เมื่อมีการถ่ายภาพหลุมดำได้สำเร็จ จึงเป็นเรื่องตื่นเต้นอย่างมากในวงการวิทยาศาสตร์ โดยภาพหลุมดำแรกในประวัติศาสตร์ ถ่ายจากใจกลางกาแล็กซี Messier87 หรือ M87 แต่ตามที่ทุกท่านทราบกันดีว่าหลุมดำนั้นมืดสนิท แล้วการถ่ายภาพของหลุมดำสามารถทำได้อย่างไร ในบทความนี้จะพาทุกท่านไปยังขอบของหลุมดำ เพื่อดูว่าเกิดอะไรขึ้นบ้าง ณ ที่แห่งนั้น

หลุมดำที่มืดสนิท

โดยทั่วไปหลุมดำเกิดจากการยุบสลายตัวลงของดวงดาว และเมื่อมวลของตัวดาวเองมีมากเกินกว่าขีดจำกัดจันทรสิกขา ก็จะกลายสภาพเป็นวัตถุที่มีแรงดึงดูดโน้มถ่วงเป็นอนันต์ แม้แต่แสงซึ่งเคลื่อนที่ได้เร็วที่สุดในจักรวาลก็ยังไม่สามารถเดินทางหนีแรงดึงดูดนั้นได้ (จึงไม่มีวัตถุใดในจักรวาลที่มีมวล จะสามารถหนีออกมาจากหลุมดำได้) นี่คือเหตุผลที่หลุมดำมืดสนิท

เขตแดนแห่งความมืดมิดและสว่าง

เขตแดนที่เกิดจากเส้นทางของแสงที่ไม่สามารถหนีออกมาจากหลุมดำได้ เรียกว่า “ขอบฟ้าเหตุการณ์” พรมแดนระหว่างสองสภาวะนี้ กำหนดโดยเส้นทางเดินของแสงที่ไม่สามารถหนีแรงดึงดูดโน้มถ่วงของหลุมดำออกมายังภายนอกได้ กับเส้นทางของแสงจากภายนอก อย่างไรก็ตาม เส้นทางเดินของแสงทั้งสองจะไม่มีวันมาบรรจบกัน เพราะมิเช่นนั้น แสงจากภายนอกจะต้องตกเข้าไปในหลุมดำ ดังนั้น ในสถานการณ์ปกติแล้ว พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์จะไม่ลดลง แต่จะมีขนาดคงที่หรือเพิ่มขึ้นเสมอ

การเพิ่มขึ้นของพื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์จะเกิดจากการที่มีสสารตกลงไปในหลุมดำ หรือเกิดจากการชนกันแล้วรวมตัวของหลุมดำด้วยกันเอง

กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์

เมื่อสสารตกลงไปในหลุมดำ หรือมีการรวมกันของหลุมดำ จะเกิดอะไรขึ้นภายในหลุมดำ?

ถึงแม้จะไม่มีใครสามารถมองลงไปในหลุมดำได้ แต่ก็สามารถใช้กฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์ในการพิจารณา นั่นคือ เอ็นโทรปี (entropy) หรือความยุ่งเหยิงของระบบโดดเดี่ยวจะเพิ่มขึ้นเสมอ และเมื่อสองระบบรวมเข้าด้วยกัน ผลลัพธ์ความยุ่งเหยิงจะมากกว่าระบบเดียว

หากมีสสารตกลงไปในหลุมดำ หรือเกิดการรวมตัวกันของหลุมดำ เอ็นโทรปีภายในหลุมดำจะต้องเพิ่มขึ้น ถ้าหลุมดำมีเอ็นโทรปี แสดงว่าต้องมีอุณภูมิ และวัตถุที่มีอุณภูมิจะต้องแผ่รังสีออกมาในระดับหนึ่ง ไม่ว่าจะมากหรือน้อยก็ตาม ดังนั้น จึงสรุปได้ว่า พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์เป็นตัวบ่งชี้ระดับเอ็นโทรปีภายในหลุมดำนั่นเอง

ความผันผวนควอนตัม

ดังที่กล่าวไปแล้วตอนต้น ว่าไม่มีสิ่งใดหนีรอดออกมาจากหลุมดำได้
แล้วหลุมดำจะปล่อยอนุภาคออกมาได้อย่างไร?

อวกาศที่ถูกเข้าใจว่าว่างเปล่าอยู่ภายนอกขอบฟ้าเหตุการณ์นั้น แท้จริงแล้วไม่ได้ว่างเปล่าอย่างสมบูรณ์ ตามหลักความไม่แน่นอนกล่าวว่า เราสามารถวัดความเร็วของอนุภาคหรือตำแหน่งของอนุภาคได้แม่นยำเพียงอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ถ้าหากอวกาศว่างเปล่า เท่ากับว่าทั้งความเร็วและตำแหน่งของอนุภาคจะต้องเป็นศูนย์ สนามแรงโน้มถ่วงและสนามแม่เหล็กก็จะต้องมีค่าเป็นศูนย์เช่นกัน แต่อวกาศบริเวณใด ๆ ก็ตาม จะมีความไม่แน่นอนในระดับหนึ่งเสมอ เป็นไปตามคำทำนายที่เรียกว่า ความผันผวนควอนตัม (quantum fluctuation)

อนุภาคที่กล่าวถึงนี้ เป็นเพียงอนุภาคในการนำพาแรงเท่านั้น โดยอนุภาคเหล่านี้จะปรากฏอยู่เป็นคู่ เป็นอนุภาคและปฏิภาค ในช่วงเวลาหนึ่งจะแยกออกจากกันแล้วกลับมาพบกัน ทำลายล้างกัน

หากมีอนุภาคหนึ่งตกลงไปในหลุมดำ แรงโน้มถ่วงมหาศาลภายในจะเปลี่ยนให้อนุภาคกลายเป็นปฏิภาค คู่ของมันจึงไม่ต้องตามไปทำลายล้างอีกต่อไป มันอาจตกลงไปในหลุมดำด้วย หรืออาจพุ่งหนีออกมา ตรงจุดนี้เอง ผู้สังเกตการณ์จึงสามารถสังเกตเห็นอนุภาคพุ่งหนีออกมาจากหลุมดำ

ในส่วนของอนุภาคตกลงสู่หลุมดำ มวลของอนุภาคจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงาน negative ตามสมการ E=mc² พลังงานที่มีค่าเป็นลบนี้จะทำให้มวลและเอ็นโทรปีภายในหลุมดำลดลง พื้นที่ขอบฟ้าเหตุการณ์จึงลดลงด้วยเช่นกัน ยิ่งมวลหลุมดำน้อยลงอุณภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น หลุมดำก็จะแผ่รังสีออกมามากขึ้น

การค้นพบหน้าตาของหลุมดำถือเป็นสุดยอดความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์อย่างหนึ่ง เพราะหลุมดำถือเป็นตำนานทางวิทยาศาสตร์ที่มีความพยายามในการอธิบายถึงลักษณะและความมีอยู่ของมันอย่างหลากหลายมาก การค้นพบลักษณะของหลุมดำ ทำให้นักวิทยาศาตร์สามารถเข้าใจพฤติกรรมและสภาวะแรงโน้มถ่วงรอบ ๆ หลุมดำได้ดีมากขึ้น เป็นกุญแจสำคัญในการไขความลับของจักรวาลในอนาคตต่อไป