เมื่อวันที่ 10 เมษายน 2562 โลกได้เห็น “ภาพถ่ายของหลุมดำ” เป็นครั้งแรก จากผลงานของโครงการ Event Horizon  หรือ EHT  ภาพที่เห็นคือหลุมดำมวลยวดยิ่งใจกลางกาแล็กซี M87

และถ้าพูดให้ชัดอีกที ภาพที่เห็นคือภาพ “เงาของหลุมดำ” ไม่ใช่ตัวหลุมดำจริงๆ

ที่เป็นแบบนี้ เพราะเราไม่มีทางมองเห็นหลุมดำจริงๆได้ เหตุผลคือโครงสร้างของหลุมดำทำให้เป็นแบบนั้น

“หลุมดำ” นั้น จริงๆไม่ใช่หลุม แต่คือทรงกลมที่ห่อหุ้มจุดเอกภาวะ (singularity) ตรงศูนย์กลางเอาไว้ ทรงกลมนี้มีขอบเขตที่เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (Event Horizon) และรัศมีของทรงกลมนี้มีขนาดเท่ากับ 1 รัศมีชวาร์สชิลด์ (Rs) <<ดูคลิปด้านล่างประกอบไปด้วยจะเข้าใจ>> ภายในทรงกลมคือส่วนที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล จนแม้แต่แสง ก็จะถูกดูดเข้าไปจนไม่อาจกลับออกมาได้ (สีดำสนิทในกลางภาพล่าง)

แสงสว่างดูเหมือนโดนัทในภาพถ่ายหลุมดำด้านบน ซึ่งก็คือส่วนสีเทาในภาพล่าง เรียกว่า “จานสะสมมวล” (accretion disk) แสงสว่างที่เห็นนี้ มาจากสสารจำพวกฝุ่นและแก้สที่หมุนวนรอบหลุมดำด้วยความเร็วสูง และที่เราเห็นแสงที่สว่างไม่เท่ากัน คือด้านหนึ่งของโดนัทสว่างมากกว่าอีกด้าน มาจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler Effect) อันนี้ลองกดลิงค์เข้าไปดูคำอธิบายอีกที

ขอบในสุดของจานสะสมมวลหรือโดนัทนี้มีขนาดเท่ากับ 3 รัศมีชวาร์สชิลด์ (Rs) ขอบนี้ค่อนข้างคงที่แบ่งเขตชัดเจน เพราะหากเข้าใกล้กว่านี้ สสารในจานจะถูกดูดเข้าไปในทรงกลมดำหรือ “ขอบฟ้าเหตุการณ์” ดังนั้น จะมีสิ่งเดียวที่เข้าไปใกล้กว่ารหัสมี 3Rs ได้ นั่นคือ “แสง” ด้วยเหตุผลคือแสงหรือโฟตอนนั้นไม่มีมวล

แสงหรืออนุภาคโฟตอนจากทุกทิศทางในอวกาศที่เดินทางมาหาหลุมดำ จะผ่านเข้าไปได้ถึงถึงรัศมี 1.5 Rs ที่ ณ จุดนี้ อนุภาคแสงจะวิ่งวนเป็นทรงกลม เรียกว่า “ทรงกลมแสง” (photon sphere)

แต่แสงที่จะทำให้เรามองเห็น ต้องเป็นแสงที่เดินทางเข้าสู่ดวงตาของเรา เส้นทางของแสง (สีแดงในภาพบน) ที่เดินทางตรงเข้าหาขอบฟ้าเหตุการณ์นั้นแน่นอนว่าไม่อาจกลับออกมาได้ ถัดออกมาก็จะเลี้ยวเข้าหาขอบฟ้าเหตุการณ์อยู่ดีเพราะมิติของกาลอวกาศที่โค้งลงไปทางนั้น ต้องห่างออกมาจนถึงรัศมี 2.6 Rs (สีแดงในภาพบน) อนุภาคแสงซึ่งมีโมเมนตัมเชิงมุมจึงจะสามารถหมุนวนรอบขอบฟ้าเหตุการณ์แล้วย้อนกลับออกมาได้แบบ U-Turn ตรงกลับมาเข้าดวงตาเรา แสงส่วนนี้เองที่เมื่อมองจากโลกจะเห็นเป็นแสงสว่างรูปวงแหวนล้อมรอบวงกลมดำรัศมี 2.6 Rs เอาไว้ (วงแหวนแสงนี้เป็นคนละอันกับทรงกลมแสงที่รัศมี 1.5 Rs) และวงกลมดำรัศมี 2.6 Rs นี้เองที่เรียกว่า “เงาของหลุมดำ” และมันก็คือวงกลมดำในภาพถ่ายหลุมดำที่เห็นกันเมื่อ 10 เมษายน 2562 ที่กล่าวถึงข้างต้น

เรียบเรียงโดย @MrVop

*** ตัวเลขจำนวนเท่าของรัศมีชวาร์สชิลด์ (Rs) ในบทความนี้ เทียบกับหลุมดำที่ไม่หมุนรอบตัวเองเท่านั้น สำหรับหลุมดำที่หมุนรอบตัวเองจะใช้ตัวเลขอื่นที่ต่างออกไป