หลุมดำ

ปี ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) นักดาราศาสตร์ชาวยิว ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ว่า แสงเดินทางในอวกาศด้วยความเร็วคงที่ด้วยความเร็ว 3 x 108 เมตร/วินาที และไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของผู้สังเกตการณ์ ขณะที่สังคมในยุคนั้นถือว่า ความเร็ว = ระยะทาง/เวลา ไอสไตน์กล่าวว่า ความเร็วแสงคงที่ แต่เวลาและระยะทางยืดหดได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกตการณ์ ถ้าผู้สังเกตการณ์เดินทางเข้าใกล้ความเร็วแสง ระยะทางจะหดสั้น กาลเวลาจะช้าลง

joker123

แม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ ฟังดูไม่น่าเชื่อ แต่ทฤษฎีนี้ก็ถูกพิสูจน์แล้วว่า เวลาในยานอวกาศเดินช้ากว่าเวลาบนโลก อนุภาคในอวกาศมีอายุขัยยาวนานกว่าอนุภาคบนโลก ปี ค.ศ.1917​ ไอน์สไตน์ นำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ว่า อวกาศประกอบด้วย 4 มิติ คือ อวกาศและกาลเวลา (Space-time) มวลทำให้อวกาศโค้ง ดาวที่มีมวลมากจะฉุดรั้งให้อวกาศโค้งและกาลเวลายืดออกไป

ไอน์สไตน์อธิบายว่า ดาวเคราะห์ทั้งหลายโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นเพราะว่าอวกาศรอบๆ ดวงอาทิตย์โค้ง นักดาราศาสตร์ในยุคก่อนนั้นแปลกใจว่า อะไรเป็นสาเหตุให้วงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์แกว่ง ดังที่แสดงในภาพที่ 3 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นตั้งข้อสันนิษฐานว่า มีดาวเคราะห์ที่มีนามสมมติว่า “วัลแคน” (Valcan) โคจรรอบดวงอาทิตย์ใกล้กว่าดาวพุธ

เรามองไม่เห็นวัลแคนเพราะแสงสว่างจากดวงอาทิตย์รบกวน แต่แรงโน้มถ่วงของวัลแคนรบกวนเส้นทางโคจรของวัลแคน ไอน์สไตน์แก้ข้อสมมติฐานนี้โดยเสนอว่า ดาวเคราะห์วัลแคนไม่มีอยู่จริง เราสังเกตเห็นว่า วงโคจรของดาวพุธแกว่งเป็นเพราะว่า ดาวพุธเคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์เป็นวงโคจรรูปรี ซึ่งทาบอยู่บนอวกาศโค้ง หากใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปแทนค่าในสมการวงโคจรของดาวพุธ ก็จะทราบตำแหน่งที่แท้จริงของดาวพุธ

สล็อต

ไอน์สไตน์อธิบายว่า สภาพภูมิศาสตร์ของอวกาศไม่ใช่ราบเรียบเป็นเส้นตรง หรือเป็นทรงกลมที่สมบูรณ์ หากแต่คดโค้งไม่สม่ำเสมอ ขึ้นอยู่กับมวลในแต่ละตำแหน่งของจักรวาล ซึ่งจะฉุดให้กาลเวลายืดหดไปด้วย แสงเดินทางเป็นเส้นตรงเมื่ออวกาศเป็นแผ่นระนาบ แต่ถ้าอวกาศโค้ง แสงก็จะเดินทางเป็นเส้นโค้งด้วย ดาวฤกษ์ที่มีมวลเท่าดวงอาทิตย์ทำให้อวกาศโค้งเพียงเล็กน้อย แต่ดาวนิวตรอนทำให้อวกาศโค้งมาก แสงที่เดินทางออกจากดาวนิวตรอนจึงเป็นเดินทางเป็นเส้นโค้ง (ภาพที่ 4 ข และ ค) และแสงที่เดินทางออกจากหลุมดำ จะตกกลับลงมาที่เดิม ไม่สามารถหลุดพ้นออกไปได้

เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลตั้งต้นมากกว่า 18 เท่าของมวลดวงอาทิตย์หมดสิ้นอายุขัย แก่นของมันจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วและฉุดให้อวกาศโค้งไปด้วย ดังภาพที่ 5 กาลเวลาจะช้าลง นักวิทยาศาสตร์เรียกภาวะเช่นนี้ว่า “หลุมดำ” เพราะว่าหลุมดำไม่แผ่รังสีใดๆ ออกมา

แม้ว่าหลุมดำจะไม่สามารถแผ่รังสีใดๆ ออกมา แต่นักดาราศาสตร์ทราบตำแหน่งของหลุมดำ ได้จากการสังเกตการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของจานแก๊สรวมมวลรอบๆ หลุมดำ ยกตัวอย่างเช่น ระบบดาวคู่ Cygnus X-1 ในกลุ่มดาวหงส์ ดาวดวงหนึ่งในระบบดาวคู่ยุบตัวลงเป็นหลุมดำ แล้วดึงดูดแก๊สจากดาวคู่เข้ามาหมุนวนเป็นจานรวมมวล แล้วหล่นเข้าไปในหลุมดำ แก๊สในจานรวมมวลอัดแน่นกันจนเกิดอุณหภูมิสุงและแผ่รังสีเอ็กซ์และคลื่นวิทยุบางความถี่ออกมา ดังภาพที่ 6 นักดาราศาสตร์จึงทราบว่า บริเวณนั้นมีหลุมดำอยู่

สล็อตออนไลน์

ยิ่งเราเข้าใกล้หลุมดำ ความโค้งของอวกาศจะทำให้เราเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้แสง และกาลเวลาจะช้าลง (ทฤษฎีสัมพัทธ์ภาพพิเศษของไอน์สไตน์) ขอบของหลุมดำเรียกว่า “เส้นขอบเหตุการณ์” (Event Horizon) ดังภาพที่ 7 ถัดจากเส้นขอบเหตุการณ์เข้าไปยังจุดศูนย์กลาง (Singularity) กาลเวลาจะหยุดนิ่ง การเดินทางออกจากหลุมดำ จำเป็นต้องใช้ความเร็วหลุดพ้นซึ่งมีค่ามากกว่าความเร็วแสง ซึ่งนั่นหมายความว่า ไม่มีสิ่งใดหลุดพ้นออกมาจากหลุมดำได้ เพราะไม่มีอะไรเคลื่อนที่เร็วกว่าแสง (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ อธิบายว่า สสารและพลังงานคือสิ่งเดียวกัน สสารคือพลังงานที่พักอยู่ แสงคือสสารที่เคลื่อนที่เร็วที่สุดในจักรวาล)

หลุมดำที่เกิดขึ้นจากดาวฤกษ์ยุบตัวมีขนาดเล็ก (ดาวแคระขาวมีขนาดใกล้เคียงกับโลก ดาวนิวตรอนมีขนาดประมาณ 10 กิโลเมตร หลุมดำอาจมีขนาดเล็กกว่า 1 กิโลเมตร) อย่างไรก็ตามหลุมดำที่ศูนย์กลางของกาแล็กซีมีขนาดใหญ่หลายปีแสง เนื่องจากกาแล็กซีเป็นศูนย์กลางของระบบดาวฤกษ์จำนวนล้านล้านดวง กาแล็กซีมีมวลมหาศาล ใจกลางของกาแล็กซีเป็นศูนย์รวมของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นหลุมดำที่ใจกลางของแกแล็กซีจึงมีขนาดใหญ่ตามไปด้วย ภาพที่ 8 เป็นรูปถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เผยให้เห็นจานรวมมวลขนาดใหญ่ของกาแล็กซี M87 ซึ่งพ่นแก๊สร้อนออกมาจากหลุมดำ

jumboslot

ดาวนิวตรอนเป็นแก่นกลางขนาดเล็กมากที่หลงเหลือจากการระเบิดซูเปอร์โนวา

เมื่อดาวฤกษ์มวลมากวิวัฒนาการมาถึงจุดจบ โครงสร้างชั้นนอกของดาวได้ยุบตัวลงสู่ใจกลาง ในจังหวะนี้เอง วัสดุที่แก่นกลางดาวจะถูกบีบอัดมากจนอะตอมที่ถูกแยกกลายเป็นนิวตรอนเพียงอย่างเดียว ซึ่งนิวตรอนเป็นอนุภาคในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้า

จากนั้น โครงสร้างชั้นนอกของดาวฤกษ์จะถูกสาดออกเนื่องจากการระเบิด หลงเหลือไว้แต่ดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็ว ดาวนิวตรอนบางดวงก็หมุนรอบตัวเองเร็วมากถึงระดับหลายร้อยรอบใน 1 วินาที

ดาวนิวตรอนมีมวลราว 1-2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ และมีขนาดความกว้างเพียง 20 กิโลเมตร หากเปรียบเทียบให้เห็นภาพ วัสดุจากดาวนิวตรอนที่มีปริมาตรเท่ากับบ้านหนึ่งหลัง จะมีมวลมากพอๆกับมวลดวงจันทร์

ดาวนิวตรอนมีมวลประมาณ 1.35 ถึง 2.1 เท่ามวลดวงอาทิตย์ และมีรัศมี 20 ถึง 10 กิโลเมตรตามลำดับ (เมื่อดาวนิวตรอนมีมวลเพิ่มขึ้น รัศมีของดาวจะลดลง) ดาวนิวตรอนจึงมีขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์ 30,000 ถึง 70,000 เท่า ดังนั้นดาวนิวตรอนจึงมีความหนาแน่นที่ 81013 ถึง 21015 กรัมต่อลูกบากศ์เซนติเมตร

slot

ซึ่งเป็นช่วงของความหนาแน่นของนิวเคลียสอะตอม ต้องใช้ความเร็วหลุดพ้นประมาณ 150,000 กิโลเมตรต่อวินาที หรือประมาณครึ่งหนึ่งของความเร็วแสง โดยทั่วไปแล้ว ดาวที่มีมวลน้อยกว่า 1.44 เท่ามวลดวงอาทิตย์ จะเป็นดาวแคระขาวตามขีดจำกัดของจันทรสิกขาร์ ถ้าอยู่ระหว่าง 2 ถึง 3 เท่ามวลดวงอาทิตย์อาจจะเป็นดาวควาร์ก (แต่ก็ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่) ส่วนดาวที่มีมวลมากกว่านี้จะกลายเป็นหลุมดำไป

เมื่อดาวฤกษ์มวลมากเกิดซูเปอร์โนวาและกลายเป็นดาวนิวตรอน ส่วนแก่นของมันจะได้รับโมเมนตัมเชิงมุมมา ซึ่งการเปลี่ยนแปลงรัศมีจากใหญ่ไปเล็กนั้นจะทำให้ความเร็วในการหมุนรอบตัวเองขึ้น แต่เมื่อเวลาผ่านไปก็จะหมุนรอบตัวเองช้าลงทีละน้อย ความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาวนิวตรอนที่มีการบันทึกได้นั้นอยู่ระหว่าง 700 รอบต่อวินาทีไปจนถึง 30 วินาทีต่อรอบ ความเร่งที่พื้นผิวอยู่ที่ 21011 ถึง 31012 เท่ามากกว่าโลก

ด้วยเหตุนี้ดาวนิวตรอนจึงสามารถส่งคลื่นวิทยุออกมาเป็นช่วงหรือพัลซาร์ และกระแสแม่เหล็กออกมาปริมาณมหาศาล การที่ดาวนิวตรอนสามารถส่งคลื่นวิทยุออกมาเป็นช่วงๆ นั้นทำได้อย่างไร ยังคงเป็นคำถามที่ไม่มีคำตอบ แม้ว่าจะมีการวิจัยเรื่องนี้มานานกว่า 40 ปีแล้วก็ตามในดาราจักรของเรานั้นเราพบเพียงไม่กี่สิบดวงเท่านั้น เรายังพบอีกว่า ดาวนิวตรอนน่าจะเป็นต้นกำเนิดของ แสงวาบรังสีแกมมา ที่มีความสว่างมากกว่าซูเปอร์โนวา หลายเท่า