สัตว์ประหลาดของไอน์สไตน์: ชีวิตและเวลาของหลุมดำ
Chris Impey W. W. Norton (2018)
เงาของไอน์สไตน์: หลุมดำ กลุ่มนักดาราศาสตร์ และภารกิจเพื่อดูเซธ เฟล็ทเชอร์ เอ็กโกที่มองไม่เห็น (2018)
ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์สล็อตแตกง่าย Ernst Mach เขียนว่าเมื่อ Isaac Newton ตีพิมพ์ทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของเขาในหนังสือของเขา Principia (1687) มันรบกวนนักปรัชญาตามธรรมชาติของเขา เหตุผล? “ก่อตั้งขึ้นจากความไม่เข้าใจที่ไม่ธรรมดา”: วัตถุสองชิ้นมีปฏิสัมพันธ์กันโดยไม่มีการสัมผัสทางกายภาพ Mach พยายามแสดงให้เห็นว่าการดูหมิ่นสามัญสำนึกทำให้ได้รับความนับถือผ่านความคุ้นเคยได้อย่างไร ในยุคของเขาเอง แรงโน้มถ่วงได้กลายเป็น “ความไม่เข้าใจกันทั่วไป”
หลุมดำ — สัตว์โน้มถ่วงที่บิดเบี้ยวอวกาศและกลืนกินแสง — ได้ผ่านวิถีโคจรที่คล้ายคลึงกัน ในช่วงปี 1980 พวกเขายังคงดูเหมือนนิยายวิทยาศาสตร์ ตั้งแต่นั้นมา ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและทฤษฎีได้เปลี่ยนแปลงสิ่งเหล่านี้เป็นความแน่นอนทางวิทยาศาสตร์ (ใกล้) ตอนนี้ หนังสือสองเล่ม — Einstein’s Monsters โดยนักดาราศาสตร์ Chris Impey และ Einstein’s Shadow ของนักข่าววิทยาศาสตร์ Seth Fletcher — ติดตามการเปลี่ยนแปลงนั้นโดยไม่ลืมว่าหัวเรื่องของพวกเขาแปลกแค่ไหน
ใน Monsters ของ Einstein นั้น Impey ให้ประวัติของหลุมดำและภาพรวมของการสืบสวนเกี่ยวกับพฤติกรรมตอบโต้ที่ใช้งานง่ายที่สุดของพวกเขา ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของพวกมันเกิดขึ้นจากแนวคิดที่ว่าความโน้มถ่วงเป็นแรงดึงดูดระหว่างวัตถุต่างๆ หากแสงสว่างมีความสำคัญ ตามที่นักปรัชญาชาวอังกฤษ จอห์น มิเชลล์ และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ปิแอร์-ไซมอน ลาปลาซ โต้เถียงกันในศตวรรษที่สิบแปด แสงสว่างนั้นก็อยู่ภายใต้กฎหมายของนิวตัน และถ้ากฎของนิวตันถูกต้อง วัตถุที่มีมวลเพียงพอก็สามารถครอบงำมวลของแสงได้ ทำให้เกิด “ดาวมืด” ลาปลาซยังให้พื้นฐานทางคณิตศาสตร์สำหรับสิ่งนี้ในปี ค.ศ. 1799 อย่างไรก็ตาม ในปีนั้นพหูสูต โธมัส ยัง แสดงให้เห็นว่าแสงทำหน้าที่เป็นคลื่น Laplace ล้มเลิกความคิดของเขา
กระดาษปี 1905 ของ Albert Einstein
เกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งบอกว่าแสงเดินทางในขณะที่ทั้งคลื่นและแพ็คเก็ตของสสาร (โฟตอน) อาจทำให้ดาวมืดฟื้นขึ้นมาได้ สิบปีต่อมา เขาไม่ได้ทำให้แนวคิดเรื่องความโน้มถ่วงกลายเป็นแรงปฏิบัติการอย่างลึกลับ โดยไม่ต้องสัมผัสร่างกาย ในจักรวาลของไอน์สไตน์ แสงตามเส้นโค้งในกาลอวกาศซึ่งเกิดจากการมีอยู่ของวัตถุที่มีมวล ภายในเวลาไม่กี่เดือนของการนำเสนอทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ในปี 1915 นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Karl Schwarzschild ได้ค้นพบวิธีแก้ปัญหาสำหรับสมการของไอน์สไตน์: วัตถุไม่จำเป็นต้องมีขนาดใหญ่มากเพื่อดักจับแสงอย่างที่ Michell และ Laplace สันนิษฐานไว้ มันแค่ต้องมีความหนาแน่นเพียงพอ
นักฟิสิกส์หลายคนคิดว่าเป็นไปไม่ได้ ซึ่งรวมถึงไอน์สไตน์ด้วย วัตถุดังกล่าวอาจเป็นผลมาจากการยุบตัวของมวลเป็นสถานะที่มีความหนาแน่นอนันต์เท่านั้น ซึ่งเป็นภาวะเอกฐาน และอนันต์ไม่ได้ให้ความสำคัญกับการรับรองทางวิทยาศาสตร์อย่างกระตือรือร้น เพียงเพราะ “สัตว์ประหลาด” มีความเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ไม่ได้หมายความว่ามันมีอยู่จริง
อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องเหลวไหล ความเป็นไปได้ก็แฝงตัว และนักทฤษฎีบางคนชอบการซ่อนเรื่องไร้สาระ จากทศวรรษที่ 1920 พวกเขาได้รับประโยชน์จากกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นความเข้าใจในจักรวาลย่อยของอะตอมซึ่งความหนาแน่นที่ไม่คาดคิดมาก่อนนั้นสมเหตุสมผล นักทฤษฎีในช่วงทศวรรษที่ 1930 คำนวณว่ามวลของดาวฤกษ์เป็นตัวกำหนดชะตากรรมในที่สุด และชะตากรรมเหล่านั้นรวมถึงดาวนิวตรอนหรือดาวมืด
ดาวนิวตรอนนั้นใช้ได้: กลศาสตร์ควอนตัมสามารถอธิบายสิ่งมีชีวิตที่มีสสารสองสามลูกบาศก์เซนติเมตรมีน้ำหนักหนึ่งพันล้านตัน และนิวเคลียสของอะตอมที่อยู่ติดกันติดกัน ดาวมืดนั้นแตกต่างออกไป ภาวะเอกฐานที่น่าเกลียดและขึ้นอยู่กับอนันต์ที่หัวใจของมันเอาชนะทั้งทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและกลศาสตร์ควอนตัม
เพื่อให้หลุมดำไม่สามารถเข้าใจได้โดยทั่วไป การสังเกตการณ์ต้องตามทัน ตั้งแต่ช่วงกลางศตวรรษ นักดาราศาสตร์มองดูจักรวาลด้วยความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงรังสีแกม และระบุวัตถุที่อยู่ห่างไกลซึ่งสร้างกีย์เซอร์ของรังสี ซึ่งตรงกับหลุมดำตามทฤษฎี นักทฤษฎีเช่น Stephen Hawking พยายามที่จะทำนายว่าเกิดอะไรขึ้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์ – ขอบเขตระหว่างจักรวาลนี้กับสิ่งที่อยู่นอกเหนือสนามโน้มถ่วง
ความก้าวหน้าเพิ่มเติม เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ทำให้หลักฐานมีมากมาย หลุมดำมวลมหาศาลอาจครอบครองศูนย์กลางของกาแลคซีทุกแห่งและกำหนดการเติบโตของกาแลคซี กว่า 50 ปีที่ผ่านมา การศึกษาเกี่ยวกับหลุมดำได้เปลี่ยนจากความคลุมเครือมาเป็นอุตสาหกรรมที่เฟื่องฟู นักทฤษฎี Impey เขียนว่า “อยู่ในยุคทอง” และผู้สังเกตการณ์ “กำลังเก็บเกี่ยวหลุมดำขนาดใหญ่ในระดับอุตสาหกรรม”
การเก็บเกี่ยวหลุมดำสองหลุมเป็นเรื่องของหนังสือของเฟลตเชอร์ หนึ่งในดาราจักรราศีกันย์ A ที่ค่อนข้างใกล้เคียง อีกคนหนึ่งคือราศีธนู A* ผู้สมัครรุ่นมหึมาคือหัวใจของกาแล็กซี่ของเรา การสังเกตหลุมดำโดยทั่วไปอาศัยหลักฐานทางอ้อม เนื่องจากข้อจำกัดในการพยายาม ‘มองเห็น’ วัตถุสีดำบนพื้นหลังสีดำในระยะทางไกลถึงหลายพันล้านพาร์เซก หลักฐานสำหรับราศีธนู A* รวมถึงการศึกษาจำนวนมากในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ซึ่งเผยให้เห็นการซิกแซกและซิกแซกของบริเวณใกล้เคียงสล็อตแตกง่าย
