นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์มหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปคินส์ ศึกษาพบว่า นักวิทยาศาสตร์บนโลกอาจสามารถใช้ "หลุมดำยักษ์เคอร์" ที่หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็ว เป็น "เครื่องซูเปอร์คอลไลเดอร์จากแรงโน้มถ่วง" ได้ซึ่งสามารถเร่งอนุภาคให้ชนกันด้วยพลังงานที่สูงกว่าเครื่องบนโลกมาก และอาจช่วยคลี่คลายปัญหา "สสารมืด" ได้
วันที่ 3 มิถุนายน ค.ศ. 2025 สองนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปคินส์ (Johns Hopkins University) สหรัฐอเมริกา ร่วมกันตีพิมพ์รายงานในวารสาร Physical Review Letters ผลการศึกษาพบว่า นักวิทยาศาสตร์บนโลกสามารถอาศัยหลุมดำยักษ์เคอร์ (Kerr Supermassive Black Hole) ในอวกาศทำหน้าที่เป็นเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ซูเปอร์คอลไลเดอร์ ดังเช่น เครื่องแอลเอชซี (LHC) ซึ่งเป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์ใหญ่ที่สุดในโลกปัจจุบัน และที่ใหญ่กว่าซึ่งกำลังอยู่ในระหว่างเตรียมการเพื่อสร้างคือ เครื่องเอฟซีซี (FCC) ในการศึกษาฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูง และอาจช่วยคลี่คลายปัญหาเกี่ยวกับสสารมืด (dark matter) ได้
“เชื่อ คิด และทำอย่างวิทยาศาสตร์” วันนี้จะนำท่านผู้อ่านไปดูความคิดของสองนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ว่า จะใช้หลุมดำยักษ์ที่มีชื่อเรียกว่า “เคอร์” ทำหน้าที่เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์ได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์บนโลกจะใช้ประโยชน์จากเครื่องเร่งอนุภาคหลุมดำยักษ์ได้อย่างไร? จะช่วยคลี่คลายปัญหาเกี่ยวกับสสารมืดได้จริงหรือไม่?
...
เปิดตัว “หลุมดำยักษ์เคอร์”
ก่อนไปเจาะดูความคิดของสองนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ ที่คิดใช้หลุมดำยักษ์เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์ เราไปทบทวนอย่างเร็ว ๆ เกี่ยวกับหลุมดำ โดยมุ่งเป้าไปที่หลุมดำยักษ์เคอร์
หลุมดำ (black hole) โดยทั่วไปจะแบ่งเป็นประเภทใหญ่ ๆ ตาม “มวล” 3 แบบ คือ :-
- หลุมดำดวงดาว (stellar black hole) เป็นหลุมดำมีมวลน้อย (ในบรรดาหลุมดำ) กำเนิดมาจากการเปลี่ยนแปลงบั้นปลายชีวิตของดาวฤกษ์ มีมวลประมาณตั้งแต่ 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ขึ้นไป และเป็นประเภทที่พบแล้วมากที่สุด
- หลุมดำมวลยิ่งยวด (supermassive black hole) หรือ “หลุมดำยักษ์” เป็นหลุมดำขนาดยักษ์ มีมวลมากเป็นหลายแสนถึงหลายร้อยล้านและหลายพันล้านเท่าของมวลดวงอาทิตย์ โดยคาดกันว่าในกาแล็กซีส่วนใหญ่ จะมีหลุมดำยักษ์อยู่ที่ใจกลาง ดังเช่นที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเรา และเนื่องจากจักรวาลมีกาแล็กซีอยู่มากถึงประมาณหนึ่งแสนล้านกาแล็กซี จึงคาดว่าจะมีหลุมดำยักษ์เหล่านี้เป็นจำนวนมากนับเป็นหลายร้อยหรือหลายพันล้านดวง แต่ที่พบแล้วยังมีจำนวนน้อยกว่าหลุมดำดวงดาว ดังเช่น หลุมดำยักษ์ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก และที่ใจกลางกาแล็กซีแอนโดรมีดา
- หลุมดำมวลปานกลาง (intermediate-mass black hole) เป็นหลุมดำมีมวลอยู่ระหว่างหลุมดำดวงดาวกับหลุมดำยักษ์ คือ มีมวลระหว่าง 100 ถึง 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เป็นหลุมดำที่พบแล้วน้อยที่สุด
แล้วก็ยังมีหลุมดำอีกแบบหนึ่ง เป็นแบบที่ 4 คือ หลุมดำเล็กจิ๋ว มักเรียกกันว่า หลุมดำไมโคร (micro black hole) หรือหลุมดำมินิ (mini black hole) หรือหลุมดำต้นกำเนิด (primordial black hole) ที่กำเนิดขึ้นในช่วงระยะแรก ๆ ของการกำเนิดจักรวาล คือ บิกแบง แต่ในปัจจุบัน ยังไม่พบ
นอกเหนือไปจากการแบ่งประเภทของหลุมดำตาม “มวล” แล้ว ก็ยังมีการแบ่งประเภทหลุมดำตามลักษณะของการเคลื่อนไหวว่าเป็นหลุมดำมี “การหมุน” รอบตัวหรือไม่ และตาม “ประจุไฟฟ้า” ว่าเป็นหลุมดำมีประจุไฟฟ้าหรือไม่
สำหรับหลุมดำที่เป็นโฟกัสตามรายงานของสองนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยจอห์นส์ ฮอปกินส์ เป็นหลุมดำประเภทที่สอง คือ มีการหมุนรอบตัวเอง แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งมีชื่อเฉพาะเรียกเป็น Kerr black hole หรือหลุมดำเคอร์ โดยจำเพาะไปที่ super-massive Kerr black hole หรือหลุมดำยักษ์เคอร์นั่นเอง
ชื่อหลุมดำเคอร์มาจากชื่อ รอย เคอร์ (Roy Kerr) เป็นนักคณิตศาสตร์ชาวนิวซีแลนด์ ผู้เสนอความคิดเรื่องหลุมดำประเภทมีการหมุนรอบตัวเอง แต่ไม่มีประจุไฟฟ้า คือ หลุมดำเคอร์ ในปี ค.ศ. 1963
ในปี ค.ศ. 1963 นั่นเอง ทั้ง รอย เคอร์ และ เทด นิวแมน (Ted Newman) นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน ต่างก็เสนอความคิดสำหรับหลุมดำประเภทมีการหมุนรอบตัวเองและมีประจุไฟฟ้าด้วย ซึ่งต่อมาก็เรียกกันว่า หลุมดำเคอร์-นิวแมน (Kerr-Newman black hole)
ก่อนหลุมดำเคอร์และหลุมดำเคอร์-นิวแมน ก็มีหลุมดำชวาร์สชิลด์ (Schwarzschild black hole) เป็นชื่อเฉพาะหลุมดำแบบง่าย ๆ หรือตรง ๆ ที่สุด คือ เป็นหลุมดำธรรมดา มีตัวแปรตัวเดียว คือ มวล ไม่มีการกล่าวถึงการหมุนรอบตัวหรือไม่ หรือมีประจุไฟฟ้าหรือไม่ ตั้งขึ้นมา (และเรียกกันต่อมาเป็น หลุมดำชวาร์สชิลด์) เมื่อปี ค.ศ. 1916 โดย คาร์ล ชวาร์สชิลด์ (Karl Schwarzschild) นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน
...
“หลุมดำยักษ์ซูเปอร์คอลไลเดอร์”
สองนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ผู้เสนอผลงานความคิดใช้หลุมดำยักษ์เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์ คนหนึ่งคือ ศาสตราจารย์ โจเซฟ ซิลค์ (Joseph Silk) อีกคนหนึ่งคือ ดร.แอนดรูว์ มัมเมอรี (Andrew Mummery)
โจทย์ใหญ่ของซิลค์และมัมเมอรี เกี่ยวข้องกับ 3 เรื่องย่อยที่เกี่ยวพันกัน คือ (1) หลุมดำขนาดยักษ์ (2) เครื่องชนอนุภาคทรงพลังที่สุดในโลก และ (3) สสารมืด...
...
แต่สำหรับวงการวิทยาศาสตร์โดยทั่วไป และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง สื่อทางวิทยาศาสตร์ ปรากฏว่าให้ความสนใจเรื่องเกี่ยวกับ “สสารมืด” มากเป็นพิเศษ เสมือนหนึ่งเป็นเป้าหมายสูงสุด
แล้วตัวสองนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ล่ะ คิดและตั้งความหวังกับ “สสารมืด” แค่ไหน?
เป้าหมายสูงสุดจริง ๆ ของโจเซฟ ซิลค์ และมัมเมอรี คือ การศึกษาเรื่องของฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูง ซึ่งบนโลก เครื่องมือดีที่สุดในปัจจุบัน คือ เครื่องซูเปอร์คอลไลเดอร์แอลเอชซีที่เซิร์น (CERN) ซึ่งสามารถสร้างและศึกษาการชนกันของอนุภาคมีประจุไฟฟ้า ดังเช่น โปรตอนและอะตอมมีประจุไฟฟ้า ในขณะกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเกือบเท่ากับความเร็วแสง...
ซึ่งตั้งแต่เครื่องแอลเอชซีเปิดเดินเครื่องเมื่อปี ค.ศ. 2008 มา ก็ทำให้ฟิสิกส์อนุภาคพลังงานสูงก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดดมาแล้วอย่างมาก...
แต่ก็ยังมี “โจทย์” ที่นักวิทยาศาสตร์ยังรอจากเครื่องแอลเอชซีอยู่
และนี่เอง คือจุดที่ซิลค์และมัมเมอรีหันไปมองดูหลุมดำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง หลุมดำยักษ์เคอร์ ซึ่งมีมวลมาก และมีการหมุนรอบตัวเองเร็วมาก
แล้วจากการศึกษาหลุมดำยักษ์เคอร์ในที่สุด ซิลค์และมัมเมอรีจึงคิดว่า ได้ผลมากพอที่จะรายงานให้วงการวิทยาศาสตร์ทราบ ซึ่งก็คือรายงานที่เป็นโฟกัสเรื่องของเราวันนี้ โดยตั้งชื่อรายงานตรง ๆ ว่า “Black Hole Supercollider” (“ซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำ”)
โดยสรุปรวม ซิลค์และมัมเมอรีก็พบว่า มีหลุมดำยักษ์เคอร์ซึ่งหมุนรอบตัวเร็วมาก และทำให้มีสภาพคล้ายกับเครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซี ทำให้อนุภาคจากนอกหลุมดำส่วนหนึ่ง ที่เคลื่อนที่เข้าไปใกล้ในกลางหลุมดำถึงระดับหนึ่ง ชนกันในขณะกำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเกือบเท่ากับแสง (เหมือนกับที่เกิดขึ้นภายในเครื่องแอลเอชซี) แล้วส่วนหนึ่งก็หลุดออกมาจากหลุมดำยักษ์ซูเปอร์คอลไลเดอร์
...
มีคำถามว่า สำหรับซูเปอร์คอลไลเดอร์แอลเอชซี แรงที่ขับเคลื่อนให้อนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมาก คือ “แรงแม่เหล็กไฟฟ้า” แล้วซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์ล่ะ?
คำตอบคือ “แรงดึงดูดโน้มถ่วง” จากมวลมหาศาลที่ใจกลางหลุมดำ หมุนรอบแกนหมุนของหลุมดำด้วยความเร็วสูงมาก เกิดแรงดึงดูดโน้มถ่วงเข้มข้นสูงมาก ดึงให้ผิวอวกาศกาล (spacetime surface) โดยรอบหลุมดำที่โค้ง ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (general theory of relativity) ของไอน์สไตน์ เคลื่อนที่วิ่งวนรอบใจกลางหลุมดำด้วยความเร็วที่สูงมาก
เปรียบเทียบง่ายๆ :-
เครื่องแอลเอชซี เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic supercollider) ส่วนหลุมดำยักษ์เคอร์ เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์แรงโน้มถ่วง (gravitational supercollider)
เปรียบเทียบง่ายๆ :- เครื่องแอลเอชซี เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์แรงแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic supercollider) ส่วนหลุมดำยักษ์เคอร์ เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์แรงโน้มถ่วง (gravitational supercollider)
นักวิทย์กับการใช้งาน “ซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์”
แล้วหลุมดำยักษ์ซูเปอร์คอลไลเดอร์มีจริงหรือไม่? พบแล้วที่ไหนบ้าง? มากน้อยแค่ไหน?
คำตอบคือ ถึงแม้ที่ใจกลางกาแล็กซีส่วนใหญ่น่าจะมีหลุมดำยักษ์อยู่ แต่การพิสูจน์ยืนยันยังเป็นเรื่องที่ยากมาก ที่ตรวจพบและยืนยันแล้วก็มีไม่กี่สิบหลุมดำยักษ์ และที่เป็นหลุมดำยักษ์เคอร์ก็ยิ่งพบแล้วน้อยลงไปอีก
อย่างไรก็ตาม มีหลักฐานทางดาราศาสตร์ยืนยันว่า ที่ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราเอง มีหลุมดำยักษ์ชื่อ ซาจิตาริอัส เอสตาร์ (Sagittarius A*) ซึ่งมีมวลประมาณ 4 ล้านเท่าของมวลของดวงอาทิตย์ และอยู่ห่างจากโลกประมาณ 26,000 ปีแสง เป็นหลุมดำยักษ์เคอร์ คือ มีการหมุนรอบตัวจริง และไม่มีประจุไฟฟ้า
แล้วนักวิทยาศาสตร์บนโลกจะศึกษาผลจากซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์ได้อย่างไร?
ซิลค์กับมัมเมอรีกล่าวว่า นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันก็สามารถศึกษาผลจากซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์ ดังเช่น อนุภาคพลังงานสูง ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ที่กำลังติดตามศึกษาซูเปอร์โนวา, การระเบิดหรือการเปลี่ยนแปลงใหญ่ของหลุมดำยวดยิ่ง และปรากฏการณ์อื่นๆ ในจักรวาล
ตัวอย่างเช่น :-
- หอสังเกตการณ์นิวตริโน ไอซ์ คิวบ์ (ICE Cube Neutrino Observatory) อยู่ที่ขั้วโลกใต้ลึกลงไป 2,500 เมตร
- กล้องโทรทรรศน์นิวตริโนลูกบาศก์กิโลเมตร (Kilometer Cube Neutrino Telescope) อยู่ใต้ทะเลเมดิเตอร์เรเนียน ซึ่งตรวจจับนิวตริโนที่มีพลังงานสูงสุดเท่าที่เคยตรวจจับได้เมื่อเร็วๆ นี้
“ซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์” กับ “สสารมืด”
อย่างน่าสนใจ ส่วนหนึ่งของจุดเริ่มต้นที่มาของความคิดเกี่ยวกับหลุมดำยักษ์ตามรายงานหลักของเราวันนี้ คือ เครื่องเร่งอนุภาคแอลเอชซีและสสารมืด...
เพราะเป้าหมายหลักข้อหนึ่งของซูเปอร์คอลไลเดอร์แอลเอชซี คือ ความหวังว่าจะได้หลักฐานเกี่ยวกับสสารมืด
แต่หลังการเริ่มต้นเดินเครื่องทำงานเป็นครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 2008 ซึ่งถึงปัจจุบันก็ได้ข้อมูลความรู้ใหม่มากมายเกี่ยวกับอนุภาคพลังงานสูง โด่งดังที่สุดก็คือ การได้พบอนุภาคฮิกส์ (Higgs particle) เมื่อปี ค.ศ. 2012 ซึ่งถูกเรียกเป็น “อนุภาคพระเจ้า” หรือ “God particle” นับเป็น “จอกศักดิ์สิทธิ์” แห่งวงการฟิสิกส์มาก่อน...
ทว่า สำหรับสสารมืด ซึ่งกำลังถูกเปรียบโดยวงการฟิสิกส์บางส่วนและผู้เขียนด้วย เป็น “จอกศักดิ์สิทธิ์ใหม่” ก็ยังไม่ปรากฏให้เห็นเลย...
จนกระทั่งวงการฟิสิกส์เริ่มคิดว่า บางที แม้แต่ซูเปอร์คอลไลเดอร์แอลเอชซีก็ยังไม่ “ทรงพลัง” มากพอที่จะทำให้อนุภาคสสารมืดแสดงตัว และก็ได้เริ่มดำเนินการที่จะสร้างเครื่องเร่งอนุภาคแบบแอลเอชซีที่ทรงพลังกว่าแอลเอชซีอีก โดยได้มีการตั้งชื่อเรียกเป็น “Future Circular Collider” หรือ “เครื่องชนอนุภาคแบบวงกลมแห่งอนาคต” เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์แบบเดียวกับเครื่องแอลเอชซี แต่มีขนาดใหญ่กว่าแอลเอชซีสามเท่า คือ เครื่องเอฟซีซีจะมีเส้นรอบวง (ท่อกลวงวงกลม) ยาว 91 กิโลเมตร ในขณะที่ของเครื่องแอลเอชซีมีเส้นรอบวงยาว 27 กิโลเมตร
ใครเป็นเจ้าภาพโครงการเอฟซีซี?
เซิร์นเป็นองค์กรหลักสำหรับโครงการเอฟซีซี โดยเริ่มระดมความคิดในปี ค.ศ. 2013 เริ่มต้นศึกษารายละเอียดโครงการในปี ค.ศ. 2021 ได้แผนโครงการสมบูรณ์วันที่ 31 มีนาคม ค.ศ. 2025 เริ่มต้นการสร้างในทศวรรษปี ค.ศ. 2030 และเริ่มต้นการทำงาน (ใช้ประโยชน์) ในปลายทศวรรษปี ค.ศ. 2040 โดยคาดว่าจะใช้ทำงานได้เป็นเวลาประมาณ 15 ปีเป็นเบื้องต้น
อย่างน่าสนใจอีกด้วย หลังการตีพิมพ์รายงานของซิลค์และมัมเมอรี ในรายงานข่าวเกี่ยวกับเรื่องนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในสื่อวิทยาศาสตร์ทั่วไป หลายรายงานจะชี้ไปที่ประเด็นว่า ซิลค์และมัมเมอรีศึกษาเรื่องนี้เพื่อชดเชยหรือแก้ไขสถานการณ์ที่สหรัฐอเมริกา ในวาระการเป็นผู้นำประเทศครั้งที่สองของนายโดนัลด์ ทรัมป์ ที่เริ่มอย่างเป็นทางการตั้งแต่วันที่ 20 มกราคม ค.ศ. 2025 ปรากฏว่างบประมาณทางด้านการศึกษาวิจัยวิทยาศาสตร์แทบทั้งหมดของสหรัฐอเมริกาถูกตัดงบประมาณครึ่งหนึ่ง ซึ่งกระทบทั้งงานและโครงการวิทยาศาสตร์ในสหรัฐอเมริกาและที่สหรัฐอเมริกาเป็นผู้สนับสนุน ดังเช่น เซิร์นด้วย
แล้วข้อเท็จจริงเป็นอย่างไร?
จากรายงานของซิลค์และมัมเมอรี ผู้เขียนสรุปได้ว่า:
- เป้าหมายหลักของการศึกษาจริง ๆ คาดหวังว่า ซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์ จะทำงานเป็นส่วนเสริม คือ ช่วยงานของซูเปอร์คอลไลเดอร์ที่มนุษย์สร้าง ทั้งในเรื่องของอนุภาคพลังงานสูง และคาดหวังมากเป็นพิเศษ คือ อนุภาคที่เป็นส่วนหนึ่งของสสารมืด เพราะซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์ ทำงานในระดับของพลังงานที่สูงกว่าที่เครื่องแอลเอชซีจะทำได้อย่างมาก
- ในรายงานของซิลค์และมัมเมอรี ก็มีการกล่าวถึงปัญหาเรื่องการลงทุน สำหรับการสร้างซูเปอร์คอลไลเดอร์เอฟซีซีว่า ต้องลงทุนสูงมากในระดับเป็นหมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐ (ตัวเลขตามรายงานของเซิร์นล่าสุดเมื่อ 3 มีนาคม ค.ศ. 2025 คือ ประมาณหนึ่งหมื่นเจ็ดพันล้านดอลลาร์สหรัฐ) ซูเปอร์คอลไลเดอร์หลุมดำยักษ์ ก็จึงเป็นทั้งส่วนเสริมซูเปอร์คอลไลเดอร์แอลเอชซี และในสถานการณ์ที่ซูเปอร์คอลไลเดอร์เอฟซีซี ประสบปัญหาด้านการลงทุน หรือด้านเทคนิค ทำให้ล่าช้าออกไปอีก หรือต้องถูกยกเลิกไป
โดยภาพรวมทั้งหมด ผู้เขียนก็รู้สึกทึ่งและตื่นเต้นกับความคิดของศาสตราจารย์โจเซฟ ซิลค์ และ ดร. แอนดรูว์ มัมเมอรี ในการใช้หลุมดำยักษ์เป็นซูเปอร์คอลไลเดอร์...
และผู้เขียนก็ไม่คิดว่า ซูเปอร์คอลไลเดอร์ธรรมชาติจากหลุมดำยักษ์จะแทนที่ซูเปอร์คอลไลเดอร์บนโลกจากฝีมือของมนุษย์ได้ทั้งหมด
เพราะอะไร!
เพราะซูเปอร์คอลไลเดอร์บนโลก มนุษย์สามารถจะเลือก “ตัวอย่างที่จะศึกษา” และ “โจทย์จำเพาะเพื่อตอบปัญหาเฉพาะอย่าง” ได้ ซึ่งมีคุณค่ามิใช่เฉพาะความก้าวหน้าเชิงวิชาการของวิทยาศาสตร์ประยุกต์และเทคโนโลยีแปลกใหม่ด้วย!
แล้วท่านผู้อ่านล่ะครับ...คิดอย่างไร?