วัตถุที่ใหญ่ที่สุดในท้องฟ้ายามค่ำคืนของเรา - ไกล! - เรามองไม่เห็น วัตถุนั้นเป็นหลุมดำขนาดใหญ่พิเศษ (SMBH) ที่ใจกลางกาแลคซีทางช้างเผือกของเราเรียกว่า Sagittarius A. แต่ในไม่ช้าเราอาจมีภาพขอบฟ้าเหตุการณ์ของราศีธนู และภาพนั้นอาจเป็นสิ่งที่ท้าทายต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein
ไม่มีใครเคยเห็นขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ แรงดึงดูดของโลกที่รุนแรงช่วยป้องกันไม่ให้สิ่งใดแม้แต่แสงหนีออกมา ขอบฟ้าเหตุการณ์คือจุดที่ไม่ให้ผลตอบแทน ไม่ว่าไม่มีแสงและไม่มีข้อมูลใดที่สามารถหลบหนีได้ แต่เราอาจใกล้จะได้ภาพของขอบฟ้าเหตุการณ์ของราศีธนูที่ขอบคุณกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (EHT)
EHT เป็นความร่วมมือระหว่างประเทศที่ออกแบบมาเพื่อตรวจสอบสภาพแวดล้อมใกล้เคียงของหลุมดำ ไม่ใช่กล้องโทรทรรศน์ แต่เป็นระบบเชื่อมโยงของกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั่วโลกที่ทำงานร่วมกันโดยใช้อินเตอร์เฟอโรเมท ด้วยการวัดพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจากภูมิภาคโดยรอบหลุมดำด้วยจานวิทยุหลายตัวในหลาย ๆ ที่จึงสามารถหาคุณสมบัติของแหล่งกำเนิดได้
นักวิจัยที่มี EHT หวังว่าการสำรวจของพวกเขาจะให้ภาพของเอฟเฟกต์ความโน้มถ่วงที่รุนแรงซึ่งเราคาดว่าจะเห็นใกล้หลุมดำ พวกเขายังหวังที่จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในที่ทำงานใกล้ ๆ หลุมขณะที่โคจรรอบวัตถุในดิสก์สะสมมวลรวมถึงความเร็วที่สัมพันธ์กัน
โครงการ EHT รวบรวมข้อมูลบน Sagittarius A และอีกหนึ่งหลุมดำที่เรียกว่า M87 ในใจกลางกาแลกซี่ A กันย์เป็นระยะเวลาสี่ปี สี่ปีนั้นสิ้นสุดในเดือนเมษายน 2017 แต่ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร 200 คนยังคงทำการวิเคราะห์ข้อมูล ในระหว่างนี้ทีมได้เปิดตัวรูปแบบคอมพิวเตอร์ในสิ่งที่พวกเขาหวังว่าจะเห็น
ภาพอาจดูเหมือนไม่มาก แต่มีความสำคัญ มันเทียบเท่ากับการอ่านพาดหัวหนังสือพิมพ์บนดวงจันทร์ในขณะที่ยืนอยู่บนโลก รูปภาพอาจช่วยเราตอบคำถามที่น่าสงสัยเกี่ยวกับหลุมดำ:
- หลุมดำมีบทบาทอย่างไรในการก่อตัวของกาแลคซี
- แสงและสสารสำคัญเป็นอย่างไรเมื่อตกลงไปในหลุมดำ
- กระแสพลังงานที่ยิงออกจากหลุมดำทำมาจากอะไร?
นอกจากนี้ยังมีโอกาสที่ภาพ EHT ที่ผลิตจากราศีธนูจะหมายถึงว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein จะต้องได้รับการอัปเดต (แม้ว่าจะเป็นความคิดที่ดีที่จะเดิมพันกับ Einstein)
หลุมดำและขอบฟ้าเหตุการณ์
หลุมดำนั้นเป็นศพของดาว เมื่อดาวมวลสูงมากเผาผลาญเชื้อเพลิงทั้งหมดมันจะยุบตัวในจุดที่มีความหนาแน่นสูงหรือเป็นเอกฐาน หลุมดำนั้นมีแรงดึงโน้มถ่วงอันทรงพลังอย่างไม่น่าเชื่อซึ่งจะดึงก๊าซและฝุ่นเข้าหามัน ทุกๆ 10,000 ปีหรือมากกว่านั้น Sagittarius A จะสิ้นเปลืองดาวเพียงดวงเดียว
ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นเหมือนเปลือกหอยรอบ ๆ หลุมดำ เมื่อใดก็ตามที่เรื่อง - หรือแม้แต่แสง - มาถึงขอบฟ้าเหตุการณ์มันเป็นเกมมากกว่า หลุมดำมีขนาดโตขึ้นเมื่อมันกินสิ่งสำคัญและขอบฟ้าเหตุการณ์ก็ขยายออกเช่นกัน
Sagittarius A หลุมดำขนาดใหญ่พิเศษของเรา (SMBH) มีขนาดใหญ่มาก มันมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 4 ล้านเท่า แต่ถึงกระนั้นมันก็ไม่ใหญ่มากเมื่อเทียบกับ SMBH อื่น ๆ SMBH อื่น ๆ ในโครงการ EHT นั้นใหญ่กว่าโดยมีมวล 7 พันล้านเท่าของดวงอาทิตย์
EHT จะสร้างภาพขอบฟ้าเหตุการณ์โดยศึกษาพื้นที่รอบ ๆ หลุมดำ มีบางอย่างเกิดขึ้นกับวัสดุขณะที่ตกลงไปในหลุมดำ มันก่อตัวเป็นดิสก์สะสมมวลของก๊าซและฝุ่นที่หมุนวนอยู่ในรูปแบบการถือจนกระทั่งมันถูกดูดเข้าไปในรู วัสดุนั้นเพิ่มความเร็วเป็นความเร็วสัมพันธ์ซึ่งหมายความว่าใกล้เคียงกับความเร็วแสง เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้วัสดุจะร้อนจัดและปล่อยพลังงาน
แต่หลุมดำนั้นมีความโน้มถ่วงสูงดังนั้นมันจึงโค้งงอแสงนั้นในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วง เลนส์นี้สร้างพื้นที่มืดที่เรียกว่าเงาของหลุมดำ ตามทฤษฎีแล้วขอบฟ้าเหตุการณ์ควรใหญ่กว่าเงาประมาณ 2.5 เท่า ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์มีภาพเงาพวกเขารู้ขนาดของขอบฟ้าเหตุการณ์ ขนาดของขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นสัดส่วนกับมวลของหลุมดำ ดังนั้นในกรณีของราศีธนู A ควรมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 24 ล้านกม. (15 ล้านไมล์)
ดังนั้นจะไม่มีภาพใด ๆ ของหลุมดำ แต่จะมีภาพเงาที่หลุมดำปลดเปลื้อง ในทางวิทยาศาสตร์นั่นเป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับหลุมดำ และในกรณีที่มีข้อสงสัยเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำภาพของเงาจะให้หลักฐานที่ชัดเจนว่ามีหลุมดำอยู่ข้างนอกแน่นอน
EHT และเจ็ตส์
แม้ว่า Sagittarius A จะมีขนาดใหญ่ แต่ก็มีขนาดเล็กบนท้องฟ้า มันเล็กเกินไปที่จะดูกล้องเดียว นั่นเป็นสาเหตุที่ EHT ถูกนำไปใช้ มันรวมกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 7 ตัวจากทั่วโลกเข้าด้วยกันเป็นกล้องโทรทรรศน์เสมือนจริงขนาดใหญ่ตัวหนึ่งโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า Very Long Baseline Interferometry (VLBI) ซึ่งเป็นสิ่งที่คุ้นเคยกับดาราศาสตร์ กล้องโทรทรรศน์เสมือนจริงนั้นมีพลังในการแก้ไขที่มากกว่าขอบเขตเดียวและอนุญาตให้นักดาราศาสตร์ศึกษาพื้นที่ใกล้กับ Sgr A.
ในช่วงระยะเวลาหนึ่งสัปดาห์ในเดือนเมษายนของปี 2017 ทีม EHT ชี้ขอบเขตทั้งเจ็ดของมันที่ Sgr A และนาฬิกาอะตอมเจ็ดนาฬิกาบันทึกเวลาของการมาถึงของสัญญาณที่กล้องโทรทรรศน์แต่ละดวง โดยการศึกษาและรวมสัญญาณนักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างภาพของ Sgr A ได้ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้เวลานานซึ่งกำลังดำเนินอยู่
เจ็ตพลังที่พุ่งออกมาจากบริเวณใกล้เคียงของหลุมดำเป็นที่สนใจของนักวิจัยเป็นพิเศษ เรื่องหมุนวนไปรอบ ๆ ในดิสก์สะสมมวลของหลุมดำจะร้อนมากถึงหลายพันล้านองศา บางส่วนเข้าสู่หลุมดำ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด
เครื่องบินพลังเป็นส่วนหนึ่งที่หนีออกมาจากดิสก์สะสมมวลสาร พวกมันเดินทางใกล้กับความเร็วแสงเป็นหมื่นปีแสง นักวิทยาศาสตร์ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับพวกเขา
เมื่อพูดถึง Sgr ตอบเราไม่รู้ว่ามีเครื่องบินไอพ่นหรือไม่ มันไม่ได้ทำงานมากในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาดังนั้นอาจไม่มีไอพ่น แต่ถ้าพวกเขาอยู่ที่นั่น EHT จะรับสัญญาณวิทยุที่นั่น จากนั้นเราอาจได้รับคำตอบสำหรับคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับเจ็ตส์:
- พวกเขาจะเริ่มอย่างไร
- พวกเขาเร่งความเร็วให้สัมพันธ์กันอย่างไร
- พวกเขายังคงเน้นอย่างแน่นหนาได้อย่างไร
- พวกเขาทำอะไรกันแน่
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein เป็นปัญหาหรือไม่
อาจจะไม่. แต่มีโอกาส
ระบบสุริยะส่วนใหญ่ของเราเป็นสถานที่ทำงานที่ธรรมดาและน่าทำงาน และนั่นคือสิ่งที่หลักฐานเชิงสังเกตการณ์ของเราส่วนใหญ่สนับสนุนสัมพัทธภาพทั่วไปมาจาก แต่บริเวณโดยรอบหลุมดำนั้นไม่ใช่ย่านปกติ
เงื่อนไขมีมาก แรงโน้มถ่วงที่รุนแรงไอพ่นร้อนยวดยิ่งของวัตถุเคลื่อนที่เข้ามาใกล้ความเร็วแสงและขอบฟ้าเหตุการณ์ แต่ในส่วนที่เกี่ยวกับสัมพัทธภาพทั่วไปส่วนใหญ่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงและแสง
สัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าแรงโน้มถ่วงของหลุมดำจะทำให้โค้งเวลาว่างและดึงทุกอย่างเข้าหารวมถึงแสง ข้อมูลที่รวบรวมโดย EHT จะให้การวัดของปรากฏการณ์นี้ซึ่งสามารถเปรียบเทียบกับการคาดการณ์ของ Einstein หากข้อมูลตรงกับการคาดการณ์ Einstein จะชนะอีกครั้ง
สัมพัทธภาพทั่วไปทำให้การคาดการณ์อื่น: เงาที่นำเสนอโดยดิสก์สะสมมวลควรเป็นวงกลม หากไม่ใช่แบบวงกลมและเป็นรูปวงรีมากกว่าสูตรในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นไม่แม่นยำอย่างสมบูรณ์
John Wardle เป็นนักดาราศาสตร์ที่ศึกษาหลุมดำมานานหลายสิบปีแล้วเมื่อพวกเขายังคงเป็นเพียงโครงสร้างทางทฤษฎี เขามีส่วนร่วมอย่างมากในโครงการ EHT Wardle คิดว่าสัมพัทธภาพทั่วไปจะทนต่อการทดสอบนี้และ Einstein จะชนะอีกครั้ง แต่ถ้าสัมพัทธภาพทั่วไปล้มเหลวการทดสอบนี้เราจะพบว่าตัวเองอยู่ในสถานการณ์ที่ยากและแปลก
“ จากนั้นเราจะอยู่ในแจ็คเก็ตแบบตรงที่รุนแรงเพราะคุณไม่สามารถเปลี่ยนแปลงสิ่งที่ยุ่งเหยิงบิตอื่น ๆ ทั้งหมดที่ทำงานได้” Wardle กล่าว “ นั่นน่าตื่นเต้นมาก”
- ข่าวมหาวิทยาลัยแบรน:“ หลุมดำมีลักษณะอย่างไร”
- กล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์
- รายการ Wikipedia: Interferometry
- รายการ Wikipedia: ขอบฟ้าเหตุการณ์
