10 Black Hole หลุมดำ�

ภำพท่ี 7: วนั หนง่ึ เครอื่ งตรวจวดั ATLAS อาจจะพบการเกดิ ขนึ้ ของหลมุ ดา� ขนาดเลก็ ทเี่ กดิ จากการชนกนั ของอนุภาคใน Large Hadron Collider (LHC) ที ่ CERN, ประเทศสวิตเซอรแ์ ลนด์ กำรเกิดหลุมด�ำ ด้วยวิธีอ่ืนๆ เน่ืองจากแรงโน้มถ่วงข้ึนอยู่กับมวลและระยะทาง หลุมด�าจึงไม่จ�าเป็นต้องเป็น วัตถุท่ีมีมวลมากเสมอไป แต่จ�าเป็นต้องบีบอัดให้มีความหนาแน่นมากพอเท่านั้นก็จะ สามารถเป็นหลุมด�าได้ ด้วยเหตนุ ี้ หากเราสามารถนา� อนุภาคความเรว็ สงู สองอนภุ าค มาชนกนั และเปลยี่ นพลงั งานจากการชนทง้ั หมดไปเปน็ มวลทถี่ กู บบี อดั อยใู่ นขนาดทเ่ี ลก็ กว่าอะตอมลา้ นล้านลา้ นลา้ นเทา่ เราก็จะสามารถสรา้ งหลุมด�าข้นึ มาได้ อย่างไรกต็ าม ในปจั จบุ นั เรายงั ไมม่ เี ทคโนโลยเี พยี งพอทจี่ ะบบี อดั พลงั งานมหาศาลเชน่ นน้ั ลงไปในขนาด ที่เล็กเทา่ นัน้ ได ้ และหลุมด�าประเภทนจ้ี ะมีขนาดเลก็ เกนิ กวา่ ทจี่ ะสามารถดดู มวลอะไร เข้าไปได ้ (เน่อื งจากมีขนาดเลก็ กวา่ อะตอม) และจะสลายตัวลงอยา่ งรวดเร็วกอ่ นทจี่ ะ สามารถสรา้ งอนั ตรายใดๆ ตอ่ โลกของเราได้ นอกจากนี้ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Stephen Hawking ยังมีการสันนิษฐานถึง หลมุ ดา� ขนาดเลก็ (เลก็ กวา่ หลมุ ดา� ทเ่ี กดิ ไดจ้ ากการยบุ ตวั ของดาวฤกษ)์ ทอ่ี าจจะเกดิ ขน้ึ จากบก๊ิ แบงในตอนกา� เนดิ เอกภพ (Primordial BlackHoles) อยา่ งไรกต็ ามนกั ดาราศาสตร์ ยงั ไม่พบหลักฐานของหลมุ ดา� ดงั กลา่ ว และยงั คงเปน็ สง่ิ ทตี่ ้องศกึ ษาต่อไป Primordial BlackHoles Black Hole หลมุ ด�ำ 11

หลุมด�ำจอมดูด? ในนยิ ายวิทยาศาสตรท์ วั่ ๆ ไป เม่ือพดู ถึงหลุมด�า เรามักจะนกึ ถึงภาพของยานอวกาศ หรอื ดาวเคราะหข์ นาดยกั ษท์ กี่ า� ลงั โดนหลมุ ดา� ดดู และกลนื กนิ ลงไปสหู่ ว้ งความมดื มดิ เปน็ วัตถุอนั ตรายทีจ่ ะท�าลายลา้ งทุกอย่างที่อย่รู อบๆ อยา่ งไรกต็ ามในความเปน็ จริงแล้วหลุมดา� ไม่ได้มีอันตรายเช่นน้ันเลย เพื่อทีจ่ ะพจิ ารณาว่า บรเิ วณรอบๆ หลมุ ดา� จะเป็นอย่างไร ให้ลองสมมตวิ า่ หากเรา สามารถบีบอัดดวงอาทิตย์ของเราจนมีความหนาแน่นมากพอกลายเป็นหลุมด�าท่ีมีมวล เท่ากบั มวลดวงอาทติ ย ์ อย่ทู ีศ่ ูนย์กลางของระบบสรุ ิยะ จะเกิดอะไรขน้ึ กบั วงโคจรของโลก ของเรา? โลกของเราจะถกู ดดู กลนื เข้าไปหรือไม?่ เราอาจจะคดิ ว่า ในเม่อื ไมม่ อี ะไรหลดุ รอดออกมาจากหลมุ ดา� อันทรงพลงั ได ้ และใน เม่ือหลุมด�ามีแรงดึงดูดอันทรงพลังขนาดน้ัน โลกของเราก็น่าจะถูกค่อยๆ ดูดเข้าไปด้วย แรงโน้มถ่วงของหลุมด�าท่ศี ูนยก์ ลางของระบบสุรยิ ะ ภำพที่ 8: หากเราสามารถบีบอดั ดวงอาทติ ยข์ องเราให้กลายเป็นหลมุ ดา� เราจะพบวา่ แรงโนม้ ถ่วงของ ดวงอาทิตยท์ ม่ี ตี ่อโลกจะไมม่ กี ารเปล่ียนแปลงแตอ่ ย่างใด เนื่องจากท้งั มวลของดวงอาทติ ย ์ และระยะ ห่างจากโลกยงั เท่าเดิม ดงั น้ัน วงโคจรของโลกจะไมม่ ีการเปลย่ี นแปลงไป และโลกจะไมถ่ กู ดูดเขา้ ไป ในหลมุ ด�าดวงอาทติ ย์ 12 Black Hole หลุมดำ�

แตห่ ากเราพจิ ารณาดๆี แลว้ เราจะพบวา่ ความจรงิ ไมส่ ามารถเปน็ เชน่ นน้ั ได ้ เนอ่ื งจาก แรงที่ดึงดูดโลกของเราให้โคจรไปรอบๆ ดวงอาทิตย์ก็คือแรงโน้มถ่วง หากเราแทนท่ี ดวงอาทิตยด์ ้วยหลุมดา� ท่มี คี วามหนาแนน่ สงู แตย่ งั มีมวลรวมเท่าเดิม ที่ระยะทางเท่าเดมิ ก็ยอ่ มท่จี ะมีแรงโน้มถ่วงเทา่ เดิม (ภาพท่ ี 8) นั่นหมายความว่า หากดวงอาทติ ย์ของเรา ยุบตัวลงเป็นหลุมด�าในเวลาน้ี สิ่งเดียวที่จะเกิดข้ึนกับโลกของเราก็คือ ท้องฟ้าในเวลา กลางวันท่ีมืดลง แต่โลกก็ยังคงโคจรต่อไป และทุกส่ิงบนโลกก็ยังคงด�าเนินต่อไปภายใต้ ความมดื มดิ ทป่ี ราศจากแสงอาทติ ย ์ ไมไ่ ดม้ หี ายนะ แผน่ ดนิ ไหว ฯลฯ ไมส่ ง่ ผลถงึ แมก้ ระทงั่ ปรากฏการณน์ า�้ ขึน้ นา�้ ลงท่ีเกิดขน้ึ เป็นปจั จบุ ัน อยา่ งไรกต็ าม สง่ิ ทจ่ี ะแตกตา่ งจากดวงอาทติ ยเ์ ดมิ จะเรม่ิ ขนึ้ เมอ่ื เราเขา้ ไปใกลห้ ลมุ ดา� มากกวา่ น ี้ เนอ่ื งจากกอ่ นหนา้ นเ้ี ราไมส่ ามารถเขา้ ใกลศ้ นู ยก์ ลางของดวงอาทติ ยไ์ ด ้ เนอ่ื งจาก พื้นผิวและก๊าซร้อนของดวงอาทิตย์ได้ห่อหุ้มเอาไว้ (หากเราสามารถด�าลงไปในพลาสมา พ้ืนผวิ ได้ แรงโนม้ ถว่ งก็จะลดลงอยดู่ ี เนื่องจากแรงดึงดูดจากมวลบางสว่ นด้านบนจะคอย ฉุดเราออกมาจากศูนย์กลาง) แต่เมอื่ มวลทั้งหมดได้ยบุ รวมกนั ไปทีจ่ ุดศูนยก์ ลาง ท�าใหเ้ รา สามารถเข้าไปใกล้ศูนย์กลางมวล และเข้าไปสู่บริเวณท่ีมีแรงโน้มถ่วงเพ่ิมขึ้นอย่างที่เรา ไมเ่ คยเขา้ ไปได้ถึงมาก่อน และท่ีรัศมี 3 กม. จากศูนย์กลางหลุมด�าซึ่งเคยเป็นดวงอาทิตย์มาก่อนจะเป็น บริเวณของขอบฟ้าเหตุการณ์ และวัตถุใดท่ีเดินทางเข้ามาใกล้หลุมด�ามากกว่าบริเวณน ี้ จะไมส่ ามารถหลดุ พน้ ออกไปจากแรงโนม้ ถว่ งของหลมุ ดา� นไ้ี ด ้ สว่ นภายในขอบฟา้ เหตกุ ารณน์ น้ั ปัจจุบันน้เี ราไมม่ ีทฤษฎีใดทจ่ี ะสามารถอธิบายสิง่ ท่ีเกิดข้นึ ภายในนีไ้ ด ้ แต่ทฤษฎีไดบ้ อกเรา เอาไว้ว่าเราไม่มีทางที่จะทราบถึงสิ่งท่ีเกิดขึ้นภายใน เน่ืองจากไม่มีสสารหรือข้อมูลใด ท่สี ามารถเดนิ ทางไดเ้ รว็ พอท่จี ะเกินความเร็วหลุดพ้นทม่ี ากกว่าความเร็วแสงได้ แตด่ ว้ ยแรงในเอกภพทง้ั สน้ิ ทเี่ รารจู้ กั ไมม่ แี รงใดทสี่ ามารถตา้ นแรงโนม้ ถว่ งอนั มหาศาล ภายในหลมุ ดา� ได้ เราจงึ สนั นษิ ฐานวา่ สสารทั้งหมดภายในหลุมดา� นา่ จะถกู บบี อดั รวมเขา้ อยใู่ นจดุ เพยี งจดุ เดยี ว เรยี กจดุ นวี้ า่ “ซงิ กลู ารติ ”้ี (Singularity) ซงึ่ โดยนยิ ามแลว้ เปน็ จดุ ทมี่ วล ทงั้ หมดของหลมุ ดา� ถกู บบี อยใู่ น จดุ เพยี งหนงึ่ จดุ ทมี่ ขี นาดความกวา้ ง ยาว และสงู เปน็ ศนู ย์ Black Hole หลุมด�ำ 13

ทฤษฎีสัมพัธภำพท่ัวไปและหลุมด�ำ ในพื้นทีบ่ ริเวณรอบๆ หลุมดา� เป็นบรเิ วณที่มีสนามแรงโน้มถ่วงสงู และเปน็ บริเวณ ทคี่ วามรคู้ วามเขา้ ใจในกลศาสตรใ์ นชวี ติ ประจา� วนั ของมนุษย ์ ไมส่ ามารถนา� มาใชอ้ ธบิ ายได้ อีกตอ่ ไป เราจึงจ�าเปน็ ตอ้ งใชท้ ฤษฎที ่สี ามารถอธบิ ายถงึ ส่งิ ท่เี กดิ ข้ึนกับสสาร ในสภาวะทีม่ ี สนามแรงโน้มถ่วงสงู ซ่ึงทฤษฎีนกี้ ค็ อื ทฤษฎีสมั พทั ธภาพท่วั ไป ท่ีอลั เบิร์ต ไอสไตน์ คิดคน้ เอาไว้เมอ่ื ป ี ค.ศ. 1916 ในทฤษฎแี รงโน้มถ่วงของนิวตัน กลา่ วเอาไวว้ ่าวัตถทุ ่มี มี วลจะมีแรงดงึ ดดู ระหว่างกนั แตท่ ฤษฎขี องนิวตนั ไมส่ ามารถอธิบายไดว้ า่ แรงน้มี าจากไหน? และวัตถทุ ี่อยูห่ ่างไกลกัน เปน็ อยา่ งมาก เชน่ โลกและดวงอาทติ ย ์ โลกทราบไดอ้ ยา่ งไรวา่ มมี วลดวงอาทติ ยข์ นาดมาก อยใู่ นทศิ ทางนน้ั ? และตามทฤษฎขี องนวิ ตนั แรงโนม้ ถว่ งนเ้ี ปน็ แรงทเ่ี กดิ ขนึ้ อยา่ งเฉยี บพลนั หากเกดิ อะไรขนึ้ กบั มวลของดวงอาทติ ย ์ มวลของโลกและทุกดาราจกั รในเอกภพกค็ วรท่จี ะ ทราบถึงการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงได้อย่างเฉียบพลัน ซ่ึงเท่ากับว่าข้อมูลเก่ียวกับ ต�าแหน่งของมวลจะต้องสามารถถ่ายทอดไปท่ัวทั้งเอกภพได้ในเวลาท่ีเร็วกว่าความเร็วแสง ทา้ ยท่สี ดุ ทฤษฎีของนวิ ตนั ไม่สามารถอธิบายได้ว่า ท�าไมวงโคจรของดาวพุธจงึ มีการส่าย ไปมากกว่าทที่ า� นายได ้ ด้วยทฤษฎขี องนวิ ตนั ภำพท่ี 9 : แสดงการตกลงของ วัตถุภายใต้อิทธิพลของแรงโน้ม ถว่ งในแนวคดิ แบบทฤษฎสี มั พทั ธ ภาพของไอสไตน์ อัลเบิร์ต ไอสไตน์ จึงได้เสนอมาว่า แท้ท่ีจริงแล้วแรงโน้มถ่วง เกิดจากการท่ี มวลบดิ กาลอวกาศ (spacetime)และการทว่ี ตั ถเุ คลอ่ื นทเี่ ปน็ เสน้ โคง้ ไปรอบๆ มวลนนั้ แทท้ ่ี จรงิ แลว้ เปน็ เพยี งเพราะวตั ถพุ ยายามทจ่ี ะเคลอ่ื นทใ่ี นแนวเสน้ ตรงในมติ ทิ งั้ สข่ี องกาลอวกาศ ทฤษฎนี เ้ี ปน็ เรอ่ื งทไี่ มค่ อ่ ยจะคนุ้ เคยเทา่ ใดนกั สา� หรบั มนษุ ย ์ เพราะวา่ มนษุ ยถ์ อื กา� เนดิ ขน้ึ มา ในโลกสามมติ ิ เรารจู้ กั ทศิ ทาง ซา้ ย-ขวา หนา้ -หลงั และ บน-ลา่ ง มติ ทิ ส่ี จี่ งึ เปน็ สงิ่ ทไี่ มส่ ามารถ จนิ ตนาการไดด้ ว้ ยสามญั สา� นกึ ของมนษุ ย ์ ในการจะอธบิ ายทฤษฎเี กย่ี วกบั กาลอวกาศในแบบ ทส่ี ามารถจินตนาการได้ เราจงึ จ�าเปน็ ที่จะตอ้ งใช ้ “การทดลองทางความคิด” (thought experiment) เพอ่ื ชว่ ยประกอบการอธบิ าย 14 Black Hole หลุมดำ�

สมมติว่ามีมดตัวหนึ่งที่ใช้ชีวิตอยู่บนแผ่นกระดาษหน่ึงแผ่น มดตัวน้ีรู้จักทิศทาง แค ่ หนา้ -หลงั และ ซ้าย-ขวา หากเราพยายามจะไปอธบิ ายให้มดตัวนี้เขา้ ใจว่า ในเอกภพ ยังมที ิศทาง บน-ลา่ ง อยู่อกี ซงึ่ ตั้งฉากกับท้ังด้านหนา้ -หลัง และ ซ้าย-ขวา ไปพร้อมๆ กนั มดตัวน้ีกจ็ ะไม่เข้าใจ และเถยี งว่ามนั มที ิศทางอยู่แคส่ องมติ ิเทา่ นั้น มิติท่สี ามมนั จะเปน็ ไป ไดอ้ ยา่ งไร เมอ่ื มดตวั นน้ั เดนิ ผา่ นแผน่ กระดาษเขา้ มาในยงั บรเิ วณหนงึ่ ทเ่ี ปน็ หลมุ ในสามมติ ิ (ภาพท ี่ 10) เน่ืองจากมดตัวน้ีไม่สามารถสังเกตเห็นรูปร่างของหลุมน้ีได้ แต่เห็นได้แต่เพียงพ้ืนท่ี กระดาษแบนๆท่อี ยูต่ รงหน้า มดตัวนไ้ี ม่ทราบถงึ การมีอยขู่ องหลมุ แตม่ ดตัวน้สี งั เกตได้ว่า เมื่อเดินเข้าไปใกล้ๆ บริเวณหนึ่ง มดตัวน้ีจะเดินเป็นเส้นโค้งเอง ไปรอบๆ ทิศทางหนึ่ง มดตัวนีจ้ งึ เริ่มเรยี กทิศทางนน้ั ว่า “หลมุ ” และตัง้ กฎขึ้นมาวา่ “หลุมจะสง่ แรงกระทา� ท�าให้ ทิศทางของวัตถุต้องเลีย้ วตาม” จนเปน็ กฎทีม่ ดทกุ ตวั นา� มาใช้คา� นวณ และก็ได้ผลทีน่ า่ เชอื่ ถอื ไดต้ ลอดมาตอ่ มาภายหลงั มมี ดอกี ตวั หนง่ึ ออกมาตง้ั ขอ้ สงสยั วา่ แลว้ เราทราบไดอ้ ยา่ งไร ว่าบริเวณใดมีหลุม? แรงท่ีเกิดจากหลุมมาจากไหน? แล้วถ้าหลุมหายไปแรงน้ีจะหายไป ด้วยทนั ทีหรอื ไม?่ มดตัวนจ้ี ึงต้งั ทฤษฎีใหม่ขนึ้ มาเพอ่ื อธิบายวา่ จริงๆ แล้ว “หลุม” มนั ไม่ ไดส้ รา้ งแรงอะไรหรอก เพยี งแตว่ า่ “หลมุ ” ทา� ใหแ้ ผน่ กระดาษทม่ี ดทกุ ตวั อาศยั อย ู่ บดิ เบย้ี ว ไปในทศิ ทาง “ลง” ท่ีมดทุกตวั ไมส่ ามารถเห็นได ้ และมดทกุ ตวั ก็แคเ่ พยี งเคล่อื นตัวไปเป็น เสน้ ตรงบนแผน่ กระดาษทีบ่ ดิ เบ้ียวน้ี จึงแลดูเป็นเส้นโค้งในสองมติ ทิ ีเ่ หล่ามดอยเู่ ท่านนั้ เอง ภำพท่ี 10 : ภาพแสดงความเขา้ ใจ ในแรงโนม้ ถว่ งแบบนวิ ตนั กบั แบบ ของไอสไตน์ในพื้นผิวสองมิต ิ มดทอี่ ยใู่ นพนื้ ผวิ สองมติ สิ งั เกตวา่ วัตถุเดินทางเป็นเส้นโค้ง รอบๆ “หลมุ ” มดตวั แรกจงึ ตง้ั สมมตฐิ าน ขน้ึ มาวา่ หลมุ สง่ แรงทา� ใหว้ ตั ถเุ ดนิ ทางเปน็ เสน้ โค้ง ในขณะทมี่ ดอกี ตวั ตง้ั สมมตฐิ านวา่ จรงิ ๆ แลว้ วตั ถุ ไมไ่ ดเ้ ดนิ ทางเปน็ เสน้ โคง้ ด้วยแรง ทมี่ องไมเ่ หน็ แตเ่ ปน็ เพราะวา่ กาล อวกาศสองมติ ริ อบๆ “หลมุ ” เกดิ การบดิ เบย้ี วในทศิ ทางทมี่ ดมองไม่ เหน็ เปน็ ผลให้เรขาคณิตรอบๆ หลมุ เกดิ การบดิ เบย้ี วไปจรงิ ๆ แลว้ วตั ถเุ พียงแค่เดินทางเปน็ เสน้ ตรง ในพน้ื ผวิ มติ ทิ เ่ี หนอื เกนิ ไปกวา่ ความ เขา้ ใจของมดสามารถจนิ ตนาการได้ BlackHoles Black Hole หลุมด�ำ 15

นิทานเรื่องมดสองมิตินี้ เป็นสิ่งเดียวท่ีเกิดข้ึนกับมนุษย์สามมิติอย่างพวกเรา อลั เบริ ต์ ไอสไตน ์ อธบิ ายแรงโนม้ ถว่ งวา่ เกดิ จากการบดิ เบยี้ วของกาลอวกาศ (ซงึ่ เปรยี บไดก้ บั แผน่ กระดาษของมด) วตั ถดุ เู หมอื นเคลอ่ื นทเี่ ปน็ เสน้ โคง้ ตามแรงโนม้ ถว่ งของโลก ประหนงึ่ มีแรงท่ีมองไม่เห็นมากระท�า เพียงเพราะว่าวัตถุก�าลังพยายามจะเดินทางเป็นเส้นตรงใน กาลอวกาศส่ีมิติ แต่เน่ืองจากเราไม่สามารถสังเกต หรือจินตนาการถึงมิติที่สี่ได ้ (เชน่ เดียวกบั ที่มดสองมิติไมส่ ามารถจนิ ตนาการถงึ มติ ิท ่ี 3 ได้) เราจงึ เพยี งสังเกตวา่ วัตถุ เคลอ่ื นท่เี ปน็ เสน้ โค้งในสามมติ ทิ เี่ ราอาศยั อยู่ แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพไม่ได้เป็นเพียงแค่นิทานหรือทฤษฎีเพ้อฝัน เพราะทฤษฎี วิทยาศาสตร์ท่ีดีจะต้องสามารถสร้างค�าท�านายที่สามารถพิสูจน์ได้ และไอสไตน์ได้เสนอ คา� ท�านายเอาไวส้ ามประการท่ที ฤษฎเี ดิมของนิวตันไมม่ ที างทีจ่ ะสามารถอธบิ ายได ้ น่ันคอื กำรบิดของวงโคจรดำวพุธ – เนอื่ งจากทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตนั ท�านายเอาไว้ เพียงวา่ ดาวเคราะหค์ วรจะโคจรเปน็ วงรรี อบดวงอาทติ ย ์ แตไ่ มส่ ามารถอธบิ ายไดว้ า่ วงรีน้ัน จะมีการส่ายไดอ้ ย่างไร กำรเลยี้ วเบนของแสงรอบๆ ดวงอำทติ ย ์ – เนอ่ื งจากแสงไมม่ มี วล จงึ ไมค่ วรจะไดร้ บั อิทธิพลจากแรงโน้มถ่วง แต่หาก “แรงโน้มถ่วง” เกิดจากการบิดงอของกาลอวกาศ แสงยอ่ มที่จะได้รบั ผลกระทบและเลี้ยวเบนในลกั ษณะเดียวกัน กำรเลื่อนทำงแดงของแสง – ไอสไตน์ท�านายเอาไว้ว่า หากแรงโน้มถ่วงสามารถ บิดงอกาลอวกาศ แสงท่ีหลดุ ออกมาจากกาลอวกาศท่บี ดิ งอนน้ั ก็ควรทีจ่ ะมกี ารยดื ออกไป ในทางแสงสีแดงเชน่ เดยี วกนั ซง่ึ ทฤษฎแี รงโน้มถ่วงของนิวตนั ไม่สามารถอธบิ ายได้ ซง่ึ ทงั้ สามขอ้ ทไี่ อสไตนท์ า� นายเอาไว ้ กไ็ ดร้ บั การยนื ยนั ดว้ ยการสงั เกตเปน็ ทเี่ รยี บรอ้ ย นอกจากนก้ี ารทดลองสมยั ใหมย่ งั ไดพ้ บหลกั ฐานอกี มากมาย ทย่ี นื ยนั ถงึ ทฤษฎสี มั พทั ธภาพ ทว่ั ไปของไอสไตน ์ เชน่ การเลยี้ วเบนของแสงจนเกดิ เลนสแ์ รงโนม้ ถว่ งรอบกระจกุ ดาราจกั ร ยานอวกาศ Gravity Probe B ที่ยืนยันผลของการเกดิ frame-dragging effect ฯลฯ จนถงึ ทกุ วนั นท้ี ฤษฎสี มั พทั ธภาพทวั่ ไปเปน็ ทฤษฎแี รงโนม้ ถว่ งทไ่ี ดร้ บั การยอมรบั กนั อยา่ งกวา้ งขวาง ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ และยังไม่มีการทดสอบใดท่ีบ่งช้ีถึงการเบ่ียงเบนไปจากธรรมชาติ ที่ทา� นายเอาไวใ้ นทฤษฎีสัมพทั ธภาพอย่างมนี ัยสา� คญั framEef-fderacggting 16 Black Hole หลมุ ด�ำ

กำรยืดออกของเวลำและกำรหดสั้นของควำมยำว ผลพวงอยา่ งหนง่ึ ของการบดิ ของกาลอวกาศกค็ อื เมอ่ื มติ กิ าลอวกาศเกดิ การบดิ ขนึ้ ทา� ใหค้ วามยาวในยานอวกาศลา� หนง่ึ สามารถหดสน้ั ลง และเวลาเดนิ นานขน้ึ ซง่ึ ปรากฏการณ์ การยดื ออกของเวลา และหดสนั้ ของความยาวน ี้ ไดร้ บั การยนื ยนั และทดสอบอยา่ งถถี่ ว้ น ทง้ั ในทฤษฎสี มั พทั ธภาพพเิ ศษ และสมั พทั ธภาพทวั่ ไปการทขี่ นาดและเวลาของวตั ถสุ ามารถ เปลยี่ นแปลงได ้ อาจจะขดั กบั สามญั สา� นกึ ในชวี ติ ประจา� วนั เนอื่ งจากในชวี ติ ประจา� วนั เราไมเ่ คย ตอ้ งพบกบั สภาวะความเรว็ เขา้ ใกลแ้ สง หรอื สภาวะแรงโนม้ ถว่ งสงู บรเิ วณรอบๆ ดาวนวิ ตรอน หรอื หลมุ ดา� และปรากฏการณก์ ารยดื ออกของเวลาและหดสน้ั ของความยาวในสภาพแวดลอ้ ม ในชวี ติ ประจา� วนั นน้ั เกดิ ขน้ึ นอ้ ยเกนิ กวา่ ทป่ี ระสาทสมั ผสั ของมนษุ ยจ์ ะรบั รไู้ ด ้ ภำพท่ี 11 : แรงโน้มถว่ งมหาศาลของกาแลก็ ซ ี LRG 3-757 ทา� ให้เกดิ เลนส์แรงโน้มถ่วง บดิ งอ ใหแ้ สงจากกาแลก็ ซเี บอ้ื งหลงั โคง้ ไปในรปู ของวง แหวนไอสไตน (Einstein Ring) (ภาพจาก กล้องโทรทรรศนอ์ วกาศ Hubble) แม้กระน้ันก็ตาม การทดลองเป็น ภำพที่ 12 : Joseph C. Hafele และ Richard จ�านวนมากก็ได้ยืนยันว่าปรากฏการณ์การ E. Keating กับนาฬิกาอะตอมบนเครื่องบิน ยดื ออกของเวลานน้ั มอี ยจู่ รงิ ในเดอื นตลุ าคม โดยสาร ในการทดลองเพอื่ ยนื ยนั การยดื ออกของ ปี ค.ศ. 1971 Joseph C. Hafele และ เวลาตามทฤษฎีสัมพทั ธภาพของไอสไตน์ Richard E. Keating ไดน้ า� นาฬกิ าอะตอม บนิ รอบโลกไปกับเครอื่ งบินพาณิชย์ ทง้ั ทาง ทศิ ตะวนั ออก และทิศตะวันตก และเทยี บ นาฬกิ ากบั นาฬกิ าอกี เครอื่ งทป่ี ระจา� อยทู่ หี่ อ ดดู าวกองทพั เรอื สหรฐั และพบวา่ นาฬกิ าทง้ั สามได้เดินเหล่ือมเวลาไปตามท่ีท�านายเอา ไวต้ ามทฤษฎสี มั พทั ธภาพพเิ ศษ และทฤษฎี สมั พัทธภาพทวั่ ไป (ภาพที ่ 12) นอกจากน ี้ การสร้างอนุภาคมิวออนในห้องปฏิบัติการ Black Hole หลุมดำ� 17

พบวา่ อนภุ าคนี้มีครึ่งชีวติ แคเ่ พยี ง 2.22 ไมโครวินาที แต่การพบอนภุ าคมวิ ออนทมี่ าจาก รงั สคี อสมคิ ยนื ยนั วา่ ถงึ แมว้ า่ อนภุ าคนจ้ี ะใชเ้ วลานานกวา่ นนั้ ในการเคลอ่ื นทผี่ า่ นชนั้ บรรยากาศ ของโลก แตเ่ วลาทผ่ี า่ นไปในตวั อนภุ าคเองนนั้ ผา่ นไปเพยี งหนงึ่ ในหา้ และในป ี ค.ศ. 2010 ได้ มกี ารตรวจพบการยดื ออกของเวลาทเี่ กดิ จากการเปลยี่ นแปลงสนามโนม้ ถว่ งของโลกทคี่ วามสงู ตา่ งกันเพียงหนึ่งเมตร ซึ่งอันทจี่ รงิ แล้ว หากนาฬิกาบนระบบดาวเทียม GPS ท่เี ราใชร้ ะบุ ต�าแหน่งไม่ได้มีการทดเวลาท่ีเกิดจากการยืดออกจากในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและ สมั พทั ธภาพทว่ั ไป เราจะพบวา่ นาฬกิ าบนดาวเทยี ม GPS เหลา่ นจ้ี ะคอ่ ยๆ คลาดเคลอื่ นออก ไปเรื่อยๆ ดว้ ยเหตุผลท่ไี ม่สามารถอธบิ ายได ้ และเมอื่ เวลาผ่านไปตา� แหนง่ ท่ีค�านวณไดบ้ น GPS จะผิดเพีย้ นขึ้นเรอื่ ยๆ ดงั นั้น เราอาจสามารถกล่าวไดว้ ่า การท่ดี าวเทยี ม GPS ยงั ใช้ งานได้อยา่ งแม่นย�า นัน่ เท่ากบั วา่ นาฬิกาบนดาวเทียม GPS ทกุ ดวงที่กา� ลังโคจรอยู่เหนอื พืน้ โลกกา� ลงั ท�าการทดสอบ และยืนยันผลของทฤษฎสี มั พทั ธภาพอยอู่ ย่างตอ่ เน่ืองนั่นเอง ภำพที่ 13 : ภาพจา� ลองอิทธิพลการเลยี วเบนของแสงรอบๆ หลุมดา� หากสงั เกตหลมุ ดา� ขนาดมวล 10 เทา่ มวลดวงอาทิตย ์ ด้วยระยะหา่ ง 600 กม. โดยมีทางช้างเผอื กเปน็ ฉาก หลัง (ภาพโดย Ute Kraus, Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik) ตกลงสู่หลุมด�ำ จะเกิดอะไรข้ึนกับนักบินอวกาศท่ีก�าลังตกลงสู่หลุมด�า? ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ทา� นายเอาไวว้ า่ เมอื่ ความเขม้ ของสนามแรงโนม้ ถว่ งเพม่ิ ขนึ้ เรอ่ื ยๆ จะเกดิ การหดสนั้ ลงของ ความยาวในทศิ ทางเขา้ สศู่ นู ยก์ ลางแรงโนม้ ถว่ ง และเวลาทยี่ ดื ออกขน้ึ เรอ่ื ยๆ เมอื่ สนามแรงโนม้ ถว่ ง สงู ขน้ึ อยา่ งไรกต็ าม การหดสนั้ ของความยาวและยดื ออกของเวลาน ้ี เปน็ สง่ิ ทส่ี ามารถสงั เกตได้ โดยผสู้ งั เกตภายนอกเพยี งเทา่ นน้ั สา� หรบั ผสู้ งั เกตทอี่ ยใู่ นยานอวกาศทก่ี า� ลงั ตกลงสหู่ ลมุ ดา� จะไมส่ งั เกตความผดิ พลาดใดๆ ในตวั ยานอวกาศ เนอ่ื งจากทงั้ ความยาว และเวลาของผสู้ งั เกต ในยาน ก็หดสั้น และยืดออก ไปพร้อมๆ กับยานที่เขานั่งไปด้วยน่ันคือ ทั้งไม้บรรทัด 18 Black Hole หลุมดำ�

และนาฬิกาของนักบินอวกาศที่อยู่ในยานอวกาศ ก็หดสั้นและยืดออกไปพร้อมๆ กับ สงิ่ ทกุ อยา่ งในยานลา� นน้ั หากนกั บนิ อวกาศจะวดั ความยาวของยาน เขากจ็ ะไมพ่ บวา่ ความยาว ของยานเปล่ียนไปแต่อย่างใด เน่ืองจากทงั้ ตวั ยานและไมบ้ รรทดั กไ็ ดห้ ดสนั้ ลงไปในอตั ราท่ี เทา่ กนั เชน่ เดยี วกบั เวลา หากนกั บนิ อวกาศสงั เกตเขม็ นาฬกิ า เขากจ็ ะไมร่ สู้ กึ ผดิ ปรกติ แตอ่ ยา่ งใด เนอื่ งจากทง้ั นาฬกิ า และอตั ราการเกดิ ปฏกิ ิรยิ าเคมีในสมองของเขา ก็ไดย้ ืดออก ไปในเวลาทเี่ ทา่ ๆ กนั แต่ส�าหรับผู้สังเกตท่ีอยู่ภายนอกหลุมด�าน้ี เขาจะสังเกตเห็นยานอวกาศล�าท่ีก�าลัง ตกลงสหู่ ลมุ ดา� คอ่ ยๆ แบนลงเรอ่ื ยๆ และทกุ อยา่ งทเี่ กดิ ขนึ้ ในยาน รวมทง้ั นาฬกิ าภายในยาน ก็จะเดนิ ช้าลงเรอ่ื ยๆ และเม่อื ยานอวกาศเขา้ ใกลห้ ลุมดา� มากขึน้ แรงโน้มถ่วงอนั มหาศาล กจ็ ะทา� ใหค้ วามยาวคลน่ื ของแสงทส่ี อ่ งออกมายดื ออก ทา� ใหภ้ าพยานอวกาศทเี่ หน็ คอ่ ยๆ มดื และดูแดงขนึ้ เรือ่ ยๆ และเมอื่ ยานอวกาศลา� นนั้ เขา้ ใกลส้ ขู่ อบฟา้ เหตกุ ารณ ์ ความยาวของยาน จะหดสนั้ ลงจนเขา้ ใกลศ้ นู ย ์ ผสู้ งั เกตภายนอกจะเหน็ ยานอวกาศลา� นน้ั กลายเปน็ แผน่ และเวลา ยืดออกเป็นอนนั ตจ์ นเหมอื นกบั หยดุ นง่ิ เปน็ แผน่ แบนราบ มดื และดอู อกแดง ดเู สมอื นใชเ้ วลา ชวั่ กลั ปาวสานในการตกลงสภู่ ายในหลมุ ดา� ตดิ อยทู่ ข่ี อบฟา้ เหตกุ ารณจ์ วบจนสนิ้ สดุ ของกาลเวลา ภำพที่ 14 : ผู้สังเกตจากภายนอก จะเห็นนาฬิกาท่ีตกลงหลุมด�า เดินช้าลงเรื่อยๆ เมื่อเข้าใกล้ขอบฟ้า เหตกุ ารณ ์ และผ้สู งั เกตจะสงั เกตเหน็ นาฬกิ าสีแดงมากข้ึน และเดนิ ชา้ ลงจนหยุดน่ิง อยู่ทข่ี อบฟา้ เหตุการณ ์ และไม่เคยข้ามพน้ ไป (ภาพจาก hubblesite.org) แตส่ �าหรับนักบนิ อวกาศที่กา� ลงั ตกลงสูห่ ลุมดา� เขาจะสังเกตเหน็ เหตุการณ์ทกุ อย่าง ในเอกภพภายนอกหลมุ ดา� ดา� เนนิ ไปในอตั ราทเี่ รว็ ขนึ้ เรอื่ ยๆ (เนอื่ งจากเวลาของเขาเดนิ ชา้ ลง) แต่เขาจะไม่ทราบเลยว่า เส้นขอบฟ้าเหตุการณ์หรือขอบเขตของหลุมด�า อยู่ตรงไหน เนอื่ งจากบริเวณเสน้ ขอบฟ้าเหตกุ ารณ์ไม่ไดม้ ีความพิเศษอะไรส�าหรบั นักบินอวกาศทีก่ า� ลงั ตกลงไปในหลมุ ด�า สิ่งแรกที่เขาจะรูส้ ึก กค็ ือแรงไทดัล (Tidal Force) ทีแ่ รงมากขน้ึ เรื่อยๆ เนอื่ งจากปลายเทา้ ของนกั บนิ อวกาศ ถกู ดงึ ดว้ ยแรงโนม้ ถว่ งทม่ี ากกวา่ ตวั ของเขา ตวั นกั บนิ อวกาศ จงึ ถกู ยดื ออกเหมอื นเสน้ สปาเกต็ ต ้ี (จงึ เรยี กปรากฏการณน์ วี้ า่ ปรากฏการณ ์ spaghettification) ยานและนกั บนิ อวกาศทวั่ ๆ ไป จงึ นา่ จะถกู ทา� ลายไปตงั้ แตย่ งั ไมไ่ ดเ้ ขา้ ไปใกลข้ อบฟา้ เหตกุ ารณ์ spaghettiifcation Black Hole หลุมดำ� 19

เสียด้วยซ�้าแต่หากสมมติว่าเราสามารถสร้างยานอวกาศที่แข็งแรงพอ และนักบินอวกาศ สามารถรอดชวี ติ จากแรงไทดลั อนั มหาศาลนไี้ ด ้ (หรอื หากเขาตกลงในหลมุ ดา� ทมี่ มี วลมากๆ จนแรงไทดัลไม่มากจนเกินไปที่บริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์) ส่ิงที่เขาจะสังเกตก็คือ เขาจะ ตกลงไปอย่างต่อเนอ่ื ง และไมม่ ีความเปล่ยี นแปลงอะไร นักบนิ อวกาศจะไม่สามารถทราบ ได้เลยว่า เขาได้ผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้วหรือยัง จนกระท่ังเขาเอาเครื่องมือออกมา เพื่อวัดระยะทางถึงศูนย์กลางของหลุมด�า จึงได้ทราบว่าเขาเข้ามาอยู่ในบริเวณหลุมด�า เปน็ ทเี่ รยี บรอ้ ย ภำพท่ี 15 : นกั บนิ อวกาศทกี่ า� ลงั ตกลงสหู่ ลมุ ดา� จะไมส่ งั เกตเหน็ การผดิ ปรกตอิ ะไรของนาฬกิ าของเขา แตเ่ ขาจะ พบกบั แรงไทดลั อนั มหาศาลทพ่ี ยายามจะฉกี ทง้ึ ขาของเขาออกเปน็ ชนิ้ ตกลงสหู่ ลมุ ดา� (ภาพจาก hubblesite.org) นกั บนิ อวกาศอาจจะพยายามสง่ สญั ญาณออกไปเพอ่ื รายงานผสู้ งั เกตภายนอกหลมุ ดา� วา่ เขาไดเ้ ขา้ มาในหลมุ ดา� เปน็ ทเี่ รยี บรอ้ ย อยา่ งไรกต็ าม สญั ญาณนนั้ ไมม่ วี นั ทจ่ี ะสามารหลดุ รอดออกไปจากหลมุ ด�าได ้ และในขณะทีเ่ ขาเขา้ ไปอยใู่ นหลมุ ดา� ผสู้ ังเกตภายนอก รวมไป ถึงทง้ั เอกภพกไ็ ด้ดบั สิ้นไปเรยี บร้อยแล้วอาจจะเป็นเรอ่ื งแปลกประหลาด ทส่ี �าหรบั ผู้สงั เกต ภายนอกนั้น นักบินอวกาศไม่เคยผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปได้และแค่ติดอยู่เหนือขอบฟ้า เหตุการณ์ไปชว่ั กลั ปาวสาน แตส่ �าหรับนกั บนิ อวกาศแลว้ นัน้ เขาใชเ้ วลาเพียงแคไ่ ม่ก่นี าที ในการตกลงผา่ นขอบฟ้าเหตุการณ ์ ทา� ไมเหตุการณ์ที่นกั บนิ อวกาศผ่านขอบฟ้าเหตกุ ารณ์ ถึงไม่สามารถเกิดขึ้นได้ส�าหรับผู้สังเกตภายนอก แต่เกิดข้ึนได้ส�าหรับผู้สังเกตภายใน? เราอาจจะสามารถอธิบายเพมิ่ เตมิ ได้ ดว้ ยนิทานอีกเร่อื งหนึง่ Spaghettification 20 Black Hole หลุมดำ�

ปนิทลำนำเรื่ทอง งท่ีตกลงสู่หลุมด�ำ ปลาผสู งั เกต A ภำพท่ี 16 : ภาพแสดงการเปรยี บเทยี บ ารณปลานกั สำรวจ B ขอบฟา เหตกุ ขอบฟา้ เหตกุ ารณก์ ับตูป้ ลาสมมต ิ เมือ่ บริเวณท่ีความเร็วน้ำ = ความเรว็ เสยี ง เปดิ ใหน้ า�้ ไหลออกจากตปู้ ลา ในลกั ษณะ กระแสน้ำ ความเร็วน้�าสูงข้ึนเรื่อยๆ บริเวณใกล้ รรู ะบายนา้� ในบรเิ วณทคี่ วามเรว็ นา้� เทา่ กบั ความเรว็ คลนื่ เสยี งในนา�้ จะเปรยี บไดก้ บั ขอบฟ้าเหตกุ ารณ์ในหลมุ ด�า เนือ่ งจาก เสยี งท่ีปลานักสา� รวจ B สง่ ออกมาจาก ภายในขอบฟ้าเหตุการณ ์ จะไมม่ วี ันส่ง ไปถึงปลาผู้สงั เกต A ได้ สมมติวา่ มีปลาทองสองตวั อยู่ในต้ปู ลา คือปลาผ้สู ังเกต A และปลานักส�ารวจ B ปลา สองตัวนีต้ าบอด และสามารถสอ่ื สาร และรับร้ถู ึงกันได้ด้วยการส่งเสียงหากนั เพยี งเท่าน้ัน เม่ือปลาตวั หนง่ึ ส่งเสียง ปลาอีกตวั หนงึ่ กจ็ ะรับร ู้ และทราบถงึ ต�าแหน่งของปลาอกี ตัวนัน้ ได้ ตอ่ มา รรู ะบายน�้าทก่ี ้นตูป้ ลาไดถ้ กู เปิดข้นึ ทา� ให้น�า้ เกดิ การไหลออกไปในลักษณะท่ี ความเร็วนา�้ สูงข้ึนเรื่อยๆเมอื่ เข้าใกลร้ รู ะบายนา�้ (ภาพที่ 16) ปลานกั สา� รวจ B ค่อยๆ วา่ ย เขา้ ไปส�ารวจบริเวณใกล้รรู ะบายน้�า ในขณะทปี่ ลาผู้สงั เกต A คอยสังเกตอยู่ห่างๆ ปลา นกั สา� รวจสง่ เสียงรายงานสภาพ และบอกตา� แหน่งเปน็ ระยะๆ ในขณะทย่ี งั หา่ งจากรรู ะบายนา้� ความเรว็ ของนา้� ยงั มไี มม่ าก ทา� ใหป้ ลาสองตวั สามารถ สื่อสารกันและไดร้ บั สัญญาณตามปรกติ เมอ่ื ปลานกั สา� รวจ B เขา้ ใกล้รรู ะบายน�้ามากข้นึ ความเรว็ ของนา้� เร่มิ เรว็ มากข้นึ เสยี งสญั ญาณท่ีปลานกั ส�ารวจ B อ่านออกมา เรม่ิ ห่างกนั มากขนึ้ ทา� ใหป้ ลาผสู้ งั เกต A สงั เกตวา่ เวลาของปลานกั สา� รวจ B เรม่ิ เดนิ ชา้ กวา่ เวลาของมนั ปลานกั สา� รวจ B เคล่ือนที่ไปเรอื่ ยๆ จนถงึ ระยะหนึง่ ซ่งึ ความเร็วของน้า� ไหลเทา่ กบั ความเรว็ ทเ่ี สยี งเคลอ่ื นทผี่ า่ นกระแสนา�้ เนอ่ื งจากปลานกั สา� รวจ B ลอยไปพรอ้ มกบั กระแส น�า้ นั้น มนั จึงไมส่ ามารถสงั เกตเห็นความเปล่ยี นแปลงใดๆ นา�้ บรเิ วณรอบๆ กย็ งั คงเหมอื น เดิม และปลานกั สา� รวจ B ก็ยังคงอา่ นสญั ญาณจากนาฬิกาอยู่เป็นระยะๆ Black Hole หลมุ ด�ำ 21

BLACK H LE แต่ส�าหรบั ปลาภายนอกแลว้ นน้ั เมอื่ ความเร็วของกระแสนา�้ เร็วเทา่ กบั ความเร็วที่ เสียงสัญญาณของปลานักสา� รวจ B ส่งออกมา สญั ญาณน้นั จึงเดนิ ทางชา้ ลงเรอ่ื ยๆ เม่ือ ความเร็วของนา�้ เข้าใกล้ความเรว็ เสยี ง ปลาผู้สงั เกต A จึงสรปุ ว่า ปลานักสา� รวจ B ติดอยู่ ท่ีบริเวณท่ีความเร็วน�้าไหลเท่ากับความเร็วเสียง (เนื่องจากสัญญาณท่ีส่งออกมาดูเหมือน จะติดอยทู่ บี่ ริเวณนน้ั ) ปลาผู้สังเกต A เรียกบรเิ วณนี้วา่ “ขอบฟา้ เหตุการณ์” เนือ่ งจาก เหตกุ ารณ์สดุ ท้ายทม่ี ันสงั เกตเห็น กค็ ือปลานกั สา� รวจ B ตดิ อยู่ทข่ี อบฟ้าเหตกุ ารณ์ แต่ส�าหรบั ปลานกั สา� รวจ B แล้ว มนั กย็ งั คงสง่ สัญญาณตอ่ ไป และสภาพน�้ารอบๆ ก็ยงั คงเหมอื นเดิม จนกระท่งั ปลานกั ส�ารวจ B ได้ตกลงไปในรรู ะบายน้�า สว่ นคา� ถามท่วี ่า เกิดอะไรข้นึ เม่อื ปลานักส�ารวจ B เดินทางไปถึงรรู ะบายน้�า? ปลาผ้สู งั เกต A ไม่มีวนั ทจี่ ะ สามารถตอบได้ เนื่องจากไมม่ ีทางใดที่ข่าวสารจากปลานกั สา� รวจ B จะสามารถเดินทางไป ถงึ มัน กค็ งจะมแี ต่ปลานกั สา� รวจ B เทา่ นั้น ที่จะทราบว่าเกิดอะไรข้ึนต่อไป นทิ านเรอ่ื งนส้ี ามารถชว่ ยอธบิ ายถงึ สง่ิ ทเ่ี กดิ ขนึ้ ในขณะทน่ี กั บนิ อวกาศ หลน่ ผา่ นขอบฟา้ เหตุการณ์ของหลุมด�านั่นก็คือผู้สังเกตภายนอกจะสังเกตเห็นแสงสุดท้ายท่ีนักบินอวกาศ สง่ ออกมา ขณะทต่ี ดิ อยทู่ เ่ี หนอื ขอบฟา้ เหตกุ ารณ ์ และแสงสดุ ทา้ ยนนั้ กจ็ ะคอ่ ยๆ ปลอ่ ยออก มาไปจนสน้ิ สดุ ของกาลเวลา คอ่ ยๆ หรม่ี ดื และแดงลงไปเรอ่ื ยๆ แตไ่ มว่ า่ จะอยา่ งไร ผสู้ งั เกต ภายนอกกจ็ ะไมม่ วี นั ทจี่ ะสงั เกตเหน็ เหตกุ ารณท์ น่ี กั บนิ อวกาศเดนิ ทางไปถงึ ขอบฟา้ เหตกุ ารณ์ แต่นิทานเร่อื งปลากับตู้ปลาน ี้ กเ็ ปน็ แคเ่ พียงนทิ าน ส่งิ ที่แตกต่างกนั กบั ความเป็นจริงกค็ อื ในความเป็นจริงแล้วนั้น นาฬิกาของผู้สังเกตภายนอก และบริเวณใกล้ๆหลุมด�าเดินด้วย อัตราที่ต่างกันจริงๆ ตามท่ียืนยันแล้วด้วยการทดสอบทางวิทยาศาสตร์นานับประการ ตา่ งกบั นทิ านตปู้ ลาทเี่ วลาของปลาทงั้ สองกย็ งั คงเดนิ ทางไปดว้ ยอตั ราเดยี วกนั นน่ั หมายความวา่ สา� หรบั นกั บนิ อวกาศทก่ี า� ลงั ตกลงไปในหลมุ ดา� นน้ั สา� หรบั เขาแลว้ เขาไดส้ งั เกตเหน็ เหตกุ ารณ์ ของเอกภพภายนอกนับหมื่นล้านปี ดาวฤกษ์ ชีวิต และอารยธรรมต่างดาวจ�านวนมาก ไปจนถึงกาแลก็ ซ ี และกระจุกกาแลก็ ซี ไดถ้ อื ก�าเนดิ ขนึ้ แล้วกส็ ูญสน้ิ ดับไป ในเวลาเพยี ง ชว่ั วนิ าทที ่ีเขากา� ลังตกลงไปในหลุมดา� 22 Black Hole หลุมดำ�

อภธิ านศัพท์ บิ๊กแบง (Big Bang) • ทฤษฎีก�าเนิดเอกภพที่สันนิษฐานว่า เอกภพเกิดจากการระเบิดคร้ังย่ิงใหญ่ เมอื่ 13,800 ลา้ นปที แ่ี ลว้ ซงึ่ เรม่ิ มาจากจดุ เพยี งหนง่ึ จดุ และขยายใหญข่ นึ้ เปน็ เอกภพทเ่ี ราอาศยั อยู่ หลมุ ดาำ (Black Hole) • วตั ถทุ มี่ แี รงโนม้ ถว่ งสงู มากจนความเรว็ หลดุ พน้ มากกวา่ ความเรว็ แสง แรงดันดีเจเนเรซี (Degeneracy Pressure) • เปน็ แรงดนั ทเี่ กดิ จากการที่อนภุ าคต่อตา้ นการท่ีจะ ถูกบีบอัดให้เข้ามาอยู่ในสถานภาพทางควอนตัมเดียวกัน เกิดขึ้นเม่ือวัตถุถูกบีบอัดด้วยแรงดัน มหาศาล หรือใกลก้ ันมาก เช่น ภายในดาวแคระขาว ความเรว็ หลดุ พน้ (Escape Velocity) • ความเรว็ ตา�่ สดุ ท่ีจะทา� ใหว้ ัตถุสามารถหลดุ ออกจากอทิ ธพิ ล แรงโน้มถว่ งของวัตถุได้ ขอบฟา้ เหตุการณ์ (Event Horizon) • บริเวณรอบๆ วตั ถุที่มคี วามเรว็ หลุดพน้ เท่ากับความเร็วแสง เท่ากับว่าไม่มีวัตถุใดสามารถหลุดออกมาจากภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ มักจะใช้เป็นนิยามใน การอธิบายขอบเขตของหลมุ ดา� ทฤษฎีสมั พทั ธภาพทว่ั ไป (General Relativity) • ทฤษฎแี รงโนม้ ถว่ งของไอสไตนท์ อี่ ธบิ ายว่าแรง โน้มถ่วงเกิดจากมวลท�าให้กาลอวกาศเกิดการบิดออกในส่ีมิติ และการบิดของกาลอวกาศท�าให้ ทิศทางของมวลเคลอื่ นท่อี อกไป แรงโนม้ ถว่ ง (Gravity) • แรงดงึ ดูดระหวา่ งมวลของวตั ถุสองมวล ดาวนิวตรอน (Neutron Star) • หากแกนกลางของดาวฤกษม์ ขี นาดมากพอ เมอื่ เผาผลาญเชอ้ื เพลิง หมดไปแล้ว แม้กระทั่งอิเล็กตรอนก็จะสามารถถูกดูดเข้าไปรวมกับนิวเคลียสได้ เกิดเป็นดาว ทป่ี ระกอบไปดว้ ยนิวตรอนเป็นส่วนมาก เป็นวตั ถทุ ม่ี คี วามหนาแน่นมากทสี่ ุดในเอกภพท่สี ามารถ สังเกตได ้ มขี นาดเท่าเมอื งเล็กๆ หนงึ่ เมือง นิวเคลียร์ฟิวช่ัน (Nuclear Fusion) • พลังงานที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุน้�าหนักเบาสองธาต ุ ให้ธาตทุ ่มี ขี นาดใหญ่ขึ้น และปลดปลอ่ ยพลงั งานอนั มหาศาลออกมา เป็นพลังงานทีเ่ กดิ ขึน้ ภายใน ดาวฤกษ์ ท�าให้ดาวฤกษส์ ่องแสง และสามารถต้านทานแรงโนม้ ถว่ งเอาไว้ได้ Primordial Black Hole • หลุมด�าขนาดเล็กที่สันนิษฐานว่าอาจจะเกิดข้ึนและหลงเหลืออยู่จาก บิก๊ แบงทถ่ี ือกา� เนิดมาเป็นเอกภพ ซงิ กูลาริต้ี (Singularity) • หรือภาวะเอกฐาน เป็นแนวคิดทางทฤษฎีที่มวลท้งั หมดของวตั ถุถูกรวมไว้ ทีจ่ ุดๆ เดียวกัน ไรซ้ ่งึ ขนาด และ ปริมาตรแตเ่ ปน็ จดุ หนึ่งจดุ ตามนิยามทางคณิตศาสตร์ เราเชื่อ วา่ มวลของวตั ถภุ ายในขอบฟา้ เหตกุ ารณน์ า่ จะถกู รวมกนั เอาไวใ้ นซงิ กลู ารติ ี้ เชน่ เดยี วกบั มวลทงั้ หมด ทีก่ ่อก�าเนดิ มาเป็นเอกภพเมือ่ เกดิ บิ๊กแบง กาลอวกาศ (Spacetime) • ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพท่วั ไป มิตขิ องทศิ ทางและเวลาเป็นส่วนหน่งึ ของ มิตทิ ้งั สที่ ่ีรวมกนั เรียกว่ากาลอวกาศเป็นมติ ิทวี่ ตั ถุในเอกภพอาศัยอยู่ ความเร็วแสง (Speed of light) • ความเร็วที่แสงใช้ในการเดินทางผ่านสูญญากาศ มีความเร็ว 2.998x108 เมตรต่อวินาที แรงไทดัล (Tidal Force) • แรงทเ่ี กดิ จากการที่แรงโนม้ ถว่ งของวัตถุในส่วนทอ่ี ยู่ใกลม้ วล แตกตา่ งจาก แรงโนม้ ถว่ งในสว่ นทอ่ี ยไู่ กลจากมวล จงึ ท�าให้เกิดแรงไทดลั ยดื ออกในสองทศิ ทาง รจู้ ักกนั อกี ชอื่ ใน นามของแรงนา�้ ขึน้ น�้าลง ดาวแคระขาว (White Dwarf) • เม่อื ดาวฤกษข์ นาดไม่เกิน 10 เทา่ ของดวงอาทิตยเ์ ผาผลาญจนเชอ้ื เพลงิ หมด มวลภายในแกนจะไมส่ ามารถเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าฟวิ ชน่ั ไดอ้ กี จงึ ถกู บบี อดั ลงจนมขี นาดประมาณ เทา่ กบั โลก แตม่ มี วลไมเ่ กนิ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย ์ พยุงตวั เอาไว้ด้วยแรงดนั ดเี จเนเรซี เป็น ดาวแคระขาว รงั สเี อก็ ซ์ (X-ray) • รงั สีพลงั งานสงู ประเภทเดียวกับท่ใี ชใ้ นการวินิจฉยั ทางการแพทย ์ ในธรรมชาติ เกดิ ขึ้นจากวัตถทุ ่ีพลังงานสงู มากๆ เช่น อนุภาคมปี ระจทุ ก่ี า� ลังหมนุ วนเข้าสหู่ ลมุ ด�า Black Hole หลุมด�ำ 23

สถาบันว�จัยดาราศาสตรแห‹งชาติ (องคการมหาชน) National Astronomical Research Institute of Thailand (Pubilc Organization) สถาบันว�จัยดาราศาสตรแห‹งชาติ (องคการมหาชน) อุทยานดาราศาสตรสิร�นธร เลขที่ 260 หมู‹ 4 ต.ดอนแกŒว อ.แม‹ร�ม จ.เชียงใหม‹ 50180 โทรศัพท : 0-5312-1268-9 โทรสาร : 0-5312-1250 สำนักงานประสานงาน กรุงเทพฯ สถาบันว�จัยดาราศาสตรแห‹งชาติ (องคการมหาชน) ชั้น 2 สำนักงานปลัดกระทรวงว�ทยาศาสตรและเทคโนโลยี อาคารพระจอมเกลŒา กระทรวงว�ทยาศาสตรและเทคโนโลยี ถนนพระรามที่ 6 เขตราชเทว� กรุงเทพฯ 10400 โทรศัพท : 0-2354-6652 โทรสาร : 0-2354-7013 หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา ฉะเชิงเทรา เลขที่ 999 หมู‹ 3 ต.วังเย็น อ.แปลงยาว จ.ฉะเชิงเทรา 24190 โทรศัพท : 0-3858-9396 โทรสาร : 0-3858-9395 หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา นครราชสีมา เลขที่ 111 ถ.มหาว�ทยาลัย ต.สุรนาร� อ.เมือง จ.นครราชสีมา 30000 โทรศัพท : 0-4421-6254 โทรสาร : 0-4421-6255 หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา สงขลา เลขที่ 79/4 หมู‹ 4 ต.เขารูปชŒาง อ.เมือง จ.สงขลา 90000 โทรศัพท : 0-7430-0868 โทรสาร : 0-7430-0867 E-mail : [email protected] www.NARIT.or.th