หลายวันที่ผ่านมามีข่าวใหญ่ในหมู่นักวิทยาศาสตร์ที่พูดถึงเป็นอย่างมากคือเรื่องการถ่ายภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรก ผมขอย้อนไปเรื่องหลุมดำกันสักนิดเผื่อบางท่านยังไม่เข้าใจว่าหลุมดำมันคืออะไร

หลุมดำ (ฺBlackHole) เกิดจากการยุบตัวของดาวฤกษ์ ซึ่งดาวฤกษ์ก็คือกลุ่มก้อนก๊าซขนาดใหญ่ที่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเผาผลาญปล่อยเป็นพลังงานเช่นแสงสว่างออกมาก เมื่อดาวฤกษ์อายุมากขึ้นๆ มันจะเริ่มสูญเสียมวลสารมากขึ้นเรื่อยๆเนื่องจากปฏิกิริยาฟิวชันเผาผลาญมวลสารส่งผลให้แรงโน้มถ่วงบีบอัดจนมวลสารรุนแรงมากจนสสารที่หลงเหลือมีความหนาแน่นสูงจนกลายเป็นหลุมดำได้ สรุปง่ายๆ คือ ดาวฤกษ์มวลมหาศาลมันยุบตัวลงจนกลายเป็นหลุมดำ ทีนี่ด้วยความที่มวลสารมากมายมหาศาลอัดแน่นเสียจนแรงโน้มถ่วงเข้มข้นสูงมากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถเดินผ่านกลับมาได้ ซึ่งแสงนั้นเดินทางที่ความเร็ว 299,792.458 กิโลเมตรต่อวินาที นักฟิสิกส์พบว่ายังไม่มีสสารหรือพลังงานใดๆที่เคลื่อนที่ได้เร็วกว่าแสง เมื่อสสารใดๆหรือแม้แต่แสงตกลงไปมันจะไม่สามารถกลับออกมาได้ จึงเป็นสาเหตุให้เราไม่สามารถมองเห็นหลุมดำได้

โชคดีที่มีวิธีที่จะ “มองเห็น” หลุมดำโดยกล้องโทรทรรศน์สามารถมองบริเวณรอบๆขอบฟ้าเหตุการณ์ที่แรงโน้มถ่วงบิดงอ space time ทำให้สสารที่ถูกดูดเข้าสู่หลุมดำเกิดการเสียดสีลุกไหม้ปล่อยแสงสว่างมหาศาลออกมาได้ EHT (Event Horizon Telescope) ได้ทำการรวบรวมข้อมูลในเดือนเมษายน 2017 แล้วนำมาประมวลผลทำให้ภาพแรกของหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ภายในกาแลคซี M87 ได้สำเร็จเป็นครั้งแรก แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะรวบรวมหลักฐานทางอ้อมมากมายสำหรับหลุมดำในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา แต่การเห็นหลุมดำเป็นสิ่งที่น่าเชื่อถือที่สุดว่ามันมีอยู่จริง

แต่การที่จะได้มาซึ่งภาพแรกของหลุมดำนั้นค่อนข้างยุ่งยาก โครงการถ่ายภาพหลุมดำของกาแลคซี่ M87 นั้นจำเป็นต้องมีหอสังเกตการณ์ทั่วโลกที่ทำงานควบคู่กันเชื่อมโยงกล้องโทรทรรศน์เพื่อสร้างกล้องโทรทรรศน์เสมือนจริงขนาดใหญ่เท่าโลกที่มีความไวและความละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อนโดยทุกที่จะติดตั้งนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูงมาก แล้วนำเสี้ยววินาทีเดียวกันที่มีการบันทึกสัญญาณวิทยุมาประมวลผลจึงได้ภาพของหลุมดำที่มีมวล 6.5 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ซึ่งอยู่ใจกลางกาแลคซี่ M87  ดังนั้นหอสังเกตการณ์จะต้องอยู่ในซีกโลกเดียวกันและสามารถมองเห็นจุดที่เราจะสังเกตได้พร้อมกันด้วย

ทำไมนักวิทยาศาสตร์เขาไม่ถ่ายภาพหลุมดำที่เชื่อว่ามีอยู่ในกาแลคซี่ทางช้างเผือกของเรา ทำไมต้องไปถ่ายภาพหลุมดำที่กาแลคซี่ M87 เพราะด้วยขนาดมวลที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์เราถึง 6.5 ล้านเท่าทำให้โอกาสในการถ่ายภาพนั้นทำได้ง่ายกว่าถึงแม้ว่าจะอยู่ไกลถึง 55 ล้านปีแสงก็ตาม หลุมดำของ M87 จึงเป็นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในท้องฟ้าที่เหมาะสมในการถ่ายภาพมัน

จริงๆ แล้วก่อนหน้านี้ในปี 2009 EHT ได้รวมเครือข่ายของหอสังเกตการณ์สี่แห่งในรัฐแอริโซนาแคลิฟอร์เนียและฮาวายได้จับตามดูคลื่นพลาสมาอันหนึ่งซึ่งพ่นออกมาจากใจกลางหลุมดำของ M87 ได้ครั้งแรกมาแล้ว แต่กลุ่มกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กเกินไปยังไม่มีอำนาจขยายเพื่อมองเห็นหลุมดำได้ เมื่อเวลาผ่านไป EHT ได้วางแผนคัดเลือกหอสังเกตการณ์วิทยุใหม่ ภายในปี 2560 มีสถานีสำรวจแปดแห่งในอเมริกาเหนือฮาวายยุโรปอเมริกาใต้และขั้วโลกใต้ โดยหนึ่งในนั้นมีสถานี Atacama Large Millimeter/submillimeter Array หรือ ALMA     ตั้งอยู่บนที่ราบสูงทางตอนเหนือของชิลี ด้วยพื้นที่รวมที่ใหญ่กว่าสนามฟุตบอลอเมริกัน ALMA จึงรวบรวมคลื่นวิทยุได้มากกว่าหอสังเกตการณ์อื่น ๆ หอสังเกตการณ์วิทยุทั้งแปดนี้ร่วมมือกันในปี 2560 เพื่อทำงานร่วมกันในฐานะกล้องโทรทรรศน์ระดับโลกที่เรียกว่าเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ ภารกิจของพวกเขาคือถ่ายภาพหลุมดำมวลมหาศาลเป็นครั้งแรก ข้อมูลจากเจ็ดสถานีถูกใช้เพื่อสร้างภาพของหลุมดำในกาแลคซี M87 ตั้งแต่ M87 ปรากฏในท้องฟ้าทางเหนือ เนื่องจาก M87 ปรากฏในท้องฟ้าทางเหนือหอดูดาวขั้วโลกใต้ไม่สามารถมองเห็นได้

EHT วางแผนที่จะปฏิบัติการประมาณ 10 วันในช่วงปลายปลายเดือนมีนาคมถึงต้นเดือนเมษายนเพราะเนื่องจากสภาพท้องฟ้าจะเป็นใจที่สุด ปัญหาใหญ่ที่สุดของนักวิจัยคือน้ำในบรรยากาศเช่นฝนหรือหิมะซึ่งจะสามารถไปก่อกวนช่วงความยาวของคลื่นวิทยุกล้องโทรทรรศน์ของ EHT ที่ได้ทำการปรับจูนไว้ แน่นอนว่าเรื่องสภาพอากาศของแต่ละทวีปนั้นเป็นปัญหามาก ทุกๆ เช้าจะมีการโทรศัพท์ที่วุ่นวายและการวิเคราะห์ข้อมูลสภาพอากาศและความพร้อมของกล้องโทรทรรศน์ในแต่ละแห่ง

เมื่อท้องฟ้ามีความชัดเจนพอที่จะสังเกตได้นักวิจัยก็ทำการสำรวจกล้องโทรทรรศน์ที่หอสังเกตการณ์ EHT แต่ละแห่งไปยังบริเวณใกล้เคียงของหลุมดำมวลมหาศาลและเริ่มรวบรวมคลื่นวิทยุ ลองนึกภาพจานวิทยุคู่หนึ่งที่พุ่งเป้าไปที่เป้าหมายเดียวในกรณีนี้คือบริเวณวงแหวนของหลุมดำ คลื่นวิทยุเล็ดลอดออกมาจากแต่ละบิตของวงแหวนนั้นจะต้องเดินทางในเส้นทางที่แตกต่างกันเล็กน้อยเพื่อไปยังกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัว คลื่นวิทยุเหล่านี้สามารถรบกวนซึ่งกันและกันซึ่งบางครั้งก็เสริมซึ่งกันและกันและบางครั้งก็หักล้างซึ่งกันและกัน รูปแบบการรบกวนที่เห็นโดยกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัวขึ้นอยู่กับว่าคลื่นวิทยุจากส่วนต่าง ๆ ของวงแหวนมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไรเมื่อมาถึงตำแหน่งของกล้องโทรทรรศน์ EHT นั้นประกอบไปด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มีทิศทางทิศเหนือ – ใต้และทิศตะวันออก – ตะวันตกซึ่งเปลี่ยนไปเมื่อเทียบกับหลุมดำเมื่อโลกหมุน เพื่อที่จะรวบรวมจากการสังเกตการณ์ของหอดูดาวแต่ละแห่งนักวิจัยจำเป็นต้องบันทึกเวลาสำหรับข้อมูลด้วยความแม่นยำ พวกเขาใช้นาฬิกาอะตอมไฮโดรเจนซึ่งจะหายไปประมาณหนึ่งวินาทีทุก ๆ 100 ล้านปี มีการบันทึกข้อมูลจำนวนมาก ในการทดลองครั้งล่าสุดมีการบันทึกข้อมูลด้วยอัตรา 64 กิกะบิตต่อวินาทีซึ่งเร็วกว่าการเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตภายในบ้านประมาณ 1,000 เท่า ข้อมูลเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนไปยัง MIT Haystack Observatory และ Max Planck Institute ที่ศึกษาเกี่ยวกับดาราศาสตร์วิทยุในกรุงบอนน์ประเทศเยอรมนี สำหรับการประมวลผลในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ชนิดพิเศษที่เรียกว่า correlator แต่สถานีกล้องโทรทรรศน์แต่ละแห่งจะรวบรวมข้อมูลหลายร้อยเทราไบต์ในระหว่างการสังเกตการณ์ครั้งเดียวซึ่งมากเกินกว่าจะส่งทางอินเทอร์เน็ต ทางเลือกที่เป็นไปได้คือ snail mail คือการส่งฮาร์ดดิสหรือหน่วยบันทึกข้อมูลไปทางไปรษณีย์นั้นเอง แม้ว่าข้อมูล EHT ส่วนใหญ่จะมาถึง Haystack และ Max Planck ภายในไม่กี่สัปดาห์นับจากการสังเกตการณ์ในปี 2017 แต่ก็ไม่มีข้อมูลจากขั้วโลกใต้จนถึงเดือนพฤศจิกายน

ข้อมูลที่ได้มานั้นจากแหล่งที่แตกต่างกันมันเปรียบเสมือนการบรรเลงเพลงที่มีคีย์ที่แตกต่างกัน การขาดไปของข้อมูลก็เท่ากับว่าฟังเพลงได้ไม่ราบรื่นไม่เป็นท่วงทำนองที่ชัดเจน ดังนั้นจึงมีการพัฒนาซอฟแวร์โดยใช้กฎทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับการสุ่มภาพใด ๆ ที่สามารถมีได้ความสว่างและความเป็นไปได้ที่พิกเซลข้างเคียงจะมีลักษณะใกล้เคียงกัน แนวทางพื้นฐานเหล่านั้นสามารถบอกได้ว่าซอฟต์แวร์สามารถกำหนดรูปภาพที่เป็นไปได้หรือการตีความข้อมูลอย่างไรให้เหมาะสมที่สุดคือถ้าการบรรเลงเพลงได้ครบทุกตัวโน้ตตามที่ควรบทเพลงนั้นก็จะฟังได้ไพเราะ การได้มาของรูปภาพหลุมดำก็เช่นกัน ก่อนการสังเกตการณ์ในปี 2560 นักวิจัย EHT ได้จัดทำ challenges ด้านการถ่ายภาพเพื่อให้แน่ใจว่าอัลกอริธึมคอมพิวเตอร์ของพวกเขาไม่ลำเอียงในการสร้างภาพเพื่อให้ตรงกับความคาดหวังของหลุมดำที่ควรมีลักษณะอย่างไร โดยให้นักวิจัยคนหนึ่งนำภาพลับในการสร้างข้อมูลของกล้องโทรทรรศน์จากนั้นให้นักวิจัยคนอื่นสร้างภาพต้นฉบับขึ้นใหม่ขึ้นมาแล้วนำมาเปรียบกันว่าตรงกันหรือไม่จากนั้นค่อยๆ ปรับแต่งให้ได้ค่าที่ดีที่สุด

การสำรวจหลุมดำของ EHT นั้นคาดว่าจะช่วยตอบคำถามเช่นหลุมดำมวลมหาศาลที่รวมถึง M87 เกิดการพ่นพลาสม่าที่สดใสเช่นนั้นได้อย่างไร การเข้าใจว่าก๊าซตกลงสู่หลุมดำได้อย่างไรและสามารถช่วยไขความลึกลับของหลุมดำที่เติบโตอย่างรวดเร็วในเอกภพยุคแรกได้

แต่หลายคนก็ยังเข้าใจผิดเกี่ยวกับหลุมดำอยู่นะครับ เช่นคิดว่าหลุมดำมันจะต้องดูดเอาสิ่งต่างรอบๆเข้าไปอย่างหิวกระหายเหมือนปีศาจ จริงๆ แล้วมันก็เหมือนกับดาวดวงหนึ่งที่มีแรงโน้มถ่วงตามปกติ ยกตัวอย่างนะครับถ้าดวงอาทิตย์ถูกบีบอัดกลายเป็นหลุมดำทันที โลกเราก็ยังโคจรไปรอบๆหลุมดำที่เกิดจากดวงอาทิตย์ตามปกติไม่ต่างจากเดิมเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำส่งมาถึงโลกได้ไม่ต่างจากเดิม เพียงแค่เราจะมองไม่เห็นดวงอาทิตย์เนื่องจากแสงไม่สามารถหลุดออกมาได้เท่านั้น (แต่ดวงอาทิตย์เราจะไม่เป็นหลุมดำหรอกนะเพราะมวลไม่มากพอที่ยุบตัวแล้วกลายเป็นหลุมดำ)  อีกความเข้าใจผิดคือ หลุมดำมีมวลสารเป็นอนันต์ ซึ่งความจริงแล้วหลุมดำคือซากดาวที่ถูกบีบอัดจนแน่น ดังนั้นมันจึงมีมวลค่าหนึ่งไม่ได้มากมายเป็นอนันต์อย่างที่หลายคนเข้าใจคิด อ้างอิง : http://www.narit.or.th/index.php/nso/1365-black-hole