Newsletter subscribe

Origin and Evolution of The Universe, Universe

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#30 หลุมดำ

Posted: 23/04/2021 at 13:45   /   by   /   comments (0)

หลุมดำคืออะไร

หลุมดำ (Black hole) เป็นวัตถุที่แปลกประหลาดและน่าสนใจที่สุดในอวกาศ พวกมันเป็นพื้นที่ของอวกาศ-เวลา (space-time) ในจักรวาลที่มีความหนาแน่นและความโน้มถ่วงสูงมากซึ่งไม่มีสิ่งใดสามารถหลุดรอดออกไปได้แม้แต่แสง เราไม่สามารถเข้าใจภายในของหลุมดำได้ เพราะหลุมดำเป็นสถานที่ที่กฎของฟิสิกส์ถูกทำลายลง

แนวคิดเรื่องหลุมดำมีมานานหลายศตวรรษแล้ว ในปี 1783 จอห์น มิทเชล (John Michell) ได้ตั้งทฤษฎีเกี่ยวกับดาวมืดซึ่งเป็นดาวที่มีขนาดใหญ่มากจนแรงโน้มถ่วงของมันดักจับแสง ในขณะที่มิทเชลสร้างแนวคิดเรื่องหลุมดำแต่ก็ไม่ได้รับเครดิตเพราะเขาไม่เคยขยายความคิดของเขา เป็นเวลากว่าสองศตวรรษที่ทฤษฎีของวัตถุที่มีขนาดใหญ่พอที่จะดักจับแสงได้ถูกปล่อยให้อยู่ตามลำพังในขณะที่นักฟิสิกส์มุ่งเน้นไปที่แง่มุมอื่นๆ ของจักรวาล จากนั้น อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้ค้นพบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและความสนใจในหลุมดำก็ปะทุขึ้น

 

ประเภทของหลุมดำ

หลุมดำมี 4 ประเภท มวลและขนาดของหลุมดำเป็นตัวกำหนดว่ามันจัดอยู่ในประเภทใด

หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes)

หลุมดำที่เล็กที่สุดเรียกว่า “หลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primordial black holes)” หลุมดำประเภทนี้ไม่ได้เริ่มต้นจากการเป็นดาวฤกษ์ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าหลุมดำดึกดำบรรพ์ก่อตัวขึ้นทันทีหลังจากการระเบิดบิกแบงซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของจักรวาล พื้นที่ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วของจักรวาลเต็มไปด้วยพลังงานอย่างไม่น่าเชื่อ อาจบีบบางพื้นที่ให้กลายเป็นหลุมดำขนาดเล็กมากประมาณอะตอม แต่มีมวลเท่าภูเขาขนาดใหญ่ 

หลุมดำมวลดาวฤกษ์ (Stellar black holes)

ชนิดของหลุมดำที่พบมากที่สุดและนักวิทยาศาสตร์เข้าใจมากที่สุดที่เรียกว่า “หลุมดำมวลดาวฤกษ์ (Stellar black holes)” เป็นหลุมดำชนิดหนึ่งที่เกิดจากการพังทลายลงและยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์มวลมากเมื่อสิ้นอายุขัย (มวลประมาณสามถึงหลายสิบเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ดวงอาทิตย์ของเรามีขนาดเล็กเกินไปหรือมีมวลไม่เพียงพอที่จะก่อตัวเป็นหลุมดำ) การล่มสลายทำให้เกิดการระเบิดของซูเปอร์โนวา หลังจากการระเบิดซูเปอร์โนวาที่พัดชั้นนอกของดาวออกไป เหลือแต่ซากแกนกลางของดาวที่มีความหนาแน่นสูง และการยุบตัวยังคงดำเนินต่อไปจนถึงจุดที่สสารมีความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งความโน้มถ่วงนั้นยิ่งใหญ่มากจนแม้แต่แสงก็ไม่สามารถหลุดรอดออกมาได้จากแรงดึงดูดของมันได้ และมีการสร้างหลุมดำขึ้น

 

หลังจากหลุมดำก่อตัวขึ้นแล้ว ความโน้มถ่วงยังคงดึงเศษซากอวกาศและสสารประเภทอื่นๆ เข้ามาช่วยเพิ่มมวลของแกนกลาง ทำให้หลุมดำนั้นมีแรงดึงดูดที่แข็งแกร่งและทรงพลังมากขึ้น จนก่อเกิดจุดที่เรียกว่า “ภาวะเอกฐาน (Singularity)” ในใจกลางหลุมดำ ซึ่งเป็นจุดที่ความโน้มถ่วงนั้นแข็งแกร่งอย่างไม่มีที่สิ้นสุด มวลและพลังงานทั้งหมดถูกอัดแน่นด้วยแรงกดดันที่รุนแรงจนมีปริมาตรเป็นศูนย์ มีความหนาแน่นมากแบบไม่มีที่สิ้นสุด และมีความร้อนสูงมากแบบไม่มีที่สิ้นสุดเช่นกัน นักฟิสิกส์ไม่รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นที่ Singularity มันเป็นสภาพแวดล้อมสุดขั้วที่ทำให้กฎฟิสิกส์ในปัจจุบันของเราพังทลายลง

เมื่อพิจารณาจากจำนวนดาวที่ใหญ่พอที่จะสร้างหลุมดำดังกล่าว นักวิทยาศาสตร์คาดว่ามีหลุมดำมวลดาวฤกษ์มากถึง 10 ล้านถึง 1,000 ล้านหลุมในกาแล็กซี่ทางช้างเผือก

หลุมดำมวลปานกลาง (Intermediate black holes)

เมื่อเร็วๆ นี้มีการค้นพบการจำแนกประเภทใหม่สำหรับหลุมดำ ซึ่งเป็นหลุมดำมวลปานกลาง (Intermediate black holes) มันมีขนาดใหญ่กว่าหลุมดำมวลดาวฤกษ์และมีขนาดเล็กกว่าหลุมดำมวลยวดยิ่ง (มีมวลประมาณ 100 – 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ไม่เคยมีดาวดวงเดียวสามารถสร้างหลุมดำขนาดใหญ่ได้ วิธีเดียวที่นักดาราศาสตร์คิดว่าหลุมดำดังกล่าวสามารถก่อตัวได้ก็คือเกิดจากการรวมตัวกันของหลุมดำมวลดาวฤกษ์

หลุมดำมวลปานกลางถูกคิดว่าจะก่อตัวขึ้นเมื่อหลุมดำมวลดาวฤกษ์จำนวนมากชนและรวมตัวเข้าด้วยกัน การรวมตัวเหล่านี้มักเกิดขึ้นในพื้นที่ที่แออัดของกาแล็กซี่ การรวมตัวของหลุมดำมวลดาวฤกษ์จะใช้เวลานานมากในช่วงแรกของการวิ่งมาชนกัน แต่ในที่สุดพวกมันก็วนเข้าหากันเร็วขึ้นเรื่อยๆ จนในที่สุดก็รวมตัวกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ขึ้น

 

วีดิโอนี้จัดทำโดย LIGO จำลองเหตุการณ์การเคลื่อนตัวมาชนและรวมตัวกันของหลุมดำ 2 หลุม

นักดาราศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่ามีหลุมดำมวลกลาง (Intermediate black holes) ซึ่งมีมวลประมาณ 100 – 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์อยู่หรือไม่ ตัวอย่างของหลักฐานทางอ้อมที่น่าเชื่อถือที่สุดในปัจจุบันเกิดขึ้นเมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม 2019 เมื่อหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO/Virgo ตรวจพบสัญญาณคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) ในเครื่องตรวจจับทั้งสามเครื่อง หลังจากการสรุปผลการสังเกตการณ์และการวิเคราะห์คลื่นอย่างรอบคอบ ความร่วมมือ LIGO/Virgoได้ประกาศอย่างเป็นทางการให้เหตุการณ์ GW190521 เป็นการตรวจจับการรวมตัวกันของหลุมดำ 2 หลุม (มีมวล ~ 85 และ ~ 66 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) ที่โคจรรอบกันและกันขณะเคลื่อนตัวเข้าใกล้กัน และสิ่งที่เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายก็คือหลุมดำเดี่ยวขนาดใหญ่ที่มีมวล ~ 142 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้มันอยู่ในประเภทของหลุมดำมวลปานกลางที่เข้าใจยาก 

หลุมดำมวลยวดยิ่ง (Supermassive black holes)

หลุมดำที่ทรงพลังและมีขนาดใหญ่ที่สุดคือ “หลุมดำมวลยวดยิ่ง (Supermassive black holes)” หลุมดำเหล่านี้มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายล้านเท่าและบางแห่งอาจมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายแสนล้านเท่า ในช่วง 30 ปีที่ผ่านมาการสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลสามารถตรวจจับหลุมดำมวลยวดยิ่งโดยเฝ้าดูผลกระทบของมันที่มีต่อดาวฤกษ์และก๊าซที่อยู่ใกล้เคียง แสดงให้เห็นว่ามีหลุมดำมวลยวดยิ่งในใจกลางกาแล็กซี่ขนาดใหญ่แทบทุกแห่ง และนักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าพวกมันถูกสร้างขึ้นในเวลาเดียวกับกาแล็กซี่ที่พวกมันอยู่ หลุมดำมวลยวดยิ่งที่ใจกลางกาแล็กซี่ทางช้างเผือกของเราเรียกว่า ซาจิทาเรียสเอ (Sagittarius A) มีมวลเท่ากับมวลดวงอาทิตย์ประมาณ 4 ล้านดวง และมีขนาดเท่ากับลูกบอลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณเท่าดวงอาทิตย์

ทำไมพวกมันถึงมีขนาดใหญ่อย่างไม่น่าเชื่อ แต่นักดาราศาสตร์ค่อนข้างมั่นใจว่าการพัฒนาของพวกมันเชื่อมโยงกับการปรากฏตัวของพวกมันที่ใจกลางกาแล็กซี่ พวกมันมีความหนาแน่นมากจนไม่มีอะไรที่จะรอดพ้นจากแรงดึงดูดของมันได้ มีดาวฝุ่นและก๊าซจำนวนมากมายในใจกลางกาแล็กซี่ ในสถานการณ์นี้หลุมดำมวลยวดยิ่งจะดูดกลืนมวลจากสิ่งรอบตัวจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ จนหลุมดำสามารถเติบโตได้อย่างรวดเร็วและมีมวลมหาศาล นอกจากนี้เนื่องจากกาแล็กซี่จำนวนมากชนกันซ้ำแล้วซ้ำเล่าในช่วงชีวิตที่ยาวนาน ทำให้หลุมดำมวลยวดยิ่งรวมตัวกันเป็นหลุมดำมวลยวดยิ่งที่ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

 

 

Bebe Rexha – Sabotage

 

 

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำนายการมีอยู่ของหลุมดำ

เมื่อ 100 กว่าปีก่อนเราคิดว่ากาแล็กซี่ทางช้างเผือกเป็นที่ตั้งของทุกสิ่งที่เรามองเห็นบนท้องฟ้า เราคิดว่าจักรวาลคงที่ไม่เปลี่ยนแปลงและอาจเป็นนิรันดร์อยู่ภายใต้กฎแห่งความโน้มถ่วงสากลของนิวตัน ทั้งหมดนี้เปลี่ยนไปอย่างมากในช่วงเวลาสั้นๆ ไม่กี่ปี ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์มาแทนที่ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของนิวตัน ซึ่งแสดงให้เราเห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างสสารและพลังงานกับโครงสร้างของอวกาศ-เวลา ตามสมการของไอน์สไตน์ จักรวาลไม่สามารถคงที่ได้ แต่ต้องมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เป็นข้อเท็จจริงที่ยืนยันได้จากการค้นพบจักรวาลที่กำลังขยายตัว ทฤษฎีของไอน์สไตน์ยังทำนายการมีอยู่ของหลุมดำซึ่งถูกค้นพบในภายหลังและแม้แต่ถ่ายภาพโดยตรง สิ่งนี้นำไปสู่ความคิดที่ว่าบางทีจักรวาลของเราอาจถือกำเนิดจากหลุมดำตามทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory)

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำนายการมีอยู่ของหลุมดำเป็นครั้งแรกในปี 1915 ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขา (Theory of general relativity) ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปทำนายว่าเมื่อดาวฤกษ์มวลมากพังทลายลงเมื่อสิ้นอายุขัย มันจะทิ้งแกนเล็กๆ ที่เหลืออยู่แต่มีความหนาแน่นมาก ถ้า “มวลของแกนกลางมากกว่า 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์” จากสมการสนามของไอน์สไตน์แสดงให้เห็นว่าความโน้มถ่วงจะเอาชนะแรงอื่นๆ ทั้งหมด และบีบอัดแกนกลางจนกว่าจะมีปริมาตรเพียงเล็กน้อยและก่อให้เกิดหลุมดำ อย่างไรก็ตามไอน์สไตน์เองไม่เชื่อในการมีอยู่ของหลุมดำแม้ว่าทฤษฎีของเขาจะทำนายไว้ก็ตาม

 

หลุมดำชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild black holes) 

เพียงไม่กี่เดือนต่อมาหลังไอน์สไตน์ประกาศทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป คาร์ล ชวาทซ์ชิลท์ (Karl Schwarzschild) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้พบวิธีแก้สมการของไอน์สไตน์ซึ่งอธิบายการบิดเบือนอวกาศ-เวลารอบๆ ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ หรือหลุมดำมวล M ที่มีสมมาตรเป็นทรงกลม “ที่ไม่หมุน” ซึ่งไม่มีประจุ  คณิตศาสตร์ของ Schwarzschild เผยให้เห็นว่าความโค้งของอวกาศ-เวลาจะแตกต่างกันอย่างไรในหมู่ดาวที่มีขนาดเล็กลงมากขึ้นเรื่อยๆ

จากการใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ Schwarzschild ค้นพบว่าสสารที่ถูกบีบอัดจนถึงจุดหนึ่ง (ปัจจุบันเรียกว่า Singularity) จะถูกล้อมรอบด้วยพื้นที่ทรงกลมซึ่งไม่มีสิ่งใดหลุดรอดออกไปได้ ขอบเขตของพื้นที่นี้เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon)” ซึ่งเป็นจุดที่ไม่มีสิ่งใดสามารถย้อนกลับมาได้ไม่ว่าแสงหรือข้อมูลใดๆ ดังนั้นหลุมดำจะปรากฏเป็นสีดำจากภายนอก

“Event horizon คือ กำแพงคุกที่ดีที่สุด – ใครๆ ก็เข้าได้ แต่ไม่เคยได้ออกไป”

Schwarzschild ได้นำเสนอสมการที่ช่วยให้สามารถคำนวณขนาดของหลุมดำหรือขนาดของ Event horizon สมการของ Schwarzschild บ่งบอกว่าขนาดของหลุมดำขึ้นอยู่กับจำนวนมวล (M) หลุมดำยิ่งมีมวลมาก จะยิ่งมีรัศมีของมัน (R) มาก รัศมีของหลุมดำนี้เรียกว่า “รัศมีชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild radius)” สำหรับหลุมดำที่มีมวล 10 เท่าของดวงอาทิตย์จะมีรัศมีจะอยู่ที่ 30 กม. และรัศมีของหลุมดำจะเพิ่มขึ้นประมาณ 3 กม.สำหรับมวล 1 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ที่ถูกหลุมดำกลืนเข้าไป และดูเหมือนจะมี Singularity ที่รัศมีเป็นศูนย์ (R = 0)

หลังจากที่ Schwarzschild ได้ค้นพบการดำรงอยู่ที่เป็นไปได้ของสิ่งที่รู้จักกันในภายหลังว่าเป็น Schwarzschild black holes เขาได้เขียนผลลัพธ์ของเขาและส่งให้ไอน์สไตน์ซึ่งเผยแพร่ต่อชุมชนวิทยาศาสตร์ในปี 1916 โชคไม่ดีที่ Schwarzschild เสียชีวิตด้วยโรคแพ้ภูมิตัวเองในปีเดียวกันนี้ ไอน์สไตน์และนักฟิสิกส์คนอื่นๆ ใช้วิธีแก้ปัญหาของ Schwarzschild แต่ก็ยังสงสัยว่ามีหลุมดำอยู่จริงหรือไม่

 

 

กล่าวโดยสรุป Schwarzschild Black Holes มี 3 ส่วน:

(1) เหตุการณ์ขอบฟ้า (Event Horizon)

เหตุการณ์ขอบฟ้าคือ “ธรณีประตูของหลุมดำ” เป็นขอบเขตรอบปากหลุมดำที่ความโน้มถ่วงมีความแข็งแกร่งมากจนไม่มีอะไรสามารถหลบหนีได้แม้นแต่แสง เมื่ออนุภาคข้าม Event Horizon ไปแล้วจะไม่สามารถย้อนกลับได้ 

Event Horizon ของหลุมดำเชื่อมโยงกับความเร็วในการหลบหนีของวัตถุ ยิ่งมีวัตถุเข้ามาใกล้หลุมดำมากเท่าไหร่ ความเร็วก็จะยิ่งมากขึ้นเพื่อหนีจากความโน้มถ่วงขนาดใหญ่ในบริเวณนั้น การที่จะหลบหนีจาก Event Horizon ได้ ความเร็วของวัตถุในการหลบหนีต้องสูงกว่าความเร็วแสง แต่ไม่มีสิ่งใดสามารถเดินทางผ่านอวกาศได้เร็วกว่าความเร็วแสงตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ นั่นหมายความว่า Event Horizon ของหลุมดำเป็นจุดที่ไม่มีสิ่งใดสามารถย้อนกลับมาได้ 

วัตถุใดๆ เข้าใกล้ Event horizon ผู้สังเกตภายนอกจะเห็นภาพของวัตถุนั้นเปลี่ยนเป็นสีแดงเนื่องจากความโน้มถ่วง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “Gravitational redshift” จากนั้นจะมืดสลัว ในที่สุดวัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำก็จางหายไปจนไม่สามารถมองเห็นได้อีกต่อไป เพราะไม่มีสิ่งใดสามารถหลบหนีออกจากหลุมดำได้รวมทั้งแสง โดยปกติกระบวนการนี้จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วโดยมีวัตถุหายไปจากมุมมองภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งวินาที

 

ปรากฏการณ์การเลื่อนไปทางแดง (Gravitational redshift) เกิดจากอนุภาคของแสงหรือโฟตอนเมื่อเดินทางผ่านบริเวณที่มีความโน้มถ่วงสูงมากๆ ของวัตถุมวลมาก เช่น ดาวนิวตรอน หลุมดำ มันจะตกลงไปในบ่อความโน้มถ่วง (gravitational well) ที่เกิดจากการโค้งงอของอวกาศ-เวลา สิ่งที่เกิดขึ้นคือมันพยายามปีนออกจากบ่อความโน้มถ่วง โฟตอนต้องใช้พลังงานในการหลบหนี แต่ในเวลาเดียวกันโฟตอนไม่สามารถลดความเร็วลงได้ มันต้องเดินทางที่ความเร็วแสงเสมอ เนื่องจากพลังงานเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความถี่คลื่น การสูญเสียพลังงานของโฟตอนขณะกำลังหลบหนีออกจากสนามความโน้มถ่วงที่สูงมาก ทำให้ความถี่คลื่นลดลงหรือความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น หรือกล่าวได้อีกอย่างว่า เลื่อนมาทางแสงสีแดงของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า “redshift” ซึ่งเป็นปรากฏการณ์หนึ่งที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (Einstein’s theory of general relativity, 1915)

(2) Interior Space  – คือพื้นที่ภายในของหลุมดำที่ซับซ้อนและเป็น “สีดำ” อย่างสมบูรณ์ 

(3) Singularity – คือสถานที่ที่สำคัญตั้งอยู่ใจกลางของหลุมดำ เป็นจุดที่ความโน้มถ่วงนั้นแข็งแกร่งอย่างไม่มีที่สิ้นสุด สสารและพลังงานทั้งหมดถูกอัดแน่นด้วยแรงกดดันที่รุนแรงจนมีขนาดเล็กมากแบบไม่มีที่สิ้นสุด มีความหนาแน่นมากแบบไม่มีที่สิ้นสุด และมีความร้อนสูงมากแบบไม่มีที่สิ้นสุดเช่นกัน กฎทางฟิสิกส์ต่างๆไม่สามารถใช้อธิบายปรากฎการณ์ในช่วงนี้ได้

ตามทฤษฎีบิกแบง (Big Bang Theory) มีการระเบิดของจุด Singularity อย่างรุนแรง การระเบิดครั้งใหญ่นี้มีชื่อว่า “Big Bang” ทำให้สสารและพลังงานที่เคยถูกบีบอัดรวมตัวอยู่กันอย่างหนาแน่นใน Singularity มีการกระจายตัวออกไปทุกทิศทุกทาง ก่อเกิดเป็นจักรวาลเมื่อ 13.8 พันล้านปีหลังจากการระเบิด Big Bang

 

 

Louis Tomlinson – Walls

 

 

หลุมดำเคอร์ (Kerr black holes)

อย่างไรก็ตามเป็นที่ทราบกันดีว่าดวงดาวทุกดวงไม่ได้อยู่นิ่งกับที่แต่มีการหมุนรอบตัวเอง สำหรับหลุมดำก็เช่นกัน หลุมดำเกิดขึ้นจากการยุบตัวด้วยความโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ เนื่องจากดาวที่รู้จักทั้งหมดมีการหมุนรอบตัวเองซึ่งมีโมเมนตัมเชิงมุมที่ไม่เป็นศูนย์ จึงคาดว่าหลุมดำทั้งหมดในธรรมชาติเป็นหลุมดำที่กำลังหมุนหรือหลุมดำที่มีโมเมนตัมเชิงมุม

หมายเหตุ: โมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุ (Angular momentum) คือ ปริมาณเวกเตอร์ที่แสดงถึงการหมุนของวัตถุ มีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างโมเมนต์ความเฉื่อยกับความเร็วเชิงมุม

 

ในปี 1963 รอยเคอร์ (Roy Kerr) นักคณิตศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ค้นพบเรขาคณิตซึ่งเป็นคำตอบที่ถูกต้องสำหรับสมการสนามของไอน์สไตน์ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปสำหรับหลุมดำ “ที่หมุนได้” 

หลุมดำ “เคอร์ ” เหล่านี้จะหมุนด้วยอัตราคงที่ ขนาดและรูปร่างของหลุมดำเคอร์จะขึ้นอยู่กับมวลและอัตราการหมุน (โมเมนตัมเชิงมุม) หากการหมุนเป็นศูนย์ หลุมดำจะกลมอย่างสมบูรณ์แบบและการแก้ปัญหาก็เหมือนกับวิธีการแก้ปัญหาของ Schwarzschild แต่หลุมดำเคอร์ซึ่งมีการหมุนจะนูนออกมาใกล้เส้นศูนย์สูตร (เช่นเดียวกับโลกหรือดวงอาทิตย์ นูนเนื่องจากการหมุนของมัน) และยิ่งหมุนเร็วเท่าไหร่ มันก็จะยิ่งนูนมากขึ้น

การหมุนยังสามารถทำให้หลุมดำมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงสสารใดๆ ที่ตกอยู่ในนั้นให้เป็นพลังงาน หลุมดำที่ไม่หมุนจะเปลี่ยนประมาณ 5.7 เปอร์เซ็นต์ของมวลของวัตถุให้เป็นพลังงานตามสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ E = mc2 ในทางตรงกันข้ามหลุมดำที่หมุนได้สามารถเปลี่ยนมวลของวัตถุเป็นพลังงานได้มากถึง 42 เปอร์เซ็นต์

 

 

Kerr black holes มีบริเวณที่แตกต่างกันดังต่อไปนี้

(1) เออโกสเฟียร์ (Ergosphere)

เมตริก Kerr มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ หลุมดำที่หมุนได้จะบิดหรือลากอวกาศ-เวลาที่ติดกับขอบฟ้าของเหตุการณ์ (Event horizon) ไปตามทิศทางของการหมุนด้วยความเร็วที่ลดลงตามระยะทางจาก Event horizon กระบวนการนี้เรียกว่า “การลากเฟรม (Frame-dragging)” สิ่งนี้ปรากฏเป็นพายุทอร์นาโดหมุนวนรอบหลุมดำ ยานอวกาศใดๆ ที่อยู่ใกล้หลุมดำที่กำลังหมุนสามารถใช้การลากเฟรมเพื่อให้ได้ความเร็วมหาศาล และพื้นที่ที่มีการลากเฟรมนี้เรียกว่า “เออโกสเฟียร์ (Ergosphere)” ซึ่งเป็นพื้นที่วงรีรอบๆ หลุมดำเคอร์ หากวัตถุผ่านจากอวกาศตกลงไปใน Ergosphere จะมีความเร็วเพียงพอที่จะหลบหนีแรงดึงดูดของหลุมดำได้ โดยได้รับพลังงานจากการหมุนของหลุมดำ อย่างไรก็ตามหากวัตถุข้าม Event horizon ไปแล้ว วัตถุนั้นจะถูกดูดเข้าไปในหลุมดำและจะไม่สามารถหลบหนีขึ้นมาได้

หมายเหตุ: สามารถเห็นการลากเฟรมรอบๆ วัตถุขนาดใหญ่อื่นๆ รวมถึงโลกด้วย

(2) ขอบเขตจำกัดคงที่ (Static limit or Stationary limit)

เออโกสเฟียร์ (Ergosphere) เป็นบริเวณที่มีการลากอวกาศ-เวลาไปรอบๆ จึงเป็นพื้นที่ที่ไม่หยุดนิ่ง แต่ Ergosphere ถูกล้อมรอบด้านนอกด้วยพื้นผิวที่หยุดนิ่งที่เรียกว่าว่า ขอบเขตจำกัดคงที่ (Static limit or Stationary limit) ซึ่งแตะกับขอบฟ้าของเหตุการณ์ภายนอก (Outer event horizon) ที่ขั้วของหลุมดำที่กำลังหมุน และขยายออกไปเป็นรัศมีที่กว้างขึ้นที่เส้นศูนย์สูตร ทำให้ Ergosphere มีรูปร่างคล้ายกับฝักทอง

(3) ขอบฟ้าเหตุการณ์ภายนอกและภายใน (Inner and outer event horizons)

หลุมดำเคอร์ล้อมรอบด้วย “ขอบฟ้าเหตุการณ์” สองอัน (ไม่ใช่แค่อันเดียวเหมือนหลุมดำชวาทซ์ชิลท์) 

ขอบฟ้าเหตุการณ์ภายนอก (Outer event horizon) ของหลุมดำเคอร์ทำหน้าที่เหมือนกำแพง เมื่อสสารหรือแสงข้ามกำแพงที่มองไม่เห็นนี้และเข้าสู่หลุมดำ มันจะไม่สามารถหลุดรอดออกไปได้เช่นเดียวกับขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำที่ไม่หมุน 

ขอบฟ้าเหตุการณ์ภายใน (Inner event horizon) ของหลุมดำเคอร์ที่กำลังหมุนอยู่หรือที่เรียกว่าขอบฟ้า Cauchy เป็นสิ่งที่แปลกประหลาด เป็นบริเวณที่แรงโน้มถ่วงของหลุมดำแข็งแรงพอที่จะกันแสงไม่ให้ออกไป แต่ไม่แรงพอที่จะลากมันเข้าสู่ศูนย์กลางได้ แสงที่ติดอยู่จะมีพลังงานมากจนกลายเป็นไฟร์วอลล์ของการแผ่รังสี (firewall of radiation) เผาทุกสิ่งที่ผ่านเข้ามา

(4) วงแหวนภาวะเอกฐาน (Ring singularity)

ก่อนหน้านี้แบบจำลองพื้นฐานของหลุมดำหรือหลุมดำชวาทซ์ชิลท์ (Schwarzschild black holes) สันนิษฐานว่าหลุมดำไม่ได้หมุน สสารทั้งหมดของมันจะถูกบีบอัดเป็นจุดเล็กๆ จุดเดียวที่เรียกว่า ภาวะเอกฐาน (Singularity) หากยานอวกาศของคุณเข้าไปในหลุมดำ มันจะถูกบดขยี้ด้วยความโน้มถ่วงที่ไม่มีที่สิ้นสุด  ต่อมารอยเคอร์ได้เสนอทฤษฎีที่เหมือนจริงเป็นครั้งแรกสำหรับหลุมดำที่หมุนได้ เคอร์ตั้งสมมติฐานว่าหากดาวนิวตรอนซึ่งเป็นดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ที่หมุนรอบตัวเองกำลังจะตายได้พังทลายลงกลายเป็นหลุมดำ แรงเหวี่ยงของพวกมันจะป้องกันไม่ให้เกิดจุด Singularity แต่กลายเป็นวงแหวน Singluarity ที่หมุนได้ตรงกลางหลุมดำ

 

เนื่องจากหลุมดำเคอร์ไม่มีจุด Singularity เคอร์จึงเชื่อว่ามันจะปลอดภัยที่จะดำดิ่งลงไปในหลุมดำและผ่านเข้าไปในวงแหวน Singluarity โดยไม่ต้องกลัวความโน้มถ่วงที่ไม่มีที่สิ้นสุดบดขยี้คุณ และคุณจะถูกขับออกอีกด้านหนึ่งของหลุมดำที่เรียกว่า “หลุมขาว (White black hole)” แทนที่จะดึงสสารและแสงเข้ามาในตัวเอง หลุมขาวจะผลักทุกสิ่งออกไปจากมันโดยใช้สสารแปลกใหม่ (exotic matter) ที่มีพลังงานเชิงลบ และในกรณีนี้เป็นวิธีหนึ่งที่คุณสามารถเดินทางผ่านอวกาศ-เวลาเข้าไปในจักรวาลคู่ขนาน หากจักรวาลคู่ขนานเป็นอดีตของคุณเอง สิ่งนี้สามารถใช้เป็นเครื่องย้อนเวลาได้

หลุมดำของเคอร์เป็นเพียงทฤษฎี แต่ถ้ามีอยู่จริง โหมดการเดินทางข้ามเวลาในหลุมดำเคอร์มีปัญหาคือ เป็นการเดินทางเที่ยวเดียวที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ เนื่องจากนักเดินทางโผล่ออกมาจากหลุมสีขาว จึงเป็นไปไม่ได้ที่พวกเขาจะบังคับให้ไปในทิศทางตรงกันข้ามเพื่อโผล่ออกมาที่จุดเริ่มต้นของพวกเขา เป็นผลให้แต่ละคนต้องติดอยู่ห่างจากบ้านเป็นระยะทางไกลและไม่มีทางกลับมาอีกเลย ซึ่งแตกต่างจาก “สะพาน Einstein-Rosen หรือรูหนอน (Wormholes)” ซึ่งเป็นทางลัดระหว่างสองสถานที่ที่ห่างไกลกันในจักรวาล เป็นการเดินทางข้ามเวลาที่ไม่เพียงแต่จะสามารถเยี่ยมชมสถานที่หรือในช่วงเวลาที่ห่างไกลได้ แต่พวกเขายังสามารถย้อนกลับมาและแบ่งปันประสบการณ์ของพวกเขาได้อีกด้วย

ผู้เขียนได้อธิบาย “สะพาน Einstein-Rosen หรือรูหนอน (Wormholes)” ในบทความข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#11 ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ตอนที่ 6 Time Travel

 

 

Kygo, OneRepublic – Lose Somebody

 

 

ถ้าหลุมดำเป็น “สีดำ” นักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่าอยู่ที่นั่น?

ทฤษฎีบอกเราว่าหลุมดำเป็นอย่างไร แต่มีอยู่จริงหรือไม่? แล้วเราจะไปมองหาสิ่งที่อยู่ห่างออกไปหลายปีแสงได้อย่างไร แน่นอนว่านักดาราศาสตร์มองไม่เห็นหลุมดำซึ่งเป็นสีดำ แต่ตัวมันก็แสดงการมีอยู่ผ่านผลกระทบของความโน้มถ่วงที่แข็งแกร่งของมันต่อวัตถุที่โคจรใกล้กับหลุมดำ ตัวอย่างเช่น เมื่อดาวฤกษ์โคจรรอบหลุมดำ เราสามารถวัดความเร็วที่เร่งขึ้นของดาวได้โดยการศึกษาแสงที่มองเห็นได้ที่มันเปล่งออกมา ความรู้เกี่ยวกับความเร็วนี้สามารถใช้ร่วมกับกฎแห่งแรงโน้มถ่วงเพื่อพิสูจน์ว่าดาวนั้นโคจรรอบหลุมดำจริงๆ แทนที่จะเป็นอย่างอื่น นอกจากนี้วงโคจรของพวกมันยังให้มวลของหลุมดำได้

หรืออาจสังเกตก๊าซ (จากดาวข้างเคียง) ที่ถูกดึงดูดเข้าสู่วงโคจรของหลุมดำ ก๊าซจะร้อนขึ้นมากเนื่องจากแรงเสียดทานและปลดปล่อยรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุที่สว่างบนท้องฟ้าซึ่งสามารถตรวจจับได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่มีเครื่องมือพิเศษ การสำรวจให้ผลในทางวิทยาศาสตร์เห็นพ้องต้องกันว่าหลุมดำนั้นมีอยู่จริงในจักรวาล

 

การปล่อยรังสีเอกซ์ (X-ray emission)

หลักฐานที่ดีที่สุดสำหรับการมีอยู่ของหลุมดำคือแหล่งที่มาของรังสีเอกซ์ที่มาจากระบบดาวคู่ (Binary star) ซึ่งมีดาวดวงหนึ่งที่ไม่สามารถสังเกตเห็นได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือมีดวงฤกษ์ที่มองเห็นได้ ซึ่งการเคลื่อนที่ของวงโคจรที่ผิดปกติบอกเราว่าดวงฤกษ์ดวงนี้มีคู่หูที่มองไม่เห็นอยู่ใกล้ๆ และคู่หูที่มองไม่เห็นนี้มีการปล่อยรังสีเอกซ์ออกมา

หลุมดำในระบบดาวคู่เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่แข็งแกร่ง ซึ่งแผ่รังสีเอกซ์ออกมาในสองวิธีที่แตกต่างกัน วิธีที่หนึ่ง ก๊าซที่ก่อให้เกิดการแผ่รังสีเอ็กซ์เรย์นั้นมาจากดาวคู่หูของหลุมดำ ดาวที่อยู่ในระบบดาวคู่สามารถแลกเปลี่ยนมวลได้ สมมติว่าดาวดวงหนึ่งในระบบดาวคู่ได้วิวัฒนาการไปเป็นหลุมดำ (Black hole) และดาวดวงที่สองเริ่มขยายตัวเป็นดาวยักษ์แดง (Red giant) หากดาวทั้งสองอยู่ห่างกันไม่มากเกินไป สสารที่เป็นก๊าซในชั้นนอกของดาวที่กำลังขยายตัวอาจถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำดึงเข้าหามัน และหมุนวนรอบตัวมันแทนที่จะไหลเข้าสู่มันโดยตรง (เนื่องจากมีโมเมนตัมเชิงมุม) ก๊าซที่หมุนวนรอบหลุมดำจะกลายเป็นแผ่นดิสก์สะสม (accretion disk) ที่ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ และเคลื่อนที่รอบๆ หลุมดำด้วยความเร็วสูงอันเนื่องจากสนามโน้มถ่วงอันทรงพลัง ด้วยความเร็วที่สูงมากและแรงเสียดทานที่เกิดจากการชนกันระหว่างอนุภาคในก๊าซจะทำให้พวกมันร้อนขึ้นมากอย่างมหาศาลถึงหลายล้านองศา จนปล่อยพลังงานออกมาเป็นจำนวนมากในรูปแบบของการแผ่รังสีพลังงานสูง เช่น รังสีเอกซ์ ก่อนที่สสารจะตกลงสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ของหลุมดำ อันที่จริงกระบวนการนี้เป็นกระบวนการที่รู้จักกันดีที่สุดในการแปลงสสารเป็นพลังงานตามสมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ E = mc2

ในการศึกษาใหม่ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จาก Johns Hopkins University, NASA และ Rochester Institute of Technology ได้ทำการวิจัยที่เชื่อมช่องว่างระหว่างทฤษฎีและการสังเกตโดยแสดงให้เห็นว่าก๊าซที่หมุนวนเข้าหาหลุมดำส่งผลให้เกิดการปล่อยรังสีเอ็กซ์ ผลการศึกษาระบุว่า เมื่อก๊าซหมุนวนเข้าหาหลุมดำผ่านการก่อตัวที่เรียกว่า accretion disk จนอุณหภูมิของก็าซในดิสก์ร้อนถึงประมาณ 10 ล้านองศาเซลเซียส (ร้อนกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 2,000 เท่า) จะปล่อยรังสีเอกซ์พลังงานต่ำหรือ “soft X-rays” ออกมา อย่างไรก็ตามการสังเกตการณ์ยังตรวจจับรังสีเอกซ์พลังงานสูงขึ้นถึง 100 เท่าหรือ “hard X-rays”

 

NASA | Peer into a Simulated Stellar-mass Black Hole

 

วิธีที่สองที่หลุมดำแผ่รังสีเอกซ์ออกมา แม้ว่าในที่สุดสสารส่วนใหญ่จะถูกลากเข้าไปในหลุมดำ แต่อาจมีบางส่วนที่โคจรเข้าใกล้ขอบฟ้าเหตุการณ์และถูกเหวี่ยงออกไปด้านนอกกลายเป็นไอพ่น (Relativitic jet) สองลำที่ส่องแสงจ้ามากในแนวตั้งฉากกับดิสก์ชี้ในทิศทางตรงกันข้าม ที่ทรงพลังด้วยรังสีและอนุภาคที่เคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสง และปล่อยรังสีคลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ และรังสีแกมม่าออกมาก่อนที่จะถูก “กลืนกิน”  (ไอพ่นที่เราสังเกตุเห็นว่าพุ่งออกมาจากหลุมดำนั้น จริงๆ แล้วมันไม่ได้ออกมาจากหลุมดำ แต่เป็นไอพ่นประกอบด้วยสสารที่หลุดออกมาจากดิสก์สะสมซึ่งล้อมรอบหลุมดำ)

 

ภาพวาดแสดงหลุมดำ Cygnus X-1

ด้วยวิธีการศึกษารังสีเอ็กซ์ที่หลุมดำปล่อยออกมา ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถระบุหลุมดำมวลดาวฤกษ์จำนวนมากที่อยู่ในระบบดาวคู่ สิ่งที่ต้องระมัดระวัง ดาวนิวตรอนสามารถมีดิสก์สะสมที่ก่อให้เกิดรังสีเอกซ์ได้เช่นกัน ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงต้องศึกษาคุณสมบัติของรังสีเอกซ์เหล่านี้อย่างรอบคอบเมื่อพยายามพิจารณาว่าวัตถุชนิดใดอยู่ตรงกลางดิสก์ เป็นหลุมดำหรือดาวนิวตรอน (ดาวนิวตรอนมีมวลไม่เกิน 2.5 เท่าของดวงอาทิตย์ ดังนั้นหากการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าคู่หูที่มองไม่เห็นที่เปล่งรังสีเอกซ์มีมวลมากกว่านี้ มันต้องเป็นหลุมดำ)

หลุมดำแรกในระบบไบนารีที่ถูกค้นพบในปี 1964 เรียกว่า “Cygnus X-1” ซึ่งซ่อนตัวอยู่ห่างออกไปจากโลก 7,240 ปีแสง ตั้งอยู่ภายในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกในกลุ่มดาวหงส์ การวัดการเปลี่ยนแปลง Doppler ของเส้นสเปกตรัมของดาวฤกษ์ที่มองเห็นได้ (ดาวยักษ์สีน้ำเงิน-Blue supergiant star) ในระบบดาวคู่นี้ แสดงว่ามีคู่หูที่มองไม่เห็น โดยก๊าซที่ดูดออกจากดาวยักษ์สีน้ำเงินที่โคจรอยู่ใกล้ๆ เมื่อก๊าซนี้พุ่งเข้าหาหลุมดำมันก็ร้อนมากจนปล่อยรังสีเอกซ์พลังงานสูงที่ดาวเทียมสามารถตรวจจับได้ ความสว่างของรังสีเอกซ์ที่แผ่ออกให้เห็นเป็นครั้งคราวซึ่งมีระยะเวลาเพียง 0.01 วินาทีเท่านั้น บอกได้ว่าเพื่อนร่วมทางของดาวยักษ์สีน้ำเงินเป็นวัตถุขนาดเล็กที่ยุบตัว มวลของสหายที่มองไม่เห็นประมาณ 20 เท่าของดวงอาทิตย์ เพื่อนร่วมทางจึงมีขนาดใหญ่เกินกว่าที่จะเป็นดาวนิวตรอน แต่มันคือหลุมดำมวลดาวฤกษ์ (Stellar black holes)

 

คลื่นความโน้มถ่วง

อีกวิธีหนึ่งในการ “มองเห็น” หลุมดำคือเมื่อพวกมันรวมเข้าด้วยกัน เมื่อหลุมดำสองหลุมชนกันพวกมันจะส่งระลอกคลื่นในอวกาศ – เวลาที่เรียกว่าคลื่นความโน้มถ่วง (Gravitational waves) คลื่นเหล่านี้จะมีขนาดเล็กและอ่อนตัวลงไปตามเวลา เมื่อเดินทางมาถึงโลกพวกมันก็มีขนาดเล็กลงนับพันล้านเท่า เล็กกว่านิวเคลียสของอะตอม แต่เครื่องมือที่ละเอียดอ่อนบนโลกสามารถตรวจจับได้ 

การค้นพบที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับหลุมดำเกิดขึ้นในปี 2015 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงได้เป็นครั้งแรกในโครงสร้างของอวกาศ-เวลาที่ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ทำนายการมีอยู่ของคลื่นนี้เมื่อ 100 ปีก่อนในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป โดย Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) สามารถตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจากการที่หลุมดำสองหลุม (Binary black holes) เคลื่อนที่มาชนและรวมตัวกันเป็นหลุมดำเดี่ยวขนาดใหญ่ การปะทะกันเกิดขึ้นเมื่อ 1.3 พันล้านปีก่อน แต่ระลอกคลื่นพึ่งเดินทางมาถึงโลกในปี 2015! จากข้อมูลเดือนตุลาคม 2020 ความร่วมมือ LIGO/Virgo สามารถระบุเหตุการณ์การรวมตัวของหลุมดำจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ทั้งหมด 50 ครั้ง 

ผู้เขียนได้อธิบาย “คลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเกี่ยวข้องกับหลุมดำ” ในบทความข้างล่างนี้

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#16 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 5 Gravitational Waves (1)

กำเนิดและวิวัฒนาการของจักรวาล#16 ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ตอนที่ 5 Gravitational Waves (2)

 

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าหลุมดำมีอยู่จริงจากหลักฐานทางอ้อม โดยการมองหาดวงดาวที่ดูเหมือนจะโคจรรอบวัตถุแปลกประหลาด หรือโดยการตรวจจับรังสีจากสสารที่ร้อนยิ่งยวดที่หมุนวนเข้ามาหลุมดำ หรือโดยการเห็นอนุภาคไอพ่นที่มีพลังมหาศาลที่ปล่อยออกมาจากสภาพแวดล้อมที่สับสนวุ่นวายรอบหลุมดำ หรือจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำ

เป็นเวลากว่าทศวรรษแล้วที่ทีมนักวิจัยได้ใช้ความพยายามอย่างทะเยอทะยานในการถ่ายภาพหลุมดำ ตอนนี้พวกเขาทำสำเร็จแล้ว ในปี 2019 นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ Event Horizon Telescope (EHT) ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่างประเทศได้ถ่ายภาพหลุมดำเป็นครั้งแรก ปรากฏเป็นวงกลมสีดำที่ล้อมรอบด้วยแผ่นดิสก์ของสสารซึ่งโคจรรอบตัวที่ร้อนแรงและส่องแสงเจิดจ้ามาก หลุมดำมวลยวดยิ่ง (Supermassive black holes) นี้มีมวลประมาณ 6,500 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ ตั้งอยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี่ M87 ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 55 ล้านปีแสง

ภาพหลุมดำดูเหมือนโดนัทสีส้มบิดเบี้ยว เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่จะถ่ายภาพหลุมดำ (เนื่องจากไม่มีแสงใดสามารถหลุดรอดออกมาได้) สิ่งที่นักดาราศาสตร์เห็นก็คือ “เงาดำ” ซึ่งเป็นรูที่มีแสงสว่างหมุนวนไปรอบๆ หลุมดำมวลยวดยิ่งนี้

ภาพประวัติศาสตร์นี้เป็นความสำเร็จที่น่าทึ่งของโครงการ Event Horizon Telescope ซึ่งเป็นความร่วมมือระดับโลกของนักวิทยาศาสตร์มากกว่า 200 คนโดยใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุที่สำคัญ 8 แห่งในสี่ทวีป เมื่อรวมกันแล้วอาร์เรย์นี้จะทำหน้าที่เสมือนกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่เท่าโลกและสามารถรวบรวมข้อมูลคลื่นวิทยุ (ที่ถูกปล่อยออกมาจากดิสก์สะสมซึ่งล้อมรอบหลุมดำ) ได้มากกว่าหนึ่งเพตะไบต์ (คลื่นวิทยุสามารถเจาะทะลุฝุ่นและก๊าซที่ปกคลุมรอบศูนย์กลางกาแล็กซี่ได้) นักวิทยาศาสตร์จ้องมองหลุมดำของกาแล็กซี่ M87 มาตั้งแต่เดือนเมษายน 2017 จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ใช้เวลาสองปีในการสร้างภาพ แม้ว่าภาพจะพร่ามัว แต่ภาพก็ตรงกับการคาดการณ์ของ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปว่าบริเวณรอบของหลุมดำควรมีลักษณะอย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่งมันทำให้นักวิจัยมีหลักฐานโดยตรงครั้งแรกเกี่ยวกับเงาของขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตของ “สิ่งไม่หวนกลับ” ที่แยกหลุมดำออกจากสภาพแวดล้อม ในภาพหลุมดำล้อมรอบด้วยวงแหวนของแสงที่ปล่อยออกมาจากสสารที่ร้อนจัดที่อยู่นอก Event horizon