FRB 200428 การปะทุคลื่นวิทยุเร็วจากวัตถุในทางช้างเผือก

 

ภาพจากศิลปินแสดงการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว ในช่วงแรกๆ ซึ่งตรวจพบจากนอกทางช้างเผือก 

     นับตั้งแต่การค้นพบเมื่อเกือบศตวรรษก่อน การปะทุคลื่นวิทยุเร็วก็ได้สร้างความสนใจให้กับจินตนาการมากมาย การระเบิดคลื่นวิทยุที่ทรงพลังมากแต่คงอยู่เพียงเสี้ยวเล็กๆ ของหนึ่งวินาที เหตุการณ์ใดที่อยู่เบื้องหลังการระเบิดพลังเหล่านี้ ขณะนี้ เราทราบเพิ่มขึ้นอีกนิด ต้องขอบคุณการค้นพบจากหลังบ้านของเราเอง

     การสำรวจในเบื้องต้นที่รายงานเมื่อเดือนเมษายนได้บอกว่า การปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio burst-FRB) เหตุการณ์หนึ่งที่ถูกพบมีกำเนิดมาจากแหล่งในกาแลคซีของเราเอง ขณะนี้ การศึกษาสามงานที่เผยแพร่ในวารสาร Nature ได้ยืนยันเหตุการณ์นี้อย่างเป็นทางการว่า ดาวแม่เหล็กซึ่งเป็นดาวนิวตรอนชนิดย่อยที่มีสนามแม่เหล็กรุนแรงอย่างไม่น่าเชื่อ ที่อยู่ภายในทางช้างเผือกของเราซึ่งมีการลุกจ้าในช่วงวิทยุเมื่อเดือนเมษายนนั้นเป็น การปะทุคลื่นวิทยุเร็วจริงๆ

          การปะทุคลื่นวิทยุเร็วเป็นสัญญาณคลื่นวิทยุที่รุนแรงมากซึ่งเปล่งพลังงานออกมาในมิลลิวินาที มากกว่าที่ดวงอาทิตย์สร้างในช่วงเกือบร้อยปี การค้นพบ FRB ครั้งแรกนี้มาจากที่อันไกลแสนไกลมากจนระบุแหล่งที่มาไม่ได้ กระทั่งนักวิทยาศาสตร์บางคนสงสัยว่ามันมีอยู่จริงหรือไม่จนกระทั่งได้พบ FRBs อื่นๆ โผล่มาไม่ขาดสายสายในปี 2013 แต่แม้จะยืนยันว่า FRBs มีอยู่จริง นักดาราศาสตร์ก็ยังคงพยายามจะระบุให้ได้ว่าอะไรที่สร้างพวกมันขึ้นมา ภารกิจนี้ดูโหดร้ายเนื่องจากสัญญาณจะปรากฏขึ้นมาเหมือนผีหลอกจากกาแลคซีอันห่างไกล แต่ยังไม่ปรากฏซ้ำด้วย พวกมันดูเหมือนจะโผล่ขึ้นมาจากแหล่งที่ห่างไกลแล้วก็อันตธานหายวับไปเลย และเนื่องจากการปะทุนี้เกิดขึ้นรวดเร็วมาก นักดาราศาสตร์จึงมีคำถามมากมายเกี่ยวกับพวกมันและแหล่งของมัน นักวิทยาศาสตร์มีทฤษฎีหลายสิบงานเกี่ยวกับที่มาของการปะทุนี้ ตั้งแต่หลุมดำชนกัน จนถึงยานอวกาศของเอเลี่ยน

     ทฤษฎีหลายงานบอกว่าการปะทุมีกำเนิดจากดาวนิวตรอน(neutron star) ซึ่งเป็นซากของดาวมวลสูงที่ตายเป็นระเบิดซุปเปอร์โนวา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้บอกว่า FRBs อาจจะระเบิดออกจากดาวนิวตรอนชนิดย่อยที่พบได้ยากที่เรียกว่า มักนีตาร์(magnetar ย่อมาจาก magnetic star) มักนีตาร์เป็นซากดาวที่มีความเป็นแม่เหล็กสูงที่สุดที่เคยพบมา สนามแม่เหล็กของพวกมันอาจรุนแรงกว่าสนามแม่เหล็กของโลกถึงระดับหลายพันล้านล้านเท่า

ดาวนิวตรอนชนิดต่างๆ 

     มักนีตาร์เป็นดาวนิวตรอนชนิดที่มีสนามแม่เหล็กรุนแรงมาก พวกมันบีบอะตอมจนแหลก Christopher Bochenek นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่สถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) ในพาซาดีนา และผู้เขียนนำหนึ่งในรายงานใหม่ กล่าว นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่ามักนีตาร์อาจจะสร้าง FRB เนื่องจากงานก่อนหน้านั้นได้พบว่ามักนีตาร์สามารถเกิดการลุกจ้าครั้งใหญ่ในช่วงรังสีเอกซ์และรังสีแกมมา การลุกจ้าครั้งใหญ่เหล่านี้เกิดขึ้นในเวลาที่สั้นมากๆ ยาวนานเพียงระดับมิลลิวินาที และเป็นช่วงเวลายาวพอๆ กับ FRBs Bing Zhang นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเนวาดา ลาสเวกัส และผู้เขียนร่วมการศึกษาหนึ่งในนั้น กล่าว ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยได้บอกว่าพวกมันอาจจะสร้างการปะทุคลื่นวิทยุเร็วขึ้นมาได้ด้วยเช่นกัน

     แต่นั่นก็แค่ทฤษฎี เมื่อข้อบ่งชี้ทั้งหมดจากการเฝ้าดูมักนีตาร์ในกาแลคซีของเราเองบอกว่าดาวประหลาดเหล่านี้ดูติ๋ม
เกินกว่าจะส่ง FRBs ที่รุนแรงมากพอจะมาถึงเราจากกาแลคซีอื่นๆ ได้ แต่เพื่อให้แน่ใจ นักดาราศาสตร์จะต้องหามักนีตาร์ในทางช้างเผือกสักดวงให้ได้คาหนังคาเขา

     ตลอดเดือนเมษายน พวกเขาก็เล็งไปที่มักนีตาร์ SGR 1935+2154 พร้อมกับกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ เพื่อสำรวจมันในขณะที่มันปะทุรังสีเอกซ์ซ้ำๆ ออกมา จากนั้นในวันที่ 27 เมษายน 2020 หอสังเกตการณ์สวิฟท์ในวงโคจรของนาซา ได้เริ่มตรวจจับรังสีแกมมามาจากมักนีตาร์ดวงนี้ แบบจำลองของนักดาราศาสตร์ได้บอกว่ามักนีตาร์เปล่งสัญญาณดังกล่าวก่อนที่จะสร้าง FRB ขึ้น และแน่นอนว่า ในอีกแค่หนึ่งวันต่อมา CHIME(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment) ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุรูปร่างเหมือนท่อน้ำผ่าครึ่งตามความยาว 4 แถว ในบริติช โคลัมเบีย และ STARE2(Survey for Transient Astronomical Radio Emission 2) ซึ่งเป็นเครือข่ายของจานรับสัญญาณ 3 แห่งในคาลิฟอร์เนียและยูทาห์ ได้ตรวจพบการปะทุที่ดูคล้ายการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว FRB 200428 มาจากพื้นที่เดียวกันบนท้องฟ้า เป็นสัญญาณการปะทุคลื่นวิทยุทรงพลัง 2 ครั้งซึ่งแต่ละครั้งยาวไม่ถึง 1 มิลลิวินาทีและเกิดห่างกันเพียง 30 มิลลิวินาที เหตุการณ์ทั้งหมดเกิดขึ้นในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น 

ภาพจากศิลปินแสดงมักนีตาร์ ซึ่งเกิดดาวไหวสะเทือน(starquake) จากความเครียดบนพื้นผิวที่มีสนามแม่เหล็กที่รุนแรง สนามแม่เหล็กที่ขาดช่วงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานสร้างการเปล่งคลื่นในช่วงต่างๆ ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า งานวิจัยใหม่บอกว่า มักนีตาร์สามารถสร้างคลื่นวิทยุที่มีระดับพลังงานสูงเหมือนกับที่พบจากนอกกาแลคซีได้ 

           มันเป็น FRB แรกเท่าที่เคยพบในกาแลคซีบ้านของเรา เช่นเดียวกับเป็น FRB แรกที่มีความเกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีชนิดอื่นที่ตรวจพบได้ ที่สำคัญกว่านั้นก็คือ มันยังเป็น FRB แรกที่มีความเชื่อมโยงอย่างชัดเจนกับวัตถุชนิดหนึ่ง การค้นพบใหม่จึงมีนัยสำคัญเลยกาแลคซีของเราออกไปด้วย

     รายงานฉบับแรกในสามฉบับได้ระบุที่ดาวมักนีตาร์ SGR 1935+2154 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 3 หมื่นปีแสงในทิศทางใจกลางกาแลคซีในกลุ่มดาวสุนัขจิ้งจอก(Vulpecula) ว่าเป็นตัวการของ FRB 200428 นี้ มักนีตาร์ดวงนี้เกิดการปะทุที่ทรงพลังอย่างมากในเวลาไม่ถึง 1 มิลลิวินาที นี่เป็น FRB ที่เกิดขึ้นใกล้ที่สุดเท่าที่เคยพบ Bochenek กล่าวเสริม ในประมาณ 1 มิลลิวินาที มักนีตาร์เปล่งพลังงานในช่วงวิทยุเท่ากับที่ดวงอาทิตย์ทำใน 30 วินาที

     การศึกษางานที่สองจากทีม STARES สอดคล้องกับการค้นพบจาก CHIME และศึกษาปริศนาของพลังงานนี้ FRB 200428 มีความทรงพลังมากกว่าสัญญาณจังหวะคลื่นวิทยุ(radio pulse) ที่รุนแรงที่สุดที่เคยพบในทางช้างเผือก คือเป็นพัลซาร์(pulsar) ในเนบิวลาปู(Crab Nebula) ประมาณ 3 พันเท่า Daniele Michille นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ CHIME และผู้เขียนร่วมหนึ่งในรายงานใหม่ กล่าวว่า นี่เป็นการปะทุวิทยุที่สว่างที่สุดเท่าที่เคยพบในกาแลคซีของเรามา ในเสี้ยววินาทีที่การปะทุคลื่นวิทยุเร็วนี้สร้างขึ้น มันสว่างกว่าสัญญาณจากมักนีตาร์ใดๆ ที่เคยสำรวจมาถึง 3000 เท่า ในขณะที่ CHIME ให้ตำแหน่งของการปะทุ แต่ STARE2 กลับทำได้ดีกว่าในการประเมินพลังงานที่ไหลออกมาจากมักนีตาร์ในช่วงสั้นๆ เช่นนั้น

CHIME

     เครือข่ายทั้งสองระบุตำแหน่ง FRB ได้พื้นที่เดียวกันบนท้องฟ้า การปะทุนี้สว่างอย่างมากจนในทางทฤษฎี ถ้าคุณมีตัวบันทึกข้อมูลดิบจากเครื่องรับ 4G LTE ในโทรศัพท์มือถือ ซึ่งจะตรวจจับคลื่นวิทยุได้ และคุณทราบว่ากำลังมองหาอะไร คุณก็อาจจะพบสัญญาณนี้ซึ่งเดินทางประมาณครึ่งทางข้ามกาแลคซีปรากฏในข้อมูลในโทรศัพท์มือถือ Bochanek กล่าว

     ด้วย STARE2 เราสามารถยืนยันว่าพลังงานการปะทุนั้นเทียบได้กับพลังงานของ FRBs ที่มาจากนอกกาแลคซี Bochenek อธิบาย แต่คำว่าเทียบได้ ก็ไม่ได้แปลว่าเทียบเท่า เมื่อ FRB นี้ก็ยังทรงพลังน้อยกว่า FRB นอกกาแลคซีที่อ่อนแรงที่สุดเท่าที่เคยพบ 30 เท่าด้วย และโดยทั่วไปมันสลัวกว่า FRB นอกกาแลคซีปกติราว 1 พันเท่า โดยรวมแล้ว เราสามารถตรวจสอบอัตราที่การปะทุสว่างเหล่านี้มาจากมักนีตาร์ว่าสอดคล้องกับอัตรา FRB ที่พบจากนอกทางช้างเผือก Bochenek กล่าว การค้นพบนี้จึงช่วยวาดภาพว่า FRBs บางส่วนหรืออาจจะเกือบทั้งหมด จากกาแลคซีแห่งอื่น ก็น่าจะมีกำเนิดจากมักนีตาร์ด้วยเช่นกัน

     รายงานฉบับที่สาม นักดาราศาสตร์ที่นำโดย Zhang ได้เปรียบเทียบการสำรวจกับข้อมูลที่รวบรวมได้จาก FAST(Five-hundred meter Aperture Spherical Telescope) ในจีน และได้เห็นการปะทุรังสีแกมมาพลังงานสูงจากมักนีตาร์ 29 ครั้ง แต่ไม่มีครั้งใดเลยที่บังเอิญสอดคล้องกับ FRB ที่เห็นจากมักนีตาร์นี้ การไม่เชื่อมโยงอาจจะบอกว่าการปะทุรังสีแกมมาจากมักนีตาร์ได้ให้กำเนิด FRBs ในแบบที่จำเพาะมากๆ บางสถานการณ์ ซึ่งเกือบทั้งหมดไม่ได้สร้าง Zhang กล่าว ความเป็นไปได้อีกทางก็คือ FRBs ใดๆ ที่การปะทุรังสีแกมมาสร้างขึ้นมา เปล่งออกมาเป็นลำที่แคบมากๆ ที่หันออกห่างจากโลก

STARE2

     Zhang บอกว่ามีแหล่ง FRBs 2 ชนิด หนึ่งก็คือที่สร้าง FRBs เป็นปกติ และอีกแหล่งที่สร้าง FRBs น้อยครั้งกว่า ถ้าการปะทุคลื่นวิทยุเร็วจากทั้งสองแหล่งถูกพบในมักนีตาร์ ก็บอกได้ว่าอาจจะมีมักนีตาร์อยู่ 2 ชนิด หนึ่งในนั้นก็คือมักนีตาร์ขนิดที่พบในทางช้างเผือกซึ่งสร้าง FRBs ไม่บ่อยนัก และอีกแหล่งเป็นมักนีตาร์ที่มีกิจกรรมคึกคักมากกว่า และอาจจะเป็นมักนีตาร์ที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่และยังหมุนรอบตัวเร็วมากๆ เขากล่าว

     งานวิจัย FRBs ในอนาคตจะสามารถระบุกลไกว่ามักนีตาร์ชนิดไหน หรือวัตถุอื่นๆ จะสร้างการปะทุเหล่านี้ขึ้นมาได้ Zhang กล่าว ความเป็นไปได้ทางหนึ่งเกี่ยวข้องกับอิเลคตรอนพลังงานสูงที่เคลื่อนที่แบบสุ่มได้สร้างคลื่นวิทยุเมื่อพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก หลุมดำมวลมหาศาล, ซากซุปเปอร์โนวาและก๊าซร้อนที่มีในกาแลคซีก็มักจะสร้างคลื่นวิทยุด้วยวิธีข้างบนนี้ คำอธิบายที่เป็นไปได้อีกอย่างซึ่ง Zhang ชอบก็คือเกี่ยวข้องกับอิเลคตรอนเมื่อพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กผ่านมวล คล้ายกับที่ไฟฟ้าบนโลกสร้างคลื่นวิทยุโดยการปล่อยให้อิเลคตรอนวิ่งในสายไฟ

     Bochenek, Michille, Zhang และเพื่อนร่วมงานเผยแพร่การค้นพบเป็นการศึกษา 3 ชิ้นในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 5 พฤศจิกายน

FAST ซึ่งเป็นจานรับสัญญาณวิทยุจานเดี่ยวขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 500 เมตรในกุ้ยโจว ประเทศจีน 

แหล่งข่าว space.com : scientists detect strange “fast radio burst” from within our own Milky Way 
                   astronomy.com : astronomers have finally found the cause of mysterious fast radio bursts
                   sciencealert.com : powerful radio signal detected in our galaxy is officially a fast radio burst