หลักฐานเพิ่มเติมของซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นใกล้โลก

 

Crab nebula เป็นซากซุปเปอร์โนวาที่เกิดจากดาวฤกษ์มวลสูงระเบิดทำลายตัวเอง

     ตารางธาตุทางเคมีโดยทั่วไปนั้นจะบอกว่าธาตุที่เกิดขึ้นเองในธรรมชาติที่หนักที่สุดก็คือยูเรเนียม ธาตุใดๆ ก็ตามที่หนักกว่ายูเรเนียมจะถูกสร้างโดยมนุษย์ แต่อะตอมของพลูโตเนียม-244 ที่พบในหินที่ก่อตัวเมื่อไม่กี่ล้านปีก่อน ได้พิสูจน์แล้วว่าก็ไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป แต่เราก็ยังแน่ใจไม่ได้ว่าปรากฏการณ์ประหลาดในธรรมชาติเหตุการณ์ใดที่สร้างมันขึ้นมา

     การระเบิดซุปเปอร์โนวาได้สร้างธาตุหนักขึ้นมากมาย ซึ่งน่าจะรวมถึงธาตุพวกที่มีโปรตอนมากกว่ายูเรเนียมด้วย  อย่างไรก็ตาม ไอโซโทปของธาตุ “ทรานส์ยูเรเนียม” เหล่านั้นทั้งหมดเป็นกัมมันตรังสีซึ่งมีครึ่งชีวิต(half-live) ที่สั้นเมื่อเทียบกับอายุของโลก ไอโซโทปกัมมันตรังสีใดๆ ที่ปรากฏอยู่ในเมฆจากที่ระบบสุริยะก่อตัวขึ้นมาเมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อนได้สลายตัวไปนานแล้ว

     ดังนั้นเมื่อศาสตราจารย์ Anton Wallner จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย(ANU) ได้พบพลูโตเนียม-244 ในหินที่เก็บได้จากระดับ 1500 เมตรใต้มหาสมุทรแปซิฟิค เขาก็ทราบว่าพวกมันจะต้องมาถึงโลกเมื่อไม่นานมานี้เอง พลูโตเนียมดังกล่าวนี้ยังพบร่วมกับเหล็ก-60 ซึ่งไม่เหมือนกับเหล็กทั่วไปในชีวิตประจำวัน(เหล็ก-56) เมื่อมันก็เป็นกัมมันตรังสีด้วยเช่นกัน โดยมีค่าครึ่งชีวิต 2.6 ล้านปีก่อนที่จะสลายตัวเป็นนิกเกิล เหล็ก-60 ปรากฏในตัวอย่างหินมาก่อน กระทั่งพบในวัสดุสารที่นำกลับจากพื้นผิวดวงจันทร์ด้วย การมีอยู่ของเหล็ก-60 ในอดีตถูกใช้เพื่อเป็นตัวบ่งชี้กิจกรรมการระเบิดซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นใกล้กับโลก อย่างไรก็ตาม ในวารสาร Science Wallner ได้รายงานว่าพลูโตเนียมได้เพิ่มหลักฐานเข้าไปอีกชั้นหนึ่ง

     เรื่องราวนี้ซับซ้อน บางทีพลูโตเนียม-244 อาจถูกสร้างในการระเบิดซุปเปอร์โนวา หรือมันอาจจะเหลืออยู่จากเหตุการณ์ที่เก่าแก่มากกว่าแต่น่าพิศวงมากกว่าอย่างเช่น การระเบิดทำลายตัวเองของดาวนิวตรอน Wallner กล่าวในแถลงการณ์

     ในชั้นตะกอนที่เกิดขึ้นเมื่อราว 10 ล้านปีที่ผ่านมา Wallner ได้พบเหล็ก-60 จากสองช่วง คือจากราว 6.3 ล้าน และ 2.5 ล้านปีก่อน ชั้นหลังนี้มีปริมาณเหล็ก-60 มากกว่า 3 ถึง 4 เท่า แต่ทั้งสองช่วงก็มีพลูโตเนียมอยู่ด้วยในระดับเหนือจากที่คาดไว้จากการปนเปื้อนจากทดสอบระเบิดนิวเคลียร์

      มีเหล็ก-60 ราวๆ 80% ในช่วงที่เก่าแก่กว่าที่น่าจะสลายตัวนับตั้งแต่ที่หินนี้ก่อตัวขึ้นมา ในหินที่ใหม่กว่า เหล็กสลายตัวไปประมาณครึ่งหนึ่ง พลูโตเนียม-244 มีครึ่งชีวิตที่ยาวกว่ามาก ที่ 80.6 ล้านปี ดังนั้นจึงสลายตัวไปในสัดส่วนเพียงเล็กน้อย แต่อัตราส่วนของไอโซโทปทั้งสองชนิดในหินแต่ละช่วงก็ใกล้เคียงกัน เมื่อพิจารณาเฉพาะเหล็ก-60 Wallner และเพื่อนร่วมงานได้คำนวณปริมาณว่าสอดคล้องกับปริมาณที่ถูกสร้างขึ้นในซุปเปอร์โนวาอย่างน้อย 2 เหตุการณ์หรือมากกว่านั้น ซึ่งเกิดขึ้นใกล้โลกประมาณ 150 ถึง 350 ปีแสง

     ข้อมูลของเราน่าจะเป็นหลักฐานแรกว่าซุปเปอร์โนวาได้ผลิตพลูโตเนียม-244 ขึ้นมาจริงๆ Wallner กล่าว นี่น่าจะเป็นการค้นพบที่สำคัญเพียงพอ แต่ปริมาณของพลูโตเนียมก็ยังต่ำกว่าที่น่าจะคาดไว้ถ้าซุปเปอร์โนวาเป็นแหล่งหลักที่สร้างพลูโตเนียมขึ้นมา ซึ่งน่าจะชี้ไปถึงการสร้างพลูโตเนียมจากเหตุการณ์รุนแรงอื่น Wallner ยังให้คำอธิบายทางเลือกว่า หรือบางที พลูโตเนียมอาจจะมีอยู่ในตัวกลางระหว่างดวงดาว(interstellar medium) ก่อนที่ซุปเปอร์โนวาจะเกิดขึ้น และไอโซโทปก็ถูกผลักไปทั่วระบบสุริยะไปพร้อมๆ กับเศษซากจากซุปเปอร์โนวา

      เนื่องจากทุกๆ สิ่งจะหายไปในเวลาเพียงไม่กี่ร้อยล้านปี เหลือไว้เพียงพลูโตเนียม-244 ในปริมาณน้อยนิด การปรากฏอยู่ก่อนก็น่าจะต้องมีคำอธิบายอื่นๆ อะไรก็ตามที่สร้างพลูโตเนียมนี้น่าจะต้องเกิดในช่วงอายุ 10% ล่าสุดของความเป็นมาของโลก บางที ถ้าชีวิตบนโลกบังเกิดขึ้นเร็วกว่านี้พอสมควร เราคงไม่ต้องการคลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) จากกาแลคซีที่ห่างไกล เพื่อบอกเราถึงการชนของดาวนิวตรอนสองดวง เราอาจจะได้เห็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในกาแลคซีของเราเอง

 

แหล่งข่าว iflscience.com : rare radioactive plutonium found in deep-sea rocks points to an extraterrestrial origin  
                sciencealert.com : rare “alien” isotopes in Earth’s crust point to recent brush with a cataclysmic event

กาแลคซีกังหันรุ่นเก๋า

 

     การวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้จาก ALMA นักวิจัยได้พบกาแลคซีแห่งหนึ่งที่มีสัณฐานเป็นกังหันในเวลาเพียง 1.4 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น นี่เป็นกาแลคซีชนิดนี้ที่โบราณที่สุดเท่าที่เคยสำรวจพบมา โดยเก่าแก่กว่าผู้ยึดครองสถิติก่อนหน้านี้เกิน 1 พันล้านปี การค้นพบกาแลคซีที่มีโครงสร้างกังหันในช่วงต้นๆ เช่นนี้เป็นเงื่อนงำสำคัญในการตอบคำถามคลาสสิคทางดาราศาสตร์ว่า กาแลคซีกังหันก่อตัวขึ้นอย่างไรและเมื่อใด

     Takafumi Tsukui นักศึกษาที่ SOKENDAI และผู้เขียนนำรายงานวิจัยที่เผยแพร่ในวารสาร Science กล่าวว่า ผมตื่นเต้นก็เพราะไม่เคยได้เห็นหลักฐานที่ชัดเจนของดิสก์ที่กำลังหมุนรอบ, โครงสร้างกังหัน และโครงสร้างขนาดใหญ่ในใจกลางในกาแลคซีที่ห่างไกลในรายงานใดๆ มาก่อน คุณภาพของข้อมูล ALMA นั้นดีเยี่ยมมากจนผมสามารถเห็นรายละเอียดมากมายจนผมคิดว่าดูกาแลคซีใกล้ๆ อยู่

ALMA ได้ตรวจจับการเปล่งคลื่นจากไอออนของคาร์บอนในกาแลคซีแห่งนี้ จะเห็นแขนกังหันจากทั้งสองด้านของพื้นที่ขนาดเล็กที่สว่างในใจกลางกาแลคซี

      ทางช้างเผือกกาแลคซีที่เราอาศัยอยู่ก็เป็นกาแลคซีกังหัน กาแลคซีกังหันเป็นวัตถุพื้นฐานในเอกภพซึ่งมีมากถึง 70% ของกาแลคซีทั้งหมดในเอกภพ อย่างไรก็ตาม การศึกษางานอื่นๆ ได้แสดงว่าสัดส่วนของกาแลคซีกังหันลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเรามองย้อนเวลากลับไป ดังนั้นแล้ว กาแลคซีกังหันก่อตัวขึ้นเมื่อใด Tsukui และอาจารย์ที่ปรึกษา Satoru Iguchi ศาสตราจารย์ที่ SOKENDAI และหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งชาติญี่ปุ่นได้พบกาแลคซีแห่งหนึ่งซึ่งเรียกว่า BRI 1335-0417 ในคลังข้อมูลวิทยาศาสตร์ ALMA กาแลคซีแห่งนี้ปรากฏอยู่เมื่อ 12.4 พันล้านปีก่อนและมีฝุ่นจำนวนมากซึ่งปิดกั้นแสงของดาวไว้ นี่ทำให้ยากที่จะศึกษากาแลคซีแห่งนี้ในรายละเอียดในช่วงที่ตาเห็น แต่ในทางตรงกันข้าม ALMA สามารถตรวจจับการเปล่งคลื่นวิทยุจากไอออนคาร์บอนในกาแลคซีแห่งนี้ได้ ซึ่งช่วยให้เราได้ศึกษาว่าเกิดอะไรขึ้นในกาแลคซีแห่งนี้

     นักวิจัยพบโครงสร้างกังหันอันหนึ่งซึ่งแผ่ออกไป 15000 ปีแสงจากใจกลางของกาแลคซีนี้ ซึ่งเป็นขนาดหนึ่งในสามของทางช้างเผือก การประเมินมวลดาวและตัวกลางระหว่างดวงดาว(interstellar medium) รวมใน BRI 1335-0417 พบว่าน่าจะใกล้เคียงกับทางช้างเผือก แต่มันกำลังสร้างดาวอย่างบ้าคลั่งด้วยอัตรา 5000 เท่ามวลดวงอาทิตย์ต่อปี เมื่อ BRI 1335-0417 เป็นวัตถุที่อยู่ห่างไกลมากๆ เราจึงไม่สามารถมองเห็นขอบของกาแลคซีในการสำรวจนี้ได้ Tsukui ให้ความเห็น สำหรับกาแลคซีที่ปรากฏในเอกภพยุคต้น BRI 1335-0417 จัดได้ว่าเป็นกาแลคซียักษ์

     อย่างไรก็ตาม มีโอกาสเล็กๆ ที่โครงสร้างระยางค์ขนาดหมื่นปีแสงนี้ อาจจะไม่ใช่แขนกังหัน แต่อาจจะเป็นกระแสธารดาวที่ถูกฉีกออกมา(tidal tails) และถูกเหวี่ยงออกมาในระหว่างปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับกาแลคซีที่ผ่านเข้ามาใกล้ แต่ผู้เขียนก็บอกว่า tidal tails มักจะมีขนาดใหญ่กว่านี้และห่อตัวอย่างหลวมโพรกรอบๆ ดิสก์ มากกว่าแขนกังหันที่สำรวจพบ

      แต่ก็มีคำถามเกิดขึ้นว่า โครงสร้างกังหันที่เด่นชัดนี้ก่อตัวได้อย่างไรในเวลาเพียง 1.4 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น นักวิจัยให้สาเหตุที่เป็นไปได้ไว้หลายทางและบอกว่ามันอาจจะเกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์กับกาแลคซีขนาดเล็กแห่งหนึ่ง BRI 1335-0417 กำลังก่อตัวดาวของมันอย่างคึกคัก และนักวิจัยก็พบว่าก๊าซในส่วนนอกของกาแลคซีกำลังไร้เสถียรภาพทางความโน้มถ่วงซึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวดาว สถานการณ์นี้น่าจะเกิดขึ้นเมื่อมีการป้อนก๊าซจำนวนมากจากข้างนอก อาจจะเกิดเนื่องจากการชนกับกาแลคซีขนาดเล็กกว่า

     ชะตากรรมของ BRI 1335-0417 ก็ยังปกคลุมด้วยม่านแห่งปริศนา คิดกันว่ากาแลคซีที่มีฝุ่นจำนวนมากและสร้างดาวอย่างคึกคักในเอกภพยุคโบราณ น่าจะเป็นบรรพบุรุษของกาแลคซีทรงรียักษ์(giant elliptical) ในเอกภพยุคปัจจุบัน แต่ในกรณีนี้ BRI 1335-0417 เปลี่ยนรูปร่างของมันจากกาแลคซีดิสก์ไปเป็นทรงรี ในอนาคต หรือกาแลคซีอาจจะรักษาสภาพกังหันไว้ได้อีกนานซึ่งค้านกับความคิดทั่วไป BRI 1335-0417 จะแสดงบทบาทสำคัญในการศึกษาวิวัฒนาการรูปร่างของกาแลคซีตลอดช่วงเวลาอันยาวนานของเอกภพ

     ระบบสุริยะของเราก็อยู่บนแขนกังหันข้างหนึ่งของทางช้างเผือก Iguchi อธิบาย การตามรอยรากฐานของโครงสร้างกังหันจะช่วยให้เงื่อนงำแก่เราสู่สภาพแวดล้อมที่ระบบสุริยะของเราถือกำเนิดขึ้นมา ผมหวังว่างานวิจัยนี้จะช่วยพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับประวัติการก่อตัวของกาแลคซีให้ก้าวหน้ายิ่งๆ ขึ้นไป งานวิจัยเผยแพร่ผลสรุปหัวข้อ “Spiral morphology in an intensely star-forming disk galaxy more than 12 billion years ago” เผยแพร่ออนไลน์ใน Science วันที่ 20 พฤษภาคม 2021

แหล่งข่าว phys.org : ALMA discovers the most ancient galaxy with spiral morphology
                astronomy.com – snapshot: this could be the earliest spiral galaxy ever seen

กล้องฮับเบิลตามรอยการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว

 

 

    นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้ตามรอยตำแหน่งของการระเบิดคลื่นวิทยุที่รุนแรงเป็นช่วงสั้นๆ 5 เหตุการณ์ไปจนถึงแขนกังหันของกาแลคซีที่ห่างไกล 5 แห่ง

      การระเบิดที่เรียกว่า การปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio bursts; FRBs) เหตุการณ์ที่พิเศษเหล่านี้ได้สร้างคลื่นวิทยุพลังงานสูงในเวลาเพียงหนึ่งในพันส่วนของหนึ่งวินาที เท่ากับที่ดวงอาทิตย์ของเราผลิตถึงหนึ่งปี เนื่องจากจังหวะวิทยุชั่วคราวนี้จะหายไปในเวลาน้อยกว่ากะพริบตา(ในระดับมิลลิวินาที) และมักจะปรากฏไม่ซ้ำที่ นักวิจัยจึงพบกับความยุ่งยากในการตามรอยสู่ตำแหน่งที่เกิด จึงบอกไม่ได้มากนักว่าวัตถุชนิดใดที่สร้างเหตุการณ์เหล่านี้ขึ้น

     การระบุว่าการปะทุเหล่านี้มาจากไหน และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง กาแลคซีใดที่ให้กำเนิดพวกมันนั้นมีความสำคัญในการตรวจสอบว่าเหตุการณ์ทางดาราศาสตร์ชนิดใดที่สร้างการลุกจ้าที่มีพลังงานรุนแรงเช่นนี้ แต่การสำรวจใหม่ของกล้องฮับเบิลกับ FRBs 8 เหตุการณ์ได้ช่วยให้นักวิจัยตีวงแหล่งที่น่าจะสร้าง FRB ได้แคบลง

     FRB เหตุการณ์แรกถูกพบในข้อมูลในคลังที่บันทึกได้โดยหอสังเกตการณ์วิทยุปาร์คส์เมื่อวันที่ 24 กรกฎาคม 2001 นับแต่นั้นมา นักดาราศาสตร์ก็ได้พบ FRBs มากถึงพันเหตุการณ์ แต่พวกเขาก็สามารถเชื่อมโยงกลับไปถึงกาแลคซีต้นสังกัดได้เพียงราว 15 เหตุการณ์เท่านั้น Alexandra Mannings จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย(UC) ซานตาครูซ ผู้เขียนนำการศึกษา กล่าวว่า ผลสรุปของเรานั้นใหม่และน่าตื่นเต้น นี่เป็นภาพความละเอียดสูงงานแรกของประชากร FRBs กลุ่มหนึ่ง และฮับเบิลก็เผยให้เห็นว่าห้าเหตุการณ์ในกลุ่มนั้นเกิดขึ้นใกล้หรือบนแขนกังหันของกาแลคซีหนึ่งๆ กาแลคซีเกือบทั้งหมดมีขนาดใหญ่, อายุค่อนข้างน้อย และกำลังก่อตัวดาวอยู่ ภาพได้ช่วยให้เราได้แนวคิดที่ดีขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของกาแลคซีต้นสังกัดโดยรวม เช่น มวลของมัน และอัตราการก่อตัวดาว เช่นเดียวกับตรวจสอบสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นที่ตำแหน่งที่เกิด FRB เนื่องจากกล้องฮับเบิลมีความละเอียดที่สูงมาก

การตามล่าการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(fast radio bursts) ด้วยกล้องฮับเบิล ตามรอยการปะทุพลังงานดังกล่าว 4 เหตุการณ์ไปได้ถึงแขนกังหันของกาแลคซีที่ห่างไกล 4 แห่งดังแสดงในภาพ การปะทุมีชื่อตามบัญชี FRB 190741(ซ้ายบน), FRB 191001(ขวาบน), FRB 180924(ซ้ายล่าง) และ FRB 190608(ขวาล่าง) กาแลคซีอยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง ด้วยความช่วยเหลือจากสายตาที่คมกริบของฮับเบิล นักดาราศาสตร์สามารถระบุตำแหน่งการปะทุคลื่นวิทยุเร็ว(แสดงเป็นวงรีเส้นประ) บนแขนกังหันของกาแลคซีได้

     ในการศึกษาของฮับเบิล นักดาราศาสตร์ไม่เพียงแต่ระบุกาแลคซีต้นสังกัดของพวกมันได้ทั้งหมด พวกเขายังจำแนกลักษณะตำแหน่งที่ FRB ถือกำเนิดด้วย ฮับเบิลได้สำรวจหนึ่งในตำแหน่ง FRB ในปี 2017 และอีก 7 เหตุการณ์ในปี 2019 และ 2020 Wen-fai Fong สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น ในอิลลินอยส์ กล่าวว่า เราไม่ทราบว่าอะไรเป็นสาเหตุให้เกิด FRBs ดังนั้นมันจึงสำคัญอย่างยิ่งที่จะใช้บริบทที่เราได้มา เทคนิคนี้ใช้งานได้ดีมากในการจำแนกวัตถุต้นกำเนิดของเหตุการณ์ชั่วคราว(transient events) ชนิดอื่น เช่น ซุปเปอร์โนวาและการปะทุรังสีแกมมา ฮับเบิลมีบทบาทสำคัญในการศึกษาเหล่านั้นด้วยเช่นกัน  

      กาแลคซีในการศึกษาของฮับเบิลอยู่ห่างออกไปหลายพันล้านปีแสง นักดาราศาสตร์จึงกำลังได้เห็นกาแลคซีเมื่อพวกมันเป็นเมื่อเอกภพมีอายุประมาณครึ่งหนึ่งของอายุปัจจุบัน หลายๆ แห่งมีขนาดใหญ่พอๆ กับทางช้างเผือก การสำรวจทำในช่วงอุลตราไวโอเลตและอินฟราเรดใกล้โดยกล้องมุมกว้าง 3(WFC3) ของฮับเบิล แสงอุลตราไวโอเลตตามรอยการเรืองสว่างจากดาวฤกษ์อายุน้อยที่พร่างพรายอยู่ตามแนวแขนที่หมุนเวียนของกาแลคซีกังหัน นักวิจัยใช้ภาพอินฟราเรดใกล้เพื่อคำนวณมวลของกาแลคซี และค้นหาว่าประชากรดาวอายุมากอยู่ในตำแหน่งใด

     ภาพที่ได้ได้แสดงความหลากหลายในโครงสร้างแขนกังหัน ตั้งแต่ห่ออย่างแนบชิดจนถึงแบบฝ้าจาง ซึ่งเผยให้เห็นว่าดาวกระจายตัวตามรายละเอียดที่โดดเด่นเหล่านี้อย่างไร แขนกังหันของกาแลคซีเป็นส่วนที่มีดาวมวลสูงอายุน้อยอยู่ อย่างไรก็ตาม ภาพจากฮับเบิลได้เผยให้เห็นว่า FRBs ที่พบใกล้แขนกังหันนั้นไม่ได้มาจากพื้นที่ส่วนที่สว่างที่สุด ซึ่งอาบด้วยแสงรุนแรงจากดาวอวบอ้วน ภาพยังช่วยสนับสนุนภาพที่ว่า FRBs ไม่น่าจะมีกำเนิดจากดาวมวลสูงสุดที่มีอายุน้อยที่สุด

นักดาราศาสตร์ใช้กล้องฮับเบิลตามรอย FRBs 2 เหตุการณ์จนถึงแขนกังหันของกาแลคซีสองแห่งที่แสดงในช่องบนและล่างของภาพนี้ การปะทุมีชื่อตามบัญชีว่า FRB 190714(แถวบน) และ FRB 180924(แถวล่าง) วงรีเส้นประในแต่ละภาพระบุตำแหน่งของการลุกจ้าคลื่นวิทยุ ภาพในแถวบนแสดงภาพฮับเบิลที่ถ่ายได้ แต่เพื่อที่จะศึกษาโครงสร้างกังหันของกาแลคซีในรายละเอียดที่สูงขึ้น นักวิจัยจึงต้องใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์แสงของดาวในกาแลคซี ทับลงบนภาพซ้าย จากนั้นก็ลบแสงดาวที่ราบเรียบกว่าและฝ้าจางกว่าออกจากแต่ละภาพ ภาพที่ได้ทางขวาสองภาพ จึงเผยให้เห็นแขนกังหันของกาแลคซีแต่ละแห่งได้ชัดเจนมากขึ้น ซึ่งยากที่จะเห็นในภาพเดิม

     เงื่อนงำเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยได้กำจัดความเป็นไปได้บางส่วนที่จะสร้างการลุกจ้าที่สว่างเหล่านี้ไปได้ ซึ่งรวมถึงการระเบิดดับชีวิตของดาวมวลสูงสุดอายุน้อยที่สุด ซึ่งสร้างการปะทุรังสีแกมมาและซุปเปอร์โนวาบางชนิดขึ้นมา แหล่งที่ไม่น่าเป็นไปได้อื่นก็คือ การควบรวมของดาวนิวตรอน(neutron stars) ซึ่งเป็นแกนกลางที่บีบอัดแน่นของดาวที่จบชีวิตในการระเบิดซุปเปอร์โนวา การควบรวมเหล่านี้ใช้เวลาหลายพันล้านปี และมักจะพบนอกแขนกังหันของกาแลคซีอายุมากซึ่งได้หยุดการก่อตัวดาวแล้ว

     อย่างไรก็ตาม ผลสรุปจากกล้องฮับเบิลนั้นสอดคล้องกับแบบจำลองนำที่บอกว่า FRBs มีกำเนิดจากการปะทุของดาวแม่เหล็ก(magnetar) อายุน้อย มักนีตาร์นั้นเป็นดาวนิวตรอนชนิดหนึ่งที่มีสนามแม่เหล็กที่ทรงพลังมาก พวกมันถูกเรียกว่าเป็นแม่เหล็กที่แรงที่สุดในเอกภพ โดยมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงกว่าแม่เหล็กประตูตู้เย็นถึง 10 ล้านล้านเท่า เมื่อปีที่แล้ว นักดาราศาสตร์ได้เชื่อมโยงการสำรวจ FRB เหตุการณ์หนึ่งในพบในทางช้างเผือกของเรา เข้ากับพื้นที่แห่งหนึ่งที่ทราบอยู่แล้วว่ามีมักนีตาร์อยู่ได้

     จากที่มีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงมาก มักนีตาร์จึงมีพฤติกรรมที่ค่อนข้างทำนายล่วงหน้าไม่ได้ Fong อธิบาย ในกรณีนี้ คิดกันว่า FRBs มาจากการลุกจ้า(flares) จากมักนีตาร์อายุน้อยดวงหนึ่ง ดาวมวลสูงผ่านวิวัฒนาการดาวและกลายเป็นดาวนิวตรอน บางส่วนก็อาจเป็นแม่เหล็กอย่างรุนแรง นำไปสู่การลุกจ้าและมีกระบวนการแม่เหล็กบนพื้นผิว ซึ่งสามารถเปล่งคลื่นวิทยุได้ การศึกษาของเราสอดคล้องกับภาพนี้ และกำจัดความเป็นไปได้ว่าตัวการต้นกำเนิดของ FRBs เป็นดาวอายุน้อยมากหรืออายุเก่าแก่มาก ได้

นักดาราศาสตร์คิดว่าการปะทุคลื่นวิทยุเร็วน่าจะเกิดจากการลุกจ้าของดาวแม่เหล็กรุนแรงที่เรียกว่า มักนีตาร์(magnetar) ดังแสดงในภาพจากศิลปิน 

     การสำรวจยังช่วยนักวิจัยให้เชื่อมโยง FRBs เข้ากับกาแลคซีขนาดใหญ่ที่กำลังก่อตัวดาวได้เข้มแข็งมากขึ้น การสำรวจกาแลคซีที่อาจเป็นต้นสังกัดของ FRB บางส่วนจากภาคพื้นดินก่อนหน้านั้นไม่สามารถตรวจจับโครงสร้างที่ซ่อนอยู่เช่น แขนกังหัน ได้อย่างชัดเจน นักดาราศาสตร์จึงไม่สามารถกำจัดความเป็นไปได้ที่ FRBs มีกำเนิดจากกาแลคซีแคระที่ซ่อนอยู่ภายใต้ร่มเงาของกาแลคซีขนาดใหญ่อีกที ในการศึกษษใหม่ของฮับเบิล การวิเคราะห์และประมวลภาพอย่างระมัดระวังช่วยให้นักวิจัยได้กำจัดกาแลคซีแคระที่อาจซ่อนอยู่ได้ Suni Simha จากยูซี ซานตาครูซ ผู้เขียนร่วมบอก

     แม้ว่าผลสรุปจากกล้องฮับเบิลจะน่าตื่นเต้น แต่นักวิจัยก็บอกว่าพวกเขายังต้องการการสำรวจเพิ่มเติมเพื่อพัฒนาภาพที่ชัดเจนมากขึ้นกับการลุกจ้าแสงเหล่านี้ และระบุแหล่งของพวกมันได้ดีขึ้น นี่เป็นแขนงที่ใหม่เอี่ยมและน่าตื่นเต้นทีเดียว Fong กล่าว การค้นหาตำแหน่งที่เกิดเหตุการณ์เป็นชิ้นส่วนหลักของปริศนา และชิ้นส่วนปริศนาที่เป็นอัตลักษณ์มากๆ เมื่อเปรียบเทียบกับสิ่งที่เคยทำมาก่อนหน้านี้ นี่เป็นงานถนัดของฮับเบิลเลย ผลสรุปของทีมเผยแพร่ใน Astrophysical Journal

แหล่งข่าว hubblesite.org : these brilliant flares originate from young, massive galaxies
                sciencealert.com : we’ve tracked 5 mysterious fast radio bursts to the arms of distant spiral galaxies  
                space.com : Hubble Space Telescope traces 5 mysterious “fast radio bursts” to distant spiral galaxies

ดาวที่กลายเป็นสปาเกตตี

 

          การลุกจ้าที่สว่างเจิดจ้ามากจากที่ไกลออกไป 7 ร้อยล้านปีแสงดูจะกลายเป็นสิ่งที่เฝ้ารอมานาน จากใจกลางกาแลคซีแห่งหนึ่ง ดาวดวงหนึ่งส่งแสงคร่ำครวญออกมาเมื่อมันถูกฉีกทึ้งและถูกหลุมดำแห่งหนึ่งที่มีมวลประมาณ 5 ล้านเท่าดวงอาทิตย์กลืนไปบางส่วน และการวิเคราะห์ใหม่ได้แสดงว่ามันกำลังเข้าสู่กระบวนการทำเส้นสปาเกตตี(spaghettification)

     การตายของดาวโดยปกติมักจะเป็นเหตุการณ์ที่รุนแรง แต่การตายโดยถูกยืดเป็นสปาเกตตีอาจจะเป็นสิ่งที่รุนแรงที่สุดที่เกิดขึ้นแล้ว ซึ่งจะเกิดเมื่อดาวฤกษ์ดวงหนึ่งผ่านเข้าใกล้หลุมดำแห่งหนึ่งมากเกินไป และสนามแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของมัน ที่กระทำต่อด้านใกล้ของดาวจะรุนแรงกว่า จนฉีกดาวออกเป็นชิ้น เป็นเหตุการณ์ที่เราเรียกอย่างสุภาพว่า tidal disruption event เมื่อดาวถูกฉีก เศษซากบางส่วนก็จะถูกดึงยืดคล้ายเส้นสปาเกตตี เป็นสายใยวัสดุสารที่บางและยาวคล้ายเส้นสปาเกตตี ห่อหุ้มไปรอบๆ และไหลลงสู่หลุมดำ

     เราสามารถตรวจจับกระบวนการนี้ได้ก็เพราะมันสร้างการลุกจ้าที่สว่างมาก ซึ่งเกิดขึ้นจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทานในดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) รอบๆ หลุมดำ แสงซึ่งต่อมาจะค่อยๆ จางลงเมื่อวัสดุสารพร่องหายไป

     เหตุการณ์ลักษณะนี้ถูกพบในเดือนเมษายน 2019 โดย Zwicky Transient Facility ซึ่งสำรวจท้องฟ้าโดยมองหาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นชั่วขณะ(transient events) เหตุการณ์ในคำถามนี้ ซึ่งต่อมาได้ชื่อ AT2019dsg มีความสว่างที่ไม่ปกติ แม้แต่ในบรรดา tidal disruption events(TDEs) ด้วยกัน โดยมีการลุกจ้าตั้งแต่รังสีเอกซ์, อุลตราไวโอเลต, ช่วงตาเห็นและคลื่นวิทยุ

     ขอบในของดิสก์สะสมมวลสารอยู่ใกล้กับหลุมดำมากที่สุด เป็นส่วนที่ร้อนที่สุดของดิสก์และจึงเปล่งรังสีที่มีพลังงานสูงสุดคือ รังสีเอกซ์ออกมา เราสามารถตรวจจับรังสีเอกซ์ได้ก็ย่อมหมายความว่าเรากำลังจ้องมองไปตามแนวขั้วของหลุมดำมวลมหาศาล ไม่เช่นนั้นแล้ว ก็น่าจะถูกปกปิดไว้โดยพื้นที่ส่วนนอกของดิสก์สะสมมวลสาร ลองคิดถึงการมองโดนัทจากด้านข้าง คุณก็จะมองไม่เห็นรูตรงกลาง ใช่มั้ย

      แน่นอนว่าเราเห็นการเปล่งรังสีเอกซ์จาก TDEs มาก่อน แต่กับ AT2019dsg แล้วมีบางสิ่งที่แตกต่างออกไปอย่างมาก หลุมดำของมันไม่ได้มีกิจกรรมสูงนักซึ่งช่วยให้นักวิจัยตามรอยเหตุการณ์ตั้งแต่ 34 วันหลังเหตุการณ์ จนถึง 411 หลังจากนั้น ขณะนี้ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติที่นำโดย Giancomo Cannizzaro และ Peter Jonker จากสถาบันเพื่อการวิจัยอวกาศเนเธอร์แลนด์ส(SRON) ได้ตรวจสอบแสงตลอดช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และพบเส้นดูดซับคลื่น(absorption lines) โดยปกติเมื่อนักดาราศาสตร์เก็บภาพแสง ถ้าแสงนี้เดินทางผ่านบางสิ่ง เช่น ก๊าซหรือฝุ่น ที่ทำให้แสงในบางช่วงความยาวคลื่นถูกกั้นหรือช้าลง ก็จะปรากฏเป็นเส้นมืดในแถบสเปคตรัม

     เส้นสเปคตรัมดูดซับคลื่นปรากฏได้ในทุกเหตุการณ์ แต่ไม่ใช่ในกรณีเมื่อมองจากขั้วหลุมดำมวลมหาศาล ดิสก์สะสมมวลสารมักจะโคจรในพื้นที่ศูนย์สูตร เหมือนกับวงแหวนของดาวเสาร์ และเมื่อมองจากขั้วลงไป มุมมองก็จะค่อนข้างโล่ง นอกจากนี้ ความแปรผันและความกว้างของเส้นดูดซับคลื่นเหล่านั้นก็ยังน่าประหลาดด้วย รูปแบบที่พบดูจะบอกถึงก้อนวัสดุสารจำนวนมาก คล้ายกับก้อนด้าย

      สิ่งนี้เองที่บอกว่าจะต้องมีบางสิ่งที่ห่อไปรอบๆ หลุมดำในมุมที่ไม่ปกติ เช่น สายใยของดาวที่ถูกรบกวนด้วยแรงโน้มถ่วงจนกลายเป็นเส้นยาว บางที อาจจะถูกเหวี่ยงออกมาจากเศษซากส่วนที่เหลือ เมื่อดาวถูก(หลุมดำ) รบกวน เศษซากก็อาจจะก่อตัวเป็นกระแสธารที่มีแรงโน้มถ่วงในตัวมันเอง นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน สิ่งที่เราอาจจะกำลังได้เห็นก็คือเส้นดูดซับคลื่นเกิดขึ้นจากกระแสธารเหล่านั้น ซึ่งการเคลื่อนที่โคจรและความเร็วที่แตกต่างกันของกระแสธารเหล่านั้น เป็นสาเหตุให้เกิดการแปรผันความกว้างของเส้นดูดซับคลื่น

     เพื่อที่จะแปลผลแล้ว เราจะต้องมีกระแสธารที่มีแรงโน้มถ่วงในตัว บางส่วนที่หักเหออกด้วยมุมที่กว้างเหนือและใต้ขั้วหลุมดำ ในขณะที่กระแสธารส่วนที่เหลือก็ยังคงหมุนวนเข้าสู่ดิสก์สะสมมวลสาร ถ้าการแปลผลการเกิดสปาเกตตีดาวนี้ถูกต้อง ก็น่าจะเป็นครั้งแรกที่เรามีหลักฐานโดยตรงว่ากระบวนการนี้เกิดขึ้นจริง

     ทีมเชื่อมั่นว่าหลุมดำเรียงตัวในแนวขั้ว แทนที่จะเป็นด้านหันข้างด้วยเหตุผล 2 ประการ ถ้าหลุมดำไม่ได้หันด้านขั้วเข้าหาเรา เราก็ไม่เห็นจะเห็นการเปล่งรังสีเอกซ์จากดิสก์ และสเปคตรัมแสงจากดาวที่กลายเป็นสปาเกตตียังมีเงื่อนงำสำคัญมาก เมื่อเส้นสเปคตรัมดูดซับคลื่นจะแคบ พวกมันไม่ได้กว้างโดยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์อย่างที่คุณคาดไว้ถ้ามองเห็นดิสก์ที่กำลังหมุนรอบตัวเมื่อวัสดุสารหมุนเข้ามา หรือถอยห่างจากผู้สังเกตการณ์   

     AT2019dsg เคยอยู่ในความสนใจมาแล้วก่อนหน้านี้ เมื่อนักวิทยาศาสตร์ตรวจจับสิ่งที่ดูเหมือนจะเป็นนิวตริโนพลังงานสูงที่วิ่งออกจากเหตุการณ์นี้ คงต้องคนสงสัยว่าจะมีสิ่งที่น่าประหลาดใจอื่นจากการตายของดาวดวงนี้ เหลืออยู่อีกหรือไม่ งานวิจัยเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

 

แหล่งข่าว sciencealert.com : astronomers witnessed a star being violently “spaghettified” by a black hole
                iflscience.com : astronomers catch “spaghettified” star as it wraps around black hole for first time

ซุปเปอร์โนวาจากดาวที่เย็น

 

กาแลคซี NGC 4666 เป็นหนึ่งในกาแลคซีสตาร์เบิร์ส(starburst galaxy) ที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด เราจะมองมันในมุมหันข้างเกือบพอดี 

    ก่อนระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ดาวฤกษ์สีเหลืองดวงหนึ่งได้ทำให้นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ต้องกลับไปประเมินทางเลือกในการตายของดาวที่มีมวลสูงที่สุดในเอกภพเสียใหม่ ทีมอธิบายดาวประหลาดดวงนี้และซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society วันที่ 5 พฤษภาคม

      ในช่วงบั้นปลายชีวิต ดาวฤกษ์สีเหลืองที่เย็นมักจะปกคลุมไปด้วยไฮโดรเจน ซึ่งจะปกปิดภายในสีฟ้าที่ร้อนแรงของดาวไว้ แต่ดาวสีเหลืองดวงนี้ซึ่งอยู่ห่างออกไป 35 ล้านปีแสงจากโลกในกระจุกกาแลคซีหญิงสาว(Virgo cluster) กลับไม่มีชั้นไฮโดรเจนที่ช่วยปกปิดนี้ในช่วงเวลาที่เกิดการระเบิด Charles Kilpatrick นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ศูนย์เพื่อการสำรวจและวิจัยสหวิทยาการดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CIERA) ของมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น ซึ่งนำทีมศึกษา กล่าวว่า เราไม่เคยเห็นเหตุการณ์อย่างนี้มาก่อน ถ้าดาวระเบิดโดยไม่มีไฮโดรเจน มันก็น่าจะมีสีฟ้าจัดมากก็คือ ร้อนมากๆ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ดาวจะเย็นแบบนี้โดยไม่มีชั้นไฮโดรเจนข้างนอก เราพิจารณาแบบจำลองดาวทุกๆ แบบที่มีที่จะช่วยอธิบายดาวแบบนี้ได้ และแบบจำลองทุกๆ อันก็บอกว่าดาวต้องมีไฮโดรเจน ซึ่งจากซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นเราทราบว่ามันไม่มีอยู่ มันยืดความเป็นไปได้ในทางกายภาพออกไปอีก

     Kilpatrick ยังเป็นสมาชิกของกลุ่มการทดลองซุปเปอร์โนวาอายุน้อย ซึ่งใช้กล้องโทรทรรศน์ Pan-STARRS ที่ฮาลีคาลา ฮาวาย เพื่อจับซุปเปอร์โนวาแทบจะทันทีที่เกิดการระเบิด หลังจากกลุ่มการทดลองซุปเปอร์โนวาอายุน้อย ได้พบซุปเปอร์โนวา SN 2019yvr ในกาแลคซีกังหันที่อยู่ไม่ไกล NGC 4666 และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันเป็นกาแลคซีที่กำลังก่อตัวดาวอย่างคึกคักมาก(starburst galaxies) ซึ่งถูกศึกษาโดยนักดาราศาสตร์ทั้งสมัครเล่นและอาชีพอย่างทะลุปรุโปร่ง จึงมีโอกาสมากมายที่จะได้พบดาวที่อาจเป็นต้นเหตุของ SN 2019yvr ในภาพเก่าๆ ได้

     ทีมได้ใช้ภาพห้วงลึกที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลจับไว้ ซึ่งก็ได้สำรวจท้องฟ้าส่วนนี้โดยบังเอิญสองปีครึ่งก่อนดาวจะระเบิด สิ่งที่ดาวมวลสูงทำก่อนที่พวกมันจะระเบิดเป็นปริศนาใหญ่ที่ยังไม่ได้ถูกไข เขากล่าว มันยากมากที่จะได้เห็นดาวประเภทนี้ก่อนที่มันจะระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ภาพจากกล้องฮับเบิลแสดงแหล่งของซุปเปอร์โนวา เป็นดาวมวลสูงที่ถูกถ่ายภาพเพียงไม่กี่ปีก่อนการระเบิด เมื่อมันระเบิด ก็ดูเหมือนเป็นซุปเปอร์โนวาที่ปราศจากไฮโดรเจนทั่วๆ ไป ไม่มีอะไรโดดเด่นเลย แต่ดาวต้นกำเนิดไม่ได้สอดคล้องกับสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับซุปเปอร์โนวาชนิดนี้

ภาพจากกล้องฮับเบิลแสดงพื้นที่ระเบิดของ SN 2019yvr จากสองปีครึ่งก่อนการระเบิด ซ้ายบน: ซุปเปอร์โนวาเองปรากฏอยู่ในภาพจากกล้องโทรทรรศน์เจมิไนใต้ 72 วันหลังจากที่เกิดระเบิด ซ้ายล่าง: ซูมพื้นที่เดียวกันในภาพก่อนระเบิดจากกล้องฮับเบิล แสดงให้เห็นแหล่งเพียงแหล่งเดียวที่ดูจะเป็นดาวต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวาได้

     ดาวสีเหลืองนี้ก็เหมือนกับดวงอาทิตย์ แม้ว่าจะร้อนเพียงพอที่จะให้พลังกับชีวิตบนดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างออกไปหลายล้านกิโลเมตรได้ แต่ดาวสีเหลืองก็ยังเย็นกว่าดาวสีฟ้าที่จะเป็นต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวาอย่างมาก แต่ดาวสีเหลืองบางดวงก็เกิดซุปเปอร์โนวาได้จริงๆ แต่ในหลายกรณีก่อนหน้านี้ มันมีสีเหลืองก็เพราะมีชั้นไฮโดรเจนปกคลุมซ่อนสีฟ้าที่แท้จริงไว้  

    อย่างไรก็ตาม หลายเดือนหลังจากการระเบิด Kilpatrick และทีมได้พบว่าวัสดุสารที่ผลักออกมาในการระเบิดสุดท้ายของดาว ดูเหมือนจะชนกับไฮโดรเจนก้อนใหญ่ นี่ทำให้ทีมตั้งสมมุติฐานว่าดาวต้นกำเนิดน่าจะขับไฮโดรเจนออกมาในช่วงเพียงสองสามปีก่อนที่จะระเบิด นักดาราศาสตร์สงสัยว่าดาวเกิดการปะทุอย่างรุนแรงในไม่กี่ปีก่อนที่เราจะเห็นซุปเปอร์โนวา Kilpatrick กล่าว การค้นพบดาวดวงนี้ได้ให้หลักฐานโดยตรงที่สุดบางส่วนที่เคยพบมาว่า ดาวจะผ่านการปะทุอย่างรุนแรงหลายครั้ง ซึ่งเป็นสาเหตุให้พวกมันสูญเสียมวลออกมาก่อนการระเบิด ถ้าดาวจะต้องมีการปะทุเหล่านี้ จากนั้นพวกมันก็น่าจะผลักไฮโดรเจนของมันออกมาหลายสิบปีก่อนที่จะระเบิด

    แต่ในการศึกษาใหม่ ทีมยังได้เสนอความเป็นไปได้อื่น ก็คือ มีดาวข้างเคียงทีมีมวลต่ำกว่าอาจจะดึงไฮโดรเจนออกจากดาวต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวา อย่างไรก็ตาม ทีมจะไม่สามารถสำรวจหาดาวข้างเคียงได้จนกระทั่งความสว่างของซุปเปอร์โนวาลดลงซึ่งจะต้องใช้เวลาเป็นสิบปี

ภาพจากศิลปินแสดงซุปเปอร์ยักษ์สีเหลืองในระบบดาวคู่ในระยะประชิด กับดาวข้างเคียงสีฟ้าซึ่งอยู่ในวิถีหลัก(main-sequence)

     ไม่เหมือนกับพฤติกรรมทั่วไปหลังจากที่เกิดการระเบิด ปฏิสัมพันธ์กับไฮโดรเจนได้เผยให้เห็นว่ามันเป็นซุปเปอร์โนวาที่ผ่าเหล่า Kilpatrick กล่าว แต่มันก็พิเศษขึ้นไปอีกเมื่อเราสามารถหาดาวต้นกำเนิดของมันได้ในข้อมูลฮับเบิล ในอีกสี่หรือห้าปีข้างหน้า ผมคิดว่าเราจะสามารถเรียนรู้ได้มากขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้น

แหล่งข่าว phys.org : mysterious hydrogen-free supernova sheds light on stars’ violent death throes
                sciencedaily.com : “oddball supernova” appears strangely cool before exploding
                iflscience.com : super weird supernova had a surprisingly cool star before exploding