ขนาดและรูปแบบสสารภายในดาวนิวตรอน

 

ภาพตัดขวางแสดงโครงสร้างภายในของดาวนิวตรอน

     สสารที่ใจกลางดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นซากความหนาแน่นสูงจากดาวฤกษ์มวลสูงที่เกิดระเบิด อยู่ในสภาพสุดขั้วที่สุดเท่าที่เราเคยตรวจสอบมา ขณะนี้ ต้องขอบคุณข้อมูลจาก NICER ของนาซาซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์บนสถานีอวกาศนานาชาติ นักวิทยาศาสตร์จึงได้พบว่าสสารปริศนานี้มีการบีบอัดตัวน้อยกว่าที่นักฟิสิกส์บางคนได้เคยทำนายไว้

     การค้นพบนี้มีพื้นฐานจากการสำรวจ PSR J0740+6620(เรียกสั้นๆ ว่า J0740) ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่มีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมาโดย NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer) อยู่ห่างออกไป 3600 ปีแสงในกลุ่มดาวยีราฟ(Camelopardalis) J0740 อยู่ในระบบดาวคู่แห่งหนึ่ง กับดาวแคระขาวซึ่งก็เป็นซากที่เย็นของดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ และกำลังหมุนรอบตัว 346 รอบต่อวินาที การสำรวจก่อนหน้านี้ได้ให้ค่ามวลดาวนิวตรอนไว้ที่ 2.1 เท่ามวลดวงอาทิตย์

     Zaven Arzoumanian นักวิทยาศาสตร์นำทีม NICER ที่ศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ด ในกรีนเบลท์ มารีแลนด์ กล่าวว่า เรามีสสารปกติรอบๆ ตัว เป็นสสารที่ชีวิตประจำวันของเราต้องพบ แต่ก็มีที่ยังไม่ทราบอีกมากว่า สสารมีพฤติกรรมอย่างไรและมันแปรสภาพอย่างไร ภายใต้สภาวะที่สุดขั้ว ด้วยการตรวจสอบขนาดและมวลชองดาวนิวตรอนด้วย NICER เรากำลังได้ตรวจสอบสสารที่ใกล้จะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ ซึ่งเมื่อมันเกิดขึ้นแล้วเราจะสามารถศึกษาสสารนี้ได้อีกต่อไปเนื่องจากมันจะถูกซ่อนไว้โดยขอบฟ้าสังเกตการณ์ของหลุมดำ

     Arzoumanian และสมาชิกทีม NICER ได้นำเสนอการค้นพบในการประชุมเสมือนจริงวันเสาร์ที่ 17 เมษายน ของสมาคมฟิสิกส์อเมริกัน และรายงานการค้นพบและนัยสำคัญของการค้นพบกำลังมีการพิชญพิจารณ์

     ในช่วงบั้นปลายชีวิต ในแกนกลางของดาวฤกษ์ที่มีมวลหลายเท่าดวงอาทิตย์ เชื้อเพลิงจะหมดลง ดาวจะยุบตัวภายใต้มวลของมันและระเบิดกลายเป็นซุปเปอร์โนวา ดาวที่ระเบิดเหล่านี้พวกที่หนักจะกลายเป็นหลุมดำ แต่พวกที่มีมวลเบาลงมาจะให้กำเนิดดาวนิวตรอน ซึ่งบีบอัดมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ไว้ในทรงกลมก้อนหนึ่งที่มีขนาดเพียงสิบกว่ากิโลเมตรเท่านั้น

     นักวิทยาศาสตร์คิดว่าดาวนิวตรอนมีการเรียงตัวเป็นชั้น ที่พื้นผิวจะมีชั้นบรรยากาศบางๆ ที่เป็นอะตอมของไฮโดรเจนหรือฮีเลียมวางอยู่บนเปลือกที่แข็งของอะตอมที่หนักกว่า ในเปลือก แรงดันที่เพิ่งขึ้นอย่างรวดเร็วมากจะฉีกอิเลคตรอนออกจากนิวเคลียสอะตอม เมื่อลึกลงไปอีก ในแกนกลางส่วนนอก นิวเคลียสจะแยกออกเป็นนิวตรอนและโปรตอน แรงดันมหาศาลจะบีบอิเลคตรอนและโปรตอนเข้าด้วยกัน ก่อตัวเป็นทะเลของนิวตรอนเกือบทั้งหมดซึ่งสุดท้ายจะบีบอัดกันจนมีความหนาแน่นเป็น 2 เท่าของนิวเคลียสอะตอมปกติ

     แต่สสารในแกนกลางส่วนในจะอยู่ในรูปอะไร จะเป็นนิวตรอนลงไปทั้งหมด หรือนิวตรอนนั้นแตกออกเป็นองค์ประกอบที่เรียกว่า ควาร์ก(quarks) กันแน่ นักฟิสิกส์ได้ถามคำถามนี้มาตั้งแต่ที่ Walter Baade และ Fritz Zwicky ได้เสนอการมีอยู่ของดาวนิวตรอนในปี 1934 เพื่อตอบคำถามนี้ นักดาราศาสตร์ต้องการการตรวจสอบทั้งขนาดและมวลของวัตถุเหล่านี้อย่างแม่นยำ สิ่งเหล่านี้จะช่วยให้พวกเขาได้คำนวณความสัมพันธ์ระหว่างความดัน-ความหนาแน่นในแกนกลางส่วนในของดาวนิวตรอน และประเมินความสามารถในการบีบอัดตัว(squeezability) ของสสารได้

      ตามแบบจำลองเดิมของดาวนิวตรอนทั่วไป ซึ่งมีมวลราว 1.4 เท่ามวลดวงอาทิตย์ นักฟิสิกส์คาดว่าแกนกลางส่วนในจะเต็มไปด้วยนิวตรอนเกือบล้วนๆ ความหนาแน่นที่ต่ำกว่าจะเป็นตัวบอกว่านิวตรอนจะยังคงสภาพอยู่ได้ และความแข็งแกร่งของ(แกนกลาง) ส่วนในนี้ ก็เป็นผลให้ดาวนิวตรอนมีขนาดใหญ่กว่า

     ในกรณีของดาวนิวตรอนมวลสูงกว่าอย่าง J0740 ความหนาแน่นของแกนกลางส่วนในจะสูงกว่ามาก บีบนิวตรอนเข้าด้วยกัน ยังคงไม่แน่ชัดว่านิวตรอนจะยังคงสภาพไว้ได้ภายใต้สภาวะเหล่านี้หรือไม่มันก็แตกออกเป็นควาร์ก นักทฤษฎีสงสัยว่านิวตรอนน่าจะแตกออกภายใต้แรงดันมหาศาล แต่ก็ยังมีคำถามมากมายเกี่ยวกับรายละเอียด เพื่อให้ได้คำตอบ นักวิทยาศาสตร์จึงต้องตรวจสอบขนาดของดาวนิวตรอนมวลสูงอย่างแม่นยำ

     ขนาด(ทางกายภาพ-ผู้แปล) ที่เล็กน่าจะบอกเป็นนัยถึงลำดับเหตุการณ์ที่มีควาร์กวิ่งเพ่นพล่านอย่างเป็นอิสระที่ส่วนในสุด เนื่องจากเสี้ยวอนุภาคเหล่านี้สามารถบีบอัดตัวได้ใกล้ชิดมากกว่า ส่วนดาวที่ใหญ่กว่าก็น่าจะบอกถึงการมีอยู่สสารในรูปแบบที่ซับซ้อนมากกว่า เพื่อตรวจสอบขนาดอย่างแม่นยำ NICER ได้สำรวจดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวอย่างรวดเร็วมากที่เรียกว่า พัลซาร์(pulsars) จุดร้อนที่เปล่งรังสีเอกซ์สว่างก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของวัตถุเหล่านี้ เมื่อพัลซาร์หมุนรอบตัว จุดร้อนก็จะหมุนเข้าและออกจากสายตาของเราเหมือนกับลำแสงของประภาคาร สร้างการแปรผันในความสว่างรังสีเอกซ์เกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอ

แรงโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนบิดห้วงกาลอวกาศใกล้เคียง การรบกวนนี้รุนแรงมากพอที่จะรวมแสงจากด้านไกลของดาว ให้เข้ามาหาเราซึ่งทำให้ดาวนิวตรอนดูมีขนาดใหญ่กว่าที่เป็นจริง

     แต่พัลซาร์ก็ยังมีความหนาแน่นสูงมากจนแรงโน้มถ่วงของพวกมันสามารถบิดห้วงกาลอวกาศรอบๆ ได้ เหมือนกับลูกโบว์ลิงที่วางอยู่บนแทรมโพลิน การรบกวนนี้รุนแรงมากพอที่จะเป็นสาเหตุให้แสงจากด้านไกลของดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นแสงที่เราไม่ควรจะได้เห็น ก็ปรากฏขึ้นให้เราได้เห็นทำให้พัลซาร์ดูใหญ่กว่าที่เป็นจริง มวลขนาดเดียวกันในปริมาตรที่เล็กลงจะยิ่งสร้างการรบกวนที่รุนแรงมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้อาจรุนแรงอย่างมากจนมันทำให้จุดร้อนไม่หายไปอย่างสิ้นเชิง เมื่อจุดร้อนหมุนไปรอบๆ พัลซาร์

     นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์นี้ได้เนื่องจาก NICER ตรวจสอบการมาถึงของรังสีเอกซ์แต่ละครั้งได้ดีกว่า 100 นาโนวินาที ด้วยการตามรอยว่าความสว่างรังสีเอกซ์ของพัลซาร์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อมันหมุนรอบตัว นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถบอกได้ว่ามันรบกวนกาลอวกาศอย่างไร เมื่อพวกเขาทราบมวล ก็สามารถแปลผลการรบกวนนี้ให้เป็นขนาดได้

     สองทีมใช้หนทางที่แตกต่างกันในการทำแบบจำลองขนาดของ J0740 ทีมหนึ่งที่นำโดย Thomas Riley และ Anna Watts นักวิจัยหลังปริญญาเอก และศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม ตามลำดับ ได้ประเมินว่าพัลซาร์มีความกว้างราว 24.8 กิโลเมตร อีกทีมซึ่งนำโดย Cole Miller ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยมารีแลนด์ คอลเลจพาร์ค พบว่า J0740 มีความกว้างราว 27.4 กิโลเมตร ผลสรุปทั้งสองซ้อนทับกันอย่างมีนัยสำคัญในระดับความคลาดเคลื่อน(22.8-27.4 กิโลเมตร และ 24.4-32.6 กิโลเมตร) ตามลำดับ

     นอกเหนือจากข้อมูลของ NICER ทีมทั้งสองยังรวมการสำรวจรังสีเอกซ์จากดาวเทียม XMM-Newton ขององค์กรอวกาศยุโรป(ESA) ซึ่งมีประโยชน์ในการนับคลื่นรบกวนที่พื้นหลัง(background noise) มวลของ J0740 เคยถูกตรวจสอบโดยการตรวจสอบคลื่นวิทยุโดยนักวิทยาศาสตร์จาก NANOGrav(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves) และ CHIME(Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment)

NICER ของนาซาที่กลางภาพ เป็นกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์ที่ติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติ

     ในปี 2019 ทีมของ Riley และทีมของ Miller ใช้ข้อมูล NICER เพื่อประเมินขนาดและมวลของพัลซาร์ J0030+0451(เรียกสั้นๆ ว่า J0030) พวกเขาตรวจสอบวัตถุว่ามีมวลประมาณ 1.4 เท่าดวงอาทิตย์ และมีความกว้าง 26 กิโลเมตร การตรวจสอบ J0740 ครั้งใหม่ของเราได้แสดงว่า แม้มันจะหนักกว่า J0030 เกือบ 50% แต่มันก็มีขนาดใกล้เคียงกัน สิ่งนี้ท้าทายแบบจำลองการบีบอัดในแกนกลางดาวนิวตรอนบางงาน ซึ่งรวมถึงเวอร์ชั่นที่บอกว่าภายในเป็นเพียงทะเลของควาร์ก ขนาดและมวลของ J0740 ยังสร้างปัญหาให้กับแบบจำลองการบีบอัดที่น้อยกว่าบางงานด้วย ซึ่งบอกว่ามีแต่นิวตรอนและโปรตอนเท่านั้น

     แบบจำลองทางทฤษฎีล่าสุดได้นำเสนอทางเลือกใหม่ เช่น แกนกลางส่วนในเป็นส่วนผสมระหว่างนิวตรอน, โปรตอน และสสารพิศวงที่ประกอบขึ้นจากควาร์ก หรือเป็นการรวมตัวของควาร์กในแบบใหม่ๆ แต่ความเป็นไปได้ทั้งหมดนี้ก็ยังต้องมีการประเมินใหม่ในบริบท โดยใช้ข้อมูลจาก NICER งานใหม่นี้

      ขนาดของ J0740 ทำให้เหล่าบรรดานักทฤษฎีต้องงงงันและตื่นเต้น Sanjay Reddy ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน ซึ่งศึกษาสสารภายใต้สภาวะที่สุดขั้ว แต่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาใหม่นี้ กล่าว การตรวจสอบของ NICER ร่วมกับการสำรวจผู้นำสารหลายทาง(multimessenger) อื่นๆ ดูเหมือนจะสนับสนุนแนวคิดที่ว่าแรงดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมากในแกนกลางดาวนิวตรอนมวลสูง ในขณะที่ก็ไม่ได้บอกถึงการแปรสภาพสู่สสารรูปแบบที่บีบอัดได้มากขึ้นในแกนกลาง นัยยะนี้จึงยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้

      ทีมของ Miller ยังตรวจสอบว่านักวิทยาศาสตร์สามารถประเมินขนาดของพัลซาร์ได้ดีแค่ไหน โดยใช้การตรวจสอบ J0740 และ J0030 ของ NICER เพื่อประกอบกับข้อมูลที่มีอยู่แล้วจากพัลซาร์หนักอื่นๆ และเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง(gravitational waves) ซึ่งเป็นระลอกในกาลอวกาศที่เกิดขึ้นจากการชนของวัตถุมวลสูงอย่างดาวนิวตรอนและหลุมดำ ขณะนี้เราทราบรัศมีของดาวนิวตรอนมาตรฐาน ที่มีมวล 1.4 เท่าดวงอิทตย์ ในระดับความคลาดเคลื่อน 5% Miller กล่าว นั่นเหมือนการทราบขนาดของวอชิงตัน ดีซี ในระดับถึงหนึ่งส่วนสี่ไมล์ NICER ไม่เพียงแต่ช่วยเขียนหนังสือเรียนเกี่ยวกับดาวนิวตรอนขึ้นใหม่ แต่ยังปฏิวัติความเชื่อมั่นของเราในการตรวจสอบวัตถุที่ทั้งห่างไกลมากและมีขนาดเล็กมากด้วย

     นอกเหนือจากทดสอบขีดจำกัดของสสารแล้ว ดาวนิวตรอนยังให้วิธีใหม่ในการสำรวจห้วงอวกาศอันกว้างใหญ่ด้วย ในปี 2018 ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรนาซา ได้ใช้ NICER เพื่อแสดงให้เห็นระบบนำร่องในอวกาศอัตโนมัติทั้งหมดโดยใช้พัลซาร์เป็นครั้งแรก ซึ่งน่าจะปฏิวัติความสามารถของเราในการนำทางยานหุ่นยนต์ออกสู่ส่วนที่ไกลโพ้นในระบบสุริยะและเลยออกไป

     NICER เป็นเพื่อนร่วมทางที่ดีเยี่ยม Christina Koch นักบินอวกาศนาซา ซึ่งทำหน้าที่เป็นวิศวกรการบินบนสถานีอวกาศนานาชาติตั้งแต่เดือนมีนาคม 2019 ถึง กุมภาพันธ์ 2020 ได้สร้างสถิติการบินอวกาศหนึ่งรอบที่ยาวนานที่สุดสำหรับนักบินหญิง ปฏิบัติการสร้างผลงานสูงกว่าความคาดหวังทั้งหมดจากสถานี มันสร้างบันทึกวิทยาศาสตร์พื้นฐาน, วิทยาศาสตร์อวกาศ และนวัตกรรมเทคโนโลจี ครั้งใหม่ ทั้งหมดเกิดขึ้นจากสภาพแวดล้อมที่เป็นอัตลักษณ์และห้องทดลองในวงโคจร

NICER ของนาซาที่กลางภาพ เป็นกล้องโทรทรรศน์รังสีเอกซ์ที่ติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติ

แรงโน้มถ่วงของดาวนิวตรอนบิดห้วงกาลอวกาศใกล้เคียงเหมือนกับลูกโบว์ลิงบนแทรมโพลิน การรบกวนนี้รุนแรงมากพอที่จะรวมแสงจากด้านไกลของดาว ให้เข้ามาหาเราซึ่งทำให้ดาวนิวตรอนดูมีขนาดใหญ่กว่าที่เป็นจริง

ภาพตัดขวางแสดงโครงสร้างภายในของดาวนิวตรอน

แหล่งข่าว phys.org : NASA’s NICER probes the squeezability of neutron stars