รางวัลเบรคทรูด้านฟิสิกส์พื้นฐานประจำปี 2563

20 ธันวาคม 2562

 

       เมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน พ.ศ. 2562 ได้มีการจัดพิธีมอบรางวัล Breakthrough Prizes ขึ้นที่ NASA Ames Research Center ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ซึ่งนับเป็นครั้งที่ 8 ของรางวัลนี้ เมื่อนับตั้งแต่เริ่มต้นขึ้นในปีพ.ศ. 2556 คณะมหาเศรษฐีผู้ก่อตั้งรางวัลนี้ (Sergey Brin, Priscilla Chan กับ Mark Zuckerberg, Ma Huateng, Yuri กับ Julia Milner และ Anne Wojcicki)  ได้มอบเงินรางวัลให้กับนักวิทยาศาสตร์สาขาฟิสิกส์, คณิตศาสตร์ และ วิทยาศาสตร์ชีวภาพ ที่สร้างผลงานวิจัยที่เป็นจุดเริ่มใหม่ที่มีความสำคัญไปแล้วรวมทั้งสิ้นมากกว่า 5,000 ล้านบาท สำหรับในที่นี้จะขอรายงานเฉพาะในส่วนของรางวัล Breakthrough Prizes in Fundamental Physics และ New Horizons in Physics

 

       ผู้ที่ได้รับรางวัลเบรคทรูด้านฟิสิกส์พื้นฐานประจำปีพ.ศ. 2563 ก็คือโครงการความร่วมมือนานาชาติ The Event Horizon Telescope Collaboration (EHT) ที่ประกอบไปด้วยนักวิจัย 347 คนจาก 60 สถาบันใน 20 ประเทศ โดยมี Sheperd Doeleman (รูปที่ 1) เป็นผู้อำนวยการโครงการ และเป็นตัวแทนขึ้นรับรางวัลมูลค่า 3 ล้านดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 91.11 ล้านบาท) ซึ่งจะถูกนำมาแบ่งให้เท่าๆกัน

 

 

รูปที่ 1 Sheperd S. Doeleman ในวันขึ้นรับรางวัล Breakthrough Prize ดร. Doeleman เป็นนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน ปัจจุบันอายุ 52 ปี เป็นนักวิจัยอาวุโสอยู่ที่ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics และเป็นผู้อำนวยการของโครงการ EHT ที่ก่อตั้งขึ้นในปีพ.ศ. 2552  (ที่มารูป: https://www.space.com/breakthrough-prize-event-horizon-telescope-team.html)

 

คำสดุดี: สำหรับรูปภาพแรกของหลุมดำยักษ์ที่ถ่ายโดยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์เสมือนมีขนาดเท่ากับโลก

 

 

รูปที่ 2 ภาพของหลุมดำจากการถ่ายโดยตรงเป็นครั้งแรกที่โครงการ EHT นำมาเผยแพร่เมื่อเดือนเมษายน พ.ศ. 2562 ซึ่งทำให้มนุษย์ได้เห็นในสิ่งที่ไม่เคยเห็นมาก่อน และทำให้โครงการได้รับรางวัลในครั้งนี้ (ที่มารูป: https://www.businessinsider.com/scientists-first-black-hole-photo-breakthrough-prize-2019-9)

 

คำอธิบาย: โครงการนี้ใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ 8 ระบบ (รูปที่ 3) บันทึกภาพหลุมดำยักษ์ที่อยู่ตรงใจกลางของแกแลกซี่ Messier 87 (อยู่ในหมู่แกแลกซี่ Virgo) พร้อมกันโดยการตั้งเวลาเทียบกับโครงข่ายนาฬิกาอะตอม (atomic clock) ที่มีความแม่นยำสูงมากของแต่ละแห่ง ซึ่งหลุมดำ M87 นี้มีมวลเทียบเท่ากับดวงอาทิตย์ของเรา 6.5 พันล้านดวงรวมกัน (หรือเทียบเท่ากับ 2,165 ล้านล้านโลกรวมกัน) อยู่ห่างจากโลก 55 ล้านปีแสง (1 ปีแสงเทียบเท่ากับระยะทาง 9.46 ล้านล้านกิโลเมตร) หลังจากนั้นต้องใช้ความสามารถและความพยายามอันยิ่งยวดเชิงคอมพิวเตอร์นำข้อมูลจำนวนมหาศาลจากทั้ง 8 ระบบกล้องโทรทรรศน์มาประมวลเข้าด้วยกันเพื่อสร้างทั้งภาพนิ่งและภาพเคลื่อนไหวของหลุมดำ โดยต้องพัฒนาอัลกอริทึมและเทคนิคขึ้นใหม่เป็นการเฉพาะ หนึ่งในผลลัพธ์ก็คือรูปที่ 2 อันมีชื่อเสียง ซึ่งสอดคล้องกับรูปที่ 4 ที่อธิบายโดยสรุปได้ดังต่อไปนี้

 

 

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงตำแหน่งที่ตั้งของกล้องโทรทรรศน์วิทยุทั้ง 8 ระบบ ที่ตั้งอยู่ที่ขั้วโลกใต้, ทะเลทราย Atacama ในประเทศชิลี 2 ระบบ, ประเทศเม็กซิโก, เกาะฮาวาย 2 ระบบ, มลรัฐอริโซนา สหรัฐอเมริกา และประเทศสเปน  เมื่อทำงานร่วมกันเสมือนเป็นกล้องตัวเดียวที่มีขนาดใหญ่เท่าโลกเปรียบได้ว่ามีความไวสูงระดับที่สามารถจำแนกเห็นขนมโดนัท (เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ซม.) บนดวงจันทร์ได้ (ที่มารูป: http://www.darkspacecentral.com/eht_project_page.html)

 

 

รูปที่ 4 ภาพวาดแสดงปรากฏการณ์ต่างๆที่เกิดขึ้นรอบหลุมดำยักษ์ (ที่มารูป: https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-6905103/Scientists-unveil-direct-images-black-holes-event-horizon-TODAY.html)

 

Singularity

ตรงใจกลางหลุมดำ มวลสารจะยุบตัวสู่จุดที่มีความหนาแน่นเป็นอนันต์ ซึ่งเรียกว่า singularity ที่ในทางทฤษฎีบอกว่าไม่มีขนาด มวลสารและพลังงานทั้งหลายทั้งปวงที่ตกเข้าไปในหลุมดำจะไปสิ้นสุดที่จุด singularity นี้ เชื่อกันว่าการดำรงอยู่ของจุด singularity ที่ทำนายไว้โดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป (General Theory of Relativity) ของไอน์สไตน์ คือจุดที่ตัวทฤษฎีจะสิ้นสภาพและปรากฏการณ์ควอนตัมเริ่มมีบทบาท

 

Event Horizon

นี่คือขอบของบริเวณที่เห็นเป็นสีดำ เป็นจุดที่ไม่อาจย้อนกลับ เลยขอบนี้ มวลสารหรือแม้แต่แสงไม่สามารถจะหนีรอดจากแรงดึงดูดอันมหาศาลของหลุมดำออกมาได้เลย ในกรณีของหลุมดำ M87 เส้นผ่านศูนย์กลางของวง event horizon คือประมาณ 35.41 ล้านกิโลเมตร (ดวงอาทิตย์ของเรามีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.39 ล้านกิโลเมตร)

 

Photon Sphere

ถึงแม้ว่าหลุมดำจะมืดสนิท แต่พลาสมาร้อนหรือ accretion disc ที่อยู่ใกล้ๆหลุมดำสามารถปลดปล่อยโฟตอน (หรือแสง) ออกมาได้ โดยปกติแสงจะวิ่งเป็นเส้นตรง แต่เนื่องจากเกิดขึ้นใกล้กับหลุมดำมาก ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงมหาศาล อนุภาคโฟตอนจึงจะวิ่งเป็นเส้นโค้ง และนี่เองคือต้นตอของแสงที่เห็นมีลักษณะเป็นวงแหวนล้อมรอบวงกลมสีดำ (รูปที่ 2)

 

Relativistic Jet

เมื่อหลุมดำกลืนกินดวงดาว, แก๊ส หรือฝุ่น มวลสารเหล่านี้จะปลดปล่อยลำอนุภาคและรังสีเป็นลำเจ็ทพุ่งออกมาจากขั้วของหลุมดำในอัตราเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง ลำเจ็ทนี้พุ่งออกไปได้ไกลหลายพันปีแสง จากการจับตาดูโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเป็นเวลา 7 ปี ได้พบว่า M87 ปล่อยลำเจ็ทของอนุภาคพลังงานสูงออกมาด้วยอัตราเร็วใกล้เคียงความเร็วแสง พุ่งตรงออกไปในอวกาศเป็นระยะทางยาวประมาณ 5,000 ปีแสง ขณะนี้กำลังศึกษากันว่าลำเจ็ทนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร

 

Innermost Stable Orbit

คือขอบในของ accretion disc หรือวงโคจรสุดท้ายที่มวลสารจะหมุนวนได้โดยไม่ต้องเสี่ยงกับการหลุดเลยขอบ event horizon

 

Accretion Disc

เมื่อมวลสาร/แก๊ส (เช่นของดวงดาวที่อยู่ใกล้เคียง) ถูกดูดเข้าหาหลุมดำ จะเคลื่อนที่แบบหมุนวนรอบหลุมดำคล้ายแผ่นจานที่มีความร้อนยิ่งยวดและมีอัตราเร็วสูงมาก แล้วจะมีการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น รังสีเอกซ์, แสงที่ตามองเห็น, อินฟราเรด และคลื่นวิทยุออกมา ซึ่งถูกใช้เป็นตัวระบุตำแหน่งของหลุมดำ

 

          ดร. Doeleman ได้กล่าวไว้ว่า “เมื่อพวกเราเห็นภาพแรกของหลุมดำ พวกเราเกิดความรู้สึกต่างๆกัน แต่ส่วนใหญ่พวกเรารู้สึกถึงการมีชีวิตอยู่ เพราะวินาทีที่ได้ค้นพบ พวกเราได้รู้ถึงความหมายของการเกิดมาเป็นมนุษย์ การค้นพบนี้เป็นเพียงจุดเริ่มต้น บัดนี้เราได้ก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ของการบันทึกภาพหลุมดำด้วยความแม่นยำสูงแล้ว” คณะนักวิจัยคงยังต้องใช้เวลาวิเคราะห์ข้อมูลชุดนี้อย่างละเอียดอีกหลายปีเพื่อสกัดเอาองค์ความรู้เกี่ยวกับหลุมดำ M87 ออกมาให้ได้มากที่สุด แต่ตอนนี้ไม่ต้องสงสัยแล้วว่าหลุมดำมีจริงหรือไม่ อีกทั้งมีเทคนิคการถ่ายภาพคุณภาพสูงแล้ว จึงเชื่อได้ว่าภาพหลุมดำอื่นๆ ซึ่งมีอยู่เป็นจำนวนมากจะมีทยอยตามมาอีกในอนาคตอันไม่ช้าไม่นาน โดยเฉพาะหลุมดำยักษ์ Sagittarius A* (Sgr A*) ตรงใจกลางแกแลกซีทางช้างเผือกของเรา (มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 4 ล้านเท่า แต่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าเพียง 17 เท่า อยู่ห่างจากโลก 26,000 ปีแสง)

 

ส่วนรางวัล New Horizons in Physics ประจำปี 2563 มี 3 รางวัล ที่มอบเพื่อสนับสนุนและให้กำลังใจนักฟิสิกส์รุ่นใหม่อนาคตไกลดังรายชื่อต่อไปนี้

 

1) Xie Chen (California Institute of Technology), Lukasz Fidkowski (University of Washington), Michael Levin (University of Chicago) และ Max A. Metlitski (Massachusetts Institute of Technology)

คำสดุดี: สำหรับการมีส่วนอย่างหลักแหลมต่อความเข้าใจในสถานะทางโทโปโลยีต่างๆของสสารและความสัมพันธ์ระหว่างสถานะเหล่านั้น

 

2) Jo Dunkley (Princeton University), Samaya Nissanke (University of Amsterdam) และ Kendrick Smith (Perimeter Institute)

คำสดุดี: สำหรับการพัฒนาเทคนิคใหม่ๆใช้ในการสกัดฟิสิกส์พื้นฐานออกมาจากข้อมูลด้านดาราศาสตร์

 

3) Simon Caron-Huot (McGill University) และ Pedro Vieira (Perimeter และ ICTP-SAIFR)

คำสดุดี: สำหรับการมีส่วนอย่างล้ำลึกในความเข้าใจด้านทฤษฎีสนามควอนตัม (Quantum Field Theory)

 

โดยแต่ละรางวัลมีมูลค่า 1 แสนดอลลาร์สหรัฐ (ประมาณ 3 ล้านบาท)