กระแสก๊าซไหลออกอาจไม่ใช่ตัวกำกับการเจริญของดาวฤกษ์ทารก

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวฤกษ์ทารก ซึ่งกำลังรวบรวมมวลสารเพื่อเจริญเติบโต แต่ขณะเดียวกัน ก็มีกลไกไอพ่นจากดาวฤกษ์ทารกซึ่งจะผลักก๊าซที่ตกลงมาให้กระจายออก จนกระทั่งหายไปจากสภาพแวดล้อมรอบดาวฤกษ์ทารก ทำให้ดาวฤกษ์หยุดการเจริญเติบโต

     สิ่งที่เราคิดว่าอาจจะหยุดการก่อตัวดาวฤกษ์อาจจะไม่ได้ทำงานได้ดีอย่างที่คิด เมื่อการสำรวจใหม่จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้แสดงว่า ไอพ่นและลมดวงดาว(stellar wind) ที่ไหลออกจากดาวฤกษ์ทารก ไม่ได้หยุดการเจริญเติบโตของดาวได้อย่างมีประสิทธิภาพอย่างที่คาดไว้ นี่สร้างคำถามข้อใหญ่ให้กับแบบจำลองการก่อตัวดาวที่มีอยู่

     การกำเนิดของดาวเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างยาวเมื่อเทียบกับช่วงชีวิตมนุษย์ สิ่งที่เราทำได้ก็คือพยายามหาดาวจำนวนมากที่อยู่แต่ละขั้นตอนของกระบวนการก่อตัวและปะติดปะต่อเข้าด้วยกันราวกับเป็นจิกซอว์ แบบจำลองที่เป็นที่ยอมรับมากที่สุดมีอยู่ว่า เริ่มต้นด้วยคุณต้องมีก้อนวัสดุสารที่หนาทึบภายในเมฆก๊าซเย็น เมื่อมีความหนาแน่นสูงพอ กลุ่มก๊าซหนาทึบนี้จะยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงเพื่อก่อตัวเป็นดาวฤกษ์ทารก(protostar) ซึ่งจะเริ่มหมุนรอบตัว การหมุนรอบตัวนี้เป็นสาเหตุให้วัสดุสารรอบๆ มันก่อตัวเป็นดิสก์ ซึ่งจะไหลลงสู่ดาวที่กำลังเจริญราวกับเป็นน้ำที่ไหลลงท่อน้ำทิ้ง เพียงแต่โดนดึงเข้ามาโดยแรงโน้มถ่วงที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้น

     แต่มีมวลเดิมในก้อนเมฆเพียง 30% เท่านั้นที่จะถูกผนวกอยู่ในดาว จนกระทั่งบัดนี้ เราก็พอจะมีคำอธิบายที่ดีว่าเพราะเหตุใด กล่าวคือ เมื่อดาวเจริญขึ้น มันจะเริ่มสร้างลมดวงดาว(stellar wind) ที่รุนแรง นอกจากนี้ วัสดุสารที่ตกลงสู่ดาวฤกษ์ทารกจะเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของดาว ไหลไปตามเส้นแรงสนามแม่เหล็กสู่ขั้ว ที่ซึ่งมันจะถูกยิงออกสู่อวกาศในรูปของไอพ่นพลาสมาคู่หนึ่ง

     กระแสก๊าซที่ไหลออก(outflow) จากกระบวนการทั้งสองรวมกันกลายเป็น กลไกย้อนกลับ ที่สร้างช่องว่างในเมฆก๊าซรอบๆ ดาว ให้มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนสุดท้ายได้กวาดก๊าซวัตถุดิบทั้งหมดทิ้งไป และดาวจะหยุดเติบโต

ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แสดง กลุ่มดาวนายพราน(Orion) และตำแหน่งของดาวฤกษ์ทารกที่ใช้ในการสำรวจภายในพื้นที่ก่อตัวดาวเชิงซ้อนของกลุ่มดาวนี้ 

     แต่ในการศึกษาดาวฤกษ์ทารก 304 ดวงในพื้นที่ก่อตัวดาวเชิงซ้อนนายพราน(Orion Complex) นักดาราศาสตร์ไม่พบหลักฐานว่ากระแสก๊าซที่ไหลออกได้ถางช่องว่างให้ขยายใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เมื่อดาวเจริญเติบโตอย่างรวดเร็ว Nolan Habel นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโทเลโด โอไฮโอ กล่าวว่า ในแบบจำลองการก่อตัวดาวอันหนึ่ง ถ้าคุณเริ่มต้นด้วยช่องว่างขนาดเล็ก เมื่อดาวทารกค่อยๆ เจริญพัฒนาตัวขึ้นมา กระแสก๊าซไหลออกก็จะสร้างช่องว่างที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งก๊าซรอบข้างถูกกวาดทิ้งไปจนหมด เหลือไว้แต่ดาวฤกษ์อยู่อย่างโดดเดี่ยว

     แต่การสำรวจของเราบ่งชี้ว่าช่องว่างไม่ได้ขยายขนาดขึ้น ดังนั้นช่องว่างจึงไม่ได้ใหญ่ขึ้นจนมันผลักมวลทั้งหมดในเมฆทิ้งไป ดังนั้นจะต้องมีกระบวนการอื่นๆ ที่เกิดขึ้นเพื่อกำจัดก๊าซที่ไม่ได้ถูกผนวกไว้ในดาวฤกษ์ทิ้งไป

     การสำรวจใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศ ทั้งหอสังเกตการณ์อวกาศเฮอร์เชลและกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ได้ทำโครงการสำรวจพื้นที่เชิงซ้อนนายพราน เพื่อทำบัญชีรายชื่อดาวฤกษ์ทารกหลายร้อยดวง จากนั้น พวกเขาก็ใช้การสำรวจพื้นที่เมฆรอบข้างในช่วงอินฟราเรดใกล้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แม้ว่าแสงช่วงตาเห็นจะไม่สามารถเจาะทะลุผ่านก้อนเมฆสร้างดาวได้ แต่ช่วงแสงอินฟราเรดผ่านได้และจึงเป็นเครื่องมือชั้นยอดที่ใช้ตรวจสอบพื้นที่ที่มีก๊าซอยู่อย่างหนาแน่น

      เพื่อพิจารณาการเจริญของช่องว่าง นักวิจัยสำรวจช่องว่างด้วย NICMOS(Near-infrared Camera and Multi-object Spectrometer) และกล้องมุมกว้าง 3(WFC3) ของฮับเบิล การสำรวจทำในระหว่างปี 2008 ถึง 2017 แม้ว่าดาวจะถูกปกคลุมด้วยฝุ่น แต่พวกมันก็เปล่งคลื่นที่ทรงพลังที่กระทบกับผนังของช่องว่าง และกระเจิงออกจากเม็ดฝุ่น อาบช่องว่างในก้อนก๊าซให้สว่างในช่วงอินฟราเรด

     ภาพจากฮับเบิลเผยให้เห็นรายละเอียดของช่องว่างที่เกิดจากดาวฤกษ์ทารกในสถานะวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน ทีม Habel ใช้ภาพเพื่อตรวจสอบรูปร่างของโครงสร้างและประเมินปริมาตรก๊าซที่ถูกกวาดออกเพื่อสร้างช่องว่างเหล่านี้ จากการวิเคราะห์ ก็สามารถประเมินปริมาณมวลที่ถูกกวาดทิ้งโดยกระแสไหลออกจากดาวทารกได้

สภาพแวดล้อมรอบดาวฤกษ์ทารกบางส่วนที่สำรวจในการศึกษานี้ ช่องว่างที่ดาวฤกษ์ทารกสร้างขึ้นมาไม่ได้ขยายใหญ่อย่างมีนัยสำคัญจนผลักก๊าซทั้งหมดที่อยู่รอบๆ จนหายไป

     เราพบว่าที่ช่วงสิ้นสุดสถานะดาวฤกษ์ทารก ซึ่งก๊าซเกือบทั้งหมดจากเมฆรอบๆ ได้ตกลงสู่ดาว มีดาวฤกษ์อายุน้อยจำนวนหนึ่งที่ยังคงมีช่องว่างที่ค่อนข้างเล็ก Tom Megeath สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยโทเลโด กล่าว ดังนั้นความคิดที่ยึดถือกันว่า สิ่งที่กำหนดมวลสุดท้ายของดาว และสิ่งที่ยับยั้งก๊าซไม่ให้ตกลงสู่ดาว ก็คือ ช่องว่างที่ขยายใหญ่ขึ้นจนกวาดก๊าซทิ้งไปจนหมดนั้น ไม่สอดคล้องกับข้อมูลที่นี่

     แม้ว่ายังเป็นไปได้ที่ลมดวงดาวและไอพ่นพลาสมาจะแสดงบทบาทบางอย่างในการก่อตัวดาว แต่บทบาทนั้นก็ดูจะไม่ได้สำคัญอย่างที่เราเคยคิดไว้ เป็นไปได้ที่กระแสก๊าซไหลออกความหนาแน่นสูงกว่าและไหลช้ากว่า อาจเป็นต้นเหตุ เป็นกลไกที่คล้ายกันแต่ใช้เวลานานกว่าที่จะกวาดช่องว่างขึ้น แต่ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะบอกเช่นนั้นถ้าปราศจากการสำรวจในรายละเอียดที่มากขึ้น งานวิจัยของทีมเผยแพร่ใน Astrophysical Journal และเผยแพร่ออนไลน์ใน arXiv

     กล้องโทรทรรศน์ในอนาคตอย่างกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ซึ่งมีกำหนดส่งในเดือนตุลาคมปีนี้ จะตรวจสอบกระบวนการก่อตัวดาวฤกษ์ทารกได้ลึกขึ้น การสำรวจสเปคตรัมจากกล้องเวบบ์จะสำรวจพื้นที่ส่วนในของดิสก์ที่ล้อมรอบดาวทารกในช่วงอินฟราเรด มองหาไอพ่นที่มาจากแหล่งที่อายุน้อยที่สุด กล้องเวบบ์ยังช่วยนักดาราศาสตร์ให้ตรวจสอบอัตราการสะสมก๊าซจากดิสก์เข้าสู่ดาว และศึกษาว่าดิสก์ส่วนในมีปฏิสัมพันธ์กับกระแสก๊าซที่ไหลออกอย่างไร

 

แหล่งข่าว phys.org : Hubble shows torrential outflows from infant stars may not stop them from growing
               sciencealert.com : an unexpected Hubble discovery just changed our understanding of star formation