นักฟิสิกส์สร้าง “วงแหวนหลุมดำ” หมุนได้เหมือนจริงในห้องทดลอง

คุณทราบหรือไม่ว่าภาพถ่ายของหลุมดำที่นักดาราศาสตร์บันทึกเอาไว้ได้ก่อนหน้านี้ แท้จริงแล้วไม่ใช่ภาพของตัวหลุมดำที่มืดมิดจนมองไม่เห็น แต่เป็นภาพของแสงสว่างจากจานพอกพูนมวล (accretion disk) ซึ่งเปรียบเสมือน “วงแหวน” ที่หมุนปั่นด้วยความเร็วสูงอยู่ตรงขอบของหลุมดำนั่นเอง

ล่าสุด ทีมนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยอิมพีเรียล คอลเลจ ลอนดอน (ICL) ของสหราชอาณาจักร สามารถสร้างวงแหวนดังกล่าวที่มีขนาดเล็กจิ๋วในห้องปฏิบัติการได้แล้ว โดยจำลองจากโครงสร้างของจานพอกพูนมวลที่ประกอบไปด้วยพลาสมา (plasma) หรือก๊าซร้อนมีประจุไฟฟ้าที่บริเวณด้านนอกขอบฟ้าเหตุการณ์ (event horizon) ของหลุมดำ

อันที่จริงแล้ว วงแหวนของหลุมดำก็คือพลาสมา ซึ่งถูกแรงโน้มถ่วงมหาศาลเร่งให้หมุนวนจนมีความร้อนสูงและมีความเร็วสูงใกล้เคียงกับความเร็วแสง การหมุนปั่นดังกล่าวยังให้กำเนิดแรงหนีศูนย์กลาง ซึ่งทำให้พลาสมาของวงแหวนนี้ไม่ตกลงไปในหลุมดำเหมือนกับมวลสารอื่น ๆ

รายงานการวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review letters เมื่อวันที่ 12 พ.ค. ที่ผ่านมา ระบุว่าทีมนักฟิสิกส์ของ ICL ได้ใช้อุปกรณ์กำเนิดไฟฟ้าเมกะแอมแปร์สำหรับการทดลองยุบตัวของพลาสมา หรือ “แม็กพาย” (MAGPIE) สร้างวงแหวนของหลุมดำขึ้น โดยยิงลำพลาสมาความเร็วสูงจำนวน 8 ลำเข้าหากัน

ลำพลาสมาทั้งหมดจะก่อตัวเป็นแท่งเสากลวงทรงกลมซึ่งมีความกว้างไม่กี่มิลลิเมตร โดยพลาสมาที่อยู่ใกล้ศูนย์กลางด้านในจะหมุนวนด้วยความเร็วสูงยิ่งกว่าด้านนอกมาก ไม่ต่างจากจานพอกพูนมวลของหลุมดำเลยแม้แต่น้อย

อย่างไรก็ตาม วงแหวนหลุมดำจำลองนี้คงอยู่ได้เพียงชั่วขณะ โดยพลาสมาสามารถหมุนวนได้แค่รอบเดียวเท่านั้น คิดเป็นเวลาเพียง 150 นาโนวินาที หรือหนึ่งใน 150,000 ล้านส่วนของวินาที

ทีมผู้วิจัยหวังว่าจะสามารถเพิ่มรอบการหมุนของพลาสมาให้มากขึ้น และทำให้วงแหวนจำลองนี้มีอายุยาวนานขึ้นได้ในอนาคต เพื่อใช้เป็นต้นแบบศึกษาการเติบโตของจานพอกพูนมวลและการขยายตัวของหลุมดำ ซึ่งจะช่วยตอบคำถามที่ว่าหลุมดำขยายใหญ่ขึ้นได้อย่างไร หากพลาสมาในจานพอกพูนมวลยังคงตัวอยู่ในรูปของวงแหวน และไม่ตกลงไปในหลุมดำเสียที

“ทฤษฎีที่มีการยอมรับกันมากที่สุดในปัจจุบัน คาดว่าบางครั้งมีความไม่เสถียรในสนามแม่เหล็กรอบหลุมดำ ทำให้เกิดแรงเสียดทานในพลาสมาขึ้น จึงเกิดการสูญเสียพลังงานที่ทำให้วงแหวนรอบหลุมดำพังทลายและตกสู่หลุมดำในที่สุด ซึ่งการทดลองของเราในอนาคตจะช่วยพิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีนี้ได้” ทีมผู้วิจัยกล่าวสรุป