ล้วงลึกไปในดาวนิวตรอน

 

   เมื่อดาวฤกษ์มวลสูงดวงหนึ่งตายลง ในตอนแรกจะมีการระเบิดซุปเปอร์โนวาขึ้นมา จากนั้นสิ่งที่เหลืออยู่ก็จะกลายเป็นหลุมดำ หรือไม่ก็ดาวนิวตรอน

วัฏจักรชีวิตของดาวฤกษ์มวลสูง จะมีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นภายในแกนกลางที่รุนแรง หลอมธาตุที่หนักมากขึ้นไปเรื่อยๆ ตามลำดับ จนกระทั่งแกนกลางเป็นเหล็กเกือบทั้งหมด ซึ่งจะไม่สามารถหลอมธาตุสร้างพลังงานได้อีกต่อไป เกิดการระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ในขณะที่แกนกลางนั้นอาจยุบตัวเป็นดาวนิวตรอน หรือกระทั่งหลุมดำ

     ดาวนิวตรอนดังกล่าวเป็นวัตถุฟากฟ้าที่มีความหนาแน่นสูงที่สุดเท่าที่นักดาราศาสตร์เคยสำรวจพบมา โดยมีมวลที่ราว 1.4 เท่ามวลดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม ยังคงไม่ทราบมากนักเกี่ยวกับวัตถุที่น่าประทับใจเหล่านี้ ขณะนี้ นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยฟลอริดาสเตท ได้เผยแพร่รายงานชิ้นหนึ่งใน Physical Review Letters วันที่ 27 เมษายน โต้แย้งว่าการตรวจสอบครั้งใหม่ที่เกี่ยวข้องกับ “ผิว” นิวตรอนของนิวเคลียสธาตุตะกั่ว อาจจะทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องกลับมาใคร่ครวญทฤษฎีเกี่ยวกับขนาดของดาวนิวตรอน พูดสั้นๆ คือ ดาวนิวตรอนอาจจะมีขนาดใหญ่กว่าที่นักวิทยาศาสตร์เคยทำนายไว้ก่อนหน้านี้

     ขนาดของผิว(skin) ว่ามันแผ่ออกไปแค่ไหน เป็นสิ่งที่เกี่ยวข้องกับขนาดของดาวนิวตรอน Jorge Piekarewicz ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ กล่าว เขาและเพื่อนร่วมงานได้คำนวณว่าการตรวจสอบความหนาของผิวนิวตรอนของตะกั่ว ครั้งใหม่ได้บอกว่ามันมีรัศมีระหว่าง 13.25 ถึง 14.25 กิโลเมตรสำหรับดาวนิวตรอนในขนาดเฉลี่ย จากการทดลองเกี่ยวกับผิวนิวตรอนก่อนหน้านี้ ทฤษฎีอื่นให้ขนาดเฉลี่ยของดาวนิวตรอนไว้ที่ประมาณ 10 ถึง 12 กิโลเมตร

     งานของ Piekarewicz สร้างจากการศึกษาชิ้นหนึ่งซึ่งเผยแพร่ใน Physical Review Letters เช่นกัน โดยนักฟิสิกส์ที่ PREX(Pb Radius Experiment; Pb เป็นสัญลักษณ์ธาตุของตะกั่ว) ที่สำนักงานเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติ โธมัส เจฟเฟอร์สันในเวอร์จิเนีย นักวิจัย PREX ทำการทดสอบตรวจสอบอะตอมตะกั่วโดยใช้ลำแสงอิเลคตรอนช่วยให้พวกเขาได้ตรวจสอบความหนาของผิวนิวตรอน ของนิวเคลียสตะกั่วได้ที่ 0.28 เฟมโตเมตร(femtometer; ล้านส่วนของหนึ่งมิลลิเมตร) หนาเป็นสองเท่าของที่ทำนายไว้โดยนักทฤษฎี

     นิวเคลียสอะตอมนั้นประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอน สำหรับธาตุที่หนักมากๆ อย่างตะกั่ว(ตะกั่ว-208 มี 82 โปรตอน 126 นิวตรอน) จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสมีมากกว่าโปรตอน นิวตรอนส่วนเกินจะก่อตัวเป็นชั้นรอบๆ นิวเคลียส ชั้นของนิวตรอนล้วนนี้เองที่เรียกว่า ผิว และก็เป็นความหนาของผิวนี้เองที่ดึงความสนใจของนักฟิสิกส์ทั้งทฤษฎีและปฏิบัติ เนื่องจากมันจะเปิดช่องสู่ขนาดโดยรวมและโครงสร้างของดาวนิวตรอน และจากการทดลองที่ทำกับธาตุตะกั่ว ฟิสิกส์ที่เกิดขึ้นก็สามารถปรับใช้กับดาวนิวตรอนได้ ซึ่งเป็นวัตถุที่ใหญ่กว่านิวเคลียสอะตอม 1 ล้านล้านล้านเท่า(10^18 เท่า)

     แล้วตะกั่วมาเกี่ยวด้วยได้อย่างไร ตะกั่วเป็นหนึ่งในวัสดุสารที่หนาแน่นที่สุดที่พบได้ในธรรมชาติบนโลก แม้ว่าตะกั่วจะไม่ได้มีความหนาแน่นสูงใกล้เคียงกับดาวนิวตรอนเลย แต่นักวิทยาศาสตร์ก็สันนิษฐานกฎฟิสิกส์ที่กำกับโครงสร้างอะตอมของตะกั่ว ก็จะต้องเหมือนกับกฎที่อยู่เบื้องหลังโครงสร้างของดาวนิวตรอน  

      Piekarewicz ใช้ผลสรุปที่รายงานโดยทีม PREX เพื่อคำนวณข้อมูลดาวนิวตรอนใหม่ทั้งหมด เขากล่าวว่า ไม่มีงานทดลองใดที่เราสามารถนำได้ในห้องทดลองซึ่งสามารถตรวจสอบโครงสร้างของดาวนิวตรอนได้ ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่น่าพิศวงที่เราไม่เคยสามารถสร้างขึ้นได้ในแล็ป ดังนั้น อะไรก็ตามที่ทำได้ในแล็ปซึ่งให้ข้อมูลเราเกี่ยวกับคุณสมบัติของดาวนิวตรอน ก็มีประโยชน์อย่างมาก

     ผลสรุปใหม่จากทีม PREX นั้นใหญ่กว่าการทดลองก่อนหน้านี้ ซึ่งแน่นอนว่าส่งผลกระทบต่อทฤษฎีและการคำนวณโดยรวมที่เกี่ยวข้องกับดาวนิวตรอน Piekarewicz บอกว่ายังมีงานที่ต้องทำในหัวข้อนี้อีกมาก และการพัฒนาใหม่ๆ ในเทคโนโลจีก็ยังคงเพิ่มเติมความเข้าใจเกี่ยวกับอวกาศให้กับนักวิทยาศาสตร์อย่างคงที่ มันกำลังผลักดันพรมแดนแห่งความรู้ เขากล่าว เราทั้งหมดต้องการจะทราบว่าเรามาจากไหน เอกภพประกอบด้วยอะไรบ้าง และชะตากรรมสุดท้ายของเอกภพเป็นอย่างไร

     กล้องโทรทรรศน์ NICER ของนาซาที่ติดตั้งบนสถานีอวกาศนานาชาติมาตั้งแต่ปี 2017 ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ทำการตรวจสอบขนาดและมวลของดาวนิวตรอนบางดวงได้ แต่สิ่งที่นักดาราศาสตร์สันนิษฐานเกี่ยวกับวัตถุนี้ก็ยังคงมีพื้นฐานมาจากทฤษฎีจำนวนมาก

อินโฟกราฟฟิคเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GW170817 ซึ่งเกิดจากดาวนิวตรอนสองดวงควบรวมกัน นอกเหนือจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้แล้ว นักดาราศาสตร์ยังพบสัญญาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในหลายช่วง

      และการตรวจสอบดาวนิวตรอนด้วยวิธีเข้าถึงแบบใหม่ ก็เพิ่งเกิดขึ้นเมื่อ 6 ปีก่อนจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง
(gravitational wave) ได้เป็นครั้งแรก ซึ่งเกิดขึ้นจากการชนกันของหลุมดำ แม้ขณะนี้เหตุการณ์ลักษณะดังกล่าวจะพบได้เป็นประจำ แต่จากการสำรวจคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการควบรวมของดาวนิวตรอน 2 ดวง ก็ให้ความรู้ใหม่ๆ

      มีการทำนายว่าจะเกิดคลื่นความโน้มถ่วงอย่างต่อเนื่อง(continuous gravitational waves) จากการหมุนรอบตัวของวัตถุหนาแน่นสูงที่ไม่เป็นทรงกลม อย่างดาวนิวตรอน ซึ่งจะปล่อยพลังงานออกมาในช่วงเวลาที่ยาวนานกว่า Karl Wette จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลีย(ANU) เปรียบเทียบคลื่นจากการชนที่เราได้สำรวจว่าเป็นเหมือนเสียงร้องของนกที่ดังลั่น ในขณะที่คลื่นต่อเนื่องนั้นก็เหมือนกับเสียงหึ่งเบาๆ จากผึ้งที่บินอยู่ไกลๆ ในรายงานฉบับอื่นอธิบายการตามล่าคลื่นต่อเนื่องนี้ว่า เหมือนกับการพยายามจับเสียงจี๊ดๆ ของหนู ท่ามกลางเสียงวิ่งของโขลงช้างที่แตกตื่น

      อย่างไรก็ตาม Susan Scott ศาสตราจารย์จากสำนักวิจัยฟิสิกส์ ANU บอกว่าถ้าเราได้ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงแบบต่อเนื่องจริงๆ ขนาดและรูปร่างของคลื่นก็น่าจะบอกเราได้มากเกี่ยวกับธรรมชาติของดาวนิวตรอน เช่นว่า สสารแข็งแกร่งแค่ไหนภายใต้สภาวะที่สุดขั้วนี้

ภาพรวมประกอบแสดงซุปเปอร์โนวา 1E0102.2-7219 ซึ่งประกอบด้วยรังสีเอกซ์จากจันทรา(สีน้ำเงินและม่วง), ข้อมูลช่วงตาเห็นจากเครื่องมือ MUSE บน VLT(สีแดงสด) และข้อมูลเพิ่มเติมจากฮับเบิล(สีแดงกล่ำและเขียว) ดาวนิวตรอนดวงหนึ่งซึ่งเป็นแกนกลางที่หนาแน่นสูงของดาวฤกษ์มวลสูงดวงหนึ่งที่เกิดการระเบิดซุปเปอร์โนวา พบได้ที่กลางภาพนี้

     เมื่อดาวนิวตรอนก่อตัวขึ้นจากซากซุปเปอร์โนวา คิดกันว่าความไม่สมมาตรของการระเบิดน่าจะทำให้พวกมันมีความรีเล็กน้อย คือในทิศทางหนึ่งยาวกว่าอีกทิศทางหนึ่งไม่กี่มิลลิเมตร สำหรับวัตถุที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 10 ถึง 15 กิโลเมตร อย่างไรก็ตาม ความหนาแน่นที่สูงมากและความเร็วในการหมุนรอบตัวเพียงชั่วพริบตาของดาวนิวตรอน ก็หมายความว่า ความไม่สมบูรณ์แบบ(ของรูปทรงกลม) จะทำให้ปล่อยพลังงานออกมา เราสามารถประเมินพลังงานที่ดาวนิวตรอนสูญเสียได้ Scott กล่าว ถ้าทั้งหมดอยู่ในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง เราก็สามารถคำนวณขนาดของมันได้จากโลก ขณะนี้เครื่องตรวจจับมีความไวสูงมากจนเราควรจะจับขีดจำกัดขั้นสูงได้ ถ้าทำได้สำเร็จ ก็น่าจะเป็นการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงครั้งแรกที่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการชนของวัตถุมวลสูงเลย

      อย่างไรก็ตาม รายงานสามฉบับก็ตรวจไม่พบ ความล้มเหลวในการหาคลื่นต่อเนื่องนี้ยิ่งบอกถึงความเป็นไปได้ที่จะจำกัดธรรมชาติของดาวนิวตรอน Scott ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เขียนมากกว่าพันคนในรายงานฉบับหนึ่งที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal ซึ่งอธิบายการสำรวจดาวนิวตรอนอายุน้อย 15 ดวง ที่มีอายุหลายร้อยจนถึงหลายพันปี รายงานระบุว่า ไม่พบหลักฐาน(คลื่นต่อเนื่อง) นี่บอกว่าดาวนิวตรอนจะต้องเป็นทรงกลมมากกว่าที่แบบจำลองบางงานเสนอไว้ หรือไม่ พวกมันก็สูญเสียพลังงานส่วนใหญ่ในทางอื่น เช่น รังสีเอกซ์ และคลื่นวิทยุที่เปล่งออกจากพัลซาร์

      รายงานอีกฉบับที่เกี่ยวข้องกันอธิบายการสำรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนในระบบดาวคู่ เมื่อสนามแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของดาวนิวตรอนมักจะทำให้พวกมันดึงก๊าซออกจากดาวข้างเคียงได้ซึ่งอาจจะสร้างความไม่สม่ำเสมอชั่วคราว เมื่อวัสดุสารใหม่ๆ ตกลงมา

ภาพจากศิลปินแสดงคลื่นความโน้มถ่วงแบบต่อเนื่อง ซึ่งเป็นคลื่นที่ไม่ได้เกิดจากการชนของวัตถุมวลสูง

     รายงานฉบับที่สามมุ่งเป้าไปที่ PSR J0537-6910 ซึ่งผู้เขียนบอกว่า มีการลดลงของกำลังสว่าง(luminosity) ที่มากที่สุดในบรรดาพัลซาร์ใดๆ และมักจะแสดงการกระตุกติดขัด(glitches) บ่อยครั้งและรุนแรง รายละเอียดเหล่านี้ทำให้มันเป็นว่าที่วัตถุที่อาจจะพบคลื่นแบบต่อเนื่อง ทำให้นักดาราศาสตร์จากทั่วโลกเฝ้าจับตาดู อย่างไรก็ตาม ไม่พบสิ่งใด ซึ่งบอกว่า คลื่นความโน้มถ่วงได้นำพลังงานจาก PSR J0537-6910 ออกมาไม่ถึง 14% ของพลังงานที่มันกำลังสูญเสียเมื่อหมุนช้าลงอย่างรวดเร็ว

แหล่งข่าว phys.org : physicists predict neutron stars may be bigger than previously imagined
                space.com : city-sized neutron stars may actually be bigger than we thought
                iflscience.com : hunt for elusive continuous gravitational waves reveals much about nature of neutron stars
                phys.org : gravitational wave search no hum drum hunt