ดาวแคระขาวที่เล็กกว่าดวงจันทร์ของโลก

 

ภาพจากศิลปินเปรียบเทียบดาวแคระขาวที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่เคยพบกับดวงจันทร์ของโลก(แม้ว่าในความเป็นจริงวัตถุทั้งสองจะไม่มีทางอยู่ใกล้กันได้แบบนี้) ดาวแคระขาวมีขนาดใหญ่กว่าดวงจันทร์เล็กน้อย 

     นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบดาวแคระขาวที่มีขนาดเล็กที่สุดและมีมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมา เถ้าที่ยังคุไฟดวงนี้ก่อตัวขึ้นเมื่อดาวแคระขาวที่เล็กกว่าสองดวงมาควบรวมกัน จึงมีมวลสูง บีบอัดมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ในวัตถุที่มีขนาดพอๆ กับดวงจันทร์ของโลก Ilaria Caiazzo นักวิจัยหลังปริญญาเอกสาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่สถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) และผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Nature ฉบับวันที่ 1 กรกฎาคม กล่าว มันอาจจะดูค้านกับสามัญสำนึก แต่ดาวแคระขาวที่มีขนาดเล็กกว่าดูจะมีมวลสูงกว่า นั้นก็เป็นเพราะความจริงที่ว่าดาวแคระขาวขาดแคลนการเผาไหม้นิวเคลียร์ที่ช่วยให้ดาวฤกษ์ปกติต้านทานแรงโน้มถ่วงในตัวมันเอง และขนาดของพวกมันจึงถูกกำกับด้วยกลศาสตร์ควอนตัมแทน

           ดาวแคระขาวเป็นซากที่ยุบตัวลงของดาวฤกษ์ที่ครั้งหนึ่งเคยมีมวลจนถึง 8 เท่ามวลดวงอาทิตย์หรือเบากว่า ดวงอาทิตย์ของเราเอง หลังจากที่มันพองตัวออกกลายเป็นดาวยักษ์แดง(red giant) ในอีกประมาณ 5 พันล้านปี ก็จะผลักเปลือกก๊าซชั้นนอกๆ ออกมาและหดตัวกลายเป็นดาวแคระขาวที่มีขนาดกะทัดรัด ดาวฤกษ์ทั้งหมดมีประมาณ 97% ที่จะกลายเป็นดาวแคระขาว

     การค้นพบนี้ทำโดย ZTF(Zwicky Transient Facility) ซึ่งดำเนินงานที่หอสังเกตการณ์พาโลมาร์ ของคาลเทค, กล้องโทรทรรศน์ในฮาวาย 2 ตัวคือ กล้องโทรทรรศน์เคกบนยอดเมานาคี และกล้อง Pan-STARRS ของสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวาย บนยอดฮาลีคาลา ได้ช่วยแจกแจงคุณสมบัติของดาวที่ตายแล้วดวงนี้ ไปพร้อมกับกล้องโทรทรรศน์เฮลขนาด 200 นิ้วที่พาโลมาร์, หอสังเกตการณ์อวกาศไกอา(Gaia) ขององค์กรอวกาศยุโรป และหอสังเกตการณ์สวิฟท์(Swift) ของนาซา

วัฏจักรชีวิตของดวงอาทิตย์(และดาวฤกษ์อื่นๆ อีกราว 90%)

     ดาวแคระขาวดวงนี้ถูกพบโดย Kevin Burdge เพื่อนร่วมงานของ Caiazzo นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่คาลเทค หลังจากสำรวจภาพทั่วท้องฟ้าของ ZTF ดาวแคระขาวเมื่อวิเคราะห์ข้อมูลร่วมกับข้อมูลจากไกอา ปรากฏว่ามีมวลสูงมากและมีการหมุนรอบตัวที่เร็ว ไม่เคยมีการศึกษาปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ที่เกิดในเวลาอันสั้นอย่างเป็นระบบในระดับนี้มาก่อน ผลจากความพยายามจึงน่าตื่นเต้น Burdge กล่าว ในปี 2019 เขานำทีมที่พบดาวแคระขาวคู่หนึ่งที่โคจรรอบกันและกันทุกๆ 7 นาที

    ในขณะที่ดวงอาทิตย์ของเราอยู่อย่างโดดเดี่ยวไม่มีคู่หู แต่ดาวฤกษ์อื่นอีกมากมายจะโคจรอยู่รอบอีกดวงเป็นคู่ ดาวซึ่งแก่เฒ่าไปพร้อมกัน และถ้าพวกมันทั้งคู่มีมวลไม่ถึง 8 เท่าดวงอาทิตย์ พวกมันทั้งคู่ก็จะกลายเป็นดาวแคระขาว การค้นพบใหม่ได้ให้ตัวอย่างสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากสถานะนี้ คู่ของดาวแคระขาวซึ่งหมุนวนเข้าหากันและกัน สูญเสียพลังงานในรูปของคลื่นความโน้มถ่วง และสุดท้ายก็ควบรวมกัน ถ้าดาวที่ได้มีมวลสูงเกินค่าวิกฤติ(ขีดจำกัดจันทรเสกขา; Chandrasekhar limit) ก็จะระเบิดเป็นสิ่งที่เรียกว่า ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernova)

     แต่ถ้าพวกมันมีมวลต่ำกว่าค่าวิกฤตินี้ ก็จะรวมกันกลายเป็นดาวแคระขาวดวงใหม่ที่หนักกว่าดาวแคระขาวต้นกำเนิด กระบวนการควบรวมนี้น่าจะเร่งความแรงสนามแม่เหล็กของดาวดวงนั้นและทำให้มันหมุนรอบตัวเร็วขึ้น เมื่อเทียบกับดาวแคระขาวต้นกำเนิด

     นักดาราศาสตร์บอกว่าดาวแคระขาวดวงน้อยที่เพิ่งค้นพบใหม่ ซึ่งมีชื่อว่า ZTF J1901+1458 ใช้เส้นทางวิวัฒนาการอันหลัง ทีมวิเคราะห์สเปคตรัมดาวดวงนี้โดยใช้ LRIS(Low Resolution Imaging Spectrometer) ของเคก ซึ่งเป็นส่วนที่ทำให้ Caiazzo ต้องงงงันเมื่อพบสัญญาณสนามแม่เหล็กที่รุนแรงมาก เธอและทีมจึงตระหนักว่าได้พบบางสิ่งที่พิเศษมากๆ ความแรงของสนามแม่เหล็กพร้อมกับอัตราการหมุนรอบตัวเจ็ดนาทีแทนที่จะเป็นหลายชั่วโมง บ่งชี้ว่ามันเป็นผลจากดาวแคระขาวสองดวงมารวมตัวเป็นหนึ่งเดียว ดาวต้นกำเนิดของมันควบรวมกันและสร้างดาวแคระขาวใหม่ที่หนัก 1.35 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ดาวแคระขาวดวงนี้มีสนามแม่เหล็กที่สุดขั้วด้วยความแรงเกือบ 1 พันล้านเท่าความแรงของสนามแม่เหล็กดวงอาทิตย์ และหมุนรอบตัวครบรอบในเวลาเพียง 7 นาที(ดาวแคระขาวที่หมุนรอบตัวเร็วที่สุด EPIC 228939929 หมุนรอบตัวทุกๆ 5.3 นาที) เราได้พบวัตถุที่น่าสนใจอย่างมากซึ่งไม่ได้มีมวลสูงพอที่จะระเบิด Caiazzo กล่าว เราสามารถตรวจสอบได้จริงว่าดาวแคระขาวจะมีมวลสูงได้แค่ไหน

ดาวแคระขาวเกือบทั้งหมดจะมีขนาดพอๆ กับดาวเคราะห์ แทนที่จะพอๆ กับดวงจันทร์ ภาพนี้เปรียบเทียบโลกกับดาวแคระขาวที่เป็นที่คุ้นเคยบางดวงเช่น ซิริอัส บี(Sirius B) ซึ่งเป็นวัตถุข้างเคียงของ ซิริอัส(Sirius); โปรซีออน บี(Procyon B) และดาวของฟานมาเนน(Van Maanen’s Star) ยิ่งดาวแคระขาวมีมวลสูงขึ้นก็จะมีขนาดเล็กลง

     ข้อมูลจากสวิฟท์ซึ่งสำรวจในช่วงอุลตราไวโอเลต ได้ช่วยระบุขนาดและมวลของดาวแคระขาวดวงนี้ ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 4300 กิโลเมตร ZTF J1901+1458 จึงครอบครองตำแหน่งดาวแคระขาวที่มีขนาดเล็กที่สุด แทนที่ผู้ยึดครองสถิติก่อนหน้านี้ RE J0317-853 และ WD 1832+089 ซึ่งแต่ละดวงมีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 5000 กิโลเมตร ในขณะที่มวลที่แท้จริงของ ZTF J1901+1458 ต้องขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของมัน แต่นักวิจัยประเมินว่าน่าจะหนักกว่าดวงอาทิตย์ประมาณหนึ่งในสาม คืออยู่ระหว่าง 1.327 ถึง 1.365 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ

     ยิ่งกว่านั้น Caiazzo และเพื่อนร่วมงานของเธอยังคิดว่าดาวแคระขาวที่ควบรวมได้อาจจะมีมวลสูงมากพอที่จะพัฒนากลายเป็นซากดาวที่อุดมด้วยนิวตรอน หรือดาวนิวตรอน(neutron star) ซึ่งโดยปกติ มักจะก่อตัวขึ้นเมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลสูงกว่าดวงอาทิตย์ระเบิดกลายเป็นซุปเปอร์โนวา นี่เป็นที่น่าสงสัยอย่างยิ่ง แต่ก็เป็นไปได้ที่ดาวแคระขาวดวงนี้จะมีมวลสูงมากพอที่จะยุบตัวต่อไปเป็นดาวนิวตรอน เธอกล่าว มันมีมวลสูงและหนาแน่นสูงมาก จนในแกนกลางของมัน อิเลคตรอนถูกโปรตอนในนิวเคลียสจับไว้เพื่อก่อตัวนิวตรอน เนื่องจากแรงดันจากอิเลคตรอนที่ผลักต้านทานแรงโน้มถ่วง รักษาให้ดาวยังคงสภาพไว้ แต่เมื่ออิเลคตรอนหายไปส่วนหนึ่ง แรงดันก็หาย แกนกลางก็ยุบตัวลง

      ถ้าสมมุติฐานการก่อตัวดาวนิวตรอนนี้ถูกต้อง มันก็อาจจะหมายความว่ามีดาวนิวตรอนอีกส่วนหนึ่งที่ก่อตัวขึ้นในหนทางนี้ วัตถุที่เพิ่งพบใหม่อยู่ไม่ไกล(ประมาณ 130 ปีแสง) และอายุที่น้อยของมัน(ประมาณ 1 ร้อยล้านปีเป็นอย่างมาก) บ่งชี้ว่าวัตถุคล้ายๆ กันอาจจะมีอยู่ทั่วไปในกาแลคซีมากกว่าที่เคยคิดไว้ ในอนาคต

ดาวแคระขาวคู่หนึ่งที่โคจรรอบกันและกันอยู่ใกล้ชิดเมื่อพวกมันเปล่งคลื่นความโน้มถ่วงออกมา ถ้าพวกมันไม่ได้มีมวลสูงจะให้กำเนิดดาวแคระขาวที่เสถียรขึ้นมา แทนว่าดาวแคระขาวดวงใหม่นี้อาจจะมีมวลสูงจนใกล้จะยุบตัวลงแล้ว

     ทีมหวังว่าจะใช้ ZTF เพื่อค้นหาดาวแคระขาวลักษณะนี้ได้มากขึ้น และโดยรวมก็เพื่อศึกษาประชากรวัตถุชนิดนี้โดยรวม มีคำถามอยู่มากมายที่ยังไม่ได้ตอบ เช่น อัตราการควบรวมของดาวแคระขาวในกาแลคซีมีแค่ไหน และอัตรานี้เพียงพอที่จะอธิบายจำนวนของซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอหรือไม่ สนามแม่เหล็กถูกสร้างในเหตุการณ์เหล่านี้ได้อย่างไร และเพราะเหตุใดจึงมีความหลากหลายในความแรงของสนามแม่เหล็กของดาวแคระขาว การค้นหาประชากรดาวแคระขาวกลุ่มใหญ่ที่ก่อตัวขึ้นจากการควบรวมจะช่วยตอบคำถามทั้งหมดนี้และคำถามอื่นๆ ได้

แหล่งข่าว spaceref.com : a white dwarf living on the edge
                skyandtelescope.com : Moon-size white dwarf is the smallest ever found