รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 2020

11/06/2020

ราชบัณฑิตสภาทางวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน (The Royal Swedish Academy of Sciences) ได้มอบรางวัลโนเบลสาขาสาขาฟิสิกส์ (physics)  ประจำปี ค.ศ. 2020 ให้แก่นักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน ได้แก่ ศาสตราจารย์ Roger Penrose ศาสตราจารย์ Reinhard Genzel และ ศาสตราจารย์ Andrea Ghez จากผลงานการค้นพบหลุมดำและปรากฏการณ์ประหลาดในจักรวาล

โดยเงินรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนี้ จะถูกแบ่งเป็นสองส่วนให้แก่ 3 นักวิทยาศาสตร์ โดยเงินรางวัลครึ่งแรกมอบให้แก่ ศาสตราจารย์ Roger Penrose สำหรับการค้นพบว่าการเกิดของหลุมดำในธรรมชาติสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และเงินรางวัลอีกครึ่งหนึ่งมอบให้แก่ศาสตราจารย์ Reinhard Genzel และ ศาสตราจารย์ Andrea Ghez สำหรับการค้นพบวัตถุอัดแน่นมวลยิ่งยวด (supermassive compact object) หรือ หลุมดำมวลมหาศาล ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือก

การพิสูจน์การเกิดของหลุมดำ

ในอดีตมีการใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์อธิบายถึงการเกิดหลุมดำว่า หลุมดำจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีการยุบตัวของมวลสารมีรูปทรงกลมเกลี้ยงและสมมาตร (spherical symmetry) โดยดาวฤกษ์ที่กำลังยุบตัวจะกลายเป็นหลุมดำ และมวลสารของมันจะหลบซ่อนอยู่ภายในขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) และสร้างภาวะเอกฐาน (singularity) ขึ้นที่จุดศูนย์กลางของหลุมดำ จากนั้นดาวฤกษ์จะถูกกลืนเข้าไปในภาวะเอกฐานจนไม่มีสสาร เหลือทิ้งไว้แต่เพียงเวลาและอวกาศที่บิดโค้งเท่านั้น

ต่อมาในปี ค.ศ. 1965 ศาสตราจารย์ Roger Penrose (ปัจจุบันดำรงตำแหน่งเป็นศาสตราจารย์ ณ มหาวิทยาลัย Oxford สหราชอาณาจักร) ได้พัฒนาเทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า “พื้นผิวกักขังแบบปิด (closed trapped surface)” มาอธิบายถึงสมบัติของสิ่งที่มีความหนาแน่นอนันต์ภายใต้ทฤษฎีภาวะเอกฐาน โดยแสดงให้เห็นว่าเมื่อดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ราว 8-10 เท่าขึ้นไป ใช้เชื้อเพลิงจนหมดและเกิดการระเบิดแบบ Supernova ดาวฤกษ์นั้นอาจจะยุบตัวลงจนสร้าง closed trapped surface ขึ้นมา ซึ่งเมื่อมีวัตถุหรือแสงเดินทางผ่าน closed trapped surface จะถูกดูดเข้าสู่ใจกลางของหลุมดำ ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงมหาศาลและมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเป็นอนันต์ ซึ่งเป็นสภาวะที่เรียกกันว่า ภาวะเอกฐาน

ดังนั้นจากการวิจัยของศาสตราจารย์ Roger Penrose ได้ข้อสรุปว่าแม้ว่าดาวฤกษ์จะถูกทำให้บิดเบี้ยวผิดรูปไป โดยไม่มีรูปทรงกลมเกลี้ยงและสมมาตร ดาวฤกษ์นั้นจะยังสามารถยุบตัวลงไปที่จุดเพียงจุดเดียวได้ นั่นจึงเป็นที่มาของการเกิดหลุมดำ

การพิสูจน์การมีอยู่ของหลุมดำ

เนื่องจากไม่มีสิ่งใดสามารถหลุดออกมาจากหลุมดำได้ จึงทำให้นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถสังเกตหลุมดำได้โดยตรง แต่แรงโน้มถ่วงอันมหาศาลที่ทำให้พื้นผิวของเอกภพบิดงอ ได้ส่งผลให้ดาวฤกษ์ที่โคจรรอบหลุมดำมีพฤติกรรมที่เปลี่ยนไป และนี่คือสมมติฐานของ ศาสตราจารย์ Reinhard Genzel จากสถาบัน Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics ณ ประเทศเยอรมนี และ ศาสตราจารย์ Andrea Ghez จาก University of California, Los Angeles (UCLA) สหรัฐอเมริกา

โดยนักวิทยาศาสตร์ทั้งสองได้ศึกษาวงโคจรของดาวฤกษ์หลายดวงที่โคจรกันอย่างซับซ้อนบริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกมานานกว่า 20 ปี ด้วยกล้องโทรทัศน์ที่ย่านรังสีอินฟราเรด โดยทีมของ ศาสตราจารย์ Genzel ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ประกอบด้วยกระจกเส้นศูนย์ผ่านกลางยาวกว่า 8 เมตร ของหอสังเกตการณ์ Very Large Telescope (VLT) ตั้งอยู่ในประเทศชิลี ในขณะที่ศาสตราจารย์ Ghez ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 10 เมตร จากหอสังเกตการณ์ Keck Observatory ในสหรัฐอเมริกา

จากการสังเกตุการณ์พบว่า มีดาวฤกษ์ ณ ใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและมีลักษณะการโคจรที่วุ่นวายคล้ายฝูงผึ้ง แต่ดวงดาวที่อยู่นอกบริเวณนั้นจะโคจรเป็นวงรีอย่างเป็นระเบียบมากกว่า โดยกลุ่มดาวฤกษ์ที่ทั้งสองให้ความสนใจ คือ กลุ่มดาวฤกษ์ที่ชื่อว่า S-O2 ซึ่งพบว่าใช้เวลาโคจรรอบใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกในเวลาไม่ถึง 16 ปี ในขณะที่ดวงอาทิตย์ต้องใช้เวลามากกว่า 200 ล้านปี และเมื่อนำข้อมูลวิถีวงโคจรของ S-O2 มาคำนวณ พบว่าสิ่งเดียวที่จะทำให้เกิดเหตุการณ์นี้ได้ คือการมีอยู่ของวัตถุอัดแน่นมวลยิ่งยวด (supermassive compact object)  ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 4 ล้านเท่า ซึ่งถือเป็นหลักฐานแสดงให้เห็นว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลซ่อนตัวอยู่ในบริเวณใจกลางกาแล็กซีทางช้างเผือกนั่นเอง การค้นพบของ 3 นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างรากฐานใหม่ในการศึกษาวัตถุมวลยิ่งยวด ซึ่งจะนำไปสู่การไขความลับต่าง ๆ ของจักรวาลได้ในอนาคต

 

ที่มา:

https://www.nytimes.com/article/2020-nobel-prize-winners.html

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/popular-information/

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2020/popular-information/

https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2020/advanced-information/

https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/hepatitis-c

http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2014/crispr-a-game-changing-genetic-engineering-technique/


กลับไปหน้าบทความ