การจ้องมองลึกลงไปในห้วงอวกาศเปรียบเสมือนการย้อนเวลากลับไปในอดีตเพื่อปะติดปะต่อเรื่องราวอันงดงามของเอกภพที่มนุษยชาติเป็นส่วนหนึ่ง แม้หลุมดำจะเป็นวัตถุที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่ทฤษฎีและการค้นพบล่าสุดกำลังชี้ให้เห็นว่าหลุมดำไม่ได้เป็นเพียงปีศาจแห่งอวกาศที่คอยกลืนกินทุกสิ่ง แต่เป็นผู้กำหนดรูปร่างของกาแล็กซี และยังมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับเทคโนโลยีในชีวิตประจำวันของมนุษย์อย่างไม่น่าเชื่อ
พริยัมวาดา นาตาราจัน (Priyamvada Natarajan) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์เชิงทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยเยล ได้เปิดเผยข้อมูลสำคัญในการประชุมสภาเศรษฐกิจโลก (World Economic Forum) ณ เมืองดาโวส ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ โดยระบุว่าทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำที่พัฒนามานานหลายทศวรรษได้เปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเอกภพไปอย่างสิ้นเชิง และที่น่าทึ่งไปกว่านั้นคือสมการชุดเดียวกับที่ใช้อธิบายหลุมดำนั้น คือสมการที่ควบคุมการทำงานของระบบระบุตำแหน่งบนพื้นโลกหรือ GPS ที่เราใช้กันอยู่ทุกวันนี้
รากฐานสำคัญของเรื่องนี้มาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งอธิบายว่ามวลและพลังงานส่งผลให้เกิดการโค้งงอของ “ปริภูมิ-เวลา” (space-time) แม้หลุมดำจะเป็นสภาวะสุดโต่งที่สุดของทฤษฎีนี้ แต่คณิตศาสตร์ชุดเดียวกันนี้ก็จำเป็นต่อการคำนวณความแตกต่างของเวลาที่วัดได้จากดาวเทียมที่โคจรอยู่รอบโลก เนื่องจากนาฬิกาบนดาวเทียมจะเดินเร็วกว่านาฬิกาบนพื้นโลกเล็กน้อยเพราะอยู่ห่างจากแรงโน้มถ่วงของโลกมากกว่า หากไม่มีการคำนวณชดเชยตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ระบบนำทางจะคลาดเคลื่อนและใช้งานไม่ได้ทันที
ในอดีตหลุมดำถูกมองว่าเป็นเพียง “ความประหลาดทางคณิตศาสตร์” ที่หาคำตอบได้จากสมการของไอน์สไตน์แต่ไม่มีหลักฐานการมีอยู่จริง จนกระทั่งในช่วงปี พ.ศ. 2503 นักดาราศาสตร์จึงได้พบแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่รุนแรงในกลุ่มดาวหงส์ ชื่อว่า “ซิกนัส เอกซ์-1” (Cygnus X-1) ซึ่งกลายเป็นวัตถุชิ้นแรกที่ได้รับการยอมรับว่าเป็นหลุมดำ ปัจจุบันเรารู้แล้วว่ากาแล็กซีขนาดใหญ่เกือบทุกแห่ง รวมถึงกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ต่างมีหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ที่ใจกลาง
อย่างไรก็ตาม ข้อมูลใหม่จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (JWST) ได้สร้างความท้าทายต่อความรู้เดิมที่ว่าหลุมดำมวลยิ่งยวดต้องใช้เวลานานนับพันล้านปีในการค่อยๆ เติบโตจากการกลืนกินสสารรอบข้าง เพราะหลักฐานใหม่แสดงให้เห็นว่าหลุมดำขนาดมหึมาเหล่านี้มีอยู่แล้วตั้งแต่เอกภพมีอายุเพียงไม่กี่ร้อยล้านปี ซึ่งเร็วกว่าที่ทฤษฎีเดิมจะอธิบายได้
นาตาราจันและทีมวิจัยจึงได้เสนอทฤษฎี “หลุมดำจากการยุบตัวโดยตรง” (Direct-collapse black holes) ซึ่งอธิบายว่าในสภาวะยุคเริ่มแรกของเอกภพ กลุ่มก๊าซบริสุทธิ์ขนาดมหึมาที่ตามปกติควรจะแตกตัวกลายเป็นดาวฤกษ์ กลับยุบตัวลงพร้อมกันทั้งหมดกลายเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายหมื่นถึงหลายแสนเท่าภายในเวลาอันสั้น “เมล็ดพันธุ์” ขนาดใหญ่นี้เองที่เป็นคำตอบว่าทำไมหลุมดำจึงสามารถมีมวลมหาศาลได้ทันเวลาในยุคที่เอกภพเพิ่งกำเนิด
การคาดการณ์นี้ได้รับการยืนยันจากการสังเกตการณ์จริง เช่น กาแล็กซี UHZ1 ที่พบว่ามีหลุมดำมวลยิ่งยวดที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ถึง 10 ล้านเท่า ทั้งที่เอกภพในขณะนั้นมีอายุเพียง 470 ล้านปี หรือใน “กาแล็กซีอินฟินิตี” (Infinity Galaxy) ที่กล้องเจมส์ เว็บบ์ เผยให้เห็นการชนกันของกาแล็กซีที่กระตุ้นให้เกิดการยุบตัวของก๊าซจนกลายเป็นหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ลอยตัวอยู่ท่ามกลางกลุ่มก๊าซหนาแน่น
การค้นพบเหล่านี้ไม่เพียงแต่พิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีฟิสิกส์ดาราศาสตร์ แต่การได้ศึกษาวัตถุที่ลึกลับที่สุดอย่างหลุมดำช่วยให้เราได้เห็นภาพรวมของเรื่องราวในระดับคอสมิกที่ดำเนินมาอย่างยาวนาน และทำให้เราเข้าใจตำแหน่งแห่งที่ของตนเองในจักรวาลอันกว้างใหญ่ได้ดียิ่งขึ้น
ข้อมูลอ้างอิง: Space. com
- James Webb Space Telescope reveals new origin story for the universe’s 1st supermassive black holes
