ซาจิตทาเรียส เอ*

แซจิททาเรียส เอ-สตาร์ (Sagittarius A*) คือหลุมดำมวลยิ่งยวดที่ใจกลางทางช้างเผือก จุดศูนย์กลางนิ่งสงบที่ทั้งกาแล็กซี รวมถึงดวงอาทิตย์ของเรา หมุนวนรอบอย่างช้าๆ มันมีมวลราว 4.3 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ แต่มวลทั้งหมดนี้ถูกบีบอัดอยู่ในบริเวณที่กว้างไม่เกินวงโคจรของดาวพุธ ห่างออกไปราว 27,000 ปีแสงในทิศทางของกลุ่มดาวคนยิงธนู (Sagittarius)

ชื่อของมัน (ออกเสียงว่า "แซจิททาเรียส เอ-สตาร์") ไม่เหมือนชื่อดาวเคราะห์ดวงใดเลย เครื่องหมายดอกจัน (*) บ่งบอกถึงแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่กะทัดรัดและสว่างจ้าซึ่งซ่อนอยู่ภายในกลุ่มแซจิททาเรียส เอ ที่ใหญ่กว่า ในปี 2022 มันกลายเป็นหลุมดำดวงที่สองเท่านั้นที่เคยถูกถ่ายภาพโดยตรง เคียงคู่กับหลุมดำยักษ์ในกาแล็กซี M87 แต่หลุมดำดวงนี้อยู่ในเขตบ้านใกล้เรือนเคียงของจักรวาลเราเอง

ไม่ใช่สถานที่ แต่เป็นขอบเขต

หลุมดำไม่มีพื้นผิว สิ่งที่เราเรียกว่า "ขนาด" ของมันคือขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ซึ่งเป็นขอบเขตทางเดียวที่แม้แต่แสงก็ไม่อาจหลุดรอดออกมาได้ สำหรับมวลขนาด 4.3 ล้านเท่าดวงอาทิตย์ ขอบฟ้านี้มีรัศมีประมาณ 12.7 ล้านกิโลเมตร ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ราวสิบแปดเท่า และมีขนาดเล็กพอที่จะบรรจุอยู่ในวงโคจรของดาวพุธได้อย่างสบายๆ ทุกสิ่งที่อยู่ภายในนั้นถูกซ่อนจากสายตาเราไปตลอดกาล

แซจิททาเรียส เอ-สตาร์ เป็นหลุมดำที่หมุน หรือที่เรียกว่าหลุมดำเคอร์ (Kerr black hole) การจำลองการไหลของสสารที่ตกลงไป (accretion flow) และแสงวาบรังสีเอกซ์บ่งชี้ว่ามันอาจหมุนค่อนข้างเร็ว โดยค่าประมาณอยู่ในช่วง 0.5 ถึง 0.9 จากค่าสูงสุดตามทฤษฎีที่ 1 ซึ่งหมายความว่ามันลากพื้นที่ว่างรอบตัวมันไปด้วย แม้ตัวเลขที่แน่นอนยังไม่แน่ชัดก็ตาม มันไม่มี "อุณหภูมิ" ในความหมายทั่วไป แต่พลาสมาบางๆ ที่หมุนวนเข้าไปรอบมันถูกทำให้ร้อนถึงราวหนึ่งหมื่นล้านองศา ซึ่งเปล่งแสงที่ทำให้เรามองเห็นมันได้เลยทีเดียว

ภาพถ่ายที่ต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดเท่าดาวเคราะห์

เมื่อวันที่ 12 พฤษภาคม 2022 กลุ่มความร่วมมือกล้องโทรทรรศน์ขอบฟ้าเหตุการณ์ (Event Horizon Telescope) เปิดเผยภาพถ่ายโดยตรงภาพแรกของแซจิททาเรียส เอ-สตาร์ เป็นวงแหวนสีส้มเรืองแสงของก๊าซร้อนจัดที่ล้อมรอบเงามืดตรงกลาง เงานี้มีขนาดปรากฏบนท้องฟ้าเพียง 51.8 ไมโครอาร์กวินาที ทีมวิจัยเปรียบเทียบความท้าทายนี้ว่าเหมือนกับการมองหาโดนัทบนพื้นผิวดวงจันทร์

ไม่มีจานรับสัญญาณเดี่ยวใดที่จะแยกภาพวัตถุที่เล็กขนาดนี้ได้ แทนที่จะทำเช่นนั้น หอสังเกตการณ์วิทยุแปดแห่งที่กระจายอยู่ตั้งแต่ทะเลทรายอาตากามาในชิลี ไปจนถึงสเปน ฮาวาย แอริโซนา เม็กซิโก และขั้วโลกใต้ ถูกเชื่อมโยงเข้าด้วยกันเป็นกล้องโทรทรรศน์เสมือนขนาดเท่าโลกทั้งใบ เล็งไปยังใจกลางกาแล็กซีในช่วงเดือนเมษายน 2017 ก๊าซรอบแซจิททาเรียส เอ-สตาร์ เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงและโคจรครบรอบภายในเวลาเพียงไม่กี่นาที ทำให้ลักษณะที่ปรากฏเปลี่ยนแปลงไปแม้ในขณะที่กำลังเก็บข้อมูลอยู่ นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้ต้องใช้เวลาวิเคราะห์นานกว่าภาพของ M87 ก่อนหน้านี้ถึงห้าปี

ดวงดาวที่เผยความลับ

ก่อนจะมีภาพถ่ายใดๆ หลุมดำได้เผยตัวเองผ่านแรงโน้มถ่วงมาแล้วหลายสิบปี ทีมวิจัยสองทีม นำโดย ไรน์ฮาร์ด เกนเซล (Reinhard Genzel) ในเยอรมนี และ อันเดรีย เกซ (Andrea Ghez) ในสหรัฐอเมริกา ใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกติดตามดวงดาวแต่ละดวงที่พุ่งวนรอบจุดที่มองไม่เห็นตรงใจกลางกาแล็กซี ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งซึ่งมีชื่อว่า S2 โคจรรอบแซจิททาเรียส เอ-สตาร์ ด้วยวงโคจรแคบๆ ที่ใช้เวลา 16 ปี และในเดือนพฤษภาคม 2018 มันเคลื่อนเข้าใกล้ในระยะประมาณ 18,000 ล้านกิโลเมตร ด้วยความเร็วเกือบสามเปอร์เซ็นต์ของความเร็วแสง

แสงดาวถูกยืดออกไปทางคลื่นสีแดงมากขึ้นขณะไต่ขึ้นจากแรงโน้มถ่วงของหลุมดำ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์เรดชิฟต์เชิงโน้มถ่วง (gravitational redshift) ตรงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ทำนายไว้ทุกประการ วงโคจรของดวงดาวเหล่านี้ที่ถูกติดตามมานานหลายสิบปีช่วยระบุมวลของหลุมดำได้อย่างแม่นยำในระดับเศษเสี้ยวของเปอร์เซ็นต์ และทำให้เกนเซลกับเกซได้รับส่วนแบ่งรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2020 ร่วมกับ โรเจอร์ เพนโรส (Roger Penrose)

อสูรกายที่เงียบสงบอย่างน่าประหลาด

เมื่อเทียบกับขนาดของมันแล้ว แซจิททาเรียส เอ-สตาร์ ค่อนข้างสงบนิ่งอย่างน่าทึ่ง มันไม่ได้ฉีกทำลายดวงดาวหรือพ่นรังสีระดับควาซาร์ออกมา มันกลืนกินสสารเพียงประมาณหนึ่งในแสนของมวลดวงอาทิตย์ต่อปีเท่านั้น และแม้แต่ปริมาณเท่านั้นส่วนใหญ่ก็ยังถูกเหวี่ยงกลับออกไปก่อนที่จะตกลงไปได้จริง เมื่อเทียบกับหลุมดำที่กำลังกินสสารอย่างเอาเป็นเอาตายในกาแล็กซีอื่นที่ห่างไกล หลุมดำของเราเองแทบจะนิ่งเฉยอยู่กับที่

แต่มันก็ไม่ได้เงียบสนิทเสียทีเดียว กล้องโทรทรรศน์อวกาศอย่างจันทรา (Chandra) และนูสตาร์ (NuSTAR) ของนาซาตรวจพบมันเปล่งแสงวาบรังสีเอกซ์อยู่เป็นประจำ ซึ่งเป็นการสว่างวูบวาบช่วงสั้นๆ ที่เชื่อว่าเกิดจากกิจกรรมสนามแม่เหล็กในก๊าซที่กำลังตกลงไป ยังมีร่องรอยจากแสงสะท้อนโบราณที่บ่งชี้ว่าแซจิททาเรียส เอ-สตาร์ เคยมีกิจกรรมมากกว่านี้มากเมื่อราวสองร้อยปีก่อน

จากสัญญาณวิทยุจางๆ สู่จุดยึดของกาแล็กซี

แซจิททาเรียส เอ-สตาร์ ถูกค้นพบเมื่อวันที่ 13 และ 15 กุมภาพันธ์ 1974 โดย บรูซ บาลิก (Bruce Balick) และ โรเบิร์ต บราวน์ (Robert Brown) ซึ่งตรวจพบแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุที่กะทัดรัดผิดปกติที่ใจกลางกาแล็กซี โดยใช้อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เชื่อมโยงคลื่นวิทยุที่หอสังเกตการณ์กรีนแบงก์ ต่อมาบราวน์เป็นผู้ตั้งชื่อนี้ขึ้น โดยเพิ่มเครื่องหมายดอกจันเข้าไปเพื่อสื่อว่าแหล่งกำเนิดนี้ "น่าตื่นเต้น" (exciting) ตามแบบสัญลักษณ์ที่ใช้เรียกอะตอมในสถานะกระตุ้น และชื่อนี้ก็ติดปากมาจนถึงทุกวันนี้

จุดสัญญาณวิทยุจางๆ นั้น ปัจจุบันเข้าใจกันว่าเป็นจุดยึดแรงโน้มถ่วงของทางช้างเผือก เป็นศูนย์กลางที่ดาวฤกษ์หลายแสนล้านดวงโคจรรอบ รวมถึงดวงอาทิตย์ของเราด้วย ซึ่งใช้เวลาราว 230 ล้านปีในการโคจรครบหนึ่งรอบ

เหตุใดคุณจึงมองไม่เห็นมัน

ต่างจากดาวเคราะห์หรือดาวหาง แซจิททาเรียส เอ-สตาร์ ไม่มีทางมองเห็นได้ด้วยตาเปล่าเลย มันซ่อนอยู่หลังกลุ่มเมฆฝุ่นระหว่างดวงดาวที่หนาทึบซึ่งบดบังแสงที่มองเห็นได้เกือบทั้งหมด นี่จึงเป็นเหตุผลที่มันถูกค้นพบด้วยคลื่นวิทยุ และปัจจุบันก็ยังคงถูกศึกษาด้วยคลื่นวิทยุ อินฟราเรด และรังสีเอกซ์ มากกว่าแสงที่ตามองเห็น สิ่งที่คุณทำได้คือมองไปยังกลุ่มดาวคนยิงธนู ซึ่งอยู่ต่ำบนท้องฟ้ายามค่ำคืนฤดูร้อนของซีกโลกเหนือ และรับรู้ว่ากลุ่มดาวหนาแน่นที่สุดของทางช้างเผือกตรงนั้น ซ่อนเงาของมวลสี่ล้านเท่าดวงอาทิตย์ไว้ตรงใจกลาง ซึ่งต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดเท่าดาวเคราะห์ทั้งดวงจึงจะถ่ายภาพออกมาได้