หลุมดำ (Black Hole) วัตถุลึกลับที่ครั้งหนึ่งเราเคยคิดว่าไม่อาจหยั่งรู้ได้ ปัจจุบันกำลังตกอยู่ภายใต้การตรวจสอบอย่างเข้มข้น ต้องขอบคุณภาพถ่ายประวัติศาสตร์จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon Telescope หรือ EHT) ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังใช้เงาของหลุมดำเหล่านี้ เพื่อทดสอบคำถามที่ยิ่งใหญ่ที่สุดข้อหนึ่งในวงการฟิสิกส์ที่ว่า ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ยังคงแม่นยำอยู่หรือไม่ในสภาวะสุดขั้วเช่นนี้
หลุมดำมักถูกเปรียบเปรยว่าเป็น “นักเขมือบ” แห่งจักรวาล ที่กลืนกินทุกสิ่งที่ล่วงล้ำเข้าไปใกล้ แม้กระทั่งแสงสว่าง นี่จึงเป็นเหตุผลที่ภาพถ่ายเงาของหลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางกาแล็กซี M87 และกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ถือเป็นความสำเร็จอันน่าทึ่ง
“สิ่งที่เราเห็นในภาพ ไม่ใช่ตัวหลุมดำโดยตรง แต่เป็นสสารที่ร้อนจัดในบริเวณใกล้เคียง” ศ.ลูเซียโน เรซโซลลา (Prof. Luciano Rezzolla) จากมหาวิทยาลัยเกอเธ่ แฟรงก์เฟิร์ต ผู้มีส่วนสำคัญในการค้นพบ อธิบาย “ตราบใดที่สสารนั้นยังคงหมุนวนอยู่นอกขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ก่อนที่มันจะถูกดึงเข้าไปอย่างไม่อาจต้านทาน มันจะปลดปล่อยสัญญาณแสงสุดท้ายที่ (ในทางทฤษฎี) เราสามารถตรวจจับได้”
การท้าทายไอน์สไตน์ เมื่อทฤษฎีต้องถูกทดสอบ
ภาพเงาเหล่านี้ได้เปิดหนทางใหม่ในการสำรวจวิทยาศาสตร์เบื้องหลังปรากฏการณ์สุดขั้วนี้ ตลอดเวลากว่าศตวรรษ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) ของไอน์สไตน์ ถือเป็นคำอธิบายที่ประสบความสำเร็จที่สุดในการอธิบายอวกาศและเวลา หรือ “ปริภูมิ-เวลา” (Space-time) ทฤษฎีนี้ทำนายการกำเนิดของหลุมดำและนิยามคุณสมบัติสำคัญของมัน นั่นคือ “ขอบฟ้าเหตุการณ์” พรมแดนที่ไม่มีสิ่งใด แม้แต่แสง สามารถหลบหนีออกมาได้
“อย่างไรก็ตาม มันก็ยังมีทฤษฎีสมมุติฐานอื่น ๆ ที่ทำนายการมีอยู่ของหลุมดำเช่นกัน” เรซโซลลา กล่าว “แนวคิดเหล่านี้บางส่วนต้องการสสารที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวมาก ๆ หรือถึงขั้นต้องละเมิดกฎทางฟิสิกส์ที่เรารู้จักในปัจจุบัน”
เพื่อแยกแยะระหว่างทฤษฎีของไอน์สไตน์และทฤษฎีทางเลือก ทีมวิจัยของเรซโซลลา ร่วมกับสถาบันซ่งเต๋าหลี่ในเซี่ยงไฮ้ ได้เสนอแนวทางใหม่ ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Astronomy โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ขั้นสูงแบบสามมิติ เพื่อสร้างภาพสังเคราะห์ (Synthetic Images) ว่าเงาของหลุมดำควรมีหน้าตาเป็นอย่างไรภายใต้ทฤษฎีที่แตกต่างกัน
จนถึงขณะนี้ ผลลัพธ์ที่ได้จากภาพถ่าย EHT ยังคงสอดคล้องกับทฤษฎีของไอน์สไตน์ แต่ค่าความคลาดเคลื่อนในการวัดยังคงสูงมาก
อย่างไรก็ตาม ข้อมูลที่มีอยู่ก็เพียงพอที่จะช่วยตัดความเป็นไปได้ที่แปลกประหลาดบางอย่างออกไปได้ เช่น หลุมดำที่ใจกลาง M87 และทางช้างเผือกของเรา ไม่น่าจะเป็น “รูหนอน” (Wormholes) ซึ่งเป็นเพียงหนึ่งในหลาย ๆ ทฤษฎีทางเลือกที่ต้องตรวจสอบ
“แม้แต่ทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับอย่างดีแล้ว ก็ต้องถูกทดสอบอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะกับวัตถุสุดขั้วอย่างหลุมดำ” เรซโซลลาเน้นย้ำ “มันจะเป็นการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่หากทฤษฎีของไอน์สไตน์ถูกพิสูจน์ว่าใช้ไม่ได้”
ความท้าทายในปัจจุบันคือ ความละเอียดของภาพถ่ายจาก EHT ยังไม่คมชัดพอที่จะมองเห็นความแตกต่างเล็ก ๆ น้อย ๆ ระหว่างทฤษฎีเหล่านั้น แต่ทีมวิจัยพบว่า ยิ่งความละเอียดของภาพสูงขึ้น ความแตกต่างระหว่างทฤษฎีก็จะยิ่งชัดเจนขึ้น
ในอนาคต มีแผนที่จะเพิ่มกล้องโทรทรรศน์วิทยุบนโลกเข้าร่วมเครือข่าย EHT และมีความหวังที่จะส่งกล้องโทรทรรศน์วิทยุขึ้นไปในอวกาศ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความละเอียดของภาพได้อย่างมหาศาล
การศึกษาครั้งใหม่นี้ชี้ให้เห็นว่า หากต้องการทดสอบทฤษฎีเหล่านี้อย่างจริงจัง เราต้องการความละเอียดเชิงมุมที่น้อยกว่าหนึ่งส่วนล้านของอาร์กวินาที (arcsecond) เปรียบได้กับการที่เรายืนอยู่บนโลก และต้องมองเห็นเหรียญที่วางอยู่บนพื้นผิวดวงจันทร์
แม้ว่านี่จะเกินขีดความสามารถทางเทคโนโลยีในปัจจุบัน แต่คาดว่าจะเป็นไปได้ภายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซึ่งจะเปิดยุคใหม่ของการทดสอบฟิสิกส์ในขอบเขตที่รุนแรงที่สุดของจักรวาล
ข้อมูลอ้างอิง: Nature Astronomy
- The future ability to test theories of gravity with black-hole shadows
