1.หลุมดำคืออะไร

หมายถึง เทหวัตถุในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงสูงมาก ไม่มีอะไรออกจากบริเวณนี้ได้แม้แต่แสง เราจึงมองไม่เห็นใจกลางของหลุมดำ หลุมดำจะมีพื้นที่หนึ่งที่เป็นขอบเขตของตัวเองเรียกว่าขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon) ที่ตำแหน่งรัศมีชวาร์สชิลด์ (Schwarzchild Radius) ถ้าหากวัตถุหลุดเข้าไปในขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุจะต้องเร่งความเร็วให้มากกว่าความเร็วแสงจึงจะหลุดออกจากขอบฟ้าเหตุการณ์ได้ แต่เป็นไปไม่ได้ที่วัตถุใดจะมีความเร็วมากกว่าแสง วัตถุนั้นจึงไม่สามารถออกมาได้อีกต่อไป เมื่อดาวฤกษ์ที่ มีมวลมหึมาแตกดับลง มันอาจจะทิ้งสิ่งที่ดำมืดที่สุด ทว่ามีอำนาจทำลายล้างสูงสุดไว้เบื้องหลัง นักดาราศาสตร์เรียกสิ่งนี้ว่า “หลุมดำ”

2.การเกิดหลุมดำ

การเกิดหลุมดำในเอกภพโดยทั่วไปก็คือการ เกิดการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง (Gravitational Collapse) ของดวงดาว (ดาวฤกษ์) เพราะว่าดวงดาวที่มีอยู่ในเอกภพจะอยู่ในสภาพที่มีสมดุลระหว่างแรง 2 ชนิดที่มีอยู่ในตัวมันเองก็คือ แรงผลักออกจากการที่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์ (Nuclear Reaction) ที่อยู่ในใจกลางของดวงดาว และแรงดึงดูดเข้าสู่ศูนย์กลางที่เกิดจากขนาดของมวล (Gravitatational Pull) ซึ่งเมื่อดวงดาวได้เผาผลาญพลังงานนิวเคลียร์ภายในของมันจนหมด แรงผลักออกก็ไม่สามารถที่จะต้านแรงดึงเข้าสู่จุดศูนย์กลางได้ ก็จึงทำให้เกิดการยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วงนั่นเอง ดวงอาทิตย์ของเราในระบบสุริยะก็สามารถยุบตัวเป็นหลุมดำได้ แต่ยังเป็นเวลาอีกนานมากเพราะมันจะต้องผ่านการวิวัฒนาการอีกหลายขั้นตอน โดยปกติการยุบตัวของดวงดาวจะมีความสมมาตรเชิงทรงกลม (Spherical Symmetry) เพราะเป็นการยุบเข้าสู่ใจกลางโดยตรง ซึ่งก็จะเกิดเป็นหลุมดำชนิดที่ง่ายที่สุดที่เรียกว่า หลุมดำชว๊าซชิลด์ (Schwarzschild Black Holes) ถ้าการยุบตัวของหลุมดำมีประจุติดไปด้วยและยังมีความสมมาตรเชิงทรงกลม เราจะได้หลุมดำที่เรียกว่า หลุมดำไรส์เนอร์-นอร์ดสเตริม (Reissner-Nordstrom black holes) และถ้าในระหว่างการยุบตัวมีการหมุนเข้ามาเกี่ยวข้อง ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นหลุมดำเคอร์ (Kerr black hole) และถ้าการยุบตัวแบบนี้มีประจุรวมอยู่ด้วยเราจะเรียกมันว่าหลุมดำเคอร์-นิวแมน (Kerr-Newman black hole) สำหรับการยุบตัวที่ไม่มีสมมาตรเชิงทรงกลม (non-spherical symmetry) จะเกิดการแผ่คลื่นแรงโน้มถ่วง (gravitational waves)

ชื่อของหลุมดำ ประจุ (Q) โมเมนตัมเชิงมุม (L)

หลุมดำชวาซชิลด์ (Schwarzschild black holes) ไม่มี ไม่มี

หลุมดำเคอร์ (Kerr black holes) ไม่มี มี

หลุมดำไรส์เนอร์-นอร์ดสเตริม (Reissner-Nordstr?m black holes) มี ไม่มี

หลุมดำเคอร์-นิวแมน (Kerr-Newman black holes) มี มี

3.ประเภทของหลุมดำ

1.หลุมดำจิ๋ว (Mini black holes) หลุมดำพวกนี้ มีขนาดราว 10-15 เมตรเป็นหลุมดำที่มีมวลเพียงไม่กี่ร้อยล้านตัน มีขนาดเล็กเพียงขนาดของอะตอมเท่านั้น เกิดขึ้นหลังจากเกิดบิ๊กแบงได้ไม่นาน หลุมดำชนิดนี้จะมีอายุสั้นและจะสลายตัวด้วยการระเบิด แล้วปลดปล่อยรังสีแกมมาออกมา

2.หลุมดำที่เกิดจากวิวัฒนาการของดวงดาวหรือหลุมดำที่ เกิดจากดาวฤกษ์ที่ตายแล้ว(Stellar black holes) เมื่อดาวฤกษ์ที่มวลมาก ๆ ถึงคราวหมดอายุไข จะเกิดการระเบิดเป็น ซูเปอร์โนวา หากหลังการระเบิดยังหลงเหลือมวลสารที่ใจกลางของดาวมากกว่า 3 เท่าของดวงอาทิตย์ มวลใจกลางดาวนั้นจะยุบตัวต่อลงเป็นหลุมดำ

หลุมดำประเภทนี้เกิดจากดาวยักษ์แดง (Red giant stars) ที่มีมวลมากกว่า 3 เท่าของ มวลของดวงอาทิตย์ตามวิวัฒนาการของดวงดาว (Stellar evolution) ส่วนดาวที่มีมวลน้อยกว่านี้ก็จะวิวัฒนาการไปสู่ ดาวแคระขาว (white dwarfs) หรือ ดาวนิวตรอน (neutron stars) หลุมดำประเภทนี้เกิดจากการที่ดาวฤกษ์เผาผลาญพลังงานทุกอย่าง จนหมดสิ้นทำให้เกิดการยุบตัวเป็น singularity (หมายถึงบริเวณที่เป็นอนันต์) ซึ่งถือว่าเป็นจุดตรงกลางของหลุมดำ ในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอสไตน์ singularity จะเกิดขึ้นได้เมื่อดวงดาวได้ยุบตัวจนถึง รัศมีชว๊าซชิลด์ (Schwarzschild radius) หรือ เรียกว่า ขอบเขตแห่งเหตุการณ์ (Event horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตที่ไม่มีอะไรสามารถ หลุดพ้นออกมาได้ (ยกเว้นแต่ว่าใครจะทำความเร็วได้มากกว่าความเร็วแสง แต่ความเป็นไปได้ก็ถูกจำกัดโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอสไตน์ที่กล่าวว่า ไม่มีสิ่งใดที่สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าความเร็วแสง )

3.หลุมดำยักษ์หรือหลุมดำมวลยิ่งยวด(Supermassive black holes) หลุมดำจำพวกนี้จะมีมวลมากมายมหาศาล อาจมีมวลมากนับเป็นหลายพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ส่วนใหญ่จะพบหลุมดำมวลยิ่งยวดอยู่ใจกลางของควอซ่าร์ (Quasars) ซึ่งเป็นใจกลางของ galaxy ที่มีการระเบิดเกิดขึ้น และมันดูดดาวจำนวนนับพันล้านดวง รวมถึงก๊าซและฝุ่น ในอวกาศ หรือแม้กระทั่งดาวเคราะห์เข้าไป ด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่าหลุมดำมวลยิ่งยวด

4.ผลของการตกลงไปในหลุมดำ

ในส่วนนี้จะเป็นการอธิบายว่าจะเกิดอะ ไรขึ้นถ้ามีบางสิ่งตกลงไปในหลุมดำชวาร์สชิลด์ ที่เป็นเป็นไม่หมุนและไม่มีประจุ ส่วนหลุมดำที่หมุนและมีประจุจะมีความยุ่งยากที่เพิ่มขึ้นมาเมื่อตกลงไป

– กระบวนการสปาเกตตี้

วัตถุที่อยู่ภายใต้แรงดึงดูดขนาดใหญ่ จะสัมผัสได้ถึงแรงไทดอล(tidal force) ที่ทำให้มันไปในทิศทางของวัตถุที่ก่อให้เกิดสนามโน้มถ่วง นี่อาจจะเกิดจากกฎกำลังสองผกผันทำให้ส่วนที่ใกล้กว่าของวัตถุที่ถูก แผ่ออกสัมผัสกับแรงดึงดูดได้เร็วกว่าส่วนที่อยู่ไกลกว่า ใกล้ ๆ กับหลุมดำ แรงไทดอลจะถูกคาดหวังว่าจะเพียงพอที่จะทำให้วัตถุตกลงไป ไม่ว่าจะเป็นอะตอม หรือนิวคลีออน เรียกปรากฏการณ์นี้ว่ากระบวนการสปาเกตตี้(spaghettification) กระบวนการสปาเกตตี้ นี้จะเริ่มจากวัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำจะแยกเป็นสองส่วน และจากนั้นแต่ละส่วนก็จะแยกออกเป็นอีกสองส่วนรวมเป็นสี่ แล้วก็แยกเป็นแปด กระบวนการแยกออกเป็นสอง (bifurcation) นี้จะดำเนินไปเรื่อย ๆ และผ่านจุดที่จะแยกวัตถุต้นแบบในระดับอะตอม และสุดท้ายกระบวนการนี้จะทำให้วัตถุกลายเป็นสตริงของอนุภาคพื้นฐาน

ความแรงของ tidal force ของหลุมดำขึ้นกับค่าความโน้มถ่วงนั้นเปลี่ยนแปลงระยะอย่างไรมากกว่าที่จะคิดถึง แรงสัมบูรณ์ที่ตกลงไป นั่นหมายความว่าหลุมดำขนาดเล็กจะเกิดปรากฏการณ์สปาเกตตี้เมื่อวัตถุที่ตกลง ไปนั้นยังอยู่ภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ ขณะที่วัตถุที่ตกลงไปในหลุมดำขนาดใหญ่นั้นอาจไม่ผิดแผลกแตกต่างไป หรืออาจจะไปสัมผัสแรงขนาดใหญ่ที่ผ่านขอบฟ้าเหตุการณ์ไป

-ก่อนที่วัตถุที่ตกลงไปจะข้ามขอบฟ้าเหตุการณ์ วัตถุที่อยู่ในสนามความโน้มถ่วงจะมีเวลาที่ช้าลงเรียกว่าการยืดของช่วงเวลาจากความโน้มถ่วง และมีลักษณะที่แดงและมืดทึบลงเนื่องจากเกิดการเลื่อนของสเปกตรัมไป ในทิศทางที่มีความยาวคลื่นเพิ่มขึ้น เรดชิฟท์ที่เกิดขึ้นโดยความโน้มถ่วงจากหลุมดำ ในที่สุดวัตถุนั้นจะค่อนข้างมืดลงไปจนไม่สามารถมองเห็นได้

-อะไรทำให้สสารหลุดจากหลุมดำไม่ได้

วัตถุสามารถเคลื่อนที่ ในทิศทางใดก็ได้เมื่ออยู่ห่างจากหลุมดำ ภายใต้ความเร็วแสง ยิ่งใกล้หลุมดำเข้ามาพื้นผิวจะเริ่มบิดเบี้ยว ทางที่จะเข้าสู่หลุมดำจะมีมากกว่าทางที่จะหลุดออกจากหลุมดำ  ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ เส้นทางทั้งหมดจะดึงอนุภาคเข้าใกล้ศูนย์กลางของหลุมดำ ไม่มีความเป็นไปได้ที่จะหลุดออกมาได้อีก เหตุผลที่นิยมจะนำมาอธิบายปรากฏการณ์หลุมดำก็คือแนวคิดเกี่ยวกับความเร็วหลุดพ้น ความเร็วนี้เป็นที่ต้องการสำหรับการเริ่มต้นที่ผิวของวัตถุขนาดใหญ่เพื่อที่ จะหลุดจากสนามโน้มถ่วงของวัตถุใด ๆ แนวคิดนี้มาจากกฎความโน้มถ่วงของนิวตันที่ความเร็วหลุดพ้นของวัตถุหนาแน่น เพียงพอจะเท่ากับหรือมากกว่าความเร็วแสง มีการกล่าวอ้างว่าไม่มีอะไรที่จะมากกว่าความเร็วแสงได้ จึงสรุปได้ว่าไม่มีสสารใดจะสามารถหนีจากวัตถุที่หนาแน่นขนาดนี้ได้

ศึกษาข้อมูลเพิ่มเติมจาก  http://www.lib.kmutt.ac.th/st4kid/nonFlash/index.jsp?id=187