หลักฐานใหม่ชี้ หลุมดำยักษ์หมุนได้จริงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติ นำโดยจีน ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และอิตาลี ประกาศการค้นพบหลักฐานโดยตรงชิ้นแรกที่พิสูจน์ว่า หลุมดำขนาดยักษ์อย่างหลุมดำมวลยิ่งยวด M87* สามารถหมุนรอบตัวเองได้ ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ทำนายไว้

ผลการศึกษาข้างต้นได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 27 ก.ย. ที่ผ่านมา โดยการติดตามความเคลื่อนไหวของลำไอพ่นหรือ “เจ็ต” (jet) ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคพลังงานสูงที่ยิงออกมาจากหลุมดำ M87* ในระยะยาว ชี้ว่าหลุมดำใจกลางกาแล็กซี Messier 87 แห่งนี้ มีการแกว่งตัวขณะที่หมุนรอบตัวเองเหมือนลูกข่าง โดยมีคาบการหมุนยาวนานถึง 11 ปีต่อหนึ่งรอบ

แม้ก่อนหน้านี้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จะได้ทำนายไว้นานแล้วว่า หลุมดำสามารถจะหมุนรอบตัวเองได้ แต่นี่ถือเป็นครั้งแรกที่พบหลักฐานยืนยันเรื่องดังกล่าวโดยตรง หลังจากที่มนุษย์สามารถบันทึกภาพหลุมดำได้เป็นครั้งแรก เมื่อปี 2019

ก่อนหน้านั้น เราไม่สามารถจะมองเห็นหรือบันทึกภาพหลุมดำขณะที่มัน “หลับใหล” อยู่ได้ เนื่องจากตำแหน่งของห้วงอวกาศที่มันตั้งอยู่จะมืดสนิท เพราะแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดพ้นออกจากแรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำได้

อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ EHT ที่ติดตามศึกษาหลุมดำ M87* มาเป็นเวลานานกว่าสองทศวรรษ ทำให้สามารถบันทึกภาพหลุมดำขณะตื่นตัว (active) ซึ่งกำลังกลืนกินสสารและแผ่รังสีความร้อนออกมาโดยรอบ จนเห็นเป็นวงแหวนสุกสว่างได้สำเร็จ

เทคโนโลยีดังกล่าวยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ติดตามความเคลื่อนไหวของไอพ่นหรือเจ็ตของหลุมดำได้ด้วย โดยหนึ่งในสิบของไอพ่นอนุภาคพลังงานสูงที่มาจากหลุมดำ สามารถเดินทางด้วยความเร็วถึง 99.9% ของความเร็วแสงเลยทีเดียว

ไอพ่นหรือเจ็ตนี้เกิดจากอนุภาคที่ถูกเร่งด้วยสนามแม่เหล็กทรงพลัง ซึ่งดำรงอยู่ได้ด้วยการหมุนปั่นอย่างรวดเร็วของตัวหลุมดำนั่นเอง โดยการหมุนของดาวฤกษ์ที่ให้กำเนิดหลุมดำ, การดูดกลืนสสารจากภายนอกเข้าไปเพิ่ม, และการรวมตัวกับหลุมดำอื่น ล้วนเป็นแรงส่งให้หลุมดำยักษ์หมุนเร็วยิ่งขึ้นกว่าเดิม

ทีมผู้วิจัยพบว่า หลุมดำ M87* ซึ่งมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 6,500 ล้านเท่า มีการปลดปล่อยไอพ่นที่เปลี่ยนตำแหน่งกลับไปกลับมาทุก 11 ปี ซึ่งแสดงว่ามันมีการแกว่งตัวรอบแกนหมุน ไม่ต่างจากลูกข่างที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง

ดร.ซุย ยู่จู ผู้นำทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการเจ้อเจียงในนครหางโจวของจีน บอกว่า “การแกว่งตัวจากการหมุน ทำให้ตำแหน่งของหลุมดำและจานพอกพูนมวลไม่ตรงกัน แต่ความคลาดเคลื่อนนี้ปรากฏอยู่น้อยมาก และคาบการหมุนของหลุมดำที่กินเวลายาวนานถึง 11 ปี ทำให้เราต้องติดตามเก็บข้อมูลนานกว่าสองทศวรรษ ก่อนจะได้หลักฐานชิ้นนี้มา”

นอกจากจะพิสูจน์ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ถูกต้องแล้ว การพบหลักฐานยืนยันว่าหลุมดำหมุนได้ ยังเปิดประตูสู่โอกาสการวิจัยใหม่ ๆ เช่นการหาคำตอบว่าเหตุใดหลุมดำบางแห่งจึงหมุนปั่นอย่างรวดเร็ว รวมทั้งปูทางสู่การค้นหา “โฟตอนสเฟียร์” (photon sphere) วงแหวนของแสงจาง ๆ รอบหลุมดำ ที่อาจนำไปสู่ความเข้าใจทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม (quantum gravity) ได้