หลุมดำและขอบฟ้าเหตุการณ์

Linas Juozenas

ขอบเขตที่ข้อมูลไม่สามารถหลบหนีได้ และปรากฏการณ์เช่นรังสีฮอว์กิง

การกำหนดหลุมดำ

หลุมดำ black hole คือบริเวณในกาลอวกาศที่แรงโน้มถ่วง gravity รุนแรงจน ไม่มีสิ่งใด—แม้แต่แสง—สามารถหลุดออกไปได้เมื่อข้ามขอบเขตสำคัญที่เรียกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ ในตอนแรกถูกคิดว่าเป็นความอยากรู้อยากเห็นทางทฤษฎี (แนวคิด "ดาวมืด" ในศตวรรษที่ 18) แต่หลุมดำกลายเป็นหัวใจสำคัญของดาราศาสตร์ฟิสิกส์ โดยมีการยืนยันจากการสังเกตการณ์ตั้งแต่ระบบไบนารีรังสีเอกซ์ (Cygnus X-1) ถึงหลุมดำมวลยิ่งยวดในศูนย์กลางกาแล็กซี (เช่น Sgr A* ในทางช้างเผือก) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ general relativity เป็นกรอบแนวคิด แสดงให้เห็นว่าหากมวลมากพอถูกบีบอัดในรัศมีที่เล็กพอ ความโค้งของกาลอวกาศจะ "ปิดกั้น" บริเวณนั้นจากจักรวาลภายนอก

หลุมดำมีหลายขนาดและประเภท:

หลุมดำมวลดาวฤกษ์: ประมาณ 3 ถึงหลายสิบเท่าของดวงอาทิตย์ ก่อตัวจากการยุบตัวของดาวมวลมาก
หลุมดำมวลปานกลาง: มวลหลายร้อยถึงพันเท่าของดวงอาทิตย์ (ยังไม่เป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวาง)
หลุมดำมวลยิ่งยวด: มวลหลายล้านถึงพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ แฝงตัวอยู่ในศูนย์กลางของกาแล็กซีส่วนใหญ่

คุณสมบัติสำคัญรวมถึง ขอบฟ้าเหตุการณ์—"จุดที่ไม่สามารถย้อนกลับได้"—และโดยทั่วไปจะมี เอกฐาน ในทฤษฎีคลาสสิก แม้ว่าควอนตัมกราวิตีอาจปรับเปลี่ยนแนวคิดนี้ในระดับที่เล็กมาก นอกจากนี้ รังสีฮอว์กิง ยังบ่งชี้ว่าหลุมดำสูญเสียมวลอย่างช้าๆ ตลอดหลายยุคสมัย ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีปฏิสัมพันธ์ลึกซึ้งระหว่างกลศาสตร์ควอนตัม เทอร์โมไดนามิกส์ และแรงโน้มถ่วง

2. การก่อตัว: การยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง

2.1 การยุบตัวของดาวฤกษ์

เส้นทางที่พบบ่อยที่สุดในการก่อตัวของ หลุมดำมวลดาวฤกษ์ เกิดขึ้นเมื่อ ดาวมวลมาก (>~20 มวลดวงอาทิตย์) หมดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในแกนกลาง โดยไม่มีปฏิกิริยาฟิวชันต้านแรงโน้มถ่วง แกนกลางจะยุบตัว บีบอัดสสารจนมีความหนาแน่นสูงสุด หากมวลของแกนกลางเกินขีดจำกัด Tolman–Oppenheimer–Volkoff (TOV) (~2–3 มวลดวงอาทิตย์สำหรับการก่อตัวของดาวนิวตรอน) แม้แรงดันความหนาแน่นของนิวตรอนก็ไม่สามารถหยุดการยุบตัวได้ นำไปสู่การเกิดหลุมดำ ชั้นนอกอาจถูกพ่นออกมาใน ซูเปอร์โนวา

2.2 หลุมดำมวลยิ่งยวด

หลุมดำมวลยิ่งยวด (SMBHs) อยู่ที่ศูนย์กลางของกาแล็กซี เช่น หลุมดำมวลประมาณ 4 ล้านดวงอาทิตย์ที่ศูนย์กลางทางช้างเผือก (Sgr A*) การก่อตัวของพวกมันไม่ง่ายนัก—อาจเกิดจากการยุบตัวโดยตรงของเมฆก๊าซยักษ์ในช่วงต้น, การรวมตัวแบบวิ่งหนีของหลุมดำขนาดเล็ก หรือการรวมกันของหลุมดำเมล็ดพันธุ์ที่เติบโตโดยการสะสมในกาแล็กซีต้นกำเนิด การสังเกตควาซาร์ที่เรดชิฟต์สูง (z >6) แสดงให้เห็นว่า SMBHs ก่อตัวขึ้นในช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล ชี้นำการวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับกลไกการเติบโตอย่างรวดเร็ว

3. ขอบฟ้าเหตุการณ์: จุดที่ไม่มีทางย้อนกลับ

3.1 รัศมีชวาร์ซชิลด์

หลุมดำที่ง่ายที่สุดที่นิ่งและไม่หมุนในสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายโดย เมตริกชวาร์ซชิลด์ รัศมี

r_s = 2GM / c²

แสดงถึง รัศมีชวาร์ซชิลด์; ภายในทรงกลมนี้ (ขอบฟ้าเหตุการณ์) ความเร็วหนีเกินความเร็วแสง ตัวอย่างเช่น หลุมดำมวลเท่าดวงอาทิตย์ 1 ดวงมี r_s ≈ 3 กม. มวลที่ใหญ่กว่าจะเพิ่มขึ้นตามเส้นตรงกับรัศมี ดังนั้นหลุมดำมวล 10 ดวงอาทิตย์จะมีรัศมีขอบฟ้าประมาณ 30 กม. ขอบเขตนี้เป็น พื้นผิวศูนย์ อย่างมีประสิทธิภาพ—ลำแสงที่พยายามออกจากมันจะเดินทางตามเส้นทางที่ยังคงอยู่ที่ขอบฟ้าหรือหล่นลึกลงไปภายใน

3.2 ไม่มีการสื่อสารออกไปด้านนอก

ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ อวกาศ-เวลาโค้งงอมากจนเส้นทางจีโอเดซิก แบบเวลา และ แบบแสง ทั้งหมดนำไปสู่ ซิงกูลาริตี้ (ทฤษฎีคลาสสิก) ดังนั้น ผู้สังเกตการณ์ภายนอกจึงไม่สามารถเห็นหรือดึงสิ่งใดที่ข้ามขอบฟ้าได้ นี่คือเหตุผลที่หลุมดำเป็นสีดำ: ไม่มีรังสีใดหนีออกมาจากภายในได้ แม้ว่ากระบวนการที่มีพลังงานสูงใกล้—แต่ภายนอก—ขอบฟ้าจะสามารถสร้างสัญญาณที่สังเกตได้ (เช่น ดิสก์สะสม, เจ็ตความเร็วสัมพัทธ์)

3.3 ขอบฟ้าที่หมุนและมีประจุ

หลุมดำฟิสิกส์ดาราศาสตร์จริงมักจะหมุน ซึ่งอธิบายโดย เมตริกเกอร์ร์ (Kerr metric) รัศมีของขอบฟ้าเหตุการณ์ในกรณีนั้นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์สปิน a เช่นเดียวกัน หลุมดำที่มีประจุ (Reissner–Nordström) หรือหมุน/มีประจุ (Kerr–Newman) จะเปลี่ยนแปลงเรขาคณิตของขอบฟ้าเหตุการณ์ แต่ขอบเขตเชิงแนวคิดยังคงอยู่: การข้ามขอบฟ้า (ขอบฟ้าด้านนอกสำหรับหลุมดำที่หมุน) ห้ามไม่ให้หนีออกไปด้านนอก ใกล้ขอบฟ้า การดึงกรอบหรืออีโกรโซนสามารถอนุญาตให้สกัดพลังงานหมุนในหลุมดำที่หมุนได้ (กระบวนการเพนโรส)

4. รังสีฮอว์คิง: การระเหยของหลุมดำ

4.1 ผลกระทบควอนตัมที่ขอบฟ้า

ในปี 1974, สตีเฟน ฮอว์คิง ใช้ทฤษฎีสนามควอนตัมในสเปซไทม์โค้งใกล้ขอบฟ้าของหลุมดำ สรุปว่าหลุมดำแผ่รังสีความร้อนที่อุณหภูมิ:

T_H = (ħ c³) / (8 π G M k_B)

ที่ M คือมวลของหลุมดำ k_B คือค่าคงที่โบลต์ซมันน์ และ ħ คือค่าคงที่แผนค์ลด หลุมดำขนาดเล็กมีอุณหภูมิฮอว์คิงสูงกว่า จึงระเหยเร็วกว่า หลุมดำดาวฤกษ์ขนาดใหญ่หรือมวลมหาศาลมีอุณหภูมิต่ำมาก ทำให้เวลาการระเหยของพวกมันยาวนานมาก (เกินอายุจักรวาลปัจจุบันอย่างมาก) [1,2]

4.2 คู่อนุภาค–ปฏิอนุภาค

คำอธิบายเชิงอุปมาเห็นว่าคู่อนุภาค–ปฏิอนุภาค “เสมือน” ใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ หนึ่งตกลงไป อีกหนึ่งหนีออกไป พาพลังงานออกไป มวลของหลุมดำลดลงเพื่อรักษาพลังงานรวม แม้จะเรียบง่าย แต่นี่คือกระบวนการสำคัญ: ความผันผวนเชิงควอนตัมและเงื่อนไขขอบเขตที่ขอบฟ้านำไปสู่การแผ่รังสีสุทธิออกไป

4.3 เทอร์โมไดนามิกส์ของหลุมดำ

ความเข้าใจของฮอว์คิงยืนยันว่าหลุมดำปฏิบัติตามกฎที่คล้ายเทอร์โมไดนามิก พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ทำหน้าที่เหมือนเอนโทรปี (S ∝ A / l_P²) และแรงโน้มถ่วงพื้นผิวที่คล้ายกับอุณหภูมิ ความร่วมมือนี้กระตุ้นการแสวงหาความโน้มถ่วงเชิงควอนตัมอย่างลึกซึ้ง เนื่องจากการประสานเทอร์โมไดนามิกส์ของหลุมดำกับเอกภาพและปัญหาข้อมูลยังคงเป็นความท้าทายสำคัญในฟิสิกส์ทฤษฎี

5. หลักฐานการสังเกตของหลุมดำ

5.1 ระบบคู่รังสีเอกซ์

หลุมดำมวลดาวฤกษ์จำนวนมากถูกตรวจพบใน ระบบคู่ กับดาวปกติ วัสดุจากดาวคู่ถูกดูดซึมเข้าสู่หลุมดำผ่านแผ่นสะสมวัสดุ ทำให้ร้อนจนถึงพลังงานรังสีเอกซ์ การสังเกตการประมาณมวลของ วัตถุหนาแน่น ที่ >3 M_⊙ และการขาดปรากฏการณ์บนพื้นผิวชี้ให้เห็นถึงหลุมดำ (เช่น Cygnus X-1)

5.2 หลุมดำมวลมหาศาลในศูนย์กลางกาแล็กซี

การสังเกตการเคลื่อนที่ของดาวรอบศูนย์กลาง ทางช้างเผือก เผยให้เห็นหลุมดำมวลมหาศาล ~4 ล้าน M_⊙ (Sgr A*) ที่วงโคจรอธิบายได้ดีด้วยกฎของเคปเลอร์ เช่นเดียวกับนิวเคลียสของกาแล็กซีที่มีพลังงานสูง (ควาซาร์) ที่ขับเคลื่อนโดย SMBHs ที่มีมวลหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ ได้สร้างภาพขอบฟ้าขนาดจริงของ M87* (2019) และ Sgr A* (2022) เป็นครั้งแรก ยืนยันโครงสร้างเงา/วงแหวนที่สอดคล้องกับการทำนายทางทฤษฎี

5.3 คลื่นความโน้มถ่วง

ในปี 2015 LIGO ตรวจพบ คลื่นความโน้มถ่วง จากการรวมตัวของหลุมดำห่างออกไปประมาณ 1.3 พันล้านปีแสง การทดลองต่อมาเจอการรวมตัวของหลุมดำหลายครั้ง ยืนยันการมีอยู่ของหลุมดำคู่ในธรรมชาติ รูปแบบคลื่นตรงกับการจำลองการรวมตัวสัมพัทธภาพ ให้การยืนยันโดยตรงของหลุมดำ ขอบฟ้าเหตุการณ์ และการสั่นสะเทือน

6. การทำงานภายใน: เอกฐานและการเซ็นเซอร์จักรวาล

6.1 เอกฐานคลาสสิก

ในภาพคลาสสิกง่ายที่สุด สสารยุบตัวจนความหนาแน่นเป็นอนันต์ที่ เอกฐาน ภายในศูนย์กลางหลุมดำ ความโค้งของพื้นที่เวลาเบี่ยงเบน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปล้มเหลว คาดกันอย่างกว้างขวางว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมหรือฟิสิกส์ระดับแพลงค์ป้องกันเอกฐานแท้จริง แต่กลไกที่แน่นอนยังไม่ทราบ

6.2 สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาล

เสนอโดย Roger Penrose, สมมติฐานการเซ็นเซอร์จักรวาล กล่าวว่าเอกฐานที่เกิดจากการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงถูกซ่อนภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ (“ไม่มีเอกฐานเปลือย”) วิธีแก้ที่สมจริงทางฟิสิกส์ทั้งหมดเป็นไปตามนี้ แต่ทฤษฎียังไม่ได้รับการพิสูจน์ สถานการณ์แปลกประหลาด (เช่น หลุมดำหมุนที่อัตราบางอย่าง) อาจทำลายได้ในหลักการ แต่ยังไม่มีการละเมิดที่เสถียรที่รู้จัก

6.3 ปริศนาข้อมูล

เกิดความตึงเครียดระหว่าง เอกภาพ ในทฤษฎีควอนตัม (ข้อมูลไม่สูญหาย) กับการระเหยของหลุมดำ (รังสีฮอว์กิงดูเหมือนความร้อน ไม่มีความทรงจำของสถานะเริ่มต้น) หากหลุมดำระเหยหมด ข้อมูลจะหายไปหรือถูกเข้ารหัสในรังสีอย่างไร วิธีแก้มีตั้งแต่หลักการโฮโลกราฟิก (AdS/CFT) การโต้แย้งความวุ่นวายควอนตัม หรือความสมบูรณ์ของหลุมดำ ยังคงเป็นหัวข้อวิจัยร้อนที่เชื่อมกลศาสตร์ควอนตัมกับแรงโน้มถ่วง

7. รูหนอน หลุมขาว และการขยายทางทฤษฎี

7.1 รูหนอน

รูหนอน หรือสะพานไอน์สไตน์–โรเซน ทฤษฎีเชื่อมต่อพื้นที่เวลาที่แยกจากกัน แต่เรขาคณิตมักไม่เสถียร เว้นแต่จะมีสสารพลังงานลบแปลกประหลาดค้ำยันเปิดไว้ หากรูหนอนเสถียรมีอยู่ อาจอนุญาตการเดินทางเกือบทันทีหรือเส้นโค้งเวลาปิด ซึ่งบ่งชี้ถึงการเดินทางข้ามเวลา ปัจจุบันไม่มีหลักฐานสังเกตยืนยันรูหนอนที่เดินทางได้ในระดับมหภาค

7.2 หลุมขาว

หลุมขาว white hole คือวิธีแก้ปัญหาแบบย้อนเวลาของหลุมดำ ที่ขับสารออกจากเอกฐาน โดยทั่วไปถือว่าไม่สมจริงสำหรับกระบวนการฟิสิกส์ดาราศาสตร์จริง เนื่องจากไม่สามารถก่อตัวจากการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง หลุมขาวปรากฏในวิธีแก้ปัญหาทางทฤษฎีบางอย่าง (เช่น การขยายวิเคราะห์สูงสุดของเมตริกชวาร์ซชิลด์) แต่ไม่มีอะนาล็อกจริงที่รู้จัก

8. ชะตากรรมระยะยาวและบทบาทในจักรวาล

8.1 ช่วงเวลาการระเหยของฮอว์กิง

หลุมดำดาวฤกษ์มีอายุขัยประมาณ 10⁶⁷ ปีหรือมากกว่าที่จะระเหยผ่านรังสีฮอว์กิง หลุมดำมวลมหาศาลอาจมีอายุถึง 10¹⁰⁰ ปีหรือมากกว่า ในที่สุดจะครอบงำโครงสร้างของจักรวาลยุคปลายเมื่อสสารปกติสลายตัวหรือรวมตัวกัน จากนั้นพวกมันก็จะระเหย เปลี่ยนมวลเป็นโฟตอนพลังงานต่ำและอนุภาคอื่น ๆ ทิ้งไว้ซึ่งทะเลทรายจักรวาลที่เย็นจัด

8.2 บทบาทในการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแล็กซี

การสังเกตชี้ให้เห็นว่าหลุมดำมวลมหาศาลสัมพันธ์กับมวลของกลุ่มแกนกาแล็กซี (ความสัมพันธ์ M_BH–σ) ซึ่งบ่งชี้ว่าหลุมดำมีอิทธิพลอย่างมากต่อการเติบโตของกาแล็กซี—ผ่านการป้อนกลับ AGN ที่ทรงพลังหรือการพ่นเจ็ตที่ควบคุมการก่อตัวของดาว ในโครงข่ายจักรวาล หลุมดำจึงทำหน้าที่ทั้งเป็นจุดสิ้นสุดของการยุบตัวของดาวฤกษ์และเป็นเครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนนิวเคลียสกาแล็กซีที่แอคทีฟซึ่งกำหนดโครงสร้างขนาดใหญ่

9. บทสรุป

หลุมดำ เป็นตัวอย่างของการทำนายที่ สุดขั้ว ของ สัมพัทธภาพทั่วไป—บริเวณของกาลอวกาศที่โค้งงอมากจนไม่มีแสงใดหนีออกไปได้เกินกว่า ขอบฟ้าเหตุการณ์ จากการสังเกตพบว่าพวกมันมีอยู่ทั่วไป: ตั้งแต่ ซากดาวฤกษ์ ที่ค้นพบในระบบไบนารีรังสีเอกซ์ไปจนถึง ยักษ์ใหญ่ ที่ศูนย์กลางกาแล็กซี ปรากฏการณ์เช่น รังสีฮอว์กิง เพิ่มความหมายเชิงควอนตัม บ่งชี้ว่าหลุมดำจะระเหยในที่สุดและเชื่อมโยงอุณหพลศาสตร์แรงโน้มถ่วงกับทฤษฎีควอนตัม แม้จะสำรวจมานานกว่าศตวรรษ แต่คำถามเปิดยังคงมีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปริศนาข้อมูล และโครงสร้างเอกฐาน

วัตถุเหล่านี้จึงตั้งอยู่ที่จุดตัดของ ดาราศาสตร์, สัมพัทธภาพ, ฟิสิกส์ควอนตัม และ จักรวาลวิทยา เผยให้เห็นไม่เพียงแต่ความสุดขั้วของธรรมชาติเท่านั้น แต่ยังแสดงถึงความจำเป็นที่อาจเกิดขึ้นสำหรับกรอบการรวมที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นซึ่งผสานกลศาสตร์ควอนตัมและแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม หลุมดำยังเป็นจุดศูนย์กลางของฟิสิกส์ดาราศาสตร์สมัยใหม่—ขับเคลื่อนแหล่งกำเนิดที่สว่างที่สุดบางแห่งในจักรวาล (ควาซาร์) กำหนดวิวัฒนาการของกาแล็กซี และสร้างสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง ในการเชื่อมระหว่างสิ่งที่รู้จักและสิ่งลึกลับ หลุมดำยังคงเป็นหนึ่งในขอบเขตที่น่าตื่นเต้นที่สุดในวิทยาศาสตร์ทั้งหมด

เอกสารอ้างอิงและการอ่านเพิ่มเติม

Hawking, S. W. (1974). “การระเบิดของหลุมดำ?” Nature, 248, 30–31.
Penrose, R. (1965). “การยุบตัวของแรงโน้มถ่วงและเอกฐานของกาลอวกาศ.” Physical Review Letters, 14, 57–59.
Event Horizon Telescope Collaboration (2019). “ผลลัพธ์แรกของกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ M87.” The Astrophysical Journal Letters, 875, L1–L6.
Wald, R. M. (1984). สัมพัทธภาพทั่วไป University of Chicago Press.
Frolov, V. P., & Novikov, I. D. (1998). ฟิสิกส์หลุมดำ: แนวคิดพื้นฐานและการพัฒนาใหม่ Kluwer Academic.

← บทความก่อนหน้า บทความถัดไป →

กลับไปด้านบน

กลับไปที่บล็อก

ประเทศ/ภูมิภาค

ภาษา