พบทฤษฎีไอน์สไตน์เป็นจริงแม้กับดาวโคจรรอบหลุมดำมวลยิ่งยวด

  • 28 กรกฎาคม 2019
ไอน์สไตน์ Image copyright NASA/ESA/SSC/CXC
คำบรรยายภาพ การประมวลผลข้อมูลร่วมกันระหว่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและสปิตเซอร์รวมทั้งกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์จันทรา แสดงให้เห็นใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกที่ส่องแสงสว่างจ้าเป็นจุดขาวทางขวามือของภาพ

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติเผยผลการตรวจสอบความเปลี่ยนแปลงของแสงจากดาวฤกษ์ S2 ซึ่งโคจรรอบหลุมดำมวลยิ่งยวดซาจิตทาเรียสเอสตาร์ (Sgr A*) ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยพบว่าเมื่อดาวเคลื่อนเข้าใกล้หลุมดำมากขึ้น ความยาวคลื่นแสงและความเร็วของดาวจะเปลี่ยนไป ตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ได้ทำนายเอาไว้

มีการตีพิมพ์รายละเอียดของการพิสูจน์ครั้งนี้ในวารสาร Science โดยดร.แอนเดรีย เกซ หนึ่งในทีมผู้วิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตลอสแอนเจลิสของสหรัฐฯ บอกว่า การทดสอบความแม่นยำของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยใช้พฤติกรรมของดาวฤกษ์ S2 เป็นเกณฑ์นั้น มีขึ้นเป็นครั้งที่สองแล้ว

"ในครั้งนี้เราใช้วิธีสังเกตการณ์และเครื่องมือในการศึกษาที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่ถึงกระนั้นก็ตาม ผลการทดสอบที่ได้ยังคงสอดคล้องกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปที่ไอน์สไตน์คิดค้นขึ้นในปี 1915" ดร.เกซกล่าว

ดาวฤกษ์ S2 หรือ S0-2 ใช้เวลาโคจรวนรอบหลุมดำมวลยิ่งยวด Sgr A* ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกทุก 16 ปี เมื่อเข้าประชิดหลุมดำดังกล่าวในระยะห่างเพียง 17 ชั่วโมงแสง ความยาวคลื่นแสงจากดาวฤกษ์จะถูกสนามความโน้มถ่วงพลังมหาศาลดึงให้ยืดขยายขึ้น และเกิดการเคลื่อนไปทางแถบสีแดงของสเปกตรัม (Gravitational Redshift) จนเราสามารถมองเห็นแสงดาวเปลี่ยนเป็นสีแดงในที่สุด

นอกจากนี้ แรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำมวลยิ่งยวด Sgr A* ซึ่งมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์ 4 ล้านดวง ยังเร่งให้ดาวฤกษ์ S2 มีความเร็วสูงขึ้นขณะโคจรเข้าใกล้อีกด้วย โดยจะทำให้มันเหวี่ยงตัวผ่านรอบนอกของหลุมดำไปด้วยความเร็ว 25 ล้าน กม./ชม. หรือราว 3% ของความเร็วแสง

Image copyright ESO/M.KORNMESSER
คำบรรยายภาพ แสงจากดาวฤกษ์ S2 เปลี่ยนเป็นสีแดง ขณะเข้าใกล้หลุมดำมวลยิ่งยวด Sagittarius A*

ทีมผู้วิจัยได้ติดตามสังเกตความเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมคลื่นแสงจากดาว S2 มาเป็นเวลานานหลายปี แล้วจึงนำข้อมูลจาก 3 ช่วงเวลาในปีที่แล้ว (2018) ได้แก่ช่วงที่ดาวถูกเร่งความเร็วขึ้นสูงสุดในเดือนมีนาคม, ช่วงที่เข้าใกล้หลุมดำมากที่สุดในเดือนพฤษภาคม และช่วงที่ความเร็วต่ำสุดในเดือนกันยายน มาประมวลผลร่วมกับข้อมูลแบบเดียวกันของปี 1995-2017 ทำให้สามารถสร้างแบบจำลองสามมิติของวงโคจรดาว S2 ทั้งหมดได้

แบบจำลองนี้แสดงให้เห็นพฤติกรรมของดาวฤกษ์ที่เปลี่ยนแปลงไป ขณะเข้าใกล้สนามความโน้มถ่วงพลังมหาศาล ซึ่งตรงตามที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้ระบุเอาไว้ไม่ผิดเพี้ยน

แต่อย่างไรก็ตาม ดร. เกซบอกว่า ทฤษฎีหลักของฟิสิกส์ดังกล่าวยังไม่สามารถอธิบายถึงลักษณะของแรงโน้มถ่วงภายในหลุมดำได้ ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์ยังจะต้องค้นคว้าหาทฤษฎีใหม่ที่ใช้อธิบายเรื่องนี้ได้อย่างครอบคลุมต่อไป

ข่าวที่เกี่ยวข้อง

อ่านข่าวนี้เพิ่มเติม