ไขข้อสงสัย! ทำไมเราถึงได้ภาพของ “หลุมดำ” กาแล็กซีอื่นก่อนกาแล็กซีตัวเอง?
วันที่ 10 เมษายน 2562 ที่ผ่านมา วงการดาราศาสตร์ทั่วโลกตื่นเต้นกันมากมายกับภาพของหลุมดำมวลยวดยิ่งใจกลางกาแล็กซี M87 ซึ่งถือได้ว่าเป็นภาพถ่ายหลุมดำภาพแรกในประวัติศาสตร์ คำถามที่ตามมาคือทำไมเราถึงได้ภาพของหลุมดำในกาแล็กซีอื่นก่อนภาพหลุมดำในกาแล็กซีเราเอง และนี่คือคำตอบ
ย้อนกลับไปเมื่อปี 2536 นักดาราศาสตร์วิทยุชาวเยอรมัน ฮายโน ฟลายเกอร์ (Heino Falcke) เกิดความคิดว่าเราน่าจะถ่ายภาพหลุมดำได้จริง ๆ แทนที่จะมัวแต่ใช้ภาพจำลอง และเทคนิคที่น่าจะใช้ในการถ่ายภาพที่คิดเอาไว้คือ VLBI หรือ ”กล้องโทรทรรศน์วิทยุระบบแทรกสอดคลื่นชนิดฐานกว้างมาก” (Very Long Baseline Interferometry) โดยตั้งเป้าไปที่หลุมดำมวลยิ่งยวดใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา ฟลายเกอร์จึงได้รวบรวมทีมงานและเริ่มขอทุนจากทางสหภาพยุโรป ทีมงานนี้ต่อมาก็ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ รวมทั้งมีการเปลี่ยนตัวผู้ร่วมงานตลอดเวลา แต่ยังมีจุดมุ่งหมายเดิมคือต้องถ่ายภาพหลุมดำให้สำเร็จให้จงได้
โดยหลักการแล้วการใช้เทคนิค VLBI เพื่อให้ได้รายละเอียดภาพมากพอสำหรับใช้ในการถ่ายภาพหลุมดำก็หนีไม่พ้นเรื่องของ θ=2.5x105(λ/D) นั่นคือถ้าหากเราอยากได้ค่าความละเอียดของภาพมาก ๆ มีค่าเทตา θ ที่เล็กถึงระดับไมโครพิลิปดาหรือเศษหนึ่งส่วนล้านของฟิลิปดา (ยิ่งเล็กยิ่งดี) นั่นหมายถึงเราต้องมีค่า D ที่ใหญ่มาก ๆ เข้ามาเป็นตัวหาร ซึ่งค่า D ของระบบกล้องวิทยุโทรทรรศน์แบบ VLBI นั้นไม่ใช่ขนาดของเลนส์แต่เป็นระยะห่างระหว่างกล้องแต่ละตัว หรือ Baseline นั่นเอง และระยะทางที่ไกลที่สุดที่ว่านี้ ถ้าเป็นไปได้ก็น่าจะไกลจนข้ามทวีป หลักการนี้ทำให้เกิดโครงการเชื่อมต่อเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใหญ่ที่สุดในโลกที่เรียกว่า The Event Horizon Telescope (EHT) ขึ้นมา
โครงการ EHT นี้ คือการเล่นใหญ่จัดใหญ่ของเหล่านักดาราศาสตร์จำนวนนับร้อยชีวิตที่มีความคิดจะเชื่อมต่อกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่กระจายตัวอยู่ในทุกทวีปของโลกเข้าหากันเพื่อให้ได้ระยะ Baseline ที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะทำได้ พูดง่าย ๆ คือหากเชื่อมต่อสำเร็จ เราจะได้มีกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่เท่าโลก ซึ่งก็ต้องค่อย ๆ ขอความร่วมมือจากเจ้าของกล้องโทรทรรศน์วิทยุในแต่ละประเทศให้นำกล้องของตนเข้ามาเชื่อมต่อกับกล้องตัวอื่นในโครงการ ขั้นตอนเหล่านี้กินเวลายาวนานหลายปี และในแต่ละปีตั้งแต่ 2549 เป็นต้นมา ก็จะมีกล้องตัวใหม่ ๆ เข้าสู่โครงการเรื่อย ๆ ทำให้ระบบ EHT เริ่มมีความสมบูรณ์แบบพร้อมรับข้อมูลจากหลุมดำมวลยวดยิ่งใจกลางทางช้างเผือกของเราหรือ Sagittarius A* ชื่อย่อ Sgr A* นับตั้งแต่นั้น
** เกร็ดควรรู้ เราตั้งชื่อหลุมดำมวลยวดยิ่งด้วยการระบุทิศทางของหมู่ดาวที่หลุมดำนั้นปรากฏอยู่เมื่อมองจากโลก แล้วลงท้ายด้วยอักษร A ตามด้วยเครื่องหมายดอกจันทร์ * หรือที่ฝรั่งเรียกสตาร์ ดังนั้น หลุมดำใจกลางทางช้างเผือกเมื่อมองจากโลกจะปรากฏอยู่ในทิศทางของหมู่ดาวราศีธนูหรือ Sagittarius จึงตั้งชื่อหลุมดำมวลยวดยิ่งนั้นว่า Sagittarius A* อ่านว่าซาจิแทเรียส เอสตาร์ หรืออาจย่อว่า Sgr A* ส่วนหลุมดำใจกลางกาแล็กซี M87 ซึ่งอยู่ในทิศทางหมู่ดาวราศีกันย์ จึงได้ชื่อว่า Virgo A* อ่านว่าเวอร์โก เอสตาร์ หรืออาจใช้ M87* ในความหมายเดียวกัน
และนอกจาก Sgr A* ที่เป็นเป้าหมายหลักแล้ว โครงการ EHT ก็ได้เลือกหลุมดำเป้าหมายรองมาเคียงคู่กัน นั่นคือหลุมดำใจกลางกาแล็กซี M87 ที่ปรากฏในข่าวนั่นเอง
คลิปแสดงความไกลของ M87* EMBED https://www.youtube.com/watch?v=9DILtg_9dcU
สาเหตุที่เลือกหลุมดำ M87* มาเป็นเป้าหมายคู่กับหลุมดำ Sgr A* ทั้งที่มันอยู่ไกลลิบลับถึง 55 ล้านปีแสงนั้นก็คือ ขนาดและความชัดเจน ของมัน โดยขนาดปรากฏของ M87* เมื่อมองจากโลกนั้นใหญ่พอ ๆ กับขนาดปรากฏของ Sgr A* ทั้งที่อยู่ไกลออกไปเกิน 2,000 เท่า เหตุที่เป็นแบบนี้เพราะขนาดจริงของ M87* นั้นใหญ่โตมโหฬารมาก ใหญกว่า Sgr A* เกิน 2,000 เท่า แถมจานสะสมมวลรอบหลุมดำมีความส่องสว่างมากกว่าทำให้เห็นได้ชัดเจนกว่า ไม่ต่างจากพระอาทิตย์กับพระจันทร์ หรือเฮลิคอปเตอร์กับแมลงปอ
แต่ครับแต่ ใคร ๆ ก็อยากดูของในบ้านตัวเองก่อน โครงการ EHT จึงตั้งหน้าตั้งตานำข้อมูลจากความถี่วิทยุจาก Sgr A* มาถอดรหัสเพื่อสร้างเป็นภาพถ่าย แต่เรื่องราวกลับไม่ง่ายแบบนั้น เนื่องจาก Sgr A* นั้นตั้งอยู่ในใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกที่เราอาศัยอยู่ และโลกเราอยู่ในระบบสุริยะอยู่ที่บริเวณแขนของกาแล็กซีเดียวกัน การมองเข้าไปในใจกลางของกาแล็กซีคือการมองฝ่าวัตถุอวกาศมากมายที่เป็นอุปสรรคขวางกั้น อุปสรรคเหล่านี้มีตั้งแต่ก้อนฝุ่นขนาดต่าง ๆ กัน ไปจนถึงวัตถุทรงพลังอย่างดาวแม่เหล็กแม็กเนตาร์ (Magnetar)
อุปสรรคเหล่านี้ไม่ได้ก่อปัญหาให้เฉพาะโครงการ EHT เท่านั้น โครงการอื่นอีกมากมายที่พยายามทำแบบเดียวกันนี้ก็พบปัญหาไม่ต่างกัน ยกตัวอย่างเช่นโครงการกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา ที่พยายามถ่ายภาพหลุมดำ Sgr A* นี้ด้วยความถี่คลื่นในย่านรังสีเอกซ์เพื่อหลบการขวางกั้นของฝุ่น แต่ก็ไม่รอดจากอุปสรรคอื่น นั่นคืออยู่ดี ๆ ในปี 2556 ก็เกิดมีการลุกจ้าของดาวแม่เหล็กแม็กเนตาร์ ที่ขวางกั้นระหว่างโลกกับ Sgr A* ขึ้นมาแบบไม่มีปี่มีขลุ่ย ทำให้การส่องด้วยกล้องจันทราถูกบล็อกไประยะหนึ่ง [ที่มา] ทางด้านของโครงการ EHT ซึ่งกล้องโทรทรรศน์วิทยุแต่ละตัวกระจัดกระจายไปหลายทวีป ก็พบปัญหาสภาพอากาศหนาวเย็นทำให้ข้อมูลจากกล้องที่ขั้วโลกใต้ไม่สามารถส่งมาได้ตามเวลาที่กำหนด โครงการจำต้องพักรอไปเฉย ๆ
หากพยายามเปรียบเทียบอุปสรรคเหล่านี้ให้เข้าใจง่าย ให้ลองนึกถึงการพยายามถ่ายภาพแมลงปอที่เกาะอยู่ริมรั้วใต้ต้นไม้ที่มีเงารกครึ้ม โดยต้องซูมกล้องผ่านต้นหญ้าหนาทึบ กับการเงยกล้องขึ้นไปถ่ายเฮลิคอปเตอร์ที่บินอยู่บนฟ้าสว่างกลางแดด ที่ไม่มีอะไรบดบัง แน่นอนว่าการถ่ายภาพเฮลิคอปเตอร์ที่แม้จะอยู่ไกลกว่ามากมายหลายเท่าแต่กล้องก็ซูมภาพได้สะดวกกว่า แตกต่างแมลงปอใกล้บ้านที่อยู่ในความสลัวของเงาไม้ใหญ่แถมโดนหญ้าบัง ประกอบกับภาพที่ได้ออกมา แมลงปอกับเฮลิคอปเตอร์ก็มีขนาดปรากฏในกล้องถ่ายภาพพอ ๆ กัน เพราะแมลงปอแม้ตัวเล็กแต่อยู่ใกล้ ขนาดที่เห็นจึงไม่ต่างกับเฮลิคอปเตอร์ที่ลำใหญ่แต่อยู่ไกล ดังนั้นเพื่อให้ได้งานออกมาก่อนเป็นชิ้นเป็นอันหลังเสียเวลาไปหลายปี ทีมงาน EHT จึงตัดสินใจหันไปทุ่มเทกับหลุมดำ M87* ที่อยู่ไกลก่อนและเลือกที่จะเลื่อนลำดับการถ่ายภาพหลุมดำ Sgr A* ไว้ทีหลัง นั่นคือคำตอบว่าทำไมเราถึงได้ภาพของหลุมดำในกาแล็กซีอื่นของหลุมดำในกาแล็กซีของเรานั่นเอง
จากความพยายามนับครั้งไม่ถ้วน สุดท้ายเมื่อเดือนมกราคมต้นปี 2562 ที่ผ่านมา โครงการ EHT ก็ได้ภาพ Sgr A* หรือหลุมดำใกล้บ้าน ที่ใจกลางกาแล็กซีเราออกมาเป็นภาพด้านบนนี้ ที่ดูยังไง ๆ ก็ยังไม่อาจนับได้ว่าเป็นภาพหลุมดำที่ประสบผลสำเร็จ เนื่องจากเราไม่เห็น “เงาดำ” ใจกลางภาพ เห็นเพียงแสงของกลุ่มแก๊สที่หมุนอยู่รอบหลุมดำเท่านั้น เงาดำของมันถูกปกคลุมด้วยการกระเจิงของแสงโดยรอบ ทางทีมงาน EHT พบว่านี่อาจเป็นปัญหาจากการเลือกใช้ความยาวคลื่นวิทยุที่ยาวเกินไป (ค่า λ ที่ 3.5 มิลลิเมตร) แบบเดียวกับที่ใช้ในการสร้างภาพหลุมดำ M87* แต่หากลองปรับค่าความยาวคลื่นวิทยุมาให้สั้นขึ้นเป็น 1.3 มิลลิเมตร แล้วลองหาทางบันทึกภาพกันใหม่อีกครั้ง อาจจะได้ผลที่ดีกว่านี้ รอบต่อไปเราน่าจะได้เห็นเงาดำของ Sgr A* ก็เป็นได้
**กล้องโทรทรรศน์วิทยุ 8 ตัวจาก 4 ทวีปที่ใช้ในการถ่ายภาพ M87* ได้แก่ กล้อง ALMA และ APEX ในชิลี กล้อง SMA และ JCMT ในฮาวาย กล้อง SMT ในอริโซนา กล้อง PV ในสเปน กล้อง LMT ในเม็กซิโก และ กล้อง SPT ที่ขั้วโลกใต้ *