ไขปริศนาหลุมดำค้นพบเบาะแส "ขอบฟ้าเหตุการณ์" จากคลื่นความโน้มถ่วง

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบอะไร ?

การค้นพบเกิดขึ้นจากการตรวจจับสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงรหัส GW250114 เมื่อเดือนมกราคม 2025 โดยหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO, Virgo และ KAGRA สัญญาณดังกล่าวเกิดจากการชนและรวมตัวของหลุมดำมวลประมาณ 32 เท่าของดวงอาทิตย์จำนวน 2 แห่ง ก่อนจะหลอมรวมเป็นหลุมดำแห่งใหม่ พร้อมปลดปล่อยพลังงานมหาศาลจนทำให้โครงสร้างของกาลอวกาศเกิดการสั่นสะเทือนรุนแรง ถือเป็นสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงที่มีความเข้มสูงที่สุดนับตั้งแต่มีการตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นครั้งแรกเมื่อเกือบ 10 ปีก่อน

ขอบฟ้าเหตุการณ์ร่วม (Collective Event Horizon)

ภายในสัญญาณ GW250114 มีหลักฐานที่บ่งชี้ถึงการเกิดขอบฟ้าเหตุการณ์ร่วม (Collective Event Horizon) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำทั้ง 2 แห่ง เริ่มหลอมรวมเข้าด้วยกันระหว่างการชน ถือเป็นช่วงเวลาที่นักฟิสิกส์เคยคาดการณ์ไว้ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Relativity) ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) แต่เพิ่งสามารถศึกษารายละเอียดได้อย่างใกล้ชิดจากข้อมูลจริงเป็นครั้งแรก

นีล ลู (Neil Lu) หนึ่งในหัวหน้าทีมวิจัยจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงแห่งออสเตรเลีย (OzGrav) เปิดเผยว่า "ทีมวิจัยสามารถวัดสัญญาณสุดท้ายที่หลุมดำสร้างขึ้นขณะพุ่งชนกัน ภายในสัญญาณดังกล่าวยังมีองค์ประกอบเล็กๆ ซ่อนอยู่เรียกว่า คลื่นตรง (Direct Waves) ซึ่งก่อนหน้านี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจดีนัก ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์รูปแบบใหม่ นักวิจัยจึงสามารถถอดรหัสและดึงข้อมูลที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะจากคลื่นตรงออกมาได้ ทำให้สามารถศึกษาข้อมูลจากบริเวณที่อยู่ใกล้กับขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ของหลุมดำได้"

หลิง ซุน (Ling Sun) หัวหน้าทีมวิจัยอีกรายจาก OzGrav อธิบายเพิ่มเติมว่า "ความเข้มของสัญญาณ GW250114 สูงกว่าสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วงครั้งประวัติศาสตร์เมื่อปี 2015 ถึงประมาณ 3 เท่า ส่งผลให้สามารถวัดคุณสมบัติพื้นฐานของหลุมดำหลังการรวมตัวได้อย่างแม่นยำ ทั้งความถี่ในการหมุน (Rotation Frequency) และแรงโน้มถ่วงพื้นผิว (Surface Gravity) ซึ่งเป็นข้อมูลสำคัญสำหรับทำความเข้าใจธรรมชาติของหลุมดำ" โดยเฉพาะการทำความเข้าใจขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon)

ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon)

สำหรับขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) นั้นถือเป็นบริเวณที่แรงโน้มถ่วงรุนแรงจนความเร็วที่ต้องใช้ในการหลบหนีสูงกว่าความเร็วแสง ซึ่งตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ระบุว่าจะต้องใช้พลังงานอย่างไม่มีที่สิ้นสุด จึงไม่มีทั้งสสาร พลังงาน หรือแม้แต่แสงที่สามารถเดินทางย้อนกลับออกมาได้ ทำให้มนุษย์ไม่สามารถสังเกตสิ่งที่เกิดขึ้นภายในหลุมดำได้โดยตรง

แนวคิดขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) มีจุดเริ่มต้นจากการแก้สมการทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปปี 1915 ของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ โดยการพัฒนาของ คาร์ล ชวาร์สชิลด์ (Karl Schwarzschild) ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 ซึ่งค้นพบจุดที่เรียกว่ารัศมีชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild radius) ขนาดของขอบเขตนี้จะขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ ตัวอย่างเช่น รัศมีชวาร์สชิลด์ของดวงอาทิตย์จะอยู่ที่ระยะ 3 กิโลเมตรจากจุดศูนย์กลางมวล ส่วนโลกจะอยู่ที่ระยะเพียง 9 มิลลิเมตร

นอกจากแรงโน้มถ่วงมหาศาลแล้ว หลุมดำที่หมุนตัวยังดึงลากโครงสร้างของอวกาศให้หมุนตามไปด้วย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Frame-dragging หรือ Lense-Thirring Effect ส่งผลให้บริเวณขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) มีกฎเพิ่มขึ้นมาอีกข้อคือ นอกจากจะไม่มีสิ่งใดหลบหนีออกไปได้แล้ว ก็ไม่มีวัตถุใดสามารถหยุดนิ่งอยู่กับที่ได้เช่นกัน 

ก้าวสำคัญในการศึกษาหลุมดำ

นักวิจัยระบุว่า การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงรหัส GW250114 ถือเป็นก้าวสำคัญของดาราศาสตร์คลื่นความโน้มถ่วง เพราะไม่เพียงช่วยเปิดหน้าต่างบานใหม่สู่การศึกษาหลุมดำเท่านั้น แต่ยังอาจกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และค้นหาฟิสิกส์ใหม่ที่อาจซ่อนอยู่ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดของจักรวาล

ผลการศึกษาซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 24 มิถุนายน ภายใต้ชื่อ "GW250114 reveals signatures of post-merger black-hole horizon" หรือ "GW250114 เผยให้เห็นสัญญาณของขอบฟ้าหลุมดำหลังการรวมตัวกัน"