วันที่ 6 ตุลาคม ค.ศ. 2025 คณะนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเกอเธ่ แฟรงค์เฟิร์ต (Goethe University Frankfurt) ประเทศเยอรมนี ตีพิมพ์รายงานในวารสาร Astrophysical Journal Letters ผลการวิจัยศึกษาใหม่ ไขความลับกว่า 100 ปี กำเนิดที่มาของลำเจ็ตพลาสมาอนุภาคพลังงานสูง จากหลุมดำยักษ์ ดังเช่น เอ็ม87* (เอ็ม87 สตาร์ : M87*) ที่ใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 (M87)
“วิทยาศาสตร์ ทันโลก ทันชีวิต” วันนี้ จะนำท่านผู้อ่าน ไปดูผลงานความพยายามของคณะนักวิทยาศาสตร์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ในการตอบโจทย์ไขปริศนาที่อยู่กับวงการวิทยาศาสตร์มานานกว่า 100 ปี ไปดูว่า คณะนักวิทยาศาสตร์ทำอย่างไร ? ตอบโจทย์ได้จริงแค่ไหน ? และมีความสำคัญต่อวงการดาราศาสตร์...และมนุษย์บนโลกด้วย...อย่างไร ?
สปอตไลต์ “กาแล็กซี เอ็ม87” และ “หลุมดำยักษ์ เอ็ม87*”
ถึงแม้ผลงานการวิจัยที่เป็นโฟกัสเรื่องของเราวันนี้ จะไม่ใช่เฉพาะเรื่องของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* แต่จุดเริ่มต้นเรื่องราวทั้งหมด ก็มาจากเรื่องของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* กับกาแล็กซี เอ็ม87 ดังนั้น ผู้เขียนจึงขอนำท่านผู้อ่านไป “สปอตไลต์” ฉายภาพอย่างเร็ว ๆ เกี่ยวกับกาแล็กซี เอ็ม87 และหลุมดำยักษ์ เอ็ม87*
เริ่มต้นที่กาแล็กซี เอ็ม87
*กาแล็กซี เอ็ม87 ถูกค้นพบโดยนักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ชาร์ลส์ เมสิเย (Charles Messier : ค.ศ. 1730-1817) ในปี ค.ศ. 1781 โดยเข้าใจว่า เป็น เนบิวลา (nebula) หรือบางสิ่งคล้ายเนบิวลา ซึ่งต่อมา ก็ถูกขึ้นทะเบียนวัตถุในท้องฟ้าเป็น Messier87 หรือ M87 หมายถึงวัตถุคล้ายเนบิวลาพบโดย เมสิเย (อักษร M) ลำดับที่ 87 จากทั้งหมด 103 ชิ้น ที่เมสิเยพบ
*ปี ค.ศ. 1918 นักดาราศาสตร์อเมริกัน เฮเบอร์ เคอร์ติส (Heber Curtis : ค.ศ. 1872-1942) ค้นพบว่า มีลำอนุภาคพลังงานสูงพุ่งออกมาจากใจกลางของเนบิวลา87 โดยในปี ค.ศ. 1918 นั้น ยังไม่ทราบกันว่า เอ็ม87 เป็นกาแล็กซี เพราะยังเข้าใจกันว่า จักรวาลมีเพียงกาแล็กซีเดียว คือ กาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา
*ปี ค.ศ. 1924 เอ็ดวิน ฮับเบิล (Edwin Hubble : ค.ศ. 1889-1953) นักดาราศาสตร์อเมริกัน ประกาศการค้นพบว่า แอนโครมีคา (Andromeda ) ซึ่งถือกันมาว่า เป็นเนบิวลา จริง ๆ แล้ว เป็นกาแล็กซี และก็เป็นการเริ่มต้นความคิดในปัจจุบันว่า จักรวาลประกอบด้วยกาแล็กซีมากมาย และเป็นจักรวาลที่กำลังขยายตัว
สำหรับ เอ็ม87 เอ็ดวิน ฮับเบิล ยังถือว่าเป็นเนบิวลา จนกระทั่งถึงปี ค.ศ. 1931 เขาจึงสรุปผลการศึกษาใหม่ของเขาว่า เอ็ม87 จริง ๆ แล้ว เป็นกาแล็กซี
*ตามข้อมูลความรู้ล่าสุด กาแล็กซี เอ็ม87 เป็นกาแล็กซีขนาดใหญ่รูปทรงรี อยู่ในกลุ่มดาวหญิงสาว (Virgo) อยู่ห่างจากโลกประมาณ 55 ล้านปีแสง มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 132,000 ปีแสง (เปรียบเทียบกับกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100,000 ปีแสง) ประกอบด้วยดาวฤกษ์หลายล้านล้านดวง (เปรียบเทียบกับกาแล็กซีทางช้างเผือก ที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์ประมาณหนึ่งแสนล้านดวง)
เลื่อนสปอตไลต์ไปที่หลุมดำยักษ์ เอ็ม87* อย่างเร็ว ๆ
*ถึงแม้ เฮเบอร์ เคอร์ติส จะค้นพบลำอนุภาคพลังงานสูงพุ่งออกมาจากใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 ในปี ค.ศ. 1918 แต่ในเวลานั้น ยังไม่ทราบกันว่า ลำอนุภาคนั้นมาจากหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* เพราะเรื่องของหลุมดำในเวลานั้นยังเป็นเพียงแนวคิดเชิงทฤษฎีจากทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของ ไอน์สไตน์ แต่การค้นพบลำอนุภาคพุ่งออกมาจากใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 ก็ทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สนใจศึกษาแหล่งกำเนิดและกลไกการเกิดลำอนุภาคจากใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 กันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 หลังการค้นพบหลุมดำแรก คือ CygnusX1 (ซิกนัสเอ็กซ์1) ในปี ค.ศ. 1971
*ในที่สุด จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล (Hubble Space Telescope) ของ นาซา (NASA) ก็จึงมีการประกาศยืนยันในปี ค.ศ. 1994 ว่ามีหลุมดำยักษ์อยู่ที่ใจกลางกาแล็กซี เอ็ม87 จริง
*ตามข้อมูลถึงล่าสุด หลุมดำยักษ์ เอ็ม87* มีมวลประมาณ 6.5 พันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ เปรียบเทียบกับหลุมดำยักษ์ เอสจีอาร์เอ* (SgrA* : SagattariusA* : ซาจิเทเรียสเอ*) ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ซึ่งมีมวลประมาณ 4.6 ล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์
*วันที่ 10 เมษายน ค.ศ. 2019 หลุมดำยักษ์ เอ็ม87* ก็เป็นข่าวดังทั่วโลก เมื่อคณะนักวิทยาศาสตร์นานาชาติกว่า 300 คน ซึ่งทำงานร่วมกันเป็นทีมเรียก “Event Horizon Telescope (ETH) Collaboration” (“ความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์”) ตีพิมพ์เผยแพร่ภาพถ่ายแรกของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87*
ภาพถ่ายที่เผยแพร่ เป็นภาพเงาสว่างของแก๊สร้อนโดยรอบหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* ครอบคลุมส่วนภายในที่เป็นเงามืด (เสมือนตัวของหลุมดำ)
ภาพถ่ายที่ได้ เกิดจากการประมวลข้อมูลการสังเกตศึกษาหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* โดยระบบกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั่วโลกจำนวนมากทำงานร่วมกันเป็นเสมือนกับกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่พอ ๆ กับโลก
*3 ปีต่อมา ในปี ค.ศ. 2021 ทีมงาน “ความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์” ก็ได้เผยแพร่ภาพถ่ายหลุมดำยักษ์ดวงที่สอง คือ หลุมดำยักษ์ เอสจีอาร์เอ*
*จริง ๆ แล้ว ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้เริ่มศึกษาเพื่อประมวลออกมาเป็นภาพถ่ายหลุมดำของทั้งสองหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* และ เอสจีอาร์เอ* พร้อมๆ กัน แต่ทำไมจึงไม่เผยแพร่ภาพถ่ายหลุมดำยักษ์ เอสจีอาร์เอ* ก่อน เพราะอยู่ใกล้โลกมากกว่าหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* มาก ?
คำตอบ คือ ถึงแม้ทีมงานจะเริ่มทำงานกับสองหลุมดำยักษ์พร้อม ๆ กัน แต่ในที่สุด ก็เลือกเจาะทำงานกับหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* ก่อนเพราะ เอ็ม87* ใหญ่กว่า และทีมงานก็มีข้อมูลเกี่ยวกับ เอ็ม87* มากกว่า เอสจีอาร์เอ* มาก จึงเลือกโฟกัสทำงานกับหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* ก่อน
จากนี้ ก็ถึงเวลาของผลงานการวิจัยใหม่ที่เป็นโฟกัสเรื่องของเราวันนี้
โจทย์ของการวิจัยใหม่ : ความลับกว่า 100 ปี ของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87*
โจทย์ตรง ๆ ของผลงานการวิจัยใหม่ คือ กลไกหรือกระบวนการเกิดลำเจ็ตอนุภาคพลังงานสูง พุ่งออกไปจากหลุมดำยักษ์ที่หมุนรอบตัวเอง ดังเช่น เอ็ม87*
ทำไมจึงเรียกเป็น “ความลับกว่า 100ปี” ของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* ?
ก็เพราะว่า ลำเจ็ตอนุภาคที่พุ่งออกมาจากหลุมดำ เอ็ม87* และหลุมดำยักษ์อื่น ๆ ถูกค้นพบครั้งแรกกับ เอ็ม87* ตั้งแต่เมื่อปี ค.ศ. 1918 หรือเมื่อ 107 ปีก่อน ถึงแม้จะยังไม่ทราบกันว่า เอ็ม87* เป็นหลุมดำยักษ์
หรือถ้ายิ่งย้อนหลังไปถึงการค้นพบกาแล็กซี เอ็ม87 โดย ชาร์ลส์ เมสิเย เมื่อปี ค.ศ. 1781 (โดยเมสิเยเข้าใจว่า เอ็ม87 เป็นเนบิวลา) ก็ยิ่งเป็นเวลากว่า 200 ปีก่อน...
และก็จึงมีการเรียกกันเป็น “ความลับกว่า 200 ปี” ของหลุมดำยักษ์หมุนรอบตัวเองด้วย
แสดงว่า ก่อนผลการวิจัยใหม่ ไม่มีคำตอบสำหรับโจทย์ตรง ๆ คือ กลไกหรือกระบวนการเกิดลำอนุภาคเป็นเจ็ตพลังงานสูงจากหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* เลยใช่ไหม ?
คำตอบ คือ ไม่ใช่ !
โดยภาพรวม ก็มีคำตอบหนึ่ง ซึ่งได้รับการยอมรับในวงการดาราศาสตร์มากที่สุด สำหรับกรณีของหลุมดำยักษ์ชนิดหมุน คือ “Blandford-Znajek Process” (“กระบวนการแบลนด์ฟอร์ด-ซนาเยก) ตั้งขึ้นมาโดย โรเจอร์ แบลนด์ฟอร์ด (Roger Blandford) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ และ โรมัน ซนาเยก (Roman Znajek) นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์อังกฤษ เชื้อสายโปแลนด์ ในปี ค.ศ. 1977
ตามกระบวนการแบลนด์ฟอร์ด-ซนาเยก หลุมดำยักษ์ที่กำลังหมุน ใช้สนามแม่เหล็กจากหลุมดำยักษ์เอง คล้ายกับสนามแม่เหล็กแมกนีโตสเฟียร์ (magnetosphere) ของโลก เป็นตัวถ่ายทอดพลังงานของหลุมดำยักษ์ที่กำลังหมุน โดยการให้สนามแม่เหล็กที่เกิดการบิดเบี้ยว (twisted) อยู่ในบรรดาแก๊สร้อนโดยรอบหลุมดำใกล้ “event horizon” (“ขอบฟ้าเหตุการณ์” ซึ่งเป็นเสมือนกับผิวของหลุมดำยักษ์) ทำให้เกิดการจัดตัวของแก๊สร้อนเป็นลำอนุภาคหรือเจ็ตพลาสมา (อนุภาคมีประจุไฟฟ้าและร้อนจัด) พุ่งออกไปจากหลุมดำยักษ์ ด้วยความเร็วสูงเกือบเท่าแสง ดังที่เกิดขึ้นกับหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* และหลุมดำยักษ์อื่น ๆ ที่หมุนรอบตัวเอง
สรุปอย่างง่าย ๆ กระบวนการแบลนด์ฟอร์ด-ซนาเยก อธิบายว่า การหมุนรอบตัวอย่างรวดเร็วของหลุมดำยักษ์ ทำให้เกิดพลังขับเคลื่อนลำอนุภาคมีประจุไฟฟ้า คือ พลาสมาพุ่งออกไปจากหลุมดำยักษ์ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง
แล้วอย่างไร ? ทำไมจึงต้องมีโจทย์การวิจัยขึ้นมาใหม่อีก ?
ก็เพราะว่า ถึงแม้กระบวนการ แบลนด์ฟอร์ด-ซนาเยก จะยังใช้กันโดยทั่วไป แต่ผลจากการเจาะศึกษาหลุมดำยักษ์ ดังเช่น เอ็ม87* และหลุมดำยักษ์หมุนรอบตัวเองอื่น ๆ โดยละเอียดขึ้นอีก (ดังเช่น การเจาะสำรวจจนกระทั่งได้ภาพแรกที่เผยแพร่ของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87*) นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเกอเธ่ แฟรงค์เฟิร์ต ก็เกิดความคิด ตั้งเป็นโจทย์ใหม่ขึ้นมา ใช้ความรู้เชิงทฤษฎีล่าสุด และเครื่องมือ คือ คอมพิวาตอร์ ดีที่สุดที่มีอยู่ เพื่อค้นหาสาเหตุการก่อกำเนิดของลำเจ็ตพลาสมาความเร็วเกือบเท่าแสง ที่พุ่งออกไปจากหลุมดำยักษ์ชนิดหมุน
วิธีการของคณะนักวิทยาศาสตร์ คือ พัฒนาหรือสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ขึ้นมาใหม่เพื่อค้นหากระบวนการที่เกิดขึ้นกับหลุมดำยักษ์หมุน ดังเช่น เอ็ม87* โดยมีข้อมูลจากการสังเกตจริงของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* และหลุมดำยักษ์ชนิดหมุนอื่น ๆ เป็นตัวอย่าง “ของจริง” สำหรับการเปรียบเทียบตรวจสอบว่า แบบจำลองที่ถูกพัฒนาขึ้นมานั้น “ถูกต้อง” หรือ “ใช้ได้หรือไม่ ?”
ผลการวิจัยใหม่ : บทบาทใหม่ของสนามแม่เหล็ก
ผลงานความพยายามของคณะนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเกอเธ่ แฟรงค์เฟิร์ต นำโดย ศาสตราจารย์ ลูเซียโน เรซซอลลา (Luciano Rezzolla) คือ แบบจำลองคอมพิวเตอร์มีชื่อเรียกว่า “FPIC” code หรือ รหัส “เอฟพีไอซี” จากชื่อเต็ม “Frankfurt particle-in-cell” code (รหัส “แฟรงค์เฟิร์ตอนุภาค-ใน-เซลล์”) เป็นรหัสคอมพิวเตอร์ขนาดใหญ่ จำลองปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นกับหลุมดำยักษ์ ดังเช่น เอ็ม87* โดยโฟกัสกระบวนการเกิดขึ้นกับหลุมดำยักษ์ที่หมุนรอบตัวเองในอัตราเร็วต่าง ๆ แล้วก็เกิดลำเจ็ตพลาสมา คือ อนุภาคมีประจุไฟฟ้าพุ่งออกไปจากหลุมดำยักษ์
แบบจำลองรหัส “เอฟพีไอซี” เป็นแบบจำลองขนาดใหญ่มากจริง ๆ ต้องใช้พลังการทำงานของคอมพิวเตอร์นับเป็นหลายล้านชั่วโมงซีพียู (CPU) ของ “เกอเธ่” ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่แฟรงเฟิร์ต และ “ฮอว์ก” (“Hawk”) ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ สตุ๊ตการ์ท (Stuttgart) ...
เพื่อแก้สมการ แม็กซ์เวลล์ (Max well’s equations) สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศโค้งรอบหลุมดำยักษ์ และสมการการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนกับโปสิตรอน ในอวกาศโค้งรอบหลุมดำยักษ์ ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพภาคทั่วไปของไอน์สไตน์
ผลการวิจัยใหม่ที่สำคัญ คือ
*ยืนยันความถูกต้องของกระบวนการแบลนด์ฟอร์ด-ซนาเยก สำหรับหลุมดำยักษ์หมุน ดังเช่น หลุมดำ เอ็ม87*
*แล้วก็พบบทบาทใหม่เพิ่มขึ้นมา ของสนามแม่เหล็กจากหลุมดำยักษ์ ต่อการเกิดขึ้นของลำเจ็ตพลาสมาที่พุ่งออกไปจากหลุมดำ
กล่าวคือ ผลการวิจัยใหม่พบว่า สนามแม่เหล็กหรือเส้นแรงแม่เหล็ก จากหลุมดำยักษ์ที่เกิดการบิดเบี้ยวในบรรดาแก๊สร้อนจัดหรืออนุภาคมีประจุไฟฟ้า เป็นต้นเหตุการณ์เกิดลำเจ็ตพลาสมาพุ่งออกไปจากหลุมดำยักษ์ตามกระบวนการ แบลนด์ฟอร์ด-ซนาเยก นั้น ถูกต้อง
แต่ก็มีบทบาทใหม่ของสนามแม่เหล็ก ที่ไม่ทราบกันมาก่อน ได้เกิดขึ้นด้วย...
นั่นคือ จากการจำลองสถานการณ์ของคณะนักวิทยาศาสตร์ พบว่า สนามแม่เหล็ก...หรือเส้นแรงแม่เหล็ก...มิได้เพียงแต่เกิด “การบิดเบี้ยว” ในบรรดาแก๊สร้อนจัด หากเกิดการ “ฉีกขาด”...การ “ไม่ต่อเนื่อง”...ของสนามแม่เหล็กด้วย แล้วก็เกิด “การต่อกันใหม่” ของสนามแม่เหล็ก...
ซึ่งทั้งการขาดจากกัน และการต่อกันใหม่ ของสนามแม่เหล็ก เป็นปฏิกิริยารุนแรงเพิ่ม “ความโกลาหล” แก่บรรดาแก๊สร้อน...
จึงเกิดเป็น “ผลรวม” ทำให้ลำเจ็ตพลาสมามีพลังงานสูงขึ้นอีก เป็นต้นเหตุทำให้ลำเจ็ตพลาสมาพุ่งออกไปจากหลุมดำ เป็นระยะทางไกลมาก เช่น กรณีของหลุมดำยักษ์ เอ็ม87* ก็ทำให้ลำเจ็ตพลาสมา พุ่งออกไปไกลเป็นระยะทางถึงประมาณ 5,000 ปีแสง
ความสำคัญและก้าวต่อไปของการวิจัย
กาแล็กซีส่วนใหญ่ รวมทั้งกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราด้วย มีหลุมดำยักษ์อยู่ที่บริเวณใจกลาง
หลุมดำยักษ์เป็น “ยักษ์ใหญ่” ที่มีความสำคัญต่อความเป็นไปของจักรวาล และการก่อกำเนิดของสรรพสิ่งในกาแล็กซี รวมทั้งบรรดาดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ต่าง ๆ ดังเช่น ดวงอาทิตย์และโลกของเราด้วย
แล้ว “ยักษ์ใหญ่” ที่ใจกลางกาแล็กซี จะเป็น “ยักษ์ใหญ่ใจดี” หรือไม่ ก็เป็นเรื่องที่ “เรา” ต้องพยายามศึกษายักษ์ใหญ่ที่ใจกลางกาแล็กซีต่อไป
ผลงานการวิจัยใหม่ ที่ผู้เขียนนำมาเล่าสู่ท่านผู้อ่านวันนี้ จริง ๆ แล้ว ก็ยังเป็นผลงานจากการวิจัยที่มีขีดจำกัดอยู่มากทีเดียว เพราะเป็นการศึกษาวิจัยในระดับสองมิติ
ดังนั้น เมื่อมีการเจาะศึกษาให้ลึกลงไปอีก ถึงระดับสามมิติ ก็เป็นไปได้ว่า จะได้พบ “สิ่งใหม่” ซึ่งอาจจะบอกเราได้ดีขึ้นว่า ยักษ์ใหญ่เช่นที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา จะเป็นยักษ์ใหญ่ใจดีหรือไม่ ? แค่ไหน ?
แล้วใครจะทำต่อ ?
คณะนักวิทยาศาสตร์ระบุในรายงานว่า คณะก็จะทำงานวิจัยศึกษาต่อ และหวังว่านักวิทยาศาสตร์หรือคณะนักวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ก็จะเจาะศึกษาต่อด้วย...
ผู้เขียนจึงเป็นคนหนึ่ง ที่จะรอผลการวิจัยศึกษาต่อ !
แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ คิดเรื่องนี้อย่างไรครับ ?
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
