ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง

ข่าวฮือฮาที่สุดในวงการวิทยาศาสตร์ยามนี้ ต้องยกให้ภาพถ่าย “หลุมดำภาพแรก” ที่ปรากฏแล้วต่อสายตาผู้ชมบนโลก

แม้จะเป็นภาพรัศมีของฝุ่นและก๊าซดูไม่คมชัด และไม่ได้มีสีสันน่าตื่นตะลึงเหมือนกับภาพกราฟิกตามจินตนาการ แต่เป็นสุดยอดภาพประวัติศาสตร์จากการค้นหาความจริงที่ถึงขีดสุด

เป็นหลักฐานแรกถึงการมีอยู่จริงของหลุมดำ ทั้งยืนยันว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General theory of relativity) ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ยอดนักฟิสิกส์ นั้นถูกต้อง

ทฤษฎีนี้ใช้อธิบายปรากฏการณ์ธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง ซึ่งไอน์สไตน์ คำนวณไว้เมื่อ 100 ปีก่อนว่าหลุมดำเป็นวัตถุที่มีมวลอัดแน่นจนแสงไม่สามารถเดินทางออกมาจากแรงโน้มถ่วงของมันได้

ถ้าแสงออกมาไม่ได้แล้วอะไรที่บุกเข้าไปถ่ายภาพนี้มาให้เราดูกัน

รายงานสำนักข่าวต่างๆ ที่เผยแพร่ภาพประวัติศาสตร์นี้ อธิบายว่า ภาพแรกของหลุมดำได้มาจากโครงการ กล้องโทรทรรศน์ อีเวนต์ ฮอไรซัน หรือ Event Horizon Telescope มีตัวย่อว่า EHT เป็นเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุความถี่สูง ช่วง 230-450 GHz

กล้องโทรทรรศน์ในโครงการนี้ไม่ใช่กล้องเดี่ยวๆ แต่มาจากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุ 8 แห่งทั่วโลก ทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณและกำลังแยกภาพ ใช้เทคนิคการแทรกสอดระยะไกล (Very Long Baseline Interferometer : VLBI)

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ทราบกันดีว่า “หลุมดำ” มีอยู่จริง แต่ยังไม่สามารถบันทึกภาพได้โดยตรง นักวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยวิธีการจำลองภาพหลุมดำจากทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ

เช่น เมื่อปี 1978 หรือ พ.ศ.2521 ฌอง-ปิแยร์ ลูมิเนต์ นักฟิสิกส์ ดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส สร้างแบบจำลองหลุมดำที่สังเกตการณ์ได้ขึ้นเป็นครั้งแรก มีลักษณะเป็นหลุมดำที่มีจานพอกพูนมวลล้อมรอบ แต่จานดังกล่าวแทนที่จะมีรูปร่างแบน กลับปรากฏเป็นเส้นโค้งงอซึ่งเผยให้เห็น “ด้านหลัง” ของจานพอกพูนมวล ซึ่งอยู่ตรงข้ามกับด้านระหว่างผู้สังเกตการณ์กับหลุมดำได้ เพราะแรงโน้มถ่วงมหาศาลบิดงอลำแสงจนเกิดภาพทุติยภูมิดังกล่าวขึ้น

ต่อมามีการสร้างภาพจำลองหลุมดำการ์แกนทัว ซึ่งหลายคนรู้จักกันดีจากภาพยนตร์เรื่องอินเตอร์สเตลลาร์ โดยส่วนหนึ่งสร้างจากพื้นฐานแนวคิดของลูมิเนต์ แต่ปรับเปลี่ยนเล็กน้อยหลังจากหารือกับ คิป ธอร์น นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์คนดังของสถาบัน แคลเทค รวมทั้งมีการปรับให้สวยงามชัดเจนขึ้นตามวัตถุประสงค์ด้านการถ่ายทำภาพยนตร์อีกด้วย

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง
ภาพจำลองหลุมดำจากทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ

แม้แบบจำลองหลุมดำจากภาพยนตร์นี้จะได้รับเสียงชื่นชมว่ามีความสมจริงตามหลักวิทยาศาสตร์มากที่สุด แต่สิ่งที่แตกต่างไปจากแบบจำลองของลูมิเนต์คือความสว่างของขอบฟ้าเหตุการณ์และจานพอกพูนมวลที่สม่ำเสมอกันทั้งหมด ทั้งที่ในความเป็นจริงมีแนวโน้มว่าความสว่างในส่วนดังกล่าวของหลุมดำจะไม่เท่ากัน

กระทั่งนาทีนี้ภาพหลุมดำจริงๆ ก็ปรากฏขึ้นแล้ว มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติจัดแถลงข่าวอันน่าฮือฮานี้ที่สโมสรสื่อมวลชนแห่งชาติ กรุงวอชิงตัน สหรัฐ อเมริกา ตรงกับเวลา 20.00 น. วันที่ 10 เม.ย.ตามเวลาไทย

หลุมดำนี้อยู่กลางกาแล็กซี Messier 87 หรือ เอ็ม 87 กาแล็กซีรูปไข่ หรือแบบวงรี ใกล้กระจุกกาแล็กซีเวอร์โก มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 40,000 ล้านกิโลเมตร หรือใหญ่กว่าโลก 3 ล้านเท่า และอยู่ห่างจากโลกไปกว่า 53.49 ล้านปีแสง หรือราว 500 ล้านล้านล้านกิโลเมตร

ศาสตราจารย์ไฮโน ฟัลเคอ จากมหาวิทยาลัยร็อดเบาด์ ประเทศเนเธอร์แลนด์ ผู้เสนอการทดลองในครั้งนี้ ให้รายละเอียดแก่สำนักข่าวบีบีซีว่า พบหลุมดำที่กาแล็กซี เอ็ม 87 ใหญ่กว่าระบบสุริยะทั้งหมด

“มันมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 6,500 ล้านเท่า และเป็นหลุมดำที่หนักที่สุดที่เราคิดว่ามีอยู่ เป็นอสุรกายที่แท้จริง และเป็นแชมป์ เฮฟวี่เวตของหลุมดำทั้งหมดในจักรวาล”ศ.ฟัลเคอกล่าว

สํานักข่าวบีบีซียังรายงานเปิดตัว ดร.เคที บาวแมน นักวิทยาศาสตร์สาว ผู้นำทีมวิจัยพัฒนาโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ทำให้ได้ภาพหลุมดำครั้งประวัติศาสตร์นี้

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง
ดร.เคที บาวแมน

รูปที่โพสต์ผ่านทางเฟซบุ๊ก ดร.บาวแมน กำลังโหลดภาพครั้งประวัติศาสตร์นี้บนคอมพิวเตอร์ และนักวิทยาศาสตร์หญิงมีสีหน้าที่ปลาบปลื้มดีใจมาก

นักวิทยาศาสตร์หญิง ปัจจุบันเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านคณิตศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์ ที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย หรือ แคลเทค (Caltech) กล่าวว่าเพื่อนร่วมงานควรจะได้รับคำชื่นชมด้วยเช่นกัน

ดร.บาวแมนเริ่มสร้างอัลกอริทึม หรือลำดับของขั้นตอนการคำนวณเพื่อสร้างเป็นผลลัพธ์ออกมา ตั้งแต่เรียนอยู่ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ หรือเอ็มไอที โดยได้รับการช่วยเหลือจากศูนย์ทดลองด้านคอมพิวเตอร์และปัญญาประดิษฐ์ของเอ็มไอที ศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนียน และหอสังเกตการณ์ เฮย์สแต็กของเอ็มไอที

ว่ากันว่า กระบวนการในการประมวลข้อมูลดิบของ ดร.บาวแมน มีส่วนสำคัญมากในการได้มาซึ่งภาพหลุมดำอันน่าทึ่งนี้

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง

นักวิทยาศาสตร์หญิงและทีมงานต้องการแก้ปัญหาที่กล้องโทรทรรศน์ตัวเดียวไม่มีพลังพอที่จะจับภาพหลุมดำได้ ดังนั้น จึงมีการตั้งเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ 8 ตัวขึ้นมาโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า interferometry โครงการกล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ ฮอไรซัน หรือ EHT โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ 8 แห่งในโลก จากแอนตาร์กติกาไปจนถึงชิลี และใช้ทีมนักวิทยาศาสตร์กว่า 200 คน

อัลกอริทึมที่ดร.บาวแมนและทีมงาน 4 ทีม ทดลองใช้ อัลกอริทึมหลายชุด มีสมมติฐานที่แตกต่างกันไปในตัว เพื่อเปลี่ยนข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ให้กลายเป็นรูป

ในเชิงคณิตศาสตร์และวิทยาการคอมพิวเตอร์ โดยนำข้อมูลที่ได้จากกล้องทั้งหมดไปเก็บไว้ในฮาร์ดไดรฟ์หลายร้อยตัว และนำไปเข้าสู่กระบวนการที่ศูนย์ปฏิบัติการในเมืองบอสตัน ในสหรัฐอเมริกา และเมืองบอนน์ เมืองหลวงเก่าของเยอรมนี เพื่อดึงภาพออกจากชุดข้อมูลที่มี

ทั้ง 4 ทีมช่วยกันนำผลลัพธ์ที่ได้ไปวิเคราะห์เพื่อให้มั่นใจได้ว่าเป็นผลการทดลองที่ถูกต้องแม่นยำ

คณะทำงานของพวกเราเปรียบเหมือนหม้อซุปใบโตที่หลอมละลาย นักดาราศาสตร์ นักฟิสิกส์ นักคณิตศาสตร์ วิศวกร ให้เข้ากันเป็นเนื้อเดียว และนั่นคือทำให้เราประสบความสำเร็จในสิ่งที่เคยคิดว่าเป็นไปไม่ได้” ดร.บาวแมนกล่าว

กล้องโทรทรรศน์ Event Horizon Telescope-EHT เป็นการทำงานร่วมกันของเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 8 แห่งทั่วโลก ได้แก่

1.หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแอริโซนา สหรัฐอเมริกา (Arizona Radio Observatory/Submillimeter-wave Astronomy – ARO/SMT)

2.กล้องโทรทรรศน์เอเพ็กซ์ ประเทศชิลี (Atacama Pathfinder EXperiment – APEX)

3.กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ไออาร์เอเอ็ม ประเทศสเปน (IRAM 30-meter telescope)

4.กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เคลิร์ก แม็กซ์เวลล์ รัฐฮาวาย สหรัฐอเมริกา (James Clerk Maxwell Telescope- JCMT)

5.กล้องโทรทรรศน์อัลฟองโซ เซอร์ราโน ประเทศเม็กซิโก The Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT)

6.กล้องซับมิลลิมีเทอร์ อาร์เรย์ รัฐฮาวาย สหรัฐอเมริกา The Submillimeter Array (SMA)

7.กล้องโทรทรรศน์วิทยุอัลมา ประเทศชิลี (Atacama Large Millimeter/ Submillimeter Array – ALMA)

8.กล้องโทรทรรศน์วิทยุ ณ ขั้วโลกใต้ ทวีปแอนตาร์กติกา (South Pole Telescope -SPT)

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง

ดร.ศรัณย์ โปษยะจินดา ผู้อำนวยการสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ อธิบายว่า กล้องโทรทรรศน์อีเวนต์ฮอไรซัน หรือ อีเอชที ทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการรับสัญญาณและกำลังแยกภาพ ใช้เทคนิคการแทรกสอดระยะไกล หรือวีแอลบีไอ เมื่อสังเกตการณ์ร่วมกัน จะเสมือนว่ามีกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีขนาดหน้าจานเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก

การใช้เทคนิคการแทรกสอดระยะไกลในครั้งนี้ สังเกตการณ์ ณ ช่วงความถี่ 230 GHz เทียบเท่าความยาวคลื่น 1.3 มิลลิเมตร ทำให้ได้ภาพที่มีความละเอียดเชิงมุมระดับ 20 ไมโครอาร์กเซก ประสิทธิภาพของกล้องเปรียบเสมือนมีความละเอียดเพียงพอที่จะอ่านหนังสือพิมพ์ในนิวยอร์กได้จากร้านกาแฟในปารีส ที่ระยะห่างกว่า 6,000 กิโลเมตร

สำหรับภาพที่บันทึกได้ปรากฏเป็นเงาของหลุมดำที่ห่อหุ้มหลุมดำ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 40,000 ล้านกิโลเมตร เงาของหลุมดำนี้ใหญ่กว่าขนาดจริงของหลุมดำประมาณ 2.5 เท่า นับเป็นหลุมดำที่มีขนาดใหญ่และใกล้โลกที่สุดเท่าที่มนุษย์เคยศึกษามา

ดร.ศรัณย์กล่าวว่า นอกจากความสำเร็จในการบันทึกภาพเงาของหลุมดำ มวลยวดยิ่งได้เป็นครั้งแรกแล้ว การ ค้นพบครั้งนี้ยังสามารถใช้พิสูจน์ทฤษฎีสัมพัทธภาพ-10 ถ่ายเทมวลสารและพลังงานมหาศาลรอบหลุมดำได้ดียิ่งขึ้น และกระบวนการปลดปล่อยรังสีในรูปแบบเจ็ตของหลุมดำ

ที่มาภาพแรก‘หลุมดำ’ 8กล้องโทรทรรศน์ผนึกกำลัง

การค้นพบองค์ความรู้ใหม่ทางวิทยา ศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ครั้งนี้จะสำเร็จไม่ได้หากปราศจากความร่วมมือระดับนานาชาติจากหอดูดาว และนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก

สำหรับ สดร.ตระหนักถึงความสำคัญที่จะเข้าร่วมเป็นส่วนหนึ่งในความร่วมมือระดับนานาชาตินี้ โดยกำลังดำเนินการสร้างหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติขึ้นเพื่อเข้าร่วมสังเกตการณ์ในอนาคต นอกจากนี้ ประเทศไทยยังได้รับเชิญให้เข้าร่วมเป็นสมาชิกเครือข่ายหอดูดาวในเอเชียตะวันออก (The East Asian Observatory: EAO) หนึ่งในเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุความถี่สูงที่ร่วมศึกษาในครั้งนี้

นับเป็นประเทศที่ 5 ที่ร่วมเป็นสมาชิกเต็มรูปแบบของเครือข่ายดังกล่าว เพิ่มเติมจากจีน ญี่ปุ่น เกาหลี และไต้หวัน แสดงถึงศักยภาพและการยอมรับของวงการดาราศาสตร์ไทยในเวทีโลก ความร่วมมือในโครงการวิทยาศาสตร์ระดับโลก

การดำเนินงานนี้ไม่ได้นำมาซึ่ง ความสามารถทางวิทยาศาสตร์ของ นักดาราศาสตร์ไทยแต่เพียงอย่างเดียว แต่ยังเปิดโอกาสให้วิศวกร ช่างเทคนิค โปรแกรมเมอร์ มีส่วนร่วมในการพัฒนาเทคโนโลยีขั้นสูง และมีส่วนร่วมในการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ของโลกต่อไปในอนาคต

ข้อมูลประกอบ : BBCไทย, NARIT

ภาพ : รอยเตอร์, เก็ตตีอิมเมจ

บทความก่อนหน้านี้สู้ท้าฝันเพื่อครอบครัว/หายนะหาย/คำสาปมรณะจากหญิงร่ำไห้/ขออีกฟุต ให้หัวใจเราใกล้กัน : บันเทิงต่างประเทศ
บทความถัดไป‘ต่อ’หายเหนื่อยละคร‘หัวใจศิลา’ฟีดแบ็กดีได้คำชม ขึ้นแท่นพระเอกเต็มตัวต้องทำการบ้านหนัก