4.10 วิศวกรรมหลักฐาน: ตรวจอย่างไร มองหา “ลายนิ้วมือ” ใด และเราคาดการณ์อะไร

หน้าแรก ／ บทที่ 4: หลุมดำ

ส่วนนี้เปลี่ยนภาพรวมเรื่อง “ชั้นวัสดุ” ของหลุมดำในหัวข้อ 4.1–4.9 ให้กลายเป็นหลักฐานที่ลงมือทำได้จริง ครึ่งแรกออกแบบการทดลองเพื่อการตรวจยืนยัน; ครึ่งหลังระบุคำทำนายที่สามารถหักล้างได้อย่างชัดเจน หลังอ่านจบ คุณจะรู้ว่าควรเน้นย่านคลื่นใด ใช้วิธีใด และติดตามตัวแปรใด เพื่อยืนยัน “แถบวิกฤตแบบไดนามิก แถบเปลี่ยนผ่าน และสามเส้นทางหลบหนี” ทีละชิ้น—หรือใช้เป็นเหตุผลในการปัดตกกรอบคิดนี้

I. แผนที่การตรวจยืนยัน: 3 เส้นหลัก และ 2 เส้นสนับสนุน

• เส้นระนาบภาพ: การทำภาพด้วยอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ระยะฐานยาวมาก (VLBI) ในย่านมิลลิเมตรและซับมิลลิเมตร ติดตามเสถียรภาพเชิงเรขาคณิตของวงแหวนหลัก วงแหวนย่อย และบริเวณรูปพัดสว่างที่ยืนนาน รวมถึงการ “หายใจ” ระดับเล็กน้อยของสิ่งเหล่านี้
• เส้นเชิงโพลาไรเซชัน: อนุกรมเวลาเชิงพื้นที่ของส่วนโพลาไรซ์และมุมโพลาไรซ์ที่พิกเซลเดียวกัน มองหาเส้นบิดเรียบไปตามวงแหวน และแถบกลับทิศแบบแคบที่ตรงตำแหน่งกับเรขาคณิตความสว่าง
• เส้นเชิงเวลา: เส้นโค้งแสงข้ามย่านที่ลบผลกระจายช้าแล้ว เพื่อระบุ “ขั้นร่วม” และ “ซองสะท้อน” และตรวจว่าตรงหน้าต่างเวลาเดียวกับภาพและโพลาไรซ์หรือไม่
• เส้นสนับสนุน ก (สเปกตรัมและไดนามิกส์): การผลัดกันขององค์ประกอบแข็ง–อ่อน ความแรงของการสะท้อนและการดูดกลืน การเคลื่อนออกด้านนอกของปมสว่าง และการเลื่อนไปของความถี่บริเวณแกนกลาง (core shift)
• เส้นสนับสนุน ข (พหุสารสนเทศ): ความสัมพันธ์กาล–อวกาศกับนิวทริโนพลังงานสูงและผู้สมัครรังสีคอสมิก; ความสอดคล้องด้านสมดุลพลังงานกับคลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวม

เกณฑ์ตัดสินเป็นแบบ รวมพารามิเตอร์ร่วม: เส้นใดเส้นหนึ่งลำพังยังไม่พอ ต้องมีอย่างน้อย สาม เส้นที่ยืนยันพร้อมกันภายในหน้าต่างเหตุการณ์เดียวกันจึงนับว่าผ่าน

II. การทดสอบที่ 1: แถบวิกฤตแบบไดนามิกมีอยู่จริงหรือไม่

สังเกตอะไร:

• เส้นผ่านศูนย์กลางวงแหวนแทบคงที่ แต่ความหนาของวงแหวนขึ้นลงตามมุมแบริ่ง
• ตระกูลวงแหวนย่อย: วงแหวนรองที่จางและบางกว่าอยู่ด้านในของวงแหวนหลัก และปรากฏซ้ำได้ในหลายคืน
• ปรากฏการณ์ “หายใจ”: ความกว้างของวงแหวนและความสว่างเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยแต่เป็นระบบและพร้อมเพรียงกันในช่วงเหตุการณ์แรง

เหตุผลที่ใช้หักล้างได้:

• หากวงแหวนคงรูปเป็นเส้นเรขาคณิตสมบูรณ์ตลอดช่วงยาว ไม่มีการทบซ้อนของโครงสร้างรอง และไม่เห็นการรุก–ถอยเล็กน้อยที่ผูกกับเหตุการณ์ แปลว่าแนวคิด “แถบวิกฤตมีความหนาและ ‘หายใจ’ ได้” เป็นเพียงภาพลวงตา ตรงกันข้าม หากพบวงแหวนหลักเสถียร วงแหวนย่อยที่ทำซ้ำได้ และการ “หายใจ” แอมพลิจูดเล็ก ทั้งสามอย่างรวมกันคือหลักฐานตรงว่า “ชั้นผิว” ไม่ได้เรียบลื่น

การตั้งค่าขั้นต่ำ:

• VLBI ความถี่สูง — เช่น 230 และ 345 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) ในหน้าต่างเดียวกัน — เพื่อทำภาพแบบไดนามิก
• สร้างแบบจำลองวงแหวนหลักแล้วหักออก เพื่อตรวจว่าค่าเหลือแสดงวงแหวนย่อยอย่างเสถียรหรือไม่
• ก่อน–หลังเหตุการณ์แรง ทำสถิติการสอดคล้องระหว่างความหนาวงแหวนกับความสว่าง

III. การทดสอบที่ 2: แถบเปลี่ยนผ่านคือ “ชั้นลูกสูบ” หรือไม่

สังเกตอะไร:

• ขั้นร่วม หลังเหตุการณ์แรง: เส้นโค้งแสงข้ามย่าน (หลังลบผลกระจายช้า) กระโดดขึ้นเกือบพร้อมกัน
• ซองสะท้อน ตามมา: ยอดรองอ่อนแรงลงเรื่อย ๆ และช่วงห่างระหว่างยอดกว้างขึ้น
• สัญญาณร่วมหน้าต่างในภาพและโพลาไรซ์: บริเวณรูปพัดสว่างเด่นขึ้น และแถบกลับทิศแคบ ๆ กิจกรรมมากขึ้น

เหตุผลที่ใช้หักล้างได้:

• หากขั้นแยกจากกันเข้มงวดตามกฎการกระจายช้า หรือแอมพลิจูดและระยะห่างของสะท้อนไม่วิวัฒน์อย่างสอดคล้องกัน และภาพ/โพลาไรซ์ไม่แปรผันในหน้าต่างเดียวกัน มีแนวโน้มเป็นผลของสื่อสารไกลหรือเครื่องมือ แนวคิดนี้กำหนดให้มี การผ่านเกณฑ์พร้อมเพรียงเชิงเรขาคณิต (“กดสวิตช์”) และ การปล่อยเป็นช่วงแบบลูกสูบ; ต้องพบทั้งสองอย่าง

การตั้งค่าขั้นต่ำ:

• โฟโตเมตรีความถี่เก็บตัวอย่างสูง ข้ามย่านตั้งแต่วิทยุถึง รังสีเอกซ์ (X-ray) วางบนแกนเวลาที่ลบผลกระจายช้าแล้ว
• เปรียบเทียบภาพและโพลาไรซ์แบบตัดหน้าต่าง เพื่อตรวจการเชื่อมโยงสามส่วน: ขั้น—รูปพัดสว่าง—แถบกลับทิศ

IV. การทดสอบที่ 3: สามเส้นทางหลบหนีและ “ลายนิ้วมือ” ที่ต่างกัน

1. รูเข็มฉับพลัน (รั่วช้า)
   • ภาพ: วงแหวนหลักสว่างขึ้นอย่างนุ่มนวลแบบเฉพาะที่หรือทั้งวง; วงแหวนด้านในที่บาง–จางเห็นชัดขึ้นชั่วคราว
   • โพลาไรซ์: ส่วนโพลาไรซ์ลดลงเล็กน้อยในบริเวณที่สว่างขึ้น; มุมโพลาไรซ์ยังบิดเรียบ
   • เวลา: ขั้นร่วมขนาดเล็กพร้อมสะท้อนอ่อนและช้า
   • สเปกตรัม: องค์ประกอบนุ่ม–หนาเพิ่มขึ้น; ไม่มี “ยอดแข็ง”
   • พหุสารสนเทศ: โดยทั่วไปไม่คาดนิวทริโน
   • ข้อสรุป: สัญญาณสี่เส้นร่วมหน้าต่าง ⇒ รูเข็มเป็นฝ่ายครอง
2. เจาะตามแกน (ไอพ่น/เจ็ต)
   • ภาพ: ไอพ่นคอลลิเมต ปมสว่างเคลื่อนออกด้านนอก; ไอพ่นย้อนอ่อนกว่า
   • โพลาไรซ์: ส่วนโพลาไรซ์สูง; มุมโพลาไรซ์ทรงตัวเป็นช่วง; มี เกรเดียนต์ฟาราเดย์ ตามขวางของไอพ่น
   • เวลา: การปะทุเร็วและแข็ง; เห็นขั้นเล็ก ๆ เคลื่อนไปตามไอพ่นออกสู่ภายนอก
   • สเปกตรัม: ไม่เทอร์มอลแบบกำลัง ย่านพลังงานสูงเด่นกว่า
   • พหุสารสนเทศ: อาจร่วมหน้าต่างกับนิวทริโน
   • ข้อสรุป: เสียงข้างมากในห้าเส้นร่วมหน้าต่าง ⇒ การเจาะเป็นฝ่ายครอง
3. ลดวิกฤตเป็นแถบริม (การกระจายกว้างและการประมวลผลซ้ำ)
   • ภาพ: ขอบวงแหวนสว่างเป็นแถบ; กระแสไหลออกมุมกว้างและแสงกระจาย
   • โพลาไรซ์: ระดับกลาง; แปรผันเป็นช่วงภายในแถบ; แถบกลับทิศวางเคียงกัน
   • เวลา: ค่อย ๆ เพิ่มแล้วลด; มีการหน่วงที่ขึ้นกับสีอย่างเด่นชัด
   • สเปกตรัม: การสะท้อนและการดูดกลืนที่เลื่อนไปน้ำเงินแรงขึ้น; สเปกตรัมหนาใน อินฟราเรด (IR) และซับมิลลิเมตรสูงขึ้น
   • พหุสารสนเทศ: หลักฐานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นหลัก
   • ข้อสรุป: สัญญาณสี่เส้นร่วมหน้าต่าง ⇒ แถบริมเป็นฝ่ายครอง

V. การตรวจไขว้ตามสเกล: “เล็กไว ใหญ่เนียน” เป็นสากลหรือไม่

สังเกตอะไร:

• แหล่งกำเนิดมวลเล็ก แปรผันระดับนาทีถึงชั่วโมงถี่กว่า และเกิดการเจาะแบบไอพ่นได้ง่าย
• แหล่งกำเนิดมวลใหญ่ เด่นด้วยการแปรผันระดับวันถึงเดือน และแถบริมยืนนานกว่า

ทำอย่างไร:

• ใช้วิธีเดียวกันกับไมโครเควซาร์และหลุมดำมวลยิ่งยวด หากสเกลเวลาและสัดส่วนเส้นทางที่เด่นย้ายไปอย่างมีระบบตามมวล/สเกล แสดงว่า พารามิเตอร์ของชั้นวัสดุ มีบทบาทสำคัญ

VI. บัญชีรายการเพื่อหักล้าง: ข้อใดข้อหนึ่งจริง ก็เพียงพอจะทำให้ส่วนสำคัญของกรอบนี้ใช้การไม่ได้

• ในภาพระยะยาวคุณภาพสูง วงแหวนหลักคงเป็นเส้นเรขาคณิตสมบูรณ์ ไม่มีวงแหวนย่อย และไม่ “หายใจ”
• หลังลบผลกระจายช้า ขั้นข้ามย่านไม่อยู่ในหน้าต่างเดียวกัน และไม่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของภาพหรือโพลาไรซ์
• ระหว่างการปะทุไอพ่นที่แข็งและแรง ไม่พบกิจกรรมสอดรับยืดเยื้อในวงแหวนใกล้แกนหรือบริเวณรูปพัดสว่าง และไม่มีลักษณะโพลาไรซ์ตามแกนปรากฏเลย
• การสว่างเป็นแถบริมที่ชัดเจนไม่เคยมากับการเพิ่มขึ้นของการสะท้อนหรือ “ลายเซ็น” ของลมจากจานกำเนิด
• แหล่งมวลเล็กกับมวลใหญ่ไม่แสดงความต่างอย่างเป็นระบบทั้งในสเกลเวลาและสัดส่วนเส้นทางที่เด่น

VII. บัญชีคำทำนาย: 10 ปรากฏการณ์ที่การสังเกตในหนึ่ง–สองเจเนอเรชันข้างหน้าควรพบ

• ตระกูลวงแหวนย่อย
  ที่ความถี่สูงขึ้นและฐานระยะยาวกว่า จะเห็นวงแหวนย่อยที่เสถียร 2–3 เส้นภายในวงแหวนหลัก ซึ่งยิ่งลำดับสูงยิ่งแคบและมืด และหลังเหตุการณ์แรงจะ ถูก “จุดติด” ได้ง่ายขึ้น
• “เฟสลายนิ้วมือ” ของบริเวณรูปพัดสว่าง
  บริเวณรูปพัดสว่างที่ยืนนานมีแนวโน้มเชิงมุมแบบมีสถิติเชื่อมกับแถบกลับทิศของโพลาไรซ์ หลังเหตุการณ์แรง ความเหลื่อมเฟสของทั้งคู่จะจัดเรียงใหม่อย่างรวดเร็ว แล้วค่อย ๆ กลับสู่ค่าที่ชอบ
• ขั้นที่ “ไร้การกระจายช้า” อย่างแท้จริง
  แม้ลบผลกระจายช้าตั้งแต่มิลลิเมตรผ่าน อินฟราเรด (IR) จนถึง รังสีเอกซ์ (X-ray) แล้ว ขั้นก็ยังพุ่งขึ้นแทบพร้อมกัน และมาคู่กับการเปลี่ยนแปลงพร้อมเพรียงของความกว้างวงแหวนและแถบโพลาไรซ์
• เรโซแนนซ์ “หายใจ—ขั้น”
  การขยายตัวเพียงเล็กน้อยของความหนาวงแหวนเปลี่ยนแปลงสอดคล้องเชิงเส้นกับความสูงของขั้นร่วม; เหตุการณ์ยิ่งแรง ความสหสัมพันธ์ยิ่งแน่น
• ลำดับการจุดติดของการเจาะ
  ช่วงแฟลชแข็งของไอพ่นมาก่อนหรือพร้อมกับการสว่างวาบระยะสั้นในบริเวณรูปพัดใกล้แกน จากนั้นเกิดปมสว่างเคลื่อนออกและวัดได้ว่า แกนกลางเลื่อน (core shift)
• “สเปกตรัมรมควัน” ของแถบริม
  เมื่อแถบริมครองเกม สเปกตรัมหนาใน อินฟราเรด (IR) และซับมิลลิเมตรจะขึ้นนำ รังสีเอกซ์ (X-ray) แข็ง; การสะท้อนและการดูดกลืนที่เลื่อนไปน้ำเงินจะแข็งแรงขึ้นภายในไม่กี่วันถึงไม่กี่สัปดาห์
• การแปรสภาพ “รูเข็ม → เจาะ”
  ใกล้แกนสปิน เหตุการณ์รูเข็มที่เกิดซ้ำตำแหน่งเดียวกันหลายครั้งภายในไม่กี่วันถึงไม่กี่สัปดาห์ จะพัฒนาเป็นไอพ่นที่เสถียร พร้อมส่วนโพลาไรซ์ของทั้งแหล่งเพิ่มขึ้น
• สเกลกำหนดสเกลเวลา
  รูปแบบ “ขั้น—สะท้อน” ระดับนาทีพบมากกว่าในไมโครเควซาร์; ระดับวัน–สัปดาห์เด่นในหลุมดำมวลยิ่งยวด และอัตราการเพิ่มระยะห่างระหว่างยอดสะท้อนจะเล็กกว่าในกรณีหลัง
• ความพร้อมหน้า–หน้าต่างกับนิวทริโน
  เหตุการณ์นิวทริโนพลังงานปานกลางมีแนวโน้มพบในช่วงการเจาะแบบไอพ่นที่รุนแรง และจะเฟสเดียวกับยอดแกมมาแข็ง
• การวางตำแหน่งร่วม “แถบกลับทิศ ↔ ลมจากจานกำเนิด”
  เมื่อตำแหน่งของแถบกลับทิศโพลาไรซ์เคลื่อนตามขอบนอกของวงแหวน ความลึกของการดูดกลืนจากลมของจานในย่าน รังสีเอกซ์ (X-ray) จะเปลี่ยนตามจังหวะเดียวกัน และการหมุนของมุมโพลาไรซ์มีความสัมพันธ์เชิงเฟสที่ทำซ้ำได้

แต่ละคำทำนายตรวจได้อย่างอิสระ; หากข้อใดถูกปฏิเสธอย่างเป็นระบบ จำเป็นต้องย้อนกลับไปปรับแก้เชิงกลไก