คลี่คลายปริศนาการมืดลงครั้งใหญ่ของบีเทลจูส

 

credit: nature.com

     เมื่อบีเทลจุส(Betelgeuse) ดาวฤกษ์สีส้มสว่างในกลุ่มดาวนายพราน(Orion) เริ่มมืดลงอย่างเห็นได้ชัดในช่วงปลายปี 2019 และต้นปี 2020 มันก็มืดลงถึง 35% ประชาคมวิทยาศาสตร์ก็ต้องงงงัน ขณะนี้ ทีมนักดาราศาสตร์ได้เผยแพร่ภาพพื้นผิวดาวภาพใหม่ออกมา ซึ่งถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าความสว่างของมันเปลี่ยนแปลงได้อย่างไร งานวิจัยใหม่เผยให้เห็นว่า ดาวถูกเมฆฝุ่นบังไว้บางส่วน ซึ่งเป็นการค้นพบที่ไขปริศนา การมืดลงครั้งใหญ่ของบีเทลจุส(Great Dimming of Betelgeuse)

      บีเทลจุสมีความสว่างลดลงเป็นการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตเห็นได้ง่ายด้วยตาเปล่า ทำให้ Miguel Montarges และทีมได้หัน VLT ไปที่ดาวในช่วงปลายปี 2019 ภาพจากเดือนธันวาคม 2019 เมื่อเปรียบเทียบกับภาพก่อนหน้านี้ที่ถ่ายในเดือนมกราคมปีเดียวกัน ได้แสดงว่าพื้นผิวดาวมืดลงพอสมควรโดยไม่สม่ำเสมอ แต่กลับมืดอย่างยิ่งในพื้นที่ส่วนใต้ซึ่งสูญเสียความสว่างไป 90% แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังไม่แน่ใจว่าเพราะเหตุใด

     ทีมได้สำรวจดาวต่อเนื่องในช่วงมืดลงครั้งใหญ่นี้ จับภาพอีก 2 ภาพที่เดือนมกราคม 2020 และมีนาคม 2020 แต่ในเดือนเมษายน 2020 ดาวก็กลับสู่ความสว่างปกติของมัน Montarges จากหอสังเกตการณ์แห่งปารีส ฝรั่งเศส และ KU Leuven เบลเจียม กล่าวว่า ครั้งหนึ่งในชีวิตที่เราเคยได้เห็นลักษณะปรากฏของดาวดวงหนึ่งเปลี่ยนแปลงไปในเวลาจริงเพียงไม่กี่สัปดาห์เท่านั้น ภาพที่เผยแพร่ตอนนี้เป็นเพียงภาพที่เราแสดงว่าพื้นผิวบีเทลจุสกำลังเปลี่ยนแปลงความสว่างตามเวลา ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Nature ทีมเผยให้เห็นว่าการมืดลงครั้งปริศนานี้เกิดขึ้นจากม่านฝุ่นที่ปกคลุมดาวไว้บางส่วน ซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวดาวบนบีเทลจุสที่ลดลง

ภาพบีเทลจุสเหล่านี้ถ่ายโดยเครื่องมือ SPHERE บนกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) แสดงพื้นผิวของดาวซุปเปอร์ยักษ์แดงในระหว่างที่มันเกิดการมืดลงครั้งใหญ่ ซึ่งเริ่มขึ้นในช่วงปลายปี 2019 จนถึง 2020 ภาพด้านซ้ายสุดถ่ายในเดือนมกราคม 2019 แสดงดาวด้วยระดับความสว่างปกติ ในขณะที่ภาพที่เหลือ จากเดือนธันวาคม 2019, มกราคม 2020 และมีนาคม 2020 ทั้งหมดถ่ายในช่วงที่ดาวมีความสว่างลดลงจนสังเกตเห็นได้ โดยเฉพาะที่พื้นที่ซีกใต้ของดาวฤกษ์ บีเทลจุสมีความสว่างเป็นปกติในเดือนเมษายน 2020

     เมื่อนักดาราศาสตร์กำลังสำรวจการมืดลงครั้งใหญ่ของบีเทลจุส ก็มีสมมุติฐานสาเหตุ 2 อย่าง คือ พื้นผิวดาวที่เย็นตัวลง หรือเมฆฝุ่นที่ถูกดาวผลักออกมาเมื่อมันเกิดการสูญเสียมวล ซุปเปอร์ยักษ์แดงอย่างบีเทลจุสนั้นไม่เสถียร ชีวิตในช่วงต้นที่โชติช่วงด้วยมวลที่สูง ดาวมวลสูงจะเผาไหม้อย่างร้อนแรงมากและจึงมีช่วงชิวิตที่สั้น คิดกันว่า บีเทลจุสเองก็อายุเพียง 8 ถึง 8.5 ล้านปีเท่านั้น และวันเวลาวิถีหลัก(main sequence; ช่วงเวลาที่ดาวหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม) ก็ผ่านพ้นไปเมื่อ 1 ล้านปีก่อน เมื่อเทียบกับดวงอาทิตย์ซึ่งมีอายุ 4.6 พันล้านปีแล้วและกำลังอยู่ในครึ่งทางของวิถีหลัก

     บีเทลจุสพองตัวกลายเป็นซุปเปอร์ยักษ์แดงเมื่อราว 4 หมื่นปีก่อน ขณะนี้ ในแกนกลางของดาวไฮโดรเจนหมดลงแล้ว และมันกำลังหลอมฮีเลียมให้กลายเป็นคาร์บอนและออกซิเจน แกนกลางของดาวยังยุบตัวลงซึ่งดึงไฮโดรเจนเข้ามาสู่รอบ แกนกลาง ก่อตัวเป็นเปลือกไฮโดรเจน(hydrogen shell) เปลือกนี้จะหลอมฮีเลียมขึ้นมาด้วย ซึ่งก็จะขนถ่ายเข้าสู่แกนกลางเป็นเชื้อเพลิงการหลอมฮีเลียมต่อไป สุดท้าย เมื่อดาวไปถึงจุดที่แกนกลางมีความร้อนและความดันสูงไม่พอที่จะหลอมธาตุอื่นต่อไป ก็จะเกิดซุปเปอร์โนวา

    พื้นผิวของบีเทลจุสเปลี่ยนแปลงเป็นปกติราวกับมีฟองก๊าซยักษ์เคลื่อนที่ หดและพองตัวอยู่ภายในดาว ทีมสรุปว่าช่วงก่อนที่จะมีการมืดลงครั้งใหญ่ ดาวได้ผลักฟองก๊าซขนาดใหญ่ก้อนหนึ่งลอยหลุดออกมา พื้นผิวส่วนหนึ่งเย็นตัวลงไม่นานหลังจากนั้น อุณหภูมิที่ลดลงนั้นทำให้ก๊าซควบแน่นกลายเป็นฝุ่น ความสว่างที่ลดลงจึงเกิดจากทั้งดาวเย็นตัวลงและฝุ่น เราได้เห็นการก่อตัวของสิ่งที่เรียกว่า ธุลีดาว(stardust) กับตา Montarges กล่าว ซึ่งให้หลักฐานว่าการก่อตัวฝุ่นเกิดขึ้นได้รวดเร็วมากและใกล้กับพื้นผิวของดาว Emily Cannon จาก เคยู เลอเวิง กล่าว ฝุ่นถูกผลักออกจากดาวเย็นที่พัฒนาตัวแล้ว อย่างการผลักที่เราเพิ่งได้เห็นนี้ ซึ่งฝุ่นนี้ก็จะกลายเป็นวัตถุดิบสำหรับดาวเคราะห์หินและชีวิตต่อไป

ภาพจากศิลปินแสดงฟองก๊าซที่บีเทลจุสผลักออกจากพื้นผิว พร้อมทั้งที่ดาวเย็นตัวลง ทำให้ก๊าซซึ่งมีซิลิกอนเป็นองค์ประกอบด้วย ควบแน่นกลายเป็นฝุ่น ปิดบังแสงดาวที่สลัวลงบางส่วน ให้สลัวมากขึ้นไปอีก

     ความสว่างที่ลดลงจึงเกิดจากทั้งดาวเย็นตัวลงและฝุ่นก่อตัวขึ้น ทั้งสองอย่างเชื่อมโยงกัน Andrea Dupree จากศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ กล่าวว่า กล้องฮับเบิลสำรวจพบฟองก๊าซถูกดาวผลักออกมาก่อนที่นักดาราศษสตร์จะเริ่มสังเกตว่าดาวมืดลง เราได้เห็นสสารเมื่อมันหนีออกจากพื้นผิวดาวและเคลื่อนที่ออกห่างผ่านชั้นบรรยากาศก่อนที่ฝุ่นจะก่อตัวขึ้น ต่อมา เมื่อปื้นของพื้นผิวดาวเย็นตัวลงเฉพาะบริเวณซึ่งก็บังเอิญเป็นส่วนนี้ที่หันเข้าหาโลก อุณหภูมิที่ลดลงทำให้ก๊าซในฟอง ซึ่งมีซิลิกอนอยู่ด้วย ควบแน่นและเกาะเป็นฝุ่น ซึ่งก็เป็นเมฆฝุ่นก้อนนี้เองที่บังแสงดาวบางส่วนไว้ ทีมหวังว่าข้อมูลนี้จะช่วยพวกเขาให้หาสัญญาณการสูญเสียมวลคล้ายๆ กันในยักษ์แดงดวงอื่นๆ ผมอยากจะเห็นการสูญเสียมวลของซุปเปอร์ยักษ์แดงมานานแล้ว Montarges กล่าว ตอนนี้เราได้เห็นมันกับตา(และทำให้ดาวมืดลง) และมันก็เกิดกับซุปเปอร์ยักษ์แดงที่มีชื่อเสียงมากที่สุดคือ บีเทลจุส ด้วย ผมแทบไม่เชื่อเลย แต่ส่วนที่น่าตื่นเต้นที่สุดก็คือ การยืนอยู่นอกบ้านในช่วงฤดูหนาวปี 2019-2020 และได้เห็นดาวนี้มืดลงมากเมื่อเทียบกับไรเจล(Rigel) คุณจะได้เห็นดาวเปลี่ยนแปลงลักษณะปรากฏมากมายอย่างนี้บ่อยแค่ไหนกัน นี่พิเศษสุดๆ ที่ได้เห็น

     แทนที่จะเป็นเพียงผลจากการปะทุฝุ่น แต่ก็มีข้อสงสัยว่าความสว่างที่ลดลงของบีเทลจุสอาจเป็นสัญญาณถึงการแตกดับของมันในการระเบิดซุปเปอร์โนวา ไม่ได้พบซุปเปอร์โนวาในทางช้างเผือกของเรามาตั้งแต่ศตวรรษที่ 17 แล้ว ดังนั้น นักดาราศาสตร์ปัจจุบันจึงไม่แน่ใจนักว่าก่อนจะระเบิด ดาวจะทำอะไร อย่างไรก็ตาม งานวิจัยใหม่ได้ยืนยันว่าการมืดลงครั้งใหญ่ของบีเทลจุสไม่ได้เป็นสัญญาณเบื้องต้นว่าดาวกำลังมุ่งหน้าสู่ชะตากรรมสุดท้ายของมัน อาจจะต้องอีก 1 แสนปีข้างหน้า แม้ว่านักดาราศาสตร์จะเตือนว่าก็ยังมีความเป็นไปได้ที่มันอาจจะระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาแบบไม่มีปี่มีขลุ่ย

      การเฝ้าดูการมืดลงของดาวที่มีชื่อเสียงดวงนี้ สร้างความตื่นเต้นให้กับนักดาราศาสตร์ทั้งสมัครเล่นและอาชีพเช่นเดียวกัน ตามที่ Cannon ได้สรุปไว้ว่า เมื่อมองไปที่ดาวทั้งหลายบนฟ้า จุดแสงขนาดจิ๋วที่กระพริบวิบวับอยู่เป็นนิจ การมืดลงของบีเทลจุสจึงทำลายภาพแห่งความเป็นนิรันดร์นี้

ตำแหน่งของบีเทลจุสในกลุ่มดาวนายพราน(Orion) โดยอยู่ที่ตำแหน่งไหล่ขวาของนายพราน

      ทีมใช้เครื่องมือ SPHERE(Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research) บน VLT เพื่อถ่ายภาพพื้นผิวบีเทลจุสโดยตรง พร้อมทั้งข้อมูลจากเครื่องมือ GRAVITY บนมาตรแทรกสอด VLT(VLTI) เพื่อจับตาดูดาวตลอดการมืดลง กล้องซึ่งอยู่ที่หอสังเกตการณ์พารานัล ในทะเลทรายอะตาคามาของชิลี เป็นเครื่องมือในการวินิจฉัยที่จำเป็นในการค้นพบสาเหตุของการมืดลงเหตุการณ์นี้ Cannon กล่าว เราสามารถสำรวจดาวได้ไม่เพียงแค่เป็นจุด แต่ยังเผยให้เห็นรายละเอียดบนพื้นผิวและจับตาดูมันตลอดทั้งเหตุการณ์ได้ Montarges กล่าวเสริม

     ทั้งคู่กำลังเฝ้ารอสิ่งที่จะเป็นอนาคตสำหรับดาราศาสตร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope; ELT) ที่จะใช้เพื่อศึกษาบีเทลจุส ด้วยความสามารถในการเข้าถึงความละเอียดที่ไม่อาจเทียบเคียงได้ ELT จะช่วยให้เราได้ถ่ายภาพบีเทลจุสได้โดยตรงด้วยความละเอียดที่น่าประทับใจ Cannon กล่าว มันยังขยายตัวอย่างดาวซุปเปอร์ยักษ์แดงที่เราจะสามารถตรวจสอบพื้นผิวได้ผ่านการถ่ายภาพโดยตรง ยิ่งช่วยเราให้เผยความลับเบื้องหลังลมของดาวมวลสูงเหล่านี้ได้ งานวิจัยเป็นรายงานหัวข้อ “A dusty veil shading Betelgeuse during its Great Dimming” ปรากฏใน Nature

แหล่งข่าว eso.org : mystery of Betelgeuse’s dip in brightness solved  
                sciencealert.com : the mystery of Betelgeuse’s Great Dimming has officially been solved!
                iflscience.com : mysterious “Great Dimming” of Betelgeuse was caused by a dust cloud and cold patch
                space.com : mystery solved? Dust cloud caused Betelgeuse star’s weird dimming, study finds