รู้จัก "กายวิภาคของหลุมดำ" หนึ่งในสิ่งที่ทรงพลังมากที่สุดในจักรวาล

หลุมดำ (Black Hole) ถือเป็นหนึ่งในสิ่งที่ทรงพลังมากที่สุดในจักรวาล ด้วยแรงโน้มถ่วงมหาศาล ที่กำลังดึงดูดสิ่งต่าง ๆ เข้าไป แม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถเดินจากออกจากหลุมดำได้ 

ทั้งนี้เมื่อกล่าวถึงหลุมดำ เราจำนวนหนึ่งก็จะนึกภาพถึงพื้นที่ลึกลับขนาดใหญ่ที่ลอยอยู่กลางอวกาศ แต่อันที่จริงหลุมดำมีส่วนประกอบต่าง ๆ ยิบย่อยอีกเล็กน้อย เหมือนอย่างที่งานวิจัยเมื่อไม่นานมานี้ ที่นักวิจัยพบว่าเจ็ทของหลุมดำมีความเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยประมาณ 10 องศา เป็นวัฏจักรทุก ๆ 11 ปี จนสามารถสรุปได้ว่าหลุมดำกำลังหมุนอยู่ ซึ่งเจ็ท ก็คือหนึ่งในส่วนประกอบของหลุมดำ แต่ใครหลายคนก็ไม่เคยได้ยินชื่อของมันมาก่อน ดังนั้นเราจึงคิดว่าเป็นโอกาสดีที่จะได้พามาทำความรู้จักส่วนประกอบอื่น ๆ ของหลุมดำ เอาล่ะ มีอะไรบ้าง มาดูกัน

ภาวะเอกฐาน (Singularity)

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ภาวะเอกฐานเป็นจุดใจกลางทางทฤษฎีของหลุมดำ ซึ่งเชื่อว่าทุกอย่างที่มาถึงจุดนี้จะถูกบดขยี้จนมีความหนาแน่นเป็นอนันต์ เป็นจุดหมายปลายทางสุดท้ายของทุกสิ่งเมื่อผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) มาแล้ว 

ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon)

นี่คือรัศมีรอบ ๆ ภาวะเอกฐาน มันเป็นเสมือนพื้นผิวของหลุมดำ ที่ซึ่งสสารและพลังงานต่าง ๆ เมื่อเดินทางมาถึงจุดนี้แล้วจะไม่สามารถหนีรอดจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำไปได้ นี่คือส่วนที่ทำให้หลุมดำมีสีดำ เพราะแม้กระทั่งแสงก็ไม่สามารถหนีรอดมาได้ ดังนั้นมันจึงไม่เปล่งแสงหรือสะท้อนกลับออกมา 

เงาขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon Shadow)

เมื่อขอบฟ้าเหตุการณ์ดึงดูดแสงต่าง ๆ กาลอวกาศรอบ ๆ จะเกิดการบิดเบี้ยวจนทำให้แสงถูกเปลี่ยนเส้นทางกลายเป็นเลนส์โน้มถ่วง ส่งผลให้เกิดโซนมืดที่นักดาราศาสตร์เรียกว่าเงาขอบฟ้าเหตุการณ์ ซึ่งมีขนาดใหญ่เป็นประมาณสองเท่าของพื้นผิวจริงของหลุมดำ

จานพอกพูนมวลสาร (Accretion Disk)

โครงสร้างนี้เป็นแหล่งกำเนิดแสงหลักของหลุมดำ มันมีความร้อนสูงมาก ประกอบไปด้วยแก๊สและฝุ่น หมุนรอบหลุมดำด้วยความเร็วมหาศาล ก่อเกิดเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีเอ็กซ์, รังสีออปติคัล (Optical) รังสีอินฟราเรด และรังสีวิทยุ) ทำให้เราสามารถสังเกตุเห็นหลุมดำได้ สสารบางส่วนในจานพอกพูนมวลสารจะถูกหลุมดำดูดเข้าไป ในขณะที่ส่วนอื่น ๆ จะถูกดีดให้ออกไปจนเกิดเป็นเจ็ท 

โฟตอนสเฟียร์ (Photon Sphere)

โฟตอนจะถูกปล่อยออกมาจากพลาสม่าร้อนในเจ็ทหรือในจานพอกพูนมวลสาร ในกรณีที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง โฟตอนเหล่านี้จะเดินทางเป็นเส้นตรง แต่อยู่ใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์ที่แรงโน้มถ่วงมหาศาลมันจึงโค้งงอ จนทำให้เราเห็นเป็นวงแหวนบาง ๆ สว่างล้อมรอบเงาขอบฟ้าเหตุการณ์นั่นเอง

ลำแสงดอปเปลอร์ (Doppler Beaming)

ผู้อ่านสายวิทย์อาจเคยได้ยินปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เช่น เมื่อรถพยาบาลกำลังวิ่งเข้ามาใกล้เรากับวิ่งออกไปไกลจากเรา เสียงมันจะมีความแตกต่างกัน เพราะมีการเปลี่ยนแปลงของคลื่นเสียง ในเรื่องลำแสงดอปเปลอร์นี้ก็มีหลักการคล้ายกัน คือเมื่อเราสังเกตหลุมดำ ฝั่งหนึ่งของจานพอกพูนมวลสารจะสว่างกว่าอีกด้านเสมอ นั่นคือลำแสงของจานพอกพูนมวลสารที่หมุนพุ่งเข้ามาหาเรามันจะสว่างกว่าและสีน้ำเงินเข้มขึ้น ในขณะที่ลำแสงของจานพอกพูนมวลสารที่หมุนพุ่งออกไปจากเรา แสงจะหรี่ลงมากกว่าและค่อนข้างเป็นสีแดง 

โคโรนา (Corona)

นี่เป็นหนึ่งในโครงสร้างกายภาพที่มีความปั่นป่วนมากที่สุดในจักรวาล มันคือหมู่เมฆบางและปั่นป่วนระดับพันล้านองศาซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กแรงสูงที่ไหลผ่านจานพอกพูนมวลสารส่วนในได้ขยายตัวออกไป ทั้งนี้อนุภาคต่าง ๆ ในโคโรนาจะโคจรรอบหลุมดำด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง มันเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่มีพลังงานสูงกว่ารังสีเอ็กซ์ที่เกิดจากจานสะสมมวลสารมาก แต่นักดาราศาสตร์ยังคงพยายามหาขอบเขต รูปร่าง และคุณลักษณะอื่น ๆ ของมัน

เจ็ทอนุภาค (Particle Jets)

เจ็ทคือลำแสงที่พุ่งออกมาจากหลุมดำ เกิดจากการที่หลุมดำกลืนก๊าซและฝุ่นจำนวนมหาศาลเข้าไปด้วยแรงโน้มถ่วงมหาศาล แต่จะมีอนุภาคจำนวนเล็กน้อยที่ไม่ถูกดูดเข้าไปในหลุมดำ ซึ่งมันจะถูกพ่นออกมาเป็นระยะทางหลายพันปีแสง และเคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสง ปรากฏเป็นลำแสงแคบ ๆ ตามแนวแกน

ที่มาข้อมูล ESO, NASA

ที่มารูปภาพ ESO, NASA