ร่องรอยของซากดาวในซุปเปอร์โนวา 1987A

 

ภาพมุมกว้างแสดงซุปเปอร์โนวา 1987A ภาพเล็ก-ภาพขยายซุปเปอร์โนวาแห่งนี้ซึ่งสร้างวงแหวนก๊าซเป็นรูปนาฬิกาทราย

     นับตั้งแต่ที่นักดาราศาสตร์ได้พบการระเบิดของดาวดวงหนึ่งอย่างเจิดจ้าในวันที่ 24 กุมภาพันธ์ 1987 นับแต่นั้นมา นักวิจัยก็ได้สำรวจหาแกนกลางที่บีบตัวอย่างหนาแน่นซึ่งน่าจะเหลือทิ้งไว้ และสุดท้ายแล้ว ทีมนักดาราศาสตร์ที่ใช้ข้อมูลจากปฏิบัติการอวกาศของนาซาและกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ก็อาจจะพบมันแล้วในที่สุด

     ในฐานะซุปเปอร์โนวาแรกที่เห็นได้ด้วยตาเปล่าในช่วงเวลา 400 ปี ซุปเปอร์โนวา 1987A(SN 1987A) ก็สร้างความตื่นเต้นอย่างมากในหมู่นักวิทยาศาสตร์ และไม่นานก็กลายเป็นวัตถุที่ถูกศึกษาอย่างทะลุปรุโปร่งที่สุดแห่งหนึ่งบนท้องฟ้า ซุปเปอร์โนวานี้อยู่ในเมฆมาเจลลันใหญ่(Large Magellanic Cloud) ซึ่งเป็นกาแลคซีบริวารขนาดเล็กแห่งหนึ่งของทางช้างเผือก ซึ่งอยู่ไกลออกไปเพียง 170,000 ปีแสง

     ในขณะที่นักดาราศาสตร์เฝ้าดูเศษซากจากการระเบิดกระจายตัวออกจากพื้นที่ที่มีการทำลาย พวกเขาก็ยังมองหาสิ่งที่น่าจะเป็นซากแกนกลางของดาว ซึ่งเรียกว่าดาวนิวตรอน

     ข้อมูลจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา และข้อมูลที่ไม่ได้เผยแพร่จาก NuSTAR(Nuclear Spectroscopic Telescope Array) ของนาซา พร้อมทั้งข้อมูลจาก ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ภาคพื้นดินซึ่งรายงานเมื่อปีที่แล้ว ขณะนี้กลายเป็นกลุ่มหลักฐานที่น่าสนใจแสดงการมีอยู่ของดาวนิวตรอนดวงหนึ่งในใจกลางของ SN 1987A

     Emanuele Greco ผู้นำการศึกษา จากมหาวิทยาลัยปาเลอร์โม ในอิตาลี กล่าวว่า เป็นเวลาถึง 34 ปี ที่นักดาราศาสตร์ได้ขุดคุ้ยเศษซากดาวจาก SN 1987A เพื่อหาดาวนิวตรอนที่เราคาดว่าจะอยู่ที่นั้น เงื่อนงำจำนวนมากกลับกลายเป็นทางตัน แต่เราคิดว่าผลสรุปล่าสุดของเราน่าจะแตกต่าง เมื่อดาวดวงหนึ่งระเบิด มันจะยุบตัวลงก่อนที่ชั้นก๊าซส่วนนอกๆ จะระเบิดกระจายออกสู่อวกาศ การบีบอัดแกนกลางเปลี่ยนมันให้กลายเป็นวัตถุที่หนาแน่นเป็นพิเศษ โดยมีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์บีบอัดในวัตถุที่มีความกว้างเพียง 16 กิโลเมตรเท่านั้น วัตถุเหล่านี้ถูกเรียกว่า ดาวนิวตรอน(neutron star) เนื่องจากพวกมันประกอบด้วยนิวตรอนที่อยู่กันอย่างหนาแน่นมาก พวกมันจึงเป็นห้องทดลองฟิสิกส์สุดขั้วที่ไม่สามารถทำเลียนแบบบนโลกได้

ซุปเปอร์โนวา 1987A ระเบิดเมื่อสามสิบกว่าปีก่อนและยังคงปกคลุมไปด้วยเศษซากจากการระเบิด สภาพแวดล้อมพลังงานสูงนี้ถูกถ่ายภาพได้โดยดาวเทียม NuSTAR ของนาซา(แสดงเป็นสีฟ้า) และหอสังเกตการณ์จันทรา(แสดงเป็นสีแดง) ซึ่งมีความละเอียดสูงกว่า

     ดาวนิวตรอนที่มีความเป็นแม่เหล็กสูงและหมุนรอบตัวเร็วมาก ซึ่งเรียกว่า พัลซาร์(pulsars) จะสร้างลำคลื่นที่คล้ายกับประภาคารให้นักดาราศาสตร์ตรวจจับได้เป็นจังหวะ(pulses) เมื่อการหมุนรอบตัวของวัตถุกวาดลำแสงข้ามท้องฟ้า และยังมีพัลซาร์กลุ่มย่อยที่สร้างลมจากพื้นผิวของพวกมัน ซึ่งบางครั้งก็พัดพาด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง ซึ่งจะสร้างโครงสร้างอนุภาคมีประจุและสนามแม่เหล็กที่ซับซ้อน ซึ่งเรียกกันว่า เนบิวลาลมพัลซาร์(pulsar wind nebula)

     ด้วยจันทราและ NuSTAR ทีมได้พบการเปล่งรังสีเอกซ์ระดับพลังงานค่อนข้างต่ำจากเศษซาก SN 1987A ที่ชนกับวัสดุสารรอบข้าง ทีมยังพบหลักฐานของอนุภาคพลังงานสูงโดยใช้ความสามารถของ NuSTAR ที่ตรวจจับรังสีเอกซ์พลังงานสูงขึ้นได้

     มีคำอธิบายที่เป็นไปได้ 2 อย่างสำหรับการเปล่งรังสีเอกซ์พลังงานรุนแรงนี้ ก็คือ อาจเป็นเนบิวลาลมพัลซาร์ หรือไม่ก็ อนุภาคที่ถูกเร่งความเร็วจนมีพลังงานสูงโดยคลื่นการระเบิด ลำดับเหตุการณ์อันหลังไม่ต้องการการมีอยู่ของพัลซาร์ และเกิดขึ้นในระยะทางที่ไกลจากใจกลางการระเบิดได้มากยิ่งกว่า

     การศึกษาในช่วงรังสีเอกซ์ล่าสุดได้สนับสนุนกรณีเนบิวลาลมพัลซาร์ ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีดาวนิวตรอนอยู่ที่นั้น ด้วยการค้านลำดับเหตุการณ์การเร่งความเร็วจากคลื่นการระเบิด ประการแรก ความสว่างของรังสีเอกซ์พลังงานสูงยังคงใกล้เคียงเดิมระหว่างปี 2012 ถึง 2014 ในขณะที่การเปล่งคลื่นวิทยุที่พบโดย Australia Telescope Compact Array นั้นสว่างมากขึ้น นี่ค้านกับสิ่งที่คาดไว้จากลำดับเหตุการณ์การเร่งความเร็วจากคลื่นการระเบิด ประการต่อมา ผู้เขียนประเมินว่ามันน่าจะต้องใช้เวลาเกือบ 400 ปีที่จะเร่งความเร็วให้กับอนุภาคอิเลคตรอนจนสามารถมีพลังงานสูงอย่างที่พบในข้อมูล NuSTAR ได้ ซึ่งก็เก่าแก่กว่าอายุของซากซุปเปอร์โนวานี้มากกว่าสิบเท่า

     นักดาราศาสตร์เคยสงสัยว่าน่าจะมีเวลาไม่เพียงพอให้พัลซาร์ก่อตัวขึ้น หรือกระทั่งว่าถ้า SN 1987A จะสร้างหลุมดำหรือไม่ Marco Miceli ผู้เขียนร่วม จากปาเลอร์โม เช่นกัน กล่าว จึงเป็นปริศนาสืบมาหลายทศวรรษ และเราก็กำลังตื่นเต้นอย่างมากที่ได้นำข้อมูลใหม่ๆ มาช่วยเติมปริศนาด้วยผลสรุปใหม่นี้ ข้อมูลของจันทราและ NuSTAR ยังสนับสนุนผลสรุปในปี 2020 จาก ALMA ที่ให้หลักฐานที่เป็นไปได้ว่าจะเป็นโครงสร้างของเนบิวลาลมพัลซาร์ ในช่วงความยาวคลื่นมิลลิเมตร ในขณะที่ “ก้อน” โครงสร้างนั้นก็มีคำอธิบายอื่นที่เป็นไปได้ แต่การจำแนกมันว่าเป็นเนบิวลาลมพัลซาร์น่าจะสอดคล้องกับข้อมูลรังสีเอกซ์ใหม่นี้ นี่เป็นหลักฐานเพิ่มเติมให้กับแนวคิดที่ว่ามีดาวนิวตรอนดวงหนึ่งเหลืออยู่ที่นั้น

ทางซ้าย ข้อมูลจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราของนาซาได้แสดงส่วนหนึ่งของซากจากดาวระเบิดที่เรียกว่าซุปเปอร์โนวา 1987A ทางขวา ภาพแสดงสิ่งที่อาจซ่อนอยู่ในใจกลางซากซุปเปอร์โนวา เป็นโครงสร้างที่เรียกว่า เนบิวลาลมพัลซาร์

      และถ้ามันเป็นพัลซาร์ที่ใจกลาง SN 1987A จริงๆ มันก็น่าจะเป็นพัลซาร์ที่อายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยพบมา การได้เฝ้าดูพัลซาร์นับตั้งแต่ที่มันกำเนิดน่าจะเป็นเรื่องที่อัศจรรย์ Salvatore Orlando ผู้เขียนร่วมจากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ปาเลอร์โม สถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ(INAF) ในอิตาลี กล่าว มันอาจจะเป็นโอกาสครั้งหนึ่งในชีวิตที่ได้ศึกษาการพัฒนาของพัลซาร์ทารก

     ใจกลางของ SN 1987A ถูกล้อมไปด้วยก๊าซและฝุ่น ผู้เขียนใช้แบบจำลองอันปราณีตบรรจงเพื่อให้เข้าใจว่าวัสดุสารนี้น่าจะดูดกลืนรังสีเอกซ์ที่ระดับพลังงานต่างๆ อย่างไรบ้าง ช่วยให้แปลผลสเปคตรัมรังสีเอกซ์ได้เที่ยงตรงมากขึ้น ซึ่งก็คือปริมาณของรังสีเอกซ์ที่ระดับพลังงานต่างๆ นี่ช่วยให้นักวิจัยได้ประเมินว่าสเปคตรัมของพื้นที่ใจกลาง SN 1987A จะเป็นอย่างไรเมื่อไม่มีวัสดุสารมาบดบัง

     และก็เช่นเดียวกับกรณีอื่นๆ ยังคงต้องการข้อมูลอีกมากเพื่อย้ำกรณีลำดับเหตุการณ์เนบิวลาลมพัลซาร์ การสำรวจพบคลื่นวิทยุที่เพิ่มขึ้นพร้อมกับการเพิ่มของระดับรังสีเอกซ์พลังงานค่อนข้างสูงในอนาคต น่าจะค้านกับแนวคิดนี้ ในอีกด้านหนึ่ง ถ้านักดาราศาสตร์สำรวจพบรังสีเอกซ์พลังงานสูงในปริมาณที่ต่ำลง ก็น่าจะช่วยสนับสนุนแนวคิดเนบิวลาลมพัลซาร์

     เศษซากดาวที่ล้อมรอบพัลซาร์นอกจากจะทำให้มองไม่เห็นพัลซาร์แล้ว ยังมีบทบาทใหญ่ในการดูดกลืนการเปล่งรังสีเอกซ์พลังงานต่ำอย่างรุนแรง ทำให้ตรวจจับในตอนนี้ไม่ได้ แบบจำลองทำนายว่า วัสดุสารนี้น่าจะกระจายตัวไปในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซึ่งจะลดระดับการดูดกลืนคลื่น ด้วยเหตุเช่นนี้ คาดว่าจะพบการเปล่งคลื่นจากพัลซาร์ในอีกราว 10 ปี เผยให้เห็นการมีอยู่ของดาวนิวตรอน

     รายงานที่อธิบายผลสรุปเหล่านี้จะเผยแพร่ใน Astrophysical Journal และเผยแพร่ออนไลน์แล้ว ผู้เขียนคนอื่นๆ ของรายงานได้แก่ Barbara Olmi และ Fabrizio Bocchino จาก INAF-ปาเลอร์โม เช่นกัน, Shigehiro Nagataki และ Masaomi Ono จากห้องทดลองบิ๊กแบงดาราศาสตร์ฟิสิกส์ RIKEN ในญี่ปุ่น, Akira Dohi จากมหาวิทยาลัยคิวชู ในญี่ปุ่น และ Giovanni Peres จากมหาวิทยาลัยปาเลอร์โม

แหล่งข่าว spaceref.com : reclusive neutron star may have been found in famous supernova
                iflscience.com : scientists may have finally found the missing product of a famous supernova