A Hongkong Astrophysicist CK Chan from University of Arizona is giving a public webinar tomorrow on general relativistic ray tracing.

ภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำ โดย EHT

วันที่ 10 เมษายน 2019 เวลา 20:00น. ตามเวลาประเทศไทย ทีมงาน The Event Horizon Telescope (EHT) ได้เปิดเผยภาพถ่ายภาพแรกของหลุมดำที่เคยถ่ายมาในมวลมนุษยชาติ เป็นการยืนยันหลักฐานโดยตรงที่สุดของการมีอยู่ของหลุมดำ และนอกจากนี้ภาพที่ได้ยังสอดคล้องกับสิ่งที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอสไตน์ จึงเท่ากับเป็นการยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์นั้นยังคงถูกต้องต่อไป เป็นอีกครั้งที่ทฤษฎีกับการสังเกตการณ์มาประจบเหมาะพอดีกันอย่างไม่ผิดเพี้ยน

แต่ว่าเรื่องหลุมดำนี้เป็นเรื่องที่อาจจะฟังดูค่อนข้างซับซ้อนสำหรับคนทั่วๆ ไป เรามาลองตอบคำถามง่ายๆ เกี่ยวกับหลุมดำที่อาจจะอยู่ในใจคนกันดูบ้าง

Q: หลุมดำคืออะไร?

- หลุมดำคือวัตถุที่หนาแน่นที่สุดอย่างหนึ่งในเอกภพ เมื่อมีมวลจำนวนมากมารวมตัวกันอยู่ในปริมาตรขนาดเล็ก แรงโน้มถ่วงของมวลเหล่านี้จะมีมากพอที่จะดูดทุกอย่างเข้าไปภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันได้ เปรียบเทียบกันแล้ว บนพื้นโลกของเรามีความเร็วหลุดพ้น 11.2 กม./วินาที นั่นหมายความว่าหากเรายิงกระสุนที่ความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาทีจากพื้นโลก กระสุนนี้จะหลุดพ้นออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้และไม่ตกกลับลงมาอีก และหากเรายิงกระสุนออกไปด้วยความเร็วที่ต่ำกว่านี้ กระสุนก็จะใช้เวลาสักพักหนึ่งในอากาศก่อนที่จะตกกลับมาใหม่ สำหรับหลุมดำแล้วนั้นแรงโน้มถ่วงนั้นมีค่าสูงมากเสียจนความเร็วหลุดพ้นจากบริเวณที่เรียกว่า "ขอบฟ้าเหตุการณ์" (Event Horizon) มีค่าเท่ากับความเร็วของแสง ซึ่งเป็นความเร็วที่สูงที่สุดในเอกภพ นั่นหมายความว่าไม่มีวัตถุใดแม้กระทั่งแสงจะสามารถหลุดพ้นออกมาจากหลุมดำได้ แม้กระทั่งเราฉายไฟฉากออกมาจากภายใน Event Horizon อนุภาคของแสงที่ออกมาก็ไม่สามารถหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของมันได้

Q: ถ้าหลุมดำดูดทุกอย่างแม้กระทั่งแสง ทำไมเราจึงสามารถเห็นหลุมดำได้?

- คำตอบง่ายๆ ก็คือเราไม่สามารถเห็นภายในหลุมดำได้ อย่างไรก็ตาม เราสามารถสังเกตเห็นมวลและแสงที่วนอยู่รอบๆ หลุมดำได้ ภายในบริเวณของขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นเป็นบริเวณที่ไม่มีวัตถุใด หรือแม้กระทั่งแสงสามารถหลุดออกมาได้ หมายความว่าหากนักบินอวกาศคนหนึ่งอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ ไม่ว่าเขาจะฉายไฟฉายไปในทิศทางใด ทุกทิศทางต่างก็นำไปสู่ singularity ในบริเวณกลางของหลุมดำทั้งนั้น (แม้ว่าจะหันออกมาจากศูนย์กลางก็ตาม) เนื่องจากแม้กระทั่งกาลอวกาศ (spacetime) ก็กำลังตกลงไปสู่ศูนย์กลางของหลุมดำด้วยความเร็วมากกว่าแสง แต่หากนักบินอวกาศอยู่ภายนอกของขอบฟ้าเหตุการณ์ นักบินอวกาศก็จะยังสามารถฉายไฟฉายออกมาภายนอกได้ แต่ด้วยแรงโน้มถ่วงอันมหาศาล จะทำให้แสงที่ปล่อยออกมามีทิศทางบิดเบี้ยวไป

Q: ทำไมภาพที่ได้จึงมีรูปร่างเช่นนี้?

- ภาพที่เห็นเป็นภาพที่สอดคล้องกับสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์เอาไว้เกี่ยวกับหลุมดำไม่ผิดเพี้ยน นี่เป็นภาพที่เราเห็นจากแกนหมุนของหลุมดำ เนื่องจากหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงสูงพอที่จะสามารถดึงให้แสงวนไปรอบๆ ได้ ที่ระยะห่าง 1.5 เท่าของขอบฟ้าเหตุการณ์ จะมีสิ่งที่เรียกว่า photon sphere อยู่ ซึ่งเป็นบริเวณสุดท้ายที่แสงจะสามารถโคจรไปรอบๆ หลุมดำได้ สิ่งที่ใกล้หลุมดำที่สุดที่เราจะสามารถเห็นได้จึงเป็นวงแหวนของ photon sphere ก่อนที่จะเข้าไปสู่ความมืดสนิท เราจึงเห็นเป็นบริเวณที่มืดสนิทที่ถูกล้อมไปด้วยวงกลมสว่าง (แต่ระยะห่างที่เราเห็นจะมากกว่า 1.5 เท่าเล็กน้อย เนื่องจากแสงจะถูกเบี่ยงเบนออกไปด้วยแรงโน้มถ่วง) ถัดออกมาเราจะเห็นมวลก๊าซที่กำลังอยู่ในจานพอกพูนมวลที่กำลังตกลงไปสู่หลุมดำ นอกจากนี้มวลที่กำลังหมุนในทิศทางที่หันมาหาผู้สังเกตจะมีความสว่างขึ้นเล็กน้อย ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า relativistic beaming ดังที่ปรากฏในภาพทางด้านล่างของหลุมดำ

Q: ทำไมเราจึงไม่สามารถเห็นหลุมดำได้มาก่อน?

- การจะมองเห็นหลุมดำนั้นเป็นเรื่องที่ยากมาก เพราะว่าหลุมดำเป็นวัตถุที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก หากเราสามารถบีบอัดดวงอาทิตย์ให้กลายเป็นหลุมดำได้ จะมีขนาดเพียงแค่ 3 กม. เพียงเท่านั้นเอง ในขณะที่โลกของเราจะกลายเป็นหลุมดำที่มีขนาดไม่กี่มิลลิเมตร การที่จะสามารถสังเกตเห็นหลุมดำได้จึงจำเป็นต้องอาศัยหลุมดำที่มีมวลมาก หรือที่เรียกว่า "หลุมดำมวลยิ่งยวด" (supermassive black hole: SMBH) และอยู่ใกล้เรามากที่สุด

SMBH ที่อยู่ใกล้โลกของเรามากที่สุด ก็คือ Sagittarius A* ที่อยู่ในใจกลางทางช้างเผือกของเรานั่นเอง ซึ่งมีมวล 4 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ แต่ก็ยังมีขนาดเพียง 8% ของระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ แต่หลุมดำที่ EHT สังเกตนี้ เป็น SMBH ที่อยู่ในใจกลางของกาแล็กซี M87 ซึ่งมีมวลถึง 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีขนาดประมาณเท่ากับระบบสุริยะ ซึ่งด้วยความที่หลุมดำนี้มีมวลตกลงไปสู่หลุมดำเสมอ ทำให้สามารถสังเกตเห็นได้ง่ายกว่า แม้ว้าจะมีระยะห่างออกไปถึงกว่า 55 ล้านปีแสง

Q: แล้ว EHT สามารถบันทึกภาพนี้ได้อย่างไร?

- การที่จะมองรายละเอียดที่เล็กมากๆ เราจำเป็นที่จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ขนาดใหญ่มากๆ นี่เป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมเราจึงมีความพยายามที่จะสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่มากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม แม้กระทั่งกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในปัจจุบันก็ยังไม่สามารถแยกแยะรายละเอียดของหลุมดำที่มีขนาดเพียงระบบสุริยะที่อยู่ห่างออกไป 55 ล้านปีแสงได้

วิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้ ก็คือวิธีที่เรียกว่า interferometry โดยการรวมแสงจากระยะห่างที่ไกลมากๆ เราอาจจะเปรียบเทียบได้ว่า หากภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่คือการนำแสงที่อยู่ปลายด้านหนึ่งของกระจกกล้องโทรทรรศน์ ไปรวมกับแสงที่มาจากปลายอีกด้านหนึ่ง หากเราสามารถมีกล้องสองตัวที่อยู่ห่างกันหลายพันกิโลเมตร แล้วนำแสงที่ได้นั้นมารวมกัน เราก็จะสามารถจำลองภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เป็นพันกิโลเมตรได้

และวิธี interferometry นี้ก็คือวิธีที่ทำให้ EHT สามารถบันทึกภาพหลุมดำนี้ได้เป็นครั้งแรก แต่เนื่องจาก interferometry ในช่วงความยาวคลื่นแสงนั้นทำได้ยากกว่ามาก EHT จึงใช้การสังเกตการณ์ทางคลื่นวิทยุ จากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุจำนวนมากที่กระจัดกระจายอยู่ทั่วโลกรวมไปถึงที่ขั้วโลกใต้ และทำการติดตั้งนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูง ในการบันทึกเวลาเพื่อที่จะสามารถนำสัญญาณวิทยุที่ถูกบันทึกเอาไว้ใน ณ เสี้ยววินาทีเดียวกัน มาสามารถรวมกันเพื่อจำลองราวกับพื้นผิวโลกของเราทั้งใบกลายเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ กล้องหนึ่ง

หากใครสนใจเรื่องหลุมดำเพิ่มเติม สามารถอ่านบทความเก่าๆ ที่เคยเขียนเอาไว้เกี่ยวกับหลุมดำได้:

- เปรียบเทียบขนาดและความหนาแน่นของดาวแคระขาว ดาวนิวตรอน และหลุมดำ
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255102854699928/?type=3&theater

- จะเกิดอะไรขึ้นกับวงโคจรของโลก หากเราสามารถยุบดวงอาทิตย์ให้กลายเป็นหลุมดำได้?
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255102854699928/?type=3&theater

- แ่รงโน้มถ่วง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255103084699905/?type=3&theater

- อธิบาย "ขอบฟ้าเหตุการณ์" และทำไมแสงจึงกลับออกมาไม่ได้ ด้วยนิทานง่ายๆ
https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/255103178033229/?type=3&theater

ภาพ: หลุมดำมวลยิ่งยวด ณ ใจกลางของกาแล็กซี M87 โดย Event Horizon Telescope

อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://eventhorizontelescope.org/

英文跟物理也可以很迷人喔💕

以下是我念的原文🏆

E=mc2，equation in German-born physicist Albert Einstein’s theory of special relativity that shows that the increased relativistic mass (m) of a body comes from the energy of motion of the body—that is, its kinetic energy (E)—divided by the speed of light squared (c2). This equation expresses the fact that mass and energy are the same physical entity and can be changed into each other.
In physical theories prior to that of special relativity, mass and energy were viewed as distinct entities. Furthermore, the energy of a body at rest could be assigned an arbitrary value.

Short Film 「CHOICE」

Are we blessed to be born?
What is blessing?
realistic element?
Or the sense of blessing a blessing itself?

我々は祝福され生まれてきたのであろうか
現実的な要素が祝福か？
祝福と思える考えがそれそのものか？

There’s no fairness in this world.
Time, Race, Age, Circumstances...
Every factor can change the way it works.

平等というものはこの世にはない
等しく皆に訪れる事柄でも、時代、人種、年齢、環境…
様々な要因が、作用を変化させる

Relativistic words swirl around, and distort our concepts.
The words that seem to provide hope have prerequisites that are taken for granted.
They don't even care about those who fell off from the frame.

相対評価的な言葉が渦巻き、概念を歪めていく
一見前向きな希望を謳った言葉も当たり前かのような前提条件があり
その枠に漏れたものの存在など考えてもいない

Hope turned into justice,
and the meaning of empathy changed to consumers.

いつしか希望が正論に変わり
共感の意味は消費者に変わった

So, are we all alone
No one is the same, we never understand each other.
but no one can live alone.

では我々は孤独なのであろうか
同じ人間は1人としておらず、理解し合うことはできない
だが、人は1人では生きていけない

Definitions are made from standards, and standards are different for each one of us.
Therefore, it may seem relative, but it is absolute.

定義は基準によって為され、基準は人それぞれだ
よってそれは相対的に見えて絶対的なのだ

“Love” is always tough. Painful. Frightful.
It's up to us to choose whether we want to be loved.

辛く、苦しく、恐ろしい愛の方が多く
それを愛されるとするかは選択次第なのだ

Life is painful.
Life is beautiful.

生きることは、苦しく
生きることは、美しい



Director : Koshun Mamiya
Director of Photography : Kotaro Yamada
Assistant Camera : Masato Tanaka
Lighting Director : Sora Okubo
Original/Styling/Edit : Koshun Mamiya
Translation : Nao Asada
Narrator : Anocam
Music : 329
Acoustic guitar : Tomoki Iwasaki

Cast : emma



Koshun Mamiya
https://www.instagram.com/koshunn/
emma
https://www.instagram.com/emma_chijoke/
Kotaro Yamada
https://www.instagram.com/kotaroyamada_jp/
Masato Tanaka
https://www.instagram.com/holyhuman__1231/
Sora Okubo
https://www.instagram.com/sora075_/
329
https://www.instagram.com/bpm329/
Anocam
https://www.instagram.com/anocam_/
Nao Asada
https://twitter.com/yokutabenemuru