หลุมดำมหัตภัยแห่งจักรวาล : Black Hole [หน้า 1/2]

หลุมดำมหัตภัยแห่งจักรวาล : Black Hole [หน้า 1/2]

Black hole ความหมายทางตรงว่า ประเภทหลุมลึกลับที่ไม่มีก้นหลุม กำหนดโดย โดย John Archibald Wheeler ค.ศ.1967 เมื่อพิสูจน์ในทางฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ แล้ว Black hole มีจริงไม่ใช่เรื่องเท็จ สามารถสำรวจพบบริเวณใด ก็ตามที่เกิดขึ้น ในกรณีแหล่งจบสิ้นอายุขัยของดาว แต่เรามองไม่เห็น เชื่อว่ามีเป็นจำนวนพันล้านแห่งในจักรวาล เป็นกฎเกณฑ์ของ ฟิสิกส์ และกฎเกณฑ์ความแปลกประหลาด ของแรงดึงดูด ด้วยทุกวัตถุที่อยู่ใน จักรวาลจะผูกมัดกัน ด้วยแรงดึงดูด ไม่ว่าจะเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานแม่เหล็ก พลังงานความกดดันแข็งแกร่ง ครอบคลุมกว้างไกลทั่วไป สุดขอบจักรวาล รูปทรงสัณฐานของหลุมดำ มวลวัตถุขนาดใหญ่เท่าใดก็ตาม เมื่อโคจรเข้าสู่ใกล้สภาวะเขตหลุมดำ ถูกบีบอัด บีบคั้นให้เล็กลงๆ เล็กลงๆ อย่างไม่จุดสิ้นสุด สู่ใจกลางบริเวณ Central singularity (จุดพิศวง) เป็นเรื่องไม่น่าเชื่อ แม้กระทั่งแสง ก็ถูกอัดแน่นรวมเข้าไปด้วยอย่างไม่ มีข้อยกเว้นใดๆ การพบครั้งแรกสรุปผลโดย Karl Schwarzschild นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน จึงเรียกว่า Schwarzschild radius คือ ขอบวงรัศมีของหลุมดำ ชนิดที่ไม่มีการหมุนปั่นเป็นสัด ส่วนพื้นที่ของหลุมดำ ขนาดสำรวจพบรัศมีราว 6 ไมล์ โดยเนื้อแท้หลุมดำ อาจแสดงตัวขอบวงรัศมีใหญ่หรือเล็กก็ได้ แต่ไม่ใหญ่โตมาก เพราะไม่จำเป็นต้องมีความเป็นปึกแผ่นของพื้นผิววัตถุ ต่างจากวัตถุอื่นๆในจักรวาล เท่าที่เคยพบ

Schwarzschild radius รูปแบบหลุมดำที่ไม่มีการหมุน มีจุดศูนย์กลาง Central singularity (จุดพิศวง) สำรวจพบครั้งแรกโดย Karl Schwarzschild นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน

Non-spinning Black hole คือ หลุมดำที่มีรูปแบบสัณฐานไม่มีการหมุนปั่น

Spinning Black hole คือ หลุมดำที่มีรูปแบบสัณฐานมีการหมุนปั่น

เบื้องต้นข้อสรุปสัณฐานหลุมดำแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะดังนี้ Non-spinning Black holes คือ หลุมดำที่มีรูปทรงสัณฐาน ไม่มีการหมุนปั่นพบ ว่ามีการเปล่งแสงจากธาตุเหล็ก (Iron emission) จากก๊าซร้อนที่เกาะพอกรอบๆ แผ่นจาน (Accretion disk) เป็นอะตอมใกล้กับบริเวณหลุมดำ เปล่งแสงรังสีออกมา ด้วยค่าพลังงานต่ำ Spinning Black holes คือ หลุมดำที่มีรูปทรงสัณฐานมีการหมุนปั่นพบอนุภาค ที่ใกล้หลุมดำ เป็นสิ่งที่ทำให้มีโอกาสเกิดริ้วคลื่นของ Space-time จะหมุนปั่นช้า หรือเร็วได้ การหมุนปั่นดังกล่าวจะกวาด ลากดึงไปโดยรอบอวกาศ ยิ่งเป็นการดึงอะตอมเข้า ใกล้มากยิ่งขึ้น ทำให้เกิดความแข็งแกร่งของแรงโน้มถ่วง จนชะงัก กระทบให้หยุด หมุนปั่น เกิดรังสี X-ray จาก Iron อะตอมที่แกว่งไปมา ด้วยค่าพลังงานต่ำ

ระบบการหมุนตัวของ Black hole มีขอบเขตวง 2 ชั้น Outer event horizon (วงชั้นนอก) และ Inner event horizon (วงชั้นใน) โดยเขตจำกัด Static limit (ขอบวัตถุและกำลังที่อยู่คงที่) จุดศูนย์กลางคือ Ring singularity (วงแหวนพิศวง)

การหมุนรอบแกนหลุมดำ ขึ้นอยู่กับรายละเอียดปลีกย่อยและยุ่งยากของตำแหน่ง ที่ตั้ง ล้อมรอบด้วยแรงฉุดดึงมากมายในอวกาศ ระบบการหมุนปั่นของหลุมดำมี ขอบเขตวงเหตุการณืที่เกิด 2 ชั้นและโครงสร้างดังนี้ Outer event horizon คือ ขอบเขตเหตุการณ์ชั้นนอก และ Inner event horizon คือ ขอบเขตเหตุการณ์ชั้นใน ส่วน Ergosphere คือ บริเวณที่ผูกมัดระหว่างวงขอบ เขตเหตุการณ์ด้านนอก กับแนวขอบเขตจำกัด Static limit (ขอบวัตถุและกำลัง คงที่) ตรงจุดศูนย์กลางคือ Ring singularity คือ วงแหวนพิศวง (หรือจุดศูนย์กลาง พิศวง) การศึกษาเพิ่มเติมใหม่ได้เปิดเผยโครงสร้างหลุมดำ ที่เรียกว่า Black holes X-ray nova แสดงโครงสร้างก๊าซ ดูดออกมาจาก ดวงดาว ด้วยแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำ หมุนปั่นอย่างเป็นรูปแบบ ทำให้ก๊าซมารวมตัวกันเป็นวงรอบๆ เห็นแบบสลัวๆเมื่อ ระบบมีความสมบูรณ์ จะมองไม่เห็น เพราะไม่มีพื้นผิว และจุดศูนย์กลางมืดสนิท และ Neutron star X-ray nova แสดงโครงสร้างก๊าซท่วมล้นทับถม ลงสู่ด้านใน ของ ดาวนิวตรอน โดยก๊าซเริ่มรวมตัวกับดาว หลังจากนั้นเกิดหลุมดำ เข้าแทนที่ แรงโน้มถ่วง กระทำให้ก๊าซนั้นสลัวลง ขณะเดียวกันก๊าซจู่โจมพื้นผิวดาวนิวตรอน เกิดแสงสว่างขึ้น

โครงสร้าง Black holes X-ray nova และ Neutron star X-ray nova

แบบแผนระบบไฟฟ้าของหลุมดำ

ระบบของหลุมดำที่น่ากังขา บริเวณด้านนอกใกล้หลุมดำ มีปรากฎการณ์ Magnetic field lines (เส้นสนามแม่ เหล็ก) สร้้างรัศมีของแสงรอบขอบหลุมดำ เส้นสนามแม่เหล็กเหล่านี้มีพลังงานสูง เป็นพิเศษ พุ่งเป็นลำไฟฟ้าออกมาจากหลุมดำ ยิ่งเพิ่มค่ารังสี X-ray ภายในหลุมดำ ยังทราบไม่ชัดเจนนัก เนื่องจากภายในมืดปราศจากแสงและยังไม่ มีเครื่องมือใดๆ จะเข้าไปสำรวจภายในหลุมดำได้ ทางทฤษฎีเชื่อว่ามวลภายในทั้ง หมดซ้อนเป็นชั้นๆเหมือนเยื่อหุ้ม เป็นจุดๆเดียวอยู่ตรงกลาง เรียกว่า จุดพิศวง เข้าใจว่า แบบแผนใจกลางหลุมดำ มีความต้องการหลอมละลายตามกฎเกณฑ์ แรงโน้มถ่วง ในคุณสมบัติแบบ Smallest scales (ขนาดเล็กย่อย) หรือเรียกว่า Quantum mechanics แต่ยังเป็นปัญหาลึกลับ ด้วยปัญหาการอธิบายในด้านฟิสิกส์

เชื่อว่าภายในหลุมดำมีลักษณะซ้อนเป็นชั้นคล้ายเยื่อหุ้ม

ประเภทของหลุมดำที่สำรวจพบ ประการสำคัญ หลุมดำ มีความแตกต่าง จากสิ่งต่างๆในจักรวาลโดยสิ้นเชิง เพราะ ความผันผวนเกิดขึ้นโดยรอบ ด้วยลักษณะหลักพิเศษ 3 ประการ ประกอบกัน คือ ด้วยจำนวนมวลสสาร ว่ามีจำนวนเท่าใด ด้วยการหมุนปั่นรอบแกน ด้วยความเร็วเท่าใด ด้วยเรื่องแบบแผนประจุไฟฟ้าของหลุมดำ หากองค์ประกอบทั้งหมด มีความสมบูรณ์ หลุมดำจะเริ่มดูดกลืนวัตถุต่างๆทันที การสำรวจตรวจวัดจำนวนมวล สามารถศึกษาวัตถุดิบ รอบๆหลุมดำได้ แต่ก็นับว่า เป็นเรื่องยาก เดิมสำรวจตรวจพบเพียง 2 ประเภท คือ Stellar-mass และ Super massive (บางสถาบันกำหนดเพิ่มเติมประเภท Mid-mass จึงรวมเป็น 3 ประเภท) ในอนาคตอาจมีประเภทมากขึ้นอีกได้

การดูดกลืน Yellow star ของหลุมดำใจกลาง Galaxy RX J1242-11

Stellar-mass black holes ประกอบด้วยความหนาแน่นของมวล 5 - 100 เท่าของดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นด้วย พัฒนาการวงจรดาวขั้นสุดท้าย ขนาดมวลมีความหนาแน่น ของธาตุหนักมากกว่า ดวงอาทิตย์ หรือ ระดับดาวทั่วไป โดยดาวได้พลังงานจาก หลอมละลายเผาไหม้ ภายในแกนถึงระยะเวลาหนึ่ง (นับหลาย พันล้านปีหรือมากกว่า) เชื้อเพลิงหมดสิ้น ทุกอย่างยุบตัวลง สู่จุดศูนย์กลางด้วยความหนาแน่นสูง เกิด Deep gravitational warp (แนวโค้งงอด้านลึกของแรงโน้มถ่วง) ในอวกาศ เรียกว่า หลุมดำประเภท Stellar-mass (มวลจากดาว) หลุมดำประเภทนี้ ไม่มีพื้นผิวเช่นดาว เกิดขึ้นที่ใดก็ได้ มีขอบเขตเท่าใดก็ได้โดย มองไม่เห็นในอวกาศเรียกว่า Event horizon (ขอบเขตเหตุการณ์) หากมีวัตถุใด ก็ตาม ผ่านเข้าสู่ Event horizon ก็จะถึงวาระถูกกำจัด ด้วยแรงโน้มถ่วงบีบอัดจน ไม่เห็นแสง ไม่สามารถ X-rays ได้ในขณะเกิด ไม่มีรูปแบบ Electromagnetic radiation (รังสีสนามแม่เหล็ก) ไม่แสดงอนุภาคใดๆ ไม่แสดงค่าพลังว่ามีเท่าใด จากมวล แต่ความสามารถดูดกลืนบีบอัด Mid-mass black holes เป็นประเภทใหม่ที่สำรวจพบ ประกอบด้วยความหนาแน่นมวล 500 – 1,000 เท่า ของดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นด้วยการพัฒนาการวงจรดาว ขั้นสุดท้ายเป็นการเกิดสืบ เนื่องด้วยธรรมชาติ พัฒนาการวงจรดาวแบบมวลแน่นหนา สามารถค้นหาสังเกต จากดาวที่มีการเร่งความเร็วของวงโคจรอย่างไม่เคยพบ มาก่อนหน้านี้ Supermassive black holes ประกอบด้วยความหนาแน่นของมวล นับล้านเท่าของดวงอาทิตย์ หรือเทียบระดับ กาแล็คซี่ขนาดเล็ก เป็นแบบฉบับความพิศวงของจักรวาล สำรวจพบในบริเวณจุด ศูนย์กลางกาแล็คซี่ ยังไม่ทราบถึงสภาพรูปแบบตั้งต้นว่า เป็นการยุบตัวของ กลุ่มหมอกก๊าซในกาแล็คซี่ หรือจากสะสมทีละน้อยจากหลุมดำ ในกลุ่ม Stellar black holes ที่ท่วมล้นทับถมกัน หรือผสมรวมกันของหลุมดำจาก กลุ่มกระจุกดาว หรืออาจจากกลไกอื่นๆในจักรวาล สามารถค้นหาสังเกตจากกลุ่มหมอกก๊าซ หมุนวนแบบ Swirling (คล้ายวังวนน้ำ) รอบๆ หลุมดำ (โดยมองไม่เห็นตำแหน่งหลุมดำ) ด้านเทคนิค ใช้วิธีตรวจสอบ X-ray ค่าสะท้อนของแสง เพื่อหาค่าจากมวลรอบๆหลุมดำ ที่ท่วมล้นออกมาด้วย ความกดดัน การหมุนปั่นตัวเองด้วยความเร็วสูง สร้างพลังความแข็งแกร่งสนามของแรงโน้มถ่วง (Powerful gravitational field) ความสามารถหมุนปั่นรอบแกน ด้วยความเร็วโดย ไม่มีขีดจำกัด ปราศจากแสงที่โผล่ออกมา แม้มีประจุไฟฟ้าเพราะจะหักล้างประจุ อย่างรวดเร็วจากการดูดกลืนวัตถุ สวนทิศทางสนามแม่เหล็กในทันที

กลุ่มหมอกก๊าซหมุนวนคล้ายวงวนน้ำรอบๆหลุมดำ ทำให้ตรวจสอบพบหลุมดำได้ในเบื้องต้น

สัดส่วนทีเกิดหลุมดำ เริ่มต้นด้วยความหนาแน่นด้วยขนาดมวล 1,000,000 เท่าของดวงอาทิตย์จึงมีโอกาสเกิด หลุมดำในประเภท Supermassive black holes

สำรวจพบ Supermassive black holes บริเวณด้านลึกของ จักรวาล 9-11พันล้่านปีแสง จำนวนมากถึง 1,000 แห่ง