การระเบิดที่บอกการกำเนิดของดาวแม่เหล็ก

 

ภาพจากศิลปินแสดงการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง ซึ่งตามปกติวัตถุที่เกิดจากการควบรวมจะมีมวลสูงจนยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ แต่การวิจัยใหม่พบว่า วัตถุมวลสูงที่เกิดขึ้นในเหตุการณ์หนึ่ง ยังคงสภาพไว้ได้

     กลับกลายเป็นว่าการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวงไม่จำเป็นจะต้องสร้างหลุมดำเสมอไป ลำพังเพียงแค่ดาวนิวตรอน(neutron star) ก็เป็นวัตถุที่สุดขั้วแล้ว มันเป็นซากดาวที่มีความหนาแน่นสูงมากของดาวมวลสูง ในช่วงสิ้นสุดชีวิตดาวมวลสูง(ตั้งแต่ 10 ถึง 25 เท่ามวลดวงอาทิตย์) เหล่านี้ จะระเบิดเป็นดอกไม้ไฟที่รุนแรงซึ่งเรียกว่า ซุปเปอร์โนวา ทิ้งแกนกลางของดาวเป็นก้อนนิวตรอนเกือบทั้งหมดซึ่งก็คือ ดาวนิวตรอน ไว้แทน ดาวนิวตรอนบีบอัดมวลเกือบสองเท่าดวงอาทิตย์ไว้ในทรงกลมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางเพียงสิบกว่ากิโลเมตรเท่านั้น มวลสาร 1 ช้อนชาของดาวนิวตรอนนั้น มีน้ำหนัก 9 แสนล้านกิโลกรัม ราวๆ มวลของยอดเขาเอเวอร์เรสต์

     การชนกันของดาวนิวตรอนนั้นน่าจะเป็นตัวการที่สร้างการปะทุรังสีแกมมา(gamma-ray burst; GRBs) แบบสั้นขึ้นมา ซึ่งเป็นการเปล่งรังสีแกมมาชั่วพริบตาซึ่งคงอยู่ไม่เกิน 2 วินาที แต่นำพลังงานมหาศาลมากกว่าที่ดวงอาทิตย์จะผลิตตลอดช่วงชีวิต 1 หมื่นล้านปีของมัน คณิตศาสตร์ง่ายๆ บอกว่าเมื่อดาวนิวตรอนสองดวงมารวมกัน พวกมันก็ควรจะมีมวลสูงพอที่จะสร้างหลุมดำขึ้นมา ถ้าพวกมันไม่สูญเสียวัสดุสารออกมาในกระบวนการควบรวมมากเกินไป

     การสำรวจการเรืองสว่างที่ตามหลังการควบรวมที่ทรงพลังเหล่านี้เป็นสิ่งที่ทำได้ยาก แต่ด้วยความช่วยเหลือของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล นักดาราศาสตร์ได้พบการเรืองไล่หลัง(afterglow) จากการปะทุเหตุการณ์หนึ่ง ซึ่งเรียกว่า GRB 200522A ขึ้น การแผ่รังสีที่ค่อยๆ สลัวลงได้นำข่าวสารสำคัญมาด้วย โดยบอกว่าการระเบิดเหล่านี้รุนแรงตามที่ควรจะเป็น แต่ก็ไม่จำเป็นว่าต้องสร้างหายนะขึ้นมา อย่างน้อยก็ในกรณีนี้ ดูเหมือนจะมีวัตถุเหลือรอดอยู่ เป็นดาวนิวตรอนมวลสูงซึ่งมีความเป็นแม่เหล็กรุนแรงมาก ที่เรียกว่า มักนีตาร์(magnetic star; magnetar)

แบบจำลองแสดงการปะทุรังสีแกมมาแบบสั้น และกิโลโนวาที่เกิดจากการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง 

     Wen-Fai Fong จากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น และเพื่อนร่วมงานได้นำเสนอการสำรวจ GRB นี้ในเวบก่อนตีพิมพ์ arXiv และการศึกษาจะเผยแพร่ใน Astrophysical Journal ต่อไป

      หอสังเกตการณ์สวิฟท์ของนาซาได้ตรวจพบการปะทุนี้หลังจากที่การแผ่รังสีแกมมาเดินทางมา 5.47 พันล้านปีมาถึงโลก ทีมของ Fong ได้สำรวจมันอีกครั้งด้วยกล้องฮับเบิลและหอสังเกตการณ์ภาคพื้นดินอื่นๆ เพื่อติดตาม GRB แต่เมื่อมาถึงช่วงเวลาที่ต้องประมวลความสัมพันธ์ระหว่างการแผ่รังสีในช่วงต่างๆ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่วิทยุ, อินฟราเรดใกล้ และรังสีเอกซ์ ทีมก็ไม่เข้าใจสิ่งที่พวกเขากำลังได้เห็น

      หลังจากดาวนิวตรอนสองดวงชนกันก็สร้างการปะทุรังสีแกมมาขึ้นมา หลังจากนั้นก็มีการแผ่รังสีแสงเรืองไล่หลังซึ่งเกิดขึ้นจากคลื่นกระแทกติดตามมาในภายหลัง เมื่อคลื่นกระแทกกระจายออก อิเลคตรอนจากพลาสมาที่กำลังขยายตัวจะวิ่งควงไปรอบๆ สนามแม่เหล็กของคลื่นกระแทก แสงเรืองไล่หลังซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า กิโลโนวา(kilonova) รูปแบบนี้สามารถใช้อธิบายแสงเรืองไล่หลังเกือบทั้งหมดของ GRBs อื่นๆ ได้ ยกเว้นกรณีนี้ ซึ่งการเปล่งคลื่นในช่วงอินฟราเรดที่การสำรวจจากฮับเบิลพบว่าสว่างกว่าที่คาดไว้ 10 เท่า

     ฮับเบิลได้ตอกฝาโลงเมื่อมันเป็นกล้องเพียงตัวเดียวที่ตรวจจับแสงอินฟราเรดได้ Fong กล่าว ที่น่าทึ่งก็คือ ฮับเบิลสามารถถ่ายภาพเพียงสามวันหลังจากการปะทุ คุณต้องใช้การสำรวจอื่นๆ เพื่อพิสูจน์ว่ามีการเรืองที่สลัวคู่เคียงกับการควบรวมนี้ ซึ่งอาจจะปรากฏเป็นแหล่งแสงที่สถิต เมื่อฮับเบิลกลับไปตรวจสอบพื้นที่นี้อีกทีที่ 16 วันและ 55 วัน เราก็ทราบว่าเราไม่เพียงแต่ได้เห็นแหล่งที่แสงกำลังสลัวลง แต่เรายังได้ค้นพบบางสิ่งที่ไม่ปกติมากๆ ด้วย ความละเอียดของฮับเบิลยังเป็นกุญแจที่ระบุกาแลคซีต้นสังกัดจากตำแหน่งการปะทุ และตรวจสอบปริมาณแสงที่มาจากการควบรวมนี้ การสำรวจของฮับเบิลถูกออกแบบมาให้สำรวจหาการเปล่งอินฟราเรดที่เป็นผลจากการสร้างธาตุหนัก เช่น ทองคำ ทองคำขาว(platinum) และยูเรเนียม

กิโลโนวาที่พบในเหตุการณ์ GW 170817 ซึ่งสำรวจในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ 

     ความจริงที่เราได้เห็นการเปล่งคลื่นอินฟราเรดซึ่งมันสว่างอย่างมาก ได้แสดงว่าการปะทุรังสีแกมมาแบบสั้น แท้จริงแล้วก่อตัวขึ้นจากการชนกันของดาวนิวตรอน Edo Berger สมาชิกทีมจากศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ กล่าว แต่ที่น่าประหลาดใจก็คือ สิ่งที่ได้จากการชนอาจไม่ใช่หลุมดำ แต่กลับเป็นดาวแม่เหล็ก นี่เป็นครั้งแรกที่นักวิจัยได้เห็นหลักฐานการควบรวมของดาวนิวตรอน ที่ให้กำเนิดปีศาจแม่เหล็กตัวเขื่อง

     Tanmoy Laskar ผู้นำร่วมการศึกษาจากมหาวิทยาลัยบาธ ในสหราชอาณาจักร กล่าวว่า เมื่อข้อมูลหลั่งไหลเข้ามา เราก็ได้สร้างภาพของกลไกที่กำลังสร้างแสงที่เรากำลังได้เห็นนี้ เมื่อเราได้การสำรวจจากฮับเบิล เราก็ต้องเปลี่ยนกระบวนความคิดไปอย่างสิ้นเชิงเนื่องจากข้อมูลที่ฮับเบิลเสริมเข้ามาทำให้เราตระหนักว่าเราจะต้องโยนความคิดเก่าๆ ทิ้งไป และมีปรากฏการณ์ประหลาดอันใหม่กำลังเกิดขึ้น จากนั้นเราก็ต้องค้นหาว่าเบื้องหลังการระเบิดที่ทรงพลังมากสุดขั้วเหล่านี้มีความหมายกับฟิสิกส์อย่างไร

      แท้ที่จริงแล้ว ทีมเสนอลำดับเหตุการณ์ไว้ 2 อย่าง อย่างแรกก็คือ การชนกันของดาวนิวตรอนให้กำเนิดมักนีตาร์ขึ้นมา อย่างที่สองก็คือ การชนกันสร้างหลุมดำขึ้นมา ซึ่งมาพร้อมกับไอพ่นพลาสมาที่เดินทางด้วยความเร็วสัมพัทธภาพวิ่งออกจากการชนด้วยมุมที่กว้างมากๆ อย่างไม่น่าเชื่อ Maria Grazia Bernardini จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ ในกรุงโรม ผู้เชี่ยวชาญ GRB ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าวว่า ในความเห็นของฉัน ลำดับเหตุการณ์ที่สร้างมักนีตาร์ขึ้นมาดูจะอธิบายการสำรวจได้ตรงไปตรงมามากกว่า แต่เธอก็ยังเสริมว่า ไอพ่นสัมพัทธภาพที่พ่นพลาสมาเป็นมุมที่กว้างมากดูไม่น่าเป็นไปได้ เมื่อไอพ่นสัมพัทธภาพมักจะค่อนข้างแคบ ไอพ่นยังไม่น่าจะสร้างรังสีเอกซ์จำนวนตามที่ได้สำรวจพบด้วย ทีมวิจัยบอกไว้

ภาพแสดงการเรืองจากกิโลโนวาที่เกิดจากการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง กิโลโนวาซึ่งมีความสว่างสูงสุดถึง 1 หมื่นเท่าของโนวาคลาสสิค(classical nova) ปรากฏเป็นจุดสว่าง(ระบุด้วยลูกศร) ทางบนซ้ายของกาแลคซีต้นสังัด การควบรวมของดาวนิวตรอนเชื่อว่าได้สร้างมักนีตาร์(magnetar) ขึ้นมา ซึ่งมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงสุดขั้ว พลังงานจากมักนีตาร์นี้เองก็ทำให้วัสดุสารที่ถูกผลักออกจากการระเบิดสว่างขึ้น

     คุณแค่มีเส้นแรงสนามแม่เหล็กเหล่านี้วิ่งไปรอบๆ ดาวที่กำลังหมุนรอบตัวราว 1000 รอบต่อวินาที และนี่จะสร้างลมแม่เหล็กขึ้นมา Laskar อธิบาย เส้นแรงสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนเหล่านี้จะสกัดพลังงานการหมุนรอบตัวของดาวนิวตรอนที่ก่อตัวในการควบรวม และถ่ายเทพลังงานให้กับซากจากการระเบิดเป็นสาเหตุให้วัสดุสารเหล่านั้นยิ่งเจริญสว่างมากขึ้น

      เราทราบว่ามักนีตาร์มีอยู่ก็เพราะเราเจอพวกมันในกาแลคซีของเรา Fong กล่าว เราคิดว่าพวกมันเกือบทั้งหมดก่อตัวขึ้นในการระเบิดเพื่อจบชีวิตดาวฤกษ์มวลสูง ซึ่งเหลือดาวนิวตรอนที่มีความเป็นแม่เหล็กสูงเหล่านี้ทิ้งไว้ อย่างไรก็ตาม ก็ยังเป็นไปได้ที่มักนีตาร์ส่วนน้อยๆ จะก่อตัวขึ้นจากการควบรวมของดาวนิวตรอน เราไม่เคยได้เห็นหลักฐานสิ่งนี้มาก่อน ลำพังแค่แสงอินฟราเรดที่มีก็ทำให้การค้นพบนี้มีความพิเศษแล้ว

      Jillian Rastinejad ผู้เขียนร่วมรายงาน และนักศึกษาในห้องทดลองของ Fong กล่าวว่า เราเพิ่งยืนยันกิโลโนวาได้เพียงแค่เหตุการณ์เดียวเท่านั้น ดังนั้นจึงน่าตื่นเต้นเป็นพิเศษที่ได้พบสิ่งที่อาจเป็นกิโลโนวาที่ดูแตกต่างออกไป การค้นพบนี้ช่วยให้เรามีโอกาสในการสำรวจความหลากหลายของกิโลโนวาและวัตถุซากของพวกมัน

ภาพอธิบายลำดับการก่อตัวของกิโลโนวาที่ได้พลังจากมักนีตาร์ 1) ดาวนิวตรอนสองดวงโคจรรอบกันและกันหมุนวนเข้าใกล้กันเรื่อยๆ 2) พวกมันชนกันและควบรวมกัน ส่งผลให้เกิดการระเบิดซึ่งปลดปล่อยพลังงานออกมาในเพียงครึ่งวินาที มากกว่าที่ดวงอาทิตย์จะสร้างตลอดช่วงอายุ 1 หมื่นล้านปีของมัน 3) การควบรวมได้ก่อตัวดาวนิวตรอนที่มีมวลสูงยิ่งขึ้นไปที่เรียกว่า มักนีตาร์ ซึ่งมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงอย่างสุดขั้ว 4) มักนีตาร์ถ่ายเทพลังงานให้กับวัสดุสารที่ถูกผลัก เป็นสาเหตุให้พวกมันเรืองสว่างอย่างคาดไม่ถึงในช่วงอินฟราเรด

     GRB 200522A จึงเป็นตัวอย่างที่น่าจดจำว่าแสงเรืองไล่หลังของ GRB แบบสั้นอย่างเหตุการณ์นี้ จะยังสร้างความประหลาดใจและความงงงันให้กับเราอย่างไรบ้าง หลังจากที่ถูกพบมา 15 ปีแล้ว Bernardini กล่าว ถ้ามีมักนีตาร์อยู่รอดจากการชน มันก็จะอยู่ไปอีกนาน ภายในไม่กี่ปีนี้ ทีมบอกว่าเศษดาวที่เป็นแม่เหล็กรุนแรงนี้ควรจะสร้างคลื่นวิทยุให้สำรวจได้ ถ้าตรวจพบ มันก็ไม่เพียงแต่ทำให้สภาพเสื่อมถอย(degeneracy) ระหว่างคำอธิบายที่เป็นไปได้ทั้งสองในกรณีนี้ แต่มันยังน่าจะให้ร่องรอยที่ค้นหามานานของการสร้างมักนีตาร์ และเป็นหลักฐานโดยตรงงานแรกของมักนีตาร์ในสภาพเสถียรที่มีความเกี่ยวข้องกับ GRB

  

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : gamma-ray flash heralds birth of a magnetar
                astronomy.com : magnetic star born from a colossal collision of stellar corpses
                 iflscience.com : brightest kilonova to date gives insight into the origin of gamma-ray bursts
                 spaceref.com : birth of a magnetar from a colossal collision potentially spotted for the first time