“หลุมดำ” คือสิ่งลี้ลับในอวกาศมาอย่างยาวนาน แม้นักวิทยาศาสตร์ชื่อก้องโลกอย่าง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ นักฟิสิกส์ทฤษฎีผู้ยิ่งใหญ่ได้เคยทำนายการมีอยู่ของหลุมดำไว้แล้ว แต่มันก็ยังดูเป็นสิ่งที่น่างุนงงสำหรับนักดาราศาสตร์อยู่ไม่น้อย ยังไงก็ตามแต่ ความพยายามในการศึกษาเรื่องราวเกี่ยวกับหลุมดำยังคงมีอยู่อย่างต่อเนื่อง และล่าสุดเมื่อต้นปี ค.ศ. 2019 ที่ผ่านมาก็ได้มีความสำเร็จจากการถ่ายภาพหลุดดำภาพแรกของโลกออกมาให้ทุกคนได้เห็นกัน อีกทั้งภาพหลุมดำที่ได้นั้นมีความใกล้เคียงกับสิ่งที่ทฤษฎีทำนายไว้มาก นับเป็นความสำเร็จแล้วกว้างที่ยิ่งใหญ่อีกก้าวหนึ่งของมนุษยชาติเลยทีเดียวก็ว่าได้ แต่ว่าจริง ๆ แล้วหลุมดำเหล่านี้ก็อาจจะดูไม่ลึกลับมากเท่าไหร่อีกต่อไปแล้วก็ได้หากเท่าได้รับรู้ข้อมูลต่อไปนี้

ภาพของหลุมดำมวลยิ่งยวดภาพแรกที่ถูกถ่ายด้วยเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ EHT
ที่มา https://th.wikipedia.org/wiki/ไฟล์:Black_hole_-_Messier_87_crop_max_res.jpg

          ก่อนอื่นคงต้องขอทำความเข้าใจอีกครั้งหนึ่งก่อนว่าหลุมดำนั้นคืออะไร หลุมดำจริง ๆ แล้วก็คือวิวัฒนาการสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลมาก ที่ถูกเรียกว่าหลุมดำนั้นก็เป็นเพราะว่าซากดาวประเภทนี้มีแรงดึงดูดที่สูงมาก ไม่ว่าอะไรก็ตามที่ตกเข้าไปจะไม่สามารถออกมาได้ แม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหลุดออกมาได้เช่นกัน ทำให้หน้าตาของมันกลายเป็นหลุมดำอย่างที่เราได้เห็นและเข้าใจกัน ซึ่งก็คือก้อนดาวดำ ๆ ที่ดูดทุกอย่างรอบตัวมันเข้าไปนั่นเอง (ลองจินตนาการถึงลูกบอลลูกหนึ่งที่ถูกทาสีดำไว้ และสีดำที่ทาไปก็ไม่สะท้อนแสงใด ๆ เลยจนทำให้ลูกบอลนั้นถูกลบรูปทรงออกไป จาก “ทรงกลม” ก็ทำให้ไม่ว่าจะมองจากด้านไหนก็กลายเป็นเพียง “วงกลม” ดำ ๆ ไป )

          เกริ่นมาได้สักพักแล้ว เข้าเรื่องของเรากันเลยดีกว่า สำหรับปริมาณที่จะพูดถึงในครั้งนี้ ผู้เขียนจะขอยกปริมาณง่าย ๆ และอาจมีการหยิบยกมาพูดถึงกันบ่อยในกรณีของหลุมดำซึ่งนั้นก็คือ “รัศมีชวาทซ์ชิลท์” นั่นเอง

          รัศมีชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild radius) คือรัศมีที่ได้จากการคำนวณในสมการสนามของไอน์สไตน์ (Einstein's field equations) โดยนักดาราศาสตร์ชาวเยอรมัน “คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์” ในปี ค.ศ. 1916 ซึ่งอธิบายรัศมีของหลุมดำในช่วงที่จะทำให้แสงไม่สามารถหนีออกมาจากหลุมดำได้ บริเวณที่รัศมีชวาทซ์ชิลท์ครอบคลุมอยู่นั้นมีชื่อเรียกบริเวณนี้ว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (event horizon)

          โดยสมการรัศมีชวาทซ์ชิลท์มีหน้าตาดังต่อไปนี้

          เมื่อ     r_s       คือ รัศมีชวาทซ์ชิลท์

                   G         คือ ค่าคงที่ความโน้มถ่วงสากล

                   M         คือ มวลของหลุมดำ

                   c          คือ อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ

          รัศมีชวาทซ์ชิลท์ถือเป็นตัวแบ่งเขตของหลุมดำ อย่างที่ได้กล่าวไปก่อนหน้านี้ ที่รัศมีชวาทซ์ชิลท์ถือว่า เป็นขอบฟ้าเหตุการณ์ (สำหรับหลุมดำที่ไม่หมุน) ส่วนบริเวณที่เล็กกว่ารัศมีชวาทซ์ชิลท์ลงไปจะถูกนับว่าเป็นหลุมดำ อีกทั้งรัศมีชวาทซ์ชิลท์ยังใช้ในการแบ่งประเภทของหลุมดำอีกด้วย เนื่องจากรัศมีนั้นแปรผันตรงกับมวล โดยประเภทของหลุมดำที่แบ่งได้หลัก ๆ มี 2 ประเภทดังนี้

1. หลุมดำมวลยิ่งยวด (Supermassive black hole: SMBH) เป็นหลุมดำที่มีขนาดใหญ่มาก ๆ โดยทั่วไปจะมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราได้ตั้งแต่ 1 ล้าน ถึง 1 พันล้านเท่า (10⁶-10¹⁰ เท่าของมวลดวงอาทิตย์) หลุมดำมวลยิ่งยวดนั้นมีขนาดที่ค่อนข้างใหญ่มากเพราะมวลของมันมาก รัศมีชวาทซ์ชิลท์ของหลุมดำมวลยิ่งยวดที่อยู่ใจกลางของกาแลคซี่ทางช้างเผือกนั้นใหญ่ถึง 12 ล้านกิโลเมตรเลยทีเดียว แต่นั้นก็ทำให้ความหนาแน่นเฉลี่ยของหลุมดำชนิดนี้มีน้อยกว่าหลุมดำขนาดเล็ก

2. หลุมดำดาวฤกษ์ (Stellar black hole) เป็นหลุมดำขนาดเล็กที่เกิดจากการหยุดตัวของดาวฤกษ์ หลุมดำประเภทนี้จะมีมวลประมาณ 5-10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ถ้าดวงอาทิตย์เกิดการยุบตัวกลายเป็นหลุมดำแล้ว ขนาดของมันจะลดลงเหลือเพียงแค่ประมาณ 3 กิโลเมตรเท่านั้น แต่แน่นอนว่าดวงอาทิตย์ของเราจะไม่กลายเป็นหลุมดำแน่นอนเพราะมวลของมันนั้นน้อยเกินไป

          รัศมีชวาทซ์ชิลท์คือหนึ่งในตัวอย่างของสิ่งที่สามารถคำนวณได้จากหลุมดำ นอกจากนี้ยังมีเรื่องของกำลังส่องสว่าง (กำลังส่งสว่างจากสิ่งที่อยู่รอบๆตัวหลุมดำ) และมวลของหลุมดำที่สามารถประมาณได้จากการคำนวณคร่าว ๆ แต่จะขอยกไปพูดถึงในบทความต่อไป

แหล่งที่มา

HyperPhysics. The Schwarzschild Radius. Retrieved June 2, 2020, From: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Astro/blkhol.html

Swinburne University of Technology. Schwarzschild Radius. Retrieved June 2, 2020, From: https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30017-8

Miles Hatfield. (Sep 26, 2019). Why the Sun Won't Become a Black Hole. Retrieved June 2, 2020, From: https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2019/why-the-sun-wont-become-a-black-hole