นับตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ตั้งแต่มนุษย์เริ่มมองเห็นแสงระยิบระยับบนท้องฟ้า กระทั่งค้นพบว่า โลกมิใช่ดาวดวงเดียว แต่ยังมีดวงดาวอีกมากมายอยู่ในระบบสุริยะ แสงดาวที่เราเห็นจึงเปรียบเสมือนเครื่องยืนยันถึงกลุ่มดาวอีกมากมายที่ส่องแสงอยู่ในห้วงอวกาศอันไกลโพ้น

แม้ว่าเราจะเห็นแสงดาวระยิบระยับบนท้องฟ้า แต่ก็ยังมีดาวประเภทที่ไร้ซึ่งแสงสว่างอยู่ และแน่นอน เราไม่สามารถมองเห็นมันได้ นักวิทยาศาสตร์ตั้งชื่อให้มันว่า "ดาวหลุมดำ (Black Hole)" เราลองมาทำความเข้าใจกันว่า ดาวหลุมดำคืออะไร มีความสำคัญอย่างไร และนักวิทยาศาสตร์แน่ใจถึงการมีอยู่ของดาวหลุมดำได้อย่างไร  

ความเข้าใจพื้นฐาน

ปัจจุบัน เราทราบกันดีว่า แสงเป็นได้ทั้งคลื่นและอนุภาค ดังนั้น เมื่อแสงเคลื่อนที่ผ่านวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดวงดาว จะต้องได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงแน่นอน และถ้าหากดาวฤกษ์นั้นมีมวลมากในระดับหนึ่งและมีสนามแรงโน้มถ่วงที่มีกำลังสูง จนแสงไม่สามารถเดินทางออกมาได้ แสงใดก็ตามที่ถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวของดาวก็จะถูกดึงดูดกลับไป

ถึงแม้ว่าเราไม่สามารถมองเห็นดาวเหล่านี้ได้ เพราะแสงไม่สามารถเดินทางมาถึงโลก แต่เราสามารถตรวจวัดระดับแรงดึงดูดโน้มถ่วงของมันได้ นี่คือสิ่งลึกลับในห้วงอวกาศ ที่เรารู้จักกันในปัจจุบันว่า ดาวหลุมดำ

ดาวหลุมดำ

หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 เมื่อเครื่องมือและอุปกรณ์ทางดาราศาสตร์ก้าวหน้าขึ้นมาก โรเบิร์ต ออปเพนไฮเมอร์ (Robert Oppenheimer) ค้นพบว่า สนามแรงโน้มถ่วงของดวงดาว ทำให้เส้นทางของลำแสงใน Space-Time (กาล-อวกาศ) เบี่ยงเบนไป โดยเส้นทางของแสงจะโค้งเข้าหาผิวดาวเล็กน้อย เมื่อดาวยุบตัวลงจนรัศมีถึงจุดวิกฤต สนามแรงโน้มถ่วงที่บริเวณพื้นผิวดาวจะมีกำลังแรงดึงเส้นทางเดินของแสงให้โค้งลง จนไม่สามารถเดินทางต่อไปได้อีก ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ แสงเดินทางได้เร็วที่สุดในจักรวาล ดังนั้น ถ้าแสงเดินทางออกมาไม่ได้ ก็เท่ากับไม่มีอะไรออกมาได้เลย ทุกสิ่งถูกดึงไว้ด้วยสนามแรงโน้มถ่วงกำลังสูง พื้นที่บริเวณใน Space-Time ที่ ไม่มีเหตุการณ์ใดปรากฏออกมาภายนอกได้ บริเวณนี้เอง ที่เราเรียกว่า หลุมดำ  

เราจะตรวจพบดาวหลุมดำได้อย่างไร

ถึงแม้ดาวหลุมดำจะไม่ส่งแสงใด ๆ ออกมาเลย แต่อย่างไรก็ตาม หลุมดำยังคงส่งแรงดึงดูดโน้มถ่วงดึงดูดวัตถุที่อยู่ใกล้เคียง ในเอกภพ เราตรวจพบระบบดวงดาวคู่ที่โคจรรอบกันและกันมากมาย แต่ก็พบระบบดวงดาวที่มีดวงดาวเพียงดวงเดียว แต่ดูคล้ายโคจรรอบอะไรบางอย่างที่ไม่แน่ชัด แต่การจะตัดสินว่าเป็นดาวหลุมดำนั้นอาจยังไม่แน่ชัด เช่น บางครั้งอาจเป็นดาวดวงที่แสงอ่อนมากจนเรามองไม่เห็น  

วิธีการก็คือ นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณมวลของวัตถุลึกลับได้จากวงโคจรของดวงดาวที่มองเห็น แล้วเทียบกับขีดจำกัดของจันทรสิกขาร์หรือขีดจำกัดจันทรเศขร (ค่าสูงสุดของมวลของดาวที่ไม่หมุนรอบตัวเองที่สามารถดำรงอยู่ได้โดยไม่แตกสลายจากผลของแรงโน้มถ่วง) ถ้าหากมีมวลมากกว่าขีดจำกัดของจันทรสิกขาร์ไปมาก สามารถสรุปได้ว่า วัตถุลึกลับดังกล่าวคือ ดาวหลุมดำนั่นเอง  

หลุมดำมีความสำคัญอย่างไร

ตลอดอายุเอกภพของเรา ตั้งแต่ถือกำเนิดมา จะต้องมีดาวจำนวนมากที่เผาเชื้อเพลิงจนหมด และอาจมากกว่าดาวที่เรามองเห็นได้ด้วยซ้ำ จากหลักฐานและการคำนวณพบว่า มีหลุมดำมวลขนาดใหญ่ มีมวลประมาณ 1 แสนเท่าของดวงอาทิตย์อยู่ที่ใจกลางทางช้างเผือกอีกด้วย

นอกจากนี้ ยังอาจมีหลุมดำที่เก่าแก่ หรือหลุมดำดึกดำบรรพ์ (Primodial Black Hole) ซึ่งมีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์ หลุมดำประเภทนี้ไม่ได้เกิดจากการยุบตัวด้วยแรงดึงดูดโน้มถ่วงของตัวเอง แต่ยุบตัวเพราะแรงกดดันจากภายนอก นั่นหมายความว่า ต้องอยู่ในสภาวะที่มีความร้อนและแรงกดดันสูงมาก นั่นคือ ในช่วงต้นของเอกภพ ไม่ได้ราบเรียบเสมอกันทั้งหมด บริเวณที่มีความหนาแน่นมากกว่าส่วนอื่นจะถูกแรงกดดันจนกลายเป็นหลุมดำ แต่ถ้าเอกภพมีความราบเรียบและไม่แตกต่างกัน สสารทั้งหมดก็จะกระจายตัวกันอยู่อย่างมีระเบียบ ไม่รวมตัวกันสร้างเป็นกาแล็กซีและดวงดาวต่าง ๆ  

ดังนั้น ถ้านักวิทยาศาสตร์สามารถทราบว่า ปัจจุบันมีหลุมดำดึกดำบรรพ์อยู่จำนวนเท่าใด ก็จะสามารถเรียนรู้ลักษณะของเอกภพในช่วงต้น ๆ ได้เข้าใจมากขึ้นนั่นเอง

บทความที่เกี่ยวข้อง
- กาล-อวกาศ (Space-Time)
- ทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์
- ทฤษฎีสัมพัทธภาพ E=Mc^2 สมการก้องโลก
- หลุมดำสร้างพลังงาน
- หลุมดำไม่ดำสนิท