ปรากฏการณ์หลุมดำ

หลุมดำ

แม้ว่าจะไม่สามารถมองเห็นภายในหลุมดำได้ แต่ตัวมันก็แสดงการมีอยู่ผ่านการมีผลกระทบกับวัตถุที่อยู่ในวงโคจรภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ ตัวอย่างเช่น หลุมดำอาจจะถูกสังเกตเห็นได้โดยการติดตามกลุ่มดาวที่โคจรอยู่ภายในศูนย์กลางหลุมดำ หรืออาจมีการสังเกตก๊าซ (จากดาวข้างเคียง) ที่ถูกดึงดูดเข้าสู่หลุมดำ ก๊าซจะม้วนตัวเข้าสู่ภายใน และจะร้อนขึ้นถึงอุณหภูมิสูง ๆ และปลดปล่อยรังสีขนาดใหญ่ที่สามารถตรวจจับได้จากกล้องโทรทรรศน์ที่โคจรอยู่รอบโลก การสำรวจให้ผลในทางวิทยาศาสตร์เห็นพ้องต้องกันว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริงในเอกภพ

แนวคิดของวัตถุที่มีแรงดึงดูดมากพอที่จะกันไม่ให้แสงเดินทางออกไปนั้นถูกเสนอโดยนักดาราศาสตร์มือสมัครเล่นชาวอังกฤษ จอห์น มิเชล ในปี 1783 และต่อมาในปี 1795 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส ปีแยร์-ซีมง ลาปลัส ก็ได้ข้อสรุปเดียวกัน ตามความเข้าใจล่าสุด หลุมดำถูกอธิบายโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งทำนายว่าเมื่อมีมวลขนาดใหญ่มากในพื้นที่ขนาดเล็ก เส้นทางในพื้นที่ว่างนั้นจะถูกทำให้บิดเบี้ยวไปจนถึงศูนย์กลางของปริมาตร เพื่อไม่ให้วัตถุหรือรังสีใด ๆ สามารถออกมาได้

ขณะที่ทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปอธิบายว่าหลุมดำเป็นพื้นที่ว่างที่มีความเป็นภาวะเอกฐานที่จุดศูนย์กลางและที่ขอบฟ้าเหตุการณ์บริเวณขอบ คำอธิบายนี้เปลี่ยนไปเมื่อค้นพบกลศาสตร์ควอนตัม การค้นคว้าในหัวข้อนี้แสดงให้เห็นว่านอกจากหลุมดำจะดึงวัตถุไว้ตลอดกาล แล้วยังมีการค่อย ๆ ปลดปล่อยพลังงานภายใน เรียกว่า รังสีฮอว์คิง และอาจสิ้นสุดลงในที่สุด อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีคำอธิบายเกี่ยวกับหลุมดำที่ถูกต้องตามทฤษฎีควอนตัม

ที่มาของชื่อ

การที่เราใช้คำว่า หลุมดำ เพื่ออธิบายปรากฏการณ์นี้เริ่มขึ้นในช่วงกลางคริสต์ทศวรรษ 1960 โดยไม่ปรากฏหลักฐานที่แน่ชัด โดยทั่วไปจะให้การยกย่องแก่นักฟิสิกส์ชื่อ จอห์น วีลเลอร์ ว่าเป็นผู้บัญญัติศัพท์คำนี้ขึ้นในการบรรยายของเขาในปี ค.ศ. 1967 เรื่อง เอกภพของเรา : สิ่งที่รู้และไม่รู้ โดยใช้คำนี้แทนคำเดิมว่า ดาวที่ยุบตัวอย่างสมบูรณ์โดยความโน้มถ่วง อย่างไรก็ตามวีลเลอร์ได้ยืนกรานว่าผู้บัญญัติศัพท์เป็นผู้ร่วมสัมมนาคนอื่น เขาเพียงแต่นำมาใช้เพราะมันกระชับและใช้ง่ายดี คำนี้ยังปรากฏอยู่ในจดหมายฉบับหนึ่งของ แอนน์ อิววิง ที่เขียนถึง เอเอเอเอส ในปี ค.ศ. 1964 มีใจความว่า "..ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เมื่อเพิ่มมวลให้กับดาวที่กำลังจะหมดอายุขัย สนามโน้มถ่วงขนาดมหึมาที่ดาวกระทำต่อตัวเองจะทำให้เกิดการยุบตัวของสภาพแรงโน้มถ่วง (gravitational collapse) อย่างรวดเร็ว และทำให้ดาวดวงนั้นกลายเป็น "หลุมดำ" ในเอกภพ.."

มีการใช้วลีนี้ในภาษาอังกฤษมาหลายปีก่อนหน้านั้นแล้ว ตามชื่อหลุมดำแห่งกัลกัตตา ซึ่งเป็นตรุเล็ก ๆ ในฟอร์ตวิลเลียม เมืองป้อมทหารของอังกฤษที่กัลกัตตา ชาวยุโรป 146 คนถูก Siraj-ud-Daulah เจ้าแคว้นเบงกอลลงโทษคุมขังเอาไว้ที่นี่ระหว่างการสงครามเมื่อปี ค.ศ. 1756 โดยมีเพียง 23 คนที่รอดชีวิต

ประวัติการศึกษาหลุมดำ

อิงตามทฤษฎีของนิวตัน

แนวความคิดเกี่ยวกับวัตถุที่มีมวลมากเสียจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหนีออกมาได้เริ่มขึ้นจากนักธรณีวิทยาชื่อ จอห์น มิเชล ซึ่งได้เขียนจดหมายฉบับหนึ่งในปี ค.ศ. 1783 ส่งถึงเพื่อนชื่อ เฮนรี คาเวนดิช ในเวลาต่อมาแนวคิดนี้ได้รับการตีพิมพ์โดยรอยัลโซไซตี้

สำหรับทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ แต่มีความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นของดวงอาทิตย์ถึง 500 เท่า วัตถุที่ตกลงจากความสูงไม่จำกัดสู่ผิวทรงกลมนั้นจะมีความเร็วที่พื้นผิวทรงกลมสูงกว่าความเร็วแสง ผลที่ตามมาหากแสงถูกกระทำโดยแรงเดียวกันในสัดส่วนสัมพันธ์กับแรงเฉื่อยทิศทางตรงข้ามที่เกิดจากวัตถุอื่น แสงทั้งหมดที่แผ่ออกจากวัตถุนั้นจะถูกดึงกลับไปยังทรงกลมด้วยแรงโน้มถ่วงเฉพาะของตัวมันเอง

ทฤษฎีนี้ถือว่าแสงได้รับอิทธิพลจากความโน้มถ่วงเช่นเดียวกันกับวัตถุอื่นที่มีมวล

ในปี ค.ศ. 1796 นักคณิตศาสตร์ชื่อ ปีแยร์-ซีมง ลาปลัส ได้เสนอแนวคิดเดียวกันนี้ในหนังสือของเขา Exposition du système du Monde ทั้งในฉบับพิมพ์ครั้งที่หนึ่งและสอง (แต่แนวคิดนี้ไม่ปรากฏในฉบับพิมพ์ครั้งหลัง ๆ) ในเวลาต่อมา แนวคิดของทั้งมิเชลและลาปลัสที่อิงอยู่บนหลักการของนิวตันมักถูกอ้างถึงว่าเป็น ดาวมืด เพื่อแยกมันออกจาก "หลุมดำ" ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

แนวความคิดส่วนใหญ่เกี่ยวกับหลุมดำได้ถูกเพิกเฉยไปในคริสต์ศตวรรษที่ 19 หลังจากที่ยอมรับกันแล้วว่าแสงเป็นคลื่นที่ไม่มีมวล ดังนั้นจึงไม่ได้รับอิทธิพลจากความโน้มถ่วง ไม่เหมือนกับหลุมดำในปัจจุบันที่เชื่อว่าวัตถุด้านหลังขอบฟ้าจะยังคงที่อยู่แม้จะเกิดการยุบตัว

คุณสมบัติ

ตามทฤษฎีโนแฮร์ หลุมดำมีคุณสมบัติทางกายภาพที่แยกออกจากกัน 3 ประการ ได้แก่ มวล ประจุไฟฟ้า และโมเมนตัมเชิงมุม หลุมดำสองหลุมใด ๆ ที่มีค่าคุณสมบัติทั้งสามเท่ากันจะไม่สามารถแยกแยะความแตกต่างกันได้เลย ซึ่งไม่เหมือนกับวัตถุทางดาราศาสตร์อื่น ๆ เช่น ดาวฤกษ์ ที่มีค่าคุณสมบัติมากมายจนอาจจะนับไม่ถ้วน แสดงว่าในการยุบตัวของดาวฤกษ์จนกลายไปเป็นหลุมดำนั้นมีข้อมูลของคุณสมบัติที่สูญหายไปเป็นจำนวนมหาศาล แต่นัยยะหนึ่งในการศึกษาทฤษฎีทางกายภาพ ข้อมูลก็เป็นคุณสมบัติหนึ่งที่ไม่มีวันสูญหาย การที่ข้อมูลคุณสมบัติของหลุมดำสูญหายไปเกือบหมดจึงเป็นเรื่องน่าพิศวง นักฟิสิกส์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า พาราดอกซ์ข้อมูลของหลุมดำ

ทฤษฎีโนแฮร์ได้สร้างสมมติฐานบางอย่างเกี่ยวกับธรรมชาติของเอกภพและสสารที่อยู่ในเอกภพ สมมติฐานอื่น ๆ จะนำไปสู่บทสรุปที่ต่างไป ตัวอย่างเช่น ถ้าธรรมชาติยอมให้มีแม่เหล็กขั้วเดียว ซึ่งเป็นไปได้ในทางทฤษฎีแต่ไม่เคยถูกสังเกตพบ ก็น่าจะเป็นไปได้ที่หลุมดำจะมีประจุแม่เหล็ก แต่ถ้าเอกภพมีมากกว่า 4 มิติ (เหมือนที่กล่าวไว้ในทฤษฎีสตริง) หรือมีโครงสร้างทรงกลมแบบ แอนไท เดอ ซิทเตอร์ สเปซ ทฤษฎีนี้ก็จะผิดไปโดยสิ้นเชิง เพราะจะเกิด "แฮร์" ขึ้นได้จากหลายแหล่ง อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้จะยังคงใช้ได้ในมิติของพวกเราที่ปรากฏเป็น 4 มิติ ซึ่งเอกภพมีรูปร่างเกือบจะแบน

องค์ประกอบ

ขอบฟ้าเหตุการณ์

บทความหลัก: ขอบฟ้าเหตุการณ์

คำจำกัดความขอบฟ้าเหตุการณ์อันเป็นองค์ประกอบหนึ่งของหลุมดำ คือพื้นผิวในกาลอวกาศซึ่งระบุตำแหน่งที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เมื่อวัตถุได้ข้ามผ่านพื้นผิวนี้ไปแล้ว จะไม่มีทางผ่านกลับออกมายังอีกด้านได้อีก ดังนั้นอะไรก็ตามภายในพื้นผิวนี้จึงไม่สามารถมองเห็นได้จากผู้สังเกตภายนอก นอกจากนี้ ขอบฟ้าเหตุการณ์นี้ยังกลมกลืนเป็นอันหนึ่งอันเดียวกับอวกาศทั่วไป โดยไม่มีลักษณะเด่นอะไรจะให้ผู้ล่วงผ่านไปในหลุมดำทราบว่าเขาได้ข้ามผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไปแล้ว ขอบฟ้าเหตุการณ์ไม่ได้เป็นพื้นผิวที่เป็นของแข็ง ไม่ได้กีดขวางหรือทำให้สสารหรือรังสีที่เคลื่อนผ่านบริเวณนั้นช้าลงเลย

ภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ สนามโน้มถ่วงก็ถูกสร้างขึ้นเช่นเดียวกันโดยวัตถุที่เป็นทรงกลมสมมาตรที่มีมวลเท่ากัน แนวคิดที่มักจะกล่าวว่าหลุมดำจะดูดกลืนทุกสิ่งทุกอย่างลงไปนั้นผิด เพราะวัตถุยังสามารถคงรอบโคจรไว้รอบ ๆ หลุมดำได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุด จัดให้มันอยู่นอกทรงกลมโฟตอน (อธิบายด้านล่าง) และไม่สนใจผลกระทบใด ๆ ของรังสีความโน้มถ่วง ที่ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากการโคจร คล้าย ๆ ผลกระทบจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า