ระบบดาวคู่ทั่วทุกหัวระแหงในทางช้างเผือก

 

ภารกิจของปฏิบัติการไกอา(Gaia)

    เป็นครั้งแรกที่ข้อมูลดาวล่าสุดจากหอสังเกตการณ์อวกาศไกอาได้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้สร้างแผนที่สามมิติขนาดใหญ่ของระบบดาวคู่(binary stars) ที่อยู่ค่อนข้างห่างกัน ภายในระยะทางประมาณ 3000 ปีแสงจากโลก มี 1.3 ล้านคู่

     แผนที่ระบบดาวคู่งานแรกนี้ สร้างโดย Kareem El-Badry นักศึกษาปริญญาเอกสาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ น่าจะเป็นที่ตื่นตาตื่นใจสำหรับนักวิจัยที่ศึกษาระบบดาวคู่ ซึ่งมีอย่างน้อยครึ่งหนึ่งในบรรดาดาวฤกษ์ทั้งหมดที่คล้ายดวงอาทิตย์ และดาวแคระขาว, ดาวเคราะห์นอกระบบ และวิวัฒนาการดาวฤกษ์ โดยรวม ก่อนการมีไกอา มีแค่เพียงแผนผังระบบดาวคู่ที่อยู่ใกล้ๆ ซึ่งรวบรวมขึ้นโดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียมฮิพพาร์คัสซึ่งใช้การไม่ได้แล้ว ซึ่งมีดาวที่น่าจะเป็นคู่ราว 200 คู่

     El-Badry กล่าวว่า นี่เป็นเพียงแค่การเพิ่มขนาดตัวอย่างขึ้นอย่างมากมายเท่านั้น และมันก็เพิ่มสิ่งที่เป็นสภาวะวิวัฒนาการที่เราพบในระบบคู่ ในตัวอย่างของเรา เราพบดาวแคระขาวถึง 17000 ดวง ซึ่งเป็นกลุ่มประชากรที่ใหญ่มาก ดาวแคระขาวเป็นสถานะสุดท้ายของดาวฤกษ์เกือบทั้งหมด ดวงอาทิตย์เองก็น่าจะจบชีวิตกลายเป็นดาวแคระขาวขนาดกะทัดรัดในอีก 5 พันล้านปีข้างหน้า

     แผนที่ของ El-Badry ยังรวมระบบ 1400 แห่งที่ประกอบด้วยดาวแคระขาว 2 ดวง และระบบคู่อีก 1600 แห่งที่ประกอบด้วยดาวแคระขาว-ดาวฤกษ์ชนิดอื่น

     ในบรรดาดาว 2.6 ล้านดวงนี้ส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในช่วงรุ่งเรืองของชีวิต นักดาราศาสตร์เรียกช่วงเวลาดังกล่าวว่า ดาววิถีหลัก(main sequence stars) เนื่องจากพวกมันกระจุกอยู่ตามแนวเส้นๆ หนึ่งเมื่อพล๊อตกราฟอุณหภูมิ-ความสว่าง ด้วยขนาดกลุ่มตัวอย่างที่ใหญ่เช่นนี้ El-Badry บอกว่าเป็นไปได้ที่จะทำสำมะโนครัวประชากรระบบดาวคู่เหล่านี้ เพื่อตอบคำถามว่า อัตราส่วนมวลของดาวสองดวงในระบบคู่ทั้งหมด เป็นอย่างไร มีระยะห่างหรือความรี(eccentricity) การโคจรกระจายอย่างไร

เมื่อพล๊อตคุณสมบัติของดาวตามสีและความสว่าง พวกมันจะอยู่ตามแนวเส้นๆ หนึ่งที่เรียกว่า วิถีหลัก(main sequence) ซึ่งจะใช้ชีวิตเกือบทั้งหมดของพวกมันในการหลอมไฮโดรเจน แล้วจะพัฒนาเป็นดาวยักษ์แดง(red giants) และจากนั้นก็ดาวแคระขาว(white dwarf) เฉพาะเมื่อจบชีวิตเท่านั้น การสำรวจระบบดาวคู่ที่อยู่ใกล้ๆ ก่อนหน้านี้พบหลายร้อยแห่ง ในขณะที่แผนที่ใหม่เอี่ยมมีระบบดาวคู่ 1.3 ล้านแห่งซี่งช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจวิวัฒนาการของระบบดาวคู่และดาวโดยรวมได้ดีขึ้น  

     ในอนาคต El-Badry วางแผนที่จะมุ่งเป้าไปที่ระบบดาวแคระขาวคู่ เนื่องจากสามารถระบุอายุดาวแคระขาวได้แม่นยำกว่ากับดาวฤกษ์ปกติ ดาววิถีหลักอย่างดวงอาทิตย์นั้นจะดูเหมือนเดิมได้เป็นหลายพันล้านปี หรือกระทั่งหลายหมื่นล้านปี ในขณะที่ดาวแคระขาวเปลี่ยนแปลงโดยมันจะเย็นตัวลงด้วยอัตราที่ทราบเป็นอย่างดี และเนื่องจากระบบคู่ถือกำเนิดในเวลาเดียวกัน อายุของดาวแคระขาวจึงบอกนักดาราศาสตร์ถึงอายุของคู่ในวิถีหลัก หรือกระทั่งดาวเคราะห์ใดๆ ที่โคจรรอบดาวฤกษ์นั้น

     สำหรับดาวแคระขาว โดยรวมแล้วมันง่ายที่จะบอกว่ามีอายุเก่าแก่แค่ไหน ไม่ใช่แค่ว่าเป็นดาวแคระขาวมานานแค่ไหน แต่เป็นอายุโดยรวมเลย El-Badry กล่าว คุณยังสามารถตรวจสอบมวลของพวกมัน เนื่องจากดาวแคระขาวมีความสัมพันธ์มวล-รัศมี ที่ทราบเป็นการอย่างดี ยกตัวอย่างเช่น El-Badry และเพื่อนร่วมงานเพิ่งใช้ข้อมูลไกอาเพื่อประเมินอายุของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ขนาดพอๆ กับดาวพฤหัสฯ ดวงหนึ่งที่พบโดยดาวเทียม TESS รอบๆ ระบบคู่ ดาวแคระขาว-ดาวฤกษ์แคระสีเหลืองส้ม(K dwarf) ดาวเคราะห์นอกระบบดวงนี้ TOI-1259Ab มีอายุประมาณ 4 พันล้านปี เมื่อประเมินจากพื้นฐานอายุของดาวแคระขาว

     ในบัญชีรายชื่อนี้ มีระบบลักษณะนี้ประมาณ 15 แห่ง คือ เป็นดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์กับดาวแคระขาว เขากล่าว และก็ยังมีอีกสองสามร้อยแห่งที่เป็นดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์อีกดวง นี่น่าจะควรสนใจเป็นพิเศษเนื่องจาก ในบางกรณี ดาวฤกษ์อื่นจะมีพลวัตต่อดาวเคราะห์ได้ บัญชีรายชื่อระบบดาวคู่ใกล้บ้านจะเผยแพร่ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

     ทีมวิจัยยังประกอบด้วย Jackie Faherty นักวิทยาศาสตร์ที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติอเมริกัน ในนิวยอร์คซิตี้ เพื่อสร้างวีดีโอระบบคู่นับล้านแห่งรอบๆ โลก ซึ่งเป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของทางช้างเผือกเท่านั้น

 

การใช้ตรีโกณมิติเพื่อตรวจสอบระยะทางสู่วัตถุไม่ไกล จากการวัดมุมพารัลแลกซ์(parallax)

          ก่อนที่องค์กรอวกาศยุโรปจะส่งไกอาออกไปในปี 2013 เพื่อตรวจสอบระยะทางและการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ใกล้เคียงนับล้านดวงอย่างแม่นยำนั้น หนทางเดียวที่จะหาระบบดาวคู่ก็คือ การมองหาดาวที่อยู่ใกล้กันบนท้องฟ้า นี่อาจเป็นเรื่องที่ยุ่งยากเนื่องจากดาวที่อยู่ใกล้กันมากๆ เมื่อมองจากโลก ก็อาจจะห่างไกลจากกันหลายร้อยจนถึงหลายพันปีแสง เพียงแค่อยู่ในแนวเส้นสายตาใกล้เคียงกันเท่านั้น

     การระบุโอกาสการเรียงตัวที่เกิดโดยบังเอิญต้องใช้เวลาการสำรวจจำนวนมากเพื่อยืนยันว่า ว่าที่ดาวคู่ทั้งสองแท้จริงแล้วอยู่ในระยะทางใกล้เคียงกันและเคลื่อนที่ไปด้วยกัน เนื่องจากการเคลื่อนที่ของโลกรอบดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ใกล้เคียงจึงเปลี่ยนแปลงตำแหน่งปรากฏบนท้องฟ้า และสามารถใช้พารัลแลกซ์(parallax) เพื่อคำนวณว่าพวกมันอยู่ห่างกันแค่ไหน การเคลื่อนที่ของดาวข้ามท้องฟ้าที่เรียกว่า การเคลื่อนที่เฉพาะ(proper motion) ช่วยตรวจสอบความเร็วของมันได้

      ไกอาได้ทำการตรวจสอบตำแหน่งของดาว(astrometry) นี้กับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ๆ ทั้งหมดบนท้องฟ้าอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง จากวงโคจรของดาวเทียมที่ตำแหน่งลากรันจ์(Lagrangian) ของโลก-ดวงอาทิทตย์ การสำรวจของดาวเทียมจึงมีประโยชน์สำหรับสำหรับดาวที่อยู่ภายในระยะทาง 3000 ปีแสงจากโลก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเมื่อเลยจากระยะทางนี้ออกไป มุมพารัลแลกซ์ที่เกิดขึ้นมักจะเล็กเกินกว่าจะตรวจสอบได้

     El-Bardry ได้เริ่มมองหาระบบดาวคู่ในข้อมูลจากไกอาหลังจากที่ปฏิบัติการได้เผยแพร่การตรวจสอบดาวชุดที่ 2(Gaia Data Release 2; DR2) ในปี 2018 ด้วยความช่วยเหลือจากเพื่อนร่วมงาน Hans-Walter Rix ผู้อำนวยการสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ ในไฮเดลแบร์ก เจอรมนี และ Tyler Heintz นักศึกษาที่มหาวิทยาลัยบอสตัน พวกเขาได้พัฒนาเทคนิคการคำนวณเพื่อจำแนกดาวที่เคลื่อนที่ไปด้วยกันผ่านห้วงอวกาศ และด้วยระยะทางจากโลกที่เท่ากันด้วย เทคนิคนี้ฉายการเคลื่อนที่ของดาวแต่ละดวงตลอดช่วงหลายพันปี โดยมีพื้นฐานจากการเคลื่อนที่เฉพาะในปัจจุบัน และดึงดาวที่กำลังเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวกันออกมา ถ้าพวกมันเกิดมีระยะทางจากการวัดพารัลแลกซ์เท่ากันด้วย พวกมันก็อาจจะยึดเกาะกันและกันไว้ เขากล่าว

     ทีมได้มุ่งเป้าไปที่ระบบดาวคู่ที่อยู่ไกลกันเป็นหลัก เป็นระบบดาวคู่ที่อยู่ห่างกัน 10 เท่าหน่วยดาราศาสตร์(Astronomical Unit; ระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์) เป็นอย่างน้อย ดาวที่อยู่ใกล้กว่าค่านี้มักจะปรากฏเป็นจุดแสงจุดเดียว และต้องการเทคนิคการตรวจสอบสเปคตรัมอื่นๆ เพื่อแยกแยะว่าพวกมันเป็นระบบดาวคู่จริงหรือไม่

ภาพสีรวมระบบดาวคู่(binary stars) ที่อยู่ใกล้โลก จากการสำรวจของไกอา

     เพื่อเข้าถึงข้อมูลล่าสุดจากไกอาให้ได้ก่อน El-Badry ตื่นตอนตี 3 ของวันที่เผยแพร่ข้อมูล 3 ธันวาคม ปีที่แล้ว และอยู่ในกลุ่มนักดาราศาสตร์อื่นๆ อีกราวร้อยคนจากทั่วโลกบนโปรแกรม Zoom เขาเปิดโปรแกรมที่ทำไว้ก่อนแล้วกับข้อมูลเพื่อสกัดข้อมูลบัญชีรายชื่อที่ต้องการเพื่อสร้างแผนที่สามมิติ คำตอบส่งกลับมาเป็นว่าที่ระบบดาวคู่ราว 1.8 ล้านคู่จากบัญชีดาวของไกอาประมาณ 1.8 พันล้านดวง ดังนั้น เขาจึงต้องประเมินความน่าจะเป็นที่บางคู่อยู่ในระยะทางเดียวกันและเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันโดยบังเอิญ แต่ไม่ได้เป็นคู่จริงๆ เขาประเมินว่ามีเกือบ 1.3 ล้านคู่ที่มีความน่าจะเป็นอย่างน้อย 90% ที่จะยึดเกาะกันอยู่ และ 1.1 ล้านคู่มีความน่าจะเป็นที่ 99%   

     ดาวฤกษ์ที่คล้ายดวงอาทิตย์ทั้งหมดประมาณครึ่งหนึ่งเป็นระบบดาวคู่ หลายๆ ดวงก็อยู่ใกล้เกินกว่าจะแยกแยะได้ แต่เราพบว่ามีประมาณ 25% ของดาวที่คล้ายดวงอาทิตย์ มีดาวข้างเคียงในระบบคู่ที่ระยะห่างมากกว่า 30 AU ประมาณระยะทางวงโคจรของพลูโต เขากล่าว การกระจายไปกระจุกกันมากที่ระยะห่าง 30 หรือ 50 AU บางคู่ก็ห่างกันมากกว่านั้นถึงระดับพาร์เซค(parsec ราว 260,000 AU หรือ 3.26 ปีแสง) แม้ว่าเกือบทั้งหมดจะอยู่ห่างจากกันภายในระยะ 1000 AU

     แต่สิ่งหนึ่งที่ชัดเจนก็คือ การวิเคราะห์ใหม่ได้ยืนยันบางสิ่งที่บอกใบ้ไว้ในข้อมูลปี 2018 ว่า ระบบดาวคู่หลายแห่งมีมวลที่ใกล้เคียงกันอย่างมาก สิ่งหนึ่งที่เราได้พบนั้นมันเจ๋งมาก เราพบมันใน DR2 แต่ขณะนี้เราสามารถศึกษามันได้ดีขึ้นด้วยกลุ่มตัวอย่างนี้ ก็คือ ระบบคู่น่าจะเป็นฝาแฝดแท้(identical twins) El-Bardry กล่าว นี่เป็นเรื่องที่แปลกประหลาดจริงๆ เนื่องจากพวกมันเหล่านี้เกือบทั้งหมดอยู่ห่างจากกันหลายร้อยหรือหลายพันเอยู ดังนั้นพวกมันก็อยู่ไกลจากกันมาก จนทฤษฎีการก่อตัวดาวดั่งเดิมบอกไว้ว่า มวลของพวกมันควรจะเป็นไปอย่างสุ่ม แต่ข้อมูลบอกถึงเรื่องราวที่แตกต่างออกไป พวกมันรับรู้ถึงมวลของดาวข้างเคียงได้

      นี่เป็นนัยยะว่า พวกมันก่อตัวอยู่ใกล้กันมากกว่านี้อย่างมากในกระบวนการที่ดูจะปรับสมดุลมวลของพวกมัน และจากนั้นก็จับขยับห่างจากกัน บางทีอาจจะเพราะปฏิสัมพันธ์กับดาวอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง

     การรวบรวมบัญชีระบบดาวคู่ครั้งใหม่นี้ยังช่วยให้ El-Badry ได้ตรวจสอบความคลาดเคลื่อนที่รายงานไว้ในการตรวจสอบตำแหน่งของดาวจากไกอาด้วย ซึ่งจะสามารถช่วยเหลือนักวิจัยคนอื่นๆ ที่ใช้ข้อมูลเหล่านี้

แหล่งข่าว phys.org : binary stars are all around us, new map of solar neighborhood shows