black hole

BLACK HOLE

โดย นางสาวภทั รา ทาวโิรจน์

คํานํา

ขํ้าพเจํ้าได้จัดทําหนังสืออิเล็กทรอนิกส์ (E-book) เรื่อง หลุมดํา
(black hole) เพื่อให้ผู้ที่สนใจ ศึกษาค้นควํ้าในการทําหนังสือ
อิเล็กทรอนิกส์ (E-book) หรือสนใจในเร่ือง หลุมดํา (black hole)
เพ่ือที่จะเป็น แบบอย่ํางในการศึกษําค้นควํ้าหาความรู้ในเร่ืองน้ัน ๆ
หนังสอื อิเลก็ ทรอนกิ ส์ (E-Bbok) ฉบับนี้เป็นส่วนหนึ่ง ของรายวิชา การ
พัฒนานวัตกรรมและเทคโนโลยีสารสนเทศ การสอนวิทยาศาสตร์
(SE13601*) เพื่อให้ได้ศึกษาหาความรู้ในเรื่อง การจัดทําหนังสือ
อเิ ล็กทรอนิกส์ (E-book) เรอ่ื ง หลุมดํา (black hole) และได้ศกึ ษา
อยํ่างเข้ําใจเพ่ือประโยชน์ต่อการเรียน ผู้จัดทําหวังวํ่าหนังสือ
อิเล็กทรอนิกส์ (E-book) เล่มน้ีจะเป็นประโยชน์ต่อผู้อํ่านหรือนักเรียน
นักศึกษา ที่กําลังศึกษาค้นคว้ําในเรื่องน้ีอยู่ หากมีข้อแนะนําหรือ
ผดิ พลาดประการใด ผู้จดั ทาํ ขอน้อมรบั และขออภัยมา ณ ที่น้ีด้วย

สารบญั หนา้

เร่ือง 1
2
คาํ นาํ 3
สารบัญ 4
หลมุ ดําคอื อะไร? 5
ทาํ ไมเราจึงสามารถเหน็ หลมุ ดํา
ทาํ ไมภาพทไ่ี ด้จงึ มรี ูปร่างเชน่ น้ี?
ทาํ ไมกอ่ นหน้านี้เราไม่เห็นหลุมดาํ
แลว้ EHT บนั ทึกภาพน้ีไดอ้ ยา่ งไร
เอกสารอ้างอิง
ประวัตผิ จู้ ัดทํา

BLACK HOLE 1

หลมุ ดาํ คอื อะไร?

หลุมดําคือวัตถุที่หนาแน่นท่ีสุดอย่างหน่ึงในเอกภพ เมื่อมีมวลจํานวนมาก
มารวมตัวกันอยู่ในปริมาตรขนาดเล็ก แรงโน้มถ่วงของมวลเหล่าน้ีจะมีมาก
พอท่ีจะดูดทุกอย่างเข้าไปภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันได้ เปรียบเทียบกัน
แล้ว บนพื้นโลกของเรามีความเร็วหลุดพ้น 11.2 กม./วินาที น่ัน
หมายความว่าหากเรายิงกระสุนที่ความเร็ว 11.2 กิโลเมตรต่อวินาทีจาก
พืน้ โลก
กระสุนน้ีจะหลุดพ้นออกไปจากแรงโน้มถ่วงของโลกได้และไม่ตกกลับลงมา
อีก และหากเรายิงกระสุนออกไปด้วยความเร็วที่ต่ํากว่านี้ กระสุนก็จะใช้
เวลาสักพักหน่ึงในอากาศก่อนท่ีจะตกกลับมาใหม่ สําหรับหลุมดําแล้วนั้น
แรงโน้มถ่วงน้ันมีค่าสูงมากเสียจนความเร็วหลุดพ้นจากบริเวณที่เรียกว่า
"ขอบฟา้ เหตกุ ารณ์" (Event Horizon) มีค่าเท่ากับความเร็วของแสง ซ่ึง
เปน็ ความเร็วทีส่ งู ท่ีสุดในเอกภพ
หมายความว่าไม่มีวัตถุใดแม้กระท่ังแสงจะสามารถหลุดพ้นออกมาจาก
หลุมดําได้ แม้กระทั่งเราฉายไฟฉากออกมาจากภายใน Event Horizon
อนุภาคของแสงที่ออกมาก็ไม่สามารถหลุดออกมาจากแรงโน้มถ่วงของมัน
ได้

BLACK HOLE 2

ทําไมเราจงึ สามารถเห็นหลุมดาํ

คาํ ตอบง่ายๆ ก็คือเราไม่สามารถเห็นภายในหลมุ ดําได้ อยา่ งไรก็ตาม เรา
สามารถสังเกตเหน็ มวลและแสงทวี่ นอยู่รอบ ๆ หลมุ ดาํ ได้ ภายในบรเิ วณของ
ขอบฟ้าเหตกุ ารณ์น้นั เป็นบริเวณที่ไมม่ ีวัตถใุ ด หรอื แมก้ ระท่งั แสงสามารถหลดุ
ออกมาได้

หมายความว่าหากนกั บนิ อวกาศคนหน่ึงอยู่ภายในขอบฟ้าเหตกุ ารณ์ ไม่วา่ เขา
จะฉายไฟฉายไปในทศิ ทางใด ทุกทศิ ทางต่างก็นาํ ไปสู่ singularity ในบริเวณ
กลางของหลมุ ดําท้งั นน้ั (แมว้ า่ จะหันออกมาจากศนู ย์กลางกต็ าม) เน่ืองจาก
แมก้ ระทั่งกาลอวกาศ (spacetime) ก็กาํ ลังตกลงไปส่ศู นู ย์กลางของหลมุ ดาํ
ดว้ ยความเร็วมากกวา่ แสง

หากนักบินอวกาศอย่ภู ายนอกของขอบ
ฟ้าเหตกุ ารณ์ นกั บนิ อวกาศกจ็ ะยัง
สามารถฉายไฟฉายออกมาภายนอกได้
แต่ด้วยแรงโน้มถว่ งอนั มหาศาล จะทาํ ให้
แสงท่ปี ลอ่ ยออกมามที ศิ ทางบดิ เบยี้ วไป

BLACK HOLE 3

ํทาไมภาพ ี่ทไ ้ด ึจง ีม ูรป ่รางเ ่ชน ้ีน? ภาพท่ีเห็นเป็นภาพที่สอดคล้องกับส่ิงที่นักวิทยาศาสตร์
คาดการณ์เอาไว้เกี่ยวกับหลุมดําไม่ผิดเพ้ียน น่ีเป็นภาพที่เรา
เห็นจากแกนหมุนของหลมุ ดาํ เน่ืองจากหลุมดํามีแรงโน้มถ่วงสูง
พอที่จะสามารถดึงให้แสงวนไปรอบๆ ได้ ท่ีระยะห่าง 1.5 เท่า
ของขอบฟ้าเหตุการณ์ จะมีสิ่งท่ีเรียกว่า photon sphere
(อ่านว่าโฟตอนสเฟียร์) อยู่ ซ่ึงเป็นบริเวณสุดท้ายที่แสงจะ
สามารถโคจรไปรอบ ๆ หลุมดําได้

ส่ิงท่ีใกล้หลุมดําท่ีสุดท่ีเราจะสามารถเห็นได้จึงเป็นวงแหวนของ
photon sphere กอ่ นท่จี ะเขา้ ไปส่คู วามมืดสนทิ เราจึงเห็นเป็น
บริเวณท่ีมืดสนิทท่ีถูกล้อมไปด้วยวงกลมสว่าง (แต่ระยะห่างที่
เราเห็นจะมากกว่า 1.5 เท่าเล็กน้อย เน่ืองจากแสงจะถูก
เบย่ี งเบนออกไปด้วยแรงโนม้ ถ่วง)

ถัดออกมาเราจะเห็นมวลก๊าซที่กําลังอยู่ในจานพอกพูนมวลที่
กําลังตกลงไปสู่หลุมดํา นอกจากนี้มวลที่กําลังหมุนในทิศทางท่ี
หันมาหาผู้สงั เกตจะมีความสว่างขึน้ เลก็ น้อย ด้วยปรากฏการณ์
ที่เรียกว่า relativistic beaming ดังที่ปรากฏในภาพทาง
ดา้ นล่างของหลุมดาํ

BLACK HOLE 4

ทําไมก่อนหน้านี้เราไมเ่ ห็นหลุมดาํ

การจะมองเห็นหลุมดําน้ันเปน็ เรือ่ งทย่ี ากมาก เพราะวา่ หลมุ ดาํ เป็น
วตั ถทุ ีม่ ีขนาดค่อนขา้ งเล็ก หากเราสามารถบบี อัดดวงอาทิตย์ใหก้ ลายเปน็
หลมุ ดาํ ได้ จะมขี นาดเพียงแค่ 3 กม. เพยี งเทา่ น้นั เอง ในขณะที่โลกของเรา
จะกลายเปน็ หลมุ ดาํ ที่มีขนาดไมก่ ี่มิลลิเมตร การท่ีจะสามารถสงั เกตเหน็ หลมุ
ดําไดจ้ ึงจาํ เปน็ ตอ้ งอาศัยหลมุ ดําที่มมี วลมาก หรอื ท่เี รยี กว่า "หลมุ ดํามวล
ย่งิ ยวด" (supermassive black hole: SMBH) และอยู่ใกลเ้ รามากท่ีสุด

SMBH ท่ีอยู่ใกลโ้ ลกของเรามากทส่ี ดุ กค็ ือ Sagittarius A* ท่อี ยใู่ นใจ
กลางทางช้างเผอื กของเราน่ันเอง ซ่งึ มีมวล 4 ล้านเทา่ ของมวลดวงอาทิตย์
แต่ก็ยงั มีขนาดเพียง 8% ของระยะหา่ งระหวา่ งโลกกับดวงอาทิตย์ แตห่ ลมุ ดาํ
ท่โี ครงการ Event Horizon Telescope (EHT อีเอชที)
สังเกตนี้ เปน็ SMBH ทอ่ี ยู่ในใจกลางของกาแล็กซี
M87 ซึง่ มมี วลถึง 6.5 พนั ลา้ น
เทา่ ของมวลดวงอาทติ ย์
มีขนาดประมาณเทา่ กับระบบสุรยิ ะ
ซง่ึ เป็นหลุมดาํ ทม่ี ีขนาดเชงิ มมุ ปรากฏ
จากโลกใหญ่กวา่ หลมุ ดาํ
ทใี่ จกลางทางช้างเผอื กของเรา
แม้กระท่ังทร่ี ะยะหา่ งออก
ไปถึงกวา่ 55 ลา้ นปีแสง

BLACK HOLE 5

แล้ว EHT บันทึกภาพนี้ได้อย่างไร

การที่จะมองรายละเอียดท่ีเล็กมากๆ เราจําเป็นที่จะต้องใช้กล้อง
โทรทรรศน์ที่ขนาดใหญ่มากๆ น่ีเป็นเหตผุ ลหนึ่งว่าทําไมเราจึงมีความพยายาม
ท่ีจะสร้างกล้องโทรทรรศน์ท่ีใหญ่มากขึ้นเร่ือยๆ อย่างไรก็ตาม แม้กระท่ังกล้อง
โทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในปัจจุบันก็ยังไม่สามารถแยกแยะรายละเอียด
ของหลุมดําท่มี ีขนาดเพียงระบบสรุ ิยะทีอ่ ยหู่ า่ งออกไป 55 ลา้ นปีแสงได้
วิธีท่ีนักดาราศาสตร์ใช้ ก็คือวิธีที่เรียกว่า interferometry โดยการรวมแสง
จากระยะห่างที่ไกลมากๆ เราอาจจะเปรียบเทียบได้ว่า หากภาพท่ีได้จากกล้อง
โทรทรรศน์ขนาดใหญ่คือการนําแสงที่อยู่ปลายด้านหน่ึงของกระจกกล้อง
โทรทรรศน์ ไปรวมกับแสงท่ีมาจากปลายอีกด้านหน่ึง หากเราสามารถมีกล้อง
สองตัวที่อยู่ห่างกันหลายพันกิโลเมตร แล้วนําแสงที่ได้น้ันมารวมกัน เราก็จะ
สามารถจําลองภาพทีไ่ ดจ้ ากกลอ้ งโทรทรรศนท์ ีม่ ขี นาดใหญ่เปน็ พันกโิ ลเมตรได้

และวิธี interferometry นี้ก็คือวิธีที่ทําให้ EHT สามารถบันทึกภาพ
หลุมดํานี้ได้เป็นคร้ังแรก แต่เนื่องจาก interferometry ในช่วงความยาวคล่ืน
แสงนั้นทําได้ยากกว่ามาก EHT จึงใช้การสังเกตการณ์ทางคลื่นวิทยุ จาก
เครอื ข่ายกลอ้ งโทรทรรศน์วิทยจุ ํานวนมากท่ีกระจัดกระจายอยู่ท่ัวโลกรวมไปถึง
ท่ีขั้วโลกใต้ และทําการติดต้ังนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยําสูง ในการบันทึก
เวลาเพ่ือที่จะสามารถนําสัญญาณวิทยุท่ีถูกบันทึกเอาไว้ใน ณ เสี้ยววินาที
เดียวกัน มาสามารถรวมกันเพื่อจําลองราวกับพ้ืนผิวโลกของเราทั้งใบ
กลายเป็นกลอ้ งโทรทรรศน์วทิ ยขุ นาดใหญ่ กล้องหน่ึง

เอกสารอา้ งอิง

Bhuva Chira. หลมุ ดาํ คอื อะไร สถาบนั วจิ ยั ดาราศาสตรแ์ หง่ ชาติ
คลายสงสยั หลงั เผยภาพหลมุ ดาํ ครง้ั แรก. สืบคน้ เมอ่ื วนั ท่ี 18 กนั ยายน
2562, สืบคน้ จาก https://www.sanook.com/news/7741034/

หลมุ ดาํ (black hole) สบื คน้ เมอื่ วนั ที่ 18 กันยายน 2562, สืบคน้ จาก
https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%AB%E0%B8%A5%E0%B8%B
8%E0%B8%A1%E0%B8%94%E0%B8%B3

หลมุ ดาํ : นักดาราศาสตรเ์ ผยรปู หลมุ ดาํ ครงั้ แรกของโลกจาก
กาแลก็ ซอี นั ไกลโพน้ สบื คน้ เมอื่ วนั ท่ี 18 กันยายน 2562, สืบคน้ จาก
https://www.bbc.com/thai/features-47919929

ประวตั ผิ จู้ ดั ทาํ

นางสาว ภทั รา ทาวิโรจน์ ช่ือเล่น แอ๋ม
รหสั นักศกึ ษา 62120633102
บัณฑติ วิทยาลยั ค.ม.วิทยาศาสตรศึกษา สาขาฟิสกิ ส์
จบปริญญาตรที ่ี มหาวิทยาลัยมหาสารคาม คณะวิทยาศาสตร์ สาขา
ฟิสกิ ส์ (2560)

[email protected]
085-4653871