Black hole ความหมายในทางตรงว่า ประเภทหลุมลึกลับที่ไม่มีก้นหลุม กำหนด โดย John Archibald Wheeler ค.ศ.1967 เมื่อพิสูจน์ในทางฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ แล้ว Black hole มีจริงไม่ใช่เรื่องเท็จ สามารถสำรวจพบบริเวณใด ก็ตามที่เกิดขึ้น ในกรณีแหล่งจบสิ้นอายุขัยของดาว
แต่เรามองไม่เห็น เชื่อว่ามีเป็นจำนวนพันล้านแห่งในจักรวาล เป็นกฎเกณฑ์ของ ฟิสิกส์ และกฎเกณฑ์ความแปลกประหลาด ของแรงดึงดูด ด้วยทุกวัตถุที่อยู่ใน จักรวาลจะผูกมัดกัน ด้วยแรงดึงดูด ไม่ว่าจะเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานแม่เหล็ก พลังงานความกดดันแข็งแกร่ง ครอบคลุมกว้างไกลทั่วไป สุดขอบจักรวาล
รูปทรงสัณฐานของหลุมดำ
มวลวัตถุขนาดใหญ่เท่าใดก็ตาม เมื่อโคจรเข้าสู่ใกล้สภาวะเขตหลุมดำ ถูกบีบอัด บีบคั้นให้เล็กลงๆ เล็กลงๆอย่างไม่จุดสิ้นสุด สู่ใจกลางบริเวณ Central singularity (จุดพิศวง) เป็นเรื่องไม่น่าเชื่อแม้กระทั่งแสง ก็ถูกอัดแน่นรวมเข้า ไปด้วยอย่าง ไม่มีข้อยกเว้นใดๆ
พบครั้งแรกสรุปผลโดย Karl Schwarzschild นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน จึงเรียกว่า Schwarzschild radius คือ ขอบวงรัศมีของหลุมดำ ชนิดที่ไม่มีการหมุนปั่นเป็น *Censer*ส่วนพื้นที่ของหลุมดำ ขนาดสำรวจพบรัศมีราว 6 ไมล์
โดยเนื้อแท้หลุมดำ อาจแสดงตัวขอบวงรัศมีใหญ่หรือเล็กก็ได้ แต่จะไม่ใหญ่โต มาก เพราะไม่จำเป็นต้องมีความเป็นปึกแผ่นของพื้นผิววัตถุซึ่งต่างจากวัตถุอื่นๆ ในจักรวาลเท่าที่เคยพบ
Schwarzschild radius รูปแบบหลุมดำที่ไม่มีการหมุน
มีจุดศูนย์กลาง Central singularity (จุดพิศวง)
สำรวจพบครั้งแรกโดย Karl Schwarzschild นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน
Non-spinning Black hole คือ หลุมดำที่มีรูปแบบสัณฐานไม่มีการหมุนปั่น
Spinning Black hole คือ หลุมดำที่มีรูปแบบสัณฐานมีการหมุนปั่น
เบื้องต้นข้อสรุปสัณฐานหลุมดำแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะดังนี้
Non-spinning Black holes คือ หลุมดำที่มีรูปทรงสัณฐานไม่มีการหมุนปั่น พบว่ามีการเปล่งแสงจากธาตุเหล็ก (Iron emission) จากก๊าซร้อนที่เกาะพอก รอบ ๆแผ่นจาน (Accretion disk) เป็นอะตอมใกล้กับบริเวณหลุมดำ เปล่งแสง รังสีออกมา ด้วยค่าพลังงานต่ำ
Spinning Black holes คือ หลุมดำที่มีรูปทรงสัณฐานมีการหมุนปั่นพบอนุภาค ที่ใกล้หลุมดำ เป็นสิ่งที่ทำให้มีโอกาสเกิดริ้วคลื่นของ Space-time จะหมุนปั่นช้า หรือเร็วได้
การหมุนปั่นดังกล่าวจะกวาด ลากดึงไปโดยรอบอวกาศ ยิ่งเป็นการดึงอะตอมเข้า ใกล้มากยิ่งขึ้น ทำให้เกิดความแข็งแกร่งของแรงโน้มถ่วง จนชะงัก กระทบให้หยุด หมุนปั่น เกิดรังสี X-ray จาก Iron อะตอมที่แกว่งไปมา ด้วยค่าพลังงานต่ำ
ระบบการหมุนตัวของ Black hole มีขอบเขตวง 2 ชั้น
Outer event horizon (วงชั้นนอก) และ Inner event horizon (วงชั้นใน) โดยเขตจำกัด Static limit (ขอบวัตถุและกำลังที่อยู่คงที่)
จุดศูนย์กลางคือ Ring singularity (วงแหวนพิศวง)
การหมุนรอบแกนหลุมดำ ขึ้นอยู่กับรายละเอียดปลีกย่อยและยุ่งยากของตำแหน่ง ที่ตั้ง ล้อมรอบด้วยแรงฉุดดึงมากมายในอวกาศ ระบบการหมุนปั่นของหลุมดำมี ขอบเขตวงเหตุการณืที่เกิด 2 ชั้นและโครงสร้างดังนี้
Outer event horizon คือ ขอบเขตเหตุการณ์ชั้นนอก และ Inner event horizon คือ ขอบเขตเหตุการณ์ชั้นใน ส่วน Ergosphere คือ บริเวณที่ผูกมัดระหว่าง วงขอบเขตเหตุการณ์ด้านนอก กับแนวขอบเขตจำกัด Static limit (ขอบวัตถุและ กำลังที่อยู่คงที่) ตรงจุดศูนย์กลางคือ Ring singularity คือ วงแหวนพิศวง (หรือจุดศูนย์กลางพิศวง)
การศึกษาเพิ่มเติมใหม่ได้เปิดเผยโครงสร้างหลุมดำ ที่เรียกว่า Black holes X-ray nova แสดงโครงสร้างก๊าซ ดูดออกมาจาก ดวงดาว ด้วยแรงโน้มถ่วงจากหลุมดำ หมุนปั่นอย่างเป็นรูปแบบ ทำให้ก๊าซมารวมตัวกันเป็นวงรอบๆ เห็นแบบสลัวๆ เมื่อระบบมีความสมบูรณ์ จะมองไม่เห็น เพราะไม่มีพื้นผิว จุดศูนย์กลางมืดสนิท
และ Neutron star X-ray nova แสดงโครงสร้างก๊าซท่วมล้นทับถม ลงสู่ด้านใน ของ ดาวนิวตรอน โดยก๊าซเริ่มรวมตัวกับดาว หลังจากนั้นเกิดหลุมดำเข้าแทนที่ แรงโน้มถ่วง กระทำให้ก๊าซนั้นสลัวลง ขณะเดียวกันก๊าซจู่โจมพื้นผิวดาวนิวตรอน เกิดแสงสว่างขึ้น
แบบแผนระบบไฟฟ้าของหลุมดำ
ระบบของหลุมดำที่น่ากังขา
บริเวณด้านนอกใกล้หลุมดำ มีปรากฎการณ์ Magnetic field lines (เส้นสนามแม่ เหล็ก) สร้้างรัศมีของแสงรอบขอบหลุมดำ เส้นสนามแม่เหล็กเหล่านี้มีพลังงาน สูงเป็นพิเศษ พุ่งเป็นลำไฟฟ้าออกมาจากหลุมดำ ยิ่งเพิ่มค่ารังสี X-ray
ภายในหลุมดำ ยังทราบไม่ชัดเจนนัก เนื่องจากภายในมืดปราศจากแสงและยัง ไม่มีเครื่องมือใดๆ จะเข้าไปสำรวจภายในหลุมดำได้ ทางทฤษฎีเชื่อว่ามวลภายใน ทั้งหมดซ้อนเป็นชั้นๆเหมือนเยื่อหุ้ม เป็นจุดๆเดียวอยู่ตรงกลาง เรียกว่า จุดพิศวง
เข้าใจว่า แบบแผนใจกลางหลุมดำ มีความต้องการหลอมละลายตามกฎเกณฑ์ แรงโน้มถ่วง ในคุณสมบัติแบบ Smallest scales (ขนาดเล็กย่อย) หรือเรียกว่า Quantum mechanics (เป็นการรวมกันระหว่าง กลศาสตร์ควอนตัม และทฤษฎี สัมพัทธ์ภาพพิเศษ) แต่ยังเป็นปัญหาลึกลับ ด้วยปัญหาการอธิบายในด้านฟิสิกส์
เชื่อว่าภายในหลุมดำมีลักษณะซ้อนเป็นชั้นคล้ายเยื่อหุ้ม
ประเภทของหลุมดำที่สำรวจพบ
ประการสำคัญ หลุมดำ มีความแตกต่าง จากสิ่งต่างๆในจักรวาลโดยสิ้นเชิง เพราะ ความผันผวนเกิดขึ้นโดยรอบ ด้วยลักษณะหลักพิเศษ 3 ประการ ประกอบกัน คือ
ด้วยจำนวนมวลสสาร ว่ามีจำนวนเท่าใด ด้วยการหมุนปั่นรอบแกน ด้วยความเร็วเท่าใด และด้วยเรื่องแบบแผนประจุไฟฟ้าของหลุมดำ
หากองค์ประกอบทั้งหมด มีความสมบูรณ์ หลุมดำจะเริ่มดูดกลืนวัตถุต่างๆทันที การสำรวจตรวจวัดจำนวนมวล สามารถศึกษาวัตถุดิบ รอบๆหลุมดำได้ แต่ก็นับว่า เป็นเรื่องยาก เดิมสำรวจตรวจพบเพียง 2 ประเภท คือ Stellar-mass และ Super massive (บางสถาบันกำหนดเพิ่มเติมประเภท Mid-mass จึงรวมเป็น 3 ประเภท) ในอนาคตอาจมีประเภทมากขึ้นอีกได้
การดูดกลืน Yellow star ของหลุมดำใจกลาง Galaxy RX J1242-11
Stellar-mass black holes
ประกอบด้วยความหนาแน่นของมวล 5 - 100 เท่าของดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นด้วย พัฒนาการวงจรดาวขั้นสุดท้าย ขนาดมวลมีความหนาแน่น ของธาตุหนักมากกว่า ดวงอาทิตย์ หรือ ระดับดาวทั่วไป โดยดาวได้พลังงานจาก หลอมละลายเผาไหม้ ภายในแกนถึงระยะเวลาหนึ่ง (นับหลาย พันล้านปีหรือมากกว่า) เชื้อเพลิงหมดสิ้น ทุกอย่างยุบตัวลง สู่จุดศูนย์กลางด้วยความหนาแน่นสูง เกิด Deep gravitational warp (แนวโค้งงอด้านลึกของแรงโน้มถ่วง) ในอวกาศ เรียกว่า หลุมดำประเภท Stellar-mass (มวลจากดาว)
หลุมดำประเภทนี้ ไม่มีพื้นผิวเช่นดาว เกิดขึ้นที่ใดก็ได้ มีขอบเขตเท่าใดก็ได้โดย มองไม่เห็นในอวกาศเรียกว่า Event horizon (ขอบเขตเหตุการณ์) หากมีวัตถุใด ก็ตาม ผ่านเข้าสู่ Event horizon ก็จะถึงวาระถูกกำจัด ด้วยแรงโน้มถ่วงบีบอัด ไม่เห็นแสง ไม่สามารถ X-rays ได้ในขณะเกิด ไม่มีรูปแบบ Electromagnetic radiation(รังสีสนามแม่เหล็ก) ไม่แสดงอนุภาคใดๆ ไม่แสดงค่าพลังว่ามีเท่าใด จากมวล แต่ความสามารถดูดกลืนบีบอัด
Mid-mass black holes
เป็นประเภทใหม่ที่สำรวจพบ ประกอบด้วยความหนาแน่นมวล 500 – 1,000 เท่า ของดวงอาทิตย์ เกิดขึ้นด้วยการพัฒนาการวงจรดาว ขั้นสุดท้ายเป็นการเกิดสืบ เนื่องด้วยธรรมชาติ พัฒนาการวงจรดาวแบบมวลแน่นหนา สามารถค้นหาสังเกต จากดาวที่มีการเร่งความเร็วของวงโคจรอย่างไม่เคยพบ มาก่อนหน้านี้
Supermassive black holes
ประกอบด้วยความหนาแน่นของมวล นับล้านเท่าของดวงอาทิตย์ หรือเทียบระดับ กาแล็คซี่ขนาดเล็ก เป็นแบบฉบับความพิศวงของจักรวาล สำรวจพบในบริเวณจุด ศูนย์กลางกาแล็คซี่ ยังไม่ทราบถึงสภาพรูปแบบตั้งต้นว่า เป็นการยุบตัวของ กลุ่มหมอกก๊าซในกาแล็คซี่ หรือจากสะสมทีละน้อยจากหลุมดำ ในกลุ่ม Stellar black holes ที่ท่วมล้นทับถมกัน หรือผสมรวมกันของหลุมดำจาก กลุ่มกระจุกดาว หรืออาจจากกลไกอื่นๆในจักรวาล
สามารถค้นหาสังเกตจากกลุ่มหมอกก๊าซ หมุนวนแบบ Swirling (คล้ายวังวนน้ำ) รอบๆ หลุมดำ (โดยมองไม่เห็นตำแหน่งหลุมดำ) ด้านเทคนิค ใช้วิธีตรวจสอบ X-ray ค่าสะท้อนของแสง เพื่อหาค่าจากมวลรอบๆหลุมดำ ที่ท่วมล้นออกมาด้วย ความกดดัน
การหมุนปั่นตัวเองด้วยความเร็วสูง สร้างพลังความแข็งแกร่งสนามของแรงโน้มถ่วง (Powerful gravitational field) ความสามารถหมุนปั่นรอบแกน ด้วยความเร็วโดย ไม่มีขีดจำกัด ปราศจากแสงที่โผล่ออกมา แม้มีประจุไฟฟ้าเพราะจะหักล้างประจุ อย่างรวดเร็วจากการดูดกลืนวัตถุ สวนทิศทางสนามแม่เหล็กในทันที
ไม่เคยพบมาก่อน "หลุมดำคู่" โคจรรอบกันราวกับกำลังเต้นรำ
หลุมดำ" ที่น่าสะพึงกลัว มีอยู่ทั่วเอกภพ แม้แต่ในทางช้างเผือกของเรา ก็มีหลุมดำยักษ์ที่มวลมากกว่าดวงอาทิตย์ราวสี่ล้านเท่า หลบซ่อนอยู่ใจกลาง แต่ล่าสุดนักดาราศาสตร์เพิ่งพบ "หลุมดำคู่" ที่โคจรรอบกันและกันอยู่ภายในกาแลกซีเดียวกัน มีขนาดใหญ่กว่าในกาแลกซีของเรามากนัก อีกทั้งยังอยู่ใกล้กันชนิดที่ไม่เคยพบมาก่อน ตามรายงานของไซแอนทิฟิกอเมริกันและบีบีซีนิวส์ ที่อ้างถึงทอดด์ บอรอสัน (Todd Boroson) และท็อด ลัวเออร์ (Tod Lauer) จากหอดูดาวดาราศาสตร์ทางแสงแห่งสหรัฐอเมริกา (National Optical Astronomy Observatory: NOAO) ในทูซอน รัฐแอริโซนา สหรัฐฯ พบว่า "ควอซาร์” (quasar) หรือวัตถุคล้ายดาว ที่ส่งคลื่นวิทยุหรือพลังงานรูปอื่นออกมา SDSS J153636.22+044127.0 ซึ่งเป็นควอซาร์บ้านใกล้เรือนเคียงกับเรานั้น มีคู่หลุมดำที่โคจรรอบกันและกัน และมีคาบสั้นกว่าระบบคู่อื่นๆ โดยมีคาบโคจรรอบกันราว 100 ปี เมื่อ เทียบกับหลุมดำทั้งสองนี้แล้ว หลุมดำในทางช้างเผือกของเราเรียกได้ว่าเป็นหลุมดำแคระเลยทีเดียว โดยหลุมดำที่เล็กกว่ามีมวลประมาณ 20 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ขณะที่หลุมดำขนาดใหญ่ประมาณว่ามีมวลเกือบๆ 800 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์เลยทีเดียว อีกทั้ง ตามข้อมูลการวิเคราะห์ของทีมวิจัยซึ่งตีพิมพ์ผลงานลงวารสารเนเจอร์ (Nature) ประมาณว่าหลุมดำทั้งคู่อยู่ห่างกัน 1 ใน 3 ปีแสง ขณะที่ดาวข้างเคียง ซึ่งใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดนั้น ยังมีระยะทางมากว่าระยะดังกล่าวประมาณ 13 เท่า ตามทฤษฎีการก่อตัวของกาแลกซีซึ่งมีหลุมดำอยู่ใจกลางนั้น ทฤษฎีชี้ว่า ตราบเท่าที่กาแลกซีอยู่ใกล้อีกกาแลกซีนั้น หลุมดำของกาแลกซีทั้งสองจะโคจรรอบกันจนกว่าจะรวมกันในที่สุด แต่ทฤษฎีเกี่ยวกับหลุมดำที่อยู่ใกล้กันมากและโคจรรอบกันนั้นไม่มีค่อยมีให้ เห็น ทางด้านจอน มิลเลอร์ (Jon Miller) จากมหาวิทยาลัยมิชิแกนในแอนน์อาร์บอร์ (University of Michigan at Ann Arbor) เรียกการศึกษานี้ว่า "ตัวอย่างแรกที่ไม่อาจปฏิเสธได้ ของระบบหลุมดำคู่ที่มีพันธะเหนี่ยวแน่น" โดยก่อนหน้านี้มีระบบคล้ายๆ กัน แต่หลุมดำอยู่แยกกันไกลกว่านี้มาก หรือในกรณีของควอซาร์ที่ชื่อ OJ 287 ก็ยังไม่มีหลักฐานสรุปว่ามีหลุมดำคู่
ณสมบัติทั่วไปของหลุมดำ หลุมดำ (Black Hole) เป็นอาณาบริเวณในอวกาศที่มีความโน้มถ่วงสูงมาก จนกระทั่งสสารใด ๆ ก็ตามรวมทั้งแสงและสัญญาณต่าง ๆ ที่ตกลงไปในหลุมดำแล้วจะไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้อีก แนวคิดเกี่ยวกับการมีอยู่ของหลุมดำในอวกาศ เริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 1783 โดยจอห์น มิชเชล (John Michell) และต่อมาในปี ค.ศ. 1798 โดยปิแอร์ ลาปลาส (Pierre Laplace) ที่เสนอว่าอาจจะมีวัตถุมวลสูงในเอกภพที่ไม่อาจมองเห็นได้เนื่องจากแรงโน้ม ถ่วงที่ผิวสูงเกินไป จนแม้กระทั่งแสงก็มิอาจหลุดลอดไปได้ ณ บริเวณผิวของวัตถุในลักษณะเช่นนี้ ค่าความเร็วหลุดพ้น (Escape Velocity) จะสูงกว่าค่าอัตราเร็วแสงแบบจำลองปัจจุบันของหลุมดำ
ซึ่งอธิบายได้โดยอาศัยพื้นทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ถ้าสสารที่มีมวลเหมาะสมปริมาณหนึ่ง ถูกบีบอัดจนกระทั่งมีขนาดรัศมีวิกฤต (Critical Radius ) ที่เรียกว่า “รัศมีชวาซชิลต์ (Schwarzschild Radius)” แล้ว จะไม่มีสสาร แสง หรือสัญญาณใด ๆ หลุดรอดออกจากวัตถุดังกล่าวนี้ได้
ดังนั้นหลุมดำจะเกิดขึ้นได้ เมื่อสสารถูกบีบอัดให้มีขนาดเล็กกว่ารัศมีชวาซชิลต์ และขอบเขตโดยรอบหลุมดำที่มีรัศมีชวาซชิลต์ มีชื่อเรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์ ( Event Harizon )” ความจริงแล้วหลุมดำจะมีลักษณะเป็นวัตถุที่ไม่ได้เป็นของแข็ง แต่เป็นบริเวณในอวกาศที่มีขนาดขึ้นอยู่กับปริมาณของสสารที่ตกสู่ภายใน โดยทั่วไปแล้วรัศมีชวาซชิลต์ มีขนาดเล็กมาก อาธิวัตถุขนาดดวงอาทิตย์ ถ้ายุบตัวเป็นหลุมดำได้จะมีรัศมีชวาสชิลด์เพียง 3 กิโลเมตรเท่านั้นและวัตถุขนาดโลกหากสามารถยุบตัวเป็นหลุมดำได้จะมีขนาดเพียง ลูกหินเท่านั้น
ตามทฤษฏีการวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ หลุมดำเกิดจากการยุบตัวของดาวที่มีมวลมาก เนื่องจากผลของแรงโน้มถ่วง เมื่อการเผาไหม้เชื้อเพลิงบริเวณใจกลางของดาวฤกษ์ ยุติลงในขั้นตอนสุดท้ายของการวิวัฒนาการ ที่จริงแล้วดาวฤกษ์ทุกดวงสามารถยุบตัวเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงมาก (Dense Compact Objects) แต่ดาวที่มีมวลมากที่สุดจะยุบตัวได้อย่างต่อเนื่องจนสสารถูกอัดแน่นกลายเป็น จุดที่มีค่าความหนาแน่นเป็น “อนันต์” เรียกว่า “จุดชิงกูลาริตี (Singularity)” ซึ่งก่อนที่จะยุบตัวจนกลายเป็นจุด การยุบตัวของดาวจะผ่าน “ขอบฟ้าเหตุการณ์”ซึ่งเมื่อผ่านขอบเขตดังกล่าวนี้แสงจะไม่สามารถหลุดลอดออก มาได้อีกต่อไป วัตถุดังกล่าวจึงกลายเป็นหลุมดำ
หลุมดำเป็นแหล่งพลังงานมหาศาล ขณะที่สสารตกลงสู่หลุมดำผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ สสารจะปล่อยพลังงานศักย์เนื่องจากความโน้มถ่วงจำนวนมากออกมาโดยเฉพาะอย่าง ยิ่งถ้าหลุมดำมีการหมุน จะปล่อยพลังงานมากกว่ากรณีหลุมดำที่หยุดนิ่ง ดังนั้นการสังเกตหลุมดำทำได้โดยการสังเกตพลังงานที่แผ่ออกมาจากสสารในขณะที่ ตกลงสู่หลุมดำนั่นเอง ตัวอย่างเช่นในระบบดาวคู่ ที่มีสมาชิกดวงหนึ่งเป็นหลุมดำ ดาวสมาชิกอีกดวงหนึ่งที่มองเห็นจะโคจรรอบหลุมดำที่ไม่อาจสังเกตเห็นได้
อย่างไรก็ตามถ้าสสารจากสมาชิกดวงที่มองเห็นถูกดูดให้ตกลงไปในหลุมดำ จะปล่อยพลังจำนวนมหาศาลออกมา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โฟตอนพลังงานสูง เช่นรังสีเอกซ์ เป็นต้นนักดาราศาสตร์สามารถระบุหลายบริเวณบนท้องฟ้าที่น่าจะมีหลุมดำอยู่ บริเวณที่ระบุได้ว่ามีหลุมดำ บริเวณแรกได้แก่ “ซิกนัส เอกซ์-1 (Cygnus X-1)” ในกลุ่มดาวหงส์ และอีกบริเวณหนึ่งในกลุ่มดาวหงส์ ได้แก่ “ วี 404 ซิกนี ( V404 Cygni ) ” เป็นบริเวณที่แผ่รังสีเอกซ์เข้มข้นมาก และนักดาราศาสตร์ค่อนข้างแน่ใจว่ามีหลุมดำอยู่บริเวณดังกล่าวนี้ นอกจากนี้ยังมีระบบดาวคู่รังสีเอกซ์ (X Binary System) ที่สำคัญ ๆ อีกเช่น LMC X-3 และ A0620-00 เป็นต้น
หลุมดำบางชนิดไม่ได้เกิดจากซากของดาวฤกษ์ในขั้นตอนสุดท้ายของการวิวัฒนาการ แต่เป็นวัตถุที่มีมวลมากบริเวณใจกลางของควาซาร์ และกาแล็กซีที่มีชื่อเรียกว่า“หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive Black Holes)” ที่สามารถดึงดูดสารระหว่างดาวจำนวนมหาศาล หรือดาวเป็นจำนวนมากให้ตกลงสู่วัตถุดังกล่าวนี้ได้ และปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา
ปี ค.ศ. 1994 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล พบหลักฐานว่ามีหลุมดำมวลยิ่งยวด อยู่บริเวณใจกลางของกาแล็กซี M87 และคำนวณมวลของหลุมดำได้ประมาณ 2-3 หมื่นล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์และมีขนาดเพียงไม่เกินขนาดของระบบสุริยะเท่า นั้น ปี ค.ศ. 1999 ดาวเทียมรังสีเอกซ์ของญี่ปุ่น ชื่อ อาสกา ( Asca ) พบผลเชิงสัมพัทธภาพบริเวณหลุมดำ MCG-6-30-15 กล่าวคือ พบมวลสารกำลังถูกดูดเข้าสู่หลุมดำด้วยความเร็วสูงถึง 1 ใน 3 ของความเร็วแสง ณ ระยะประมาณ 6 เท่าของรัศมีชวาซชิลต์ จากใจกลางของหลุมดำ
สตีเฟน ฮอร์คิง (Stephen Hawking) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอังกฤษยังเสนอหลุมดำที่ไม่ใช่ซากของดาวฤกษ์อีกชนิด หนึ่งคือ “หลุมดำแรกเริ่ม (Primordial Black Holes)” หลุมดำดังกล่าวนี้อาจมีมวลน้อยกว่าดาวเคราะห์น้อย ซึ่งเกิดขึ้นมาในช่วงเวลาเริ่มเกิดการระเบิดใหญ่ (Big Bang) ของเอกภพและมีขนาดเล็กมาก
ยานอวกาศ Pioneer Venus พบลมหมุนที่ขั้วเหนือของดาวศุกร์เมื่อ 25 ปีก่อน ครั้งนั้นพายุลูกนี้จัดเป็นปริศนาอย่างหนึ่งในระบบสุริยะ เนื่องจากมันมี “ตาพายุ” สองจุด แต่เมื่อ Venus Express เดินทางถึงดาวศุกร์เมื่อเดือนเมษายนที่ผ่านมา และพบว่าที่ขั้วใต้ของดาวศุกร์ก็มีพายุหมุนที่มี “ตาพายุ” สองจุดเช่นกัน
พายุหมุนที่ขั้วดาวถือเป็นกุญแจสำคัญในการศึกษาพลศาสตร์ของชั้นบรรยากาศดาว เคราะห์แต่พวกมันไม่ใช่พายุเฮอริเคนเพราะพายุเฮอริเคนเกิดจากอากาศชื้นลอย ตัวสูงขึ้นไปบนชั้นบรรยากาศ แต่ดาวศุกร์ไม่มีความชื้น นอกจากนี้พายุเฮอริเคนจำเป็นต้องใช้แรงโคริโอริส(Coriolis) อันเป็นแรงที่เกิดจากการหมุนของอากาศและการหมุนของดาวเคราะห์เพื่อเพิ่มความ เร็ว แต่ทว่าแรงโคริโอริสกลับมีผลน้อยมากบริเวณขั้วดาวนอกจากนี้กว่าดาวศุกร์จะ หมุนรอบตัวเองครบรอบยังต้องใช้เวลาถึง 243 วันของโลก นั่นหมายความว่าแรงโคริโอริสบนดาวศุกร์ยิ่งน้อยมากๆ
ในที่นี้ลมหมุนบริเวณขั้วดาวเกิดจาก อาณาเขตที่มีความกดอากาศต่ำซึ่งอยู่ที่ขั้วของดาวเคราะห์ทำให้ก๊าซใน บรรยากาศชั้นสูงหมุนควงลงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า ซึ่งปรากฎการณ์นี้เกิดได้บนดาวเคราะห์ทุกดวงแม้กระทั่งโลก
แต่ปัญหาก็คือดาวศุกร์มี “ตาพายุ” สองจุด เพื่อทำความเข้าใจลมหมุนประหลาดดังกล่าว ทุกครั้งที่ยาน Venus Express เข้าใกล้ขั้วดาว อุปกรณ์บนยานจะต้องเก็บเกี่ยวข้อมูลให้มากเท่าที่เป็นไปได้ เพื่อติดตามการแปรเปลี่ยนอย่างรวดเร็วของพายุให้ได้ละเอียดที่สุด เพื่อที่นักวิทยาศาสตร์จะสามารถศึกษาพฤติกรรมและค้นหาปัจจัยเบื้องหลังปราก ฎการณ์นี้
เดือนนี้ยานอวกาศ Cassini พบพายุหมุนบนขั้วดาวเสาร์ แต่เมื่อราว 25 ปีก่อนนักดาราศาสตร์พบพายุหมุนบนขั้วดาวศุกร์เช่นกัน แต่ครั้งนี้นักดาราศาสตร์เชื่อว่านี่จะช่วยถมช่องว่างแห่งความไม่เข้าใจ เกี่ยวกับชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้
ในเวลาเดียวกันยาน Cassini กำลังเก็บเกี่ยวข้อมูลพายุหมุนที่ขั้วดาวเสาร์ต่อไป โดยใช้อุปกรณ์ Visual Infrared Mapping Spectrometer เพื่อศึกษาใจกลางของพายุลูกดังกล่าว
ภาพในย่านรังสีอินฟราเรดช่วยให้นักดาราศาสตร์มองทะลุชั้นเมฆที่บดบังแสงตา มนุษย์มองเห็นลงไปได้มากกว่า 100 กิโลเมตร จากเมฆชั้นสูงสุดที่ตามนุษย์ไม่อาจมองลึกลงไปได้อีก ภาพที่ได้จะถูกนำไปศึกษาโครงสร้างสามมิติของพายุหมุนที่ขั้ว ซึ่งจะช่วยเปรียบเทียบโครงสร้างพายุหมุนระหว่างพายุบนดาวศุกร์กับดาวเสาร์ หรือแม้แต่บนดาวเคราะห์อื่นๆ ความคล้ายและความต่างของพายุชนิดนี้ บนดาวเคราะห์แต่ละดวงจะช่วยให้นักดาวเคราะห์วิทยาทำความเข้าใจความแตกต่าง ของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ เหนือสิ่งอื่นใดคือการ “เข้าใจ” โลกได้ดียิ่งขึ้นนั่นเอง
สงสัยเรื่องขนาดของหลุมดำในบทความเรื่อง “วันของหลุมดำบนโลก” ที่ระบุว่า หลุมดำจากเครื่อง LHC ถ้าเกิดขึ้นจริง จะมีขนาดเล็กจิ๋วเพียงระดับเป็น 10 เมตร มีอายุสั้นมากเพียงระดับ 10 วินาทีเท่านั้น แล้วหลุมดำจิ๋วก็จะสลายตัวไป คุณคณินสงสัยว่า ขนาดของหลุมดำจิ๋วดังกล่าวนั้น ไม่ใหญ่เกินไปหรือ เพราะขนาดระดับ 10 เมตร ก็น่าจะดูดเครื่องมือหรืออุปกรณ์เข้าไปได้ คุณคณินคิดว่า หลุมดำจิ๋วจากเครื่อง LHC น่าจะเล็กกว่าระดับเป็นเมตรเสียอีก
ผมได้รับอีเมลจากคุณคณินมาหลายวันแล้ว และก็ตั้งใจจะตอบให้เป็นเรื่องเป็นราวไปเลย เพราะมีคำถามถึงผมมากทีเดียวเกี่ยวกับขนาดของหลุมดำ แต่พอดีมีเรื่องอื่นๆ ที่เร่งด่วนให้ผมต้องเขียน ลงให้อ่านกันในคอลัมน์ “มิติคู่ขนาน” จนกระทั่งถึงวันนี้ ก็ขออภัยคุณคณินในความล่าช้าด้วย ส่วนข้อสังเกตของคุณคณิน คำตอบจะอยู่ในเรื่อง “ขนาดของหลุมดำ” ครับ
หลุมดำมีขนาดเท่าไร?
หลุมดำ หรือ Black Hole สิ่งมหัศจรรย์ชวนพิศวงแห่งจักรวาล ซึ่งนักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่ามีอยู่จริง แต่ไม่สามารถจะมองเห็นได้ เพราะแสงเมื่อเข้าใกล้หลุมดำถึงระดับหนึ่ง ก็จะไม่สามารถออกมาจากหลุมดำได้เลย และจึงทำให้หลุมดำมีสภาพเป็น “ดาวล่องหน”
