ซุปเปอร์โนวาชนิดที่สาม

ภาพรวมประกอบแสดงเนบิวลาปู (Messier 1) ซึ่งประกอบด้วยข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ 5 ตัวที่ครอบคลุมเกือบตลอดช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
 

  ทีมนานาชาติได้ค้นพบหลักฐานของการระเบิดดาวชนิดใหม่ที่แน่ชัดครั้งแรก เป็นซุปเปอร์โนวาที่จับอิเลคตรอน(electron-capture supernova) ในขณะที่การระเบิดชนิดนี้เป็นทฤษฎีมาถึง 40 ปี แต่กลับไม่พบตัวอย่างเหตุการณ์เลย คิดกันว่าซุปเปอร์โนวาชนิดใหม่นี้เกิดขึ้นจากการระเบิดของดาวฤกษ์ที่พัฒนาแล้วที่เรียกว่า super-asymptotic giant branch(SAGB) มวลสูง การค้นพบซึ่งเผยแพร่ใน Nature Astronomy ยังเปิดช่องทางใหม่สู่ปริศนาอายุนับพันปีของซุปเปอร์โนวาที่พบในปี 1054 ซึ่งเห็นได้จากทั่วโลกในเวลากลางวันในช่วงดังกล่าว ก่อนที่ต่อมาจะกลายเป็น เนบิวลาปู(Crab Nebula) ซึ่งมีพัลซาร์(pulsar) ที่เป็นดาวนิวตรอนชนิดหนึ่งอยู่ในใจกลางซาก

     ที่ผ่านมา ซุปเปอร์โนวาถูกแบ่งออกเป็นสองชนิดหลัก คือ แบบเทอร์โมนิวเคลียร์(thermonuclear;Type I) และแบบแกนเหล็กยุบตัว(iron-core collapse; Type II) ซุปเปอร์โนวาเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นการระเบิดของดาวแคระขาวดวงหนึ่ง หลังจากที่มันได้มวลสารเพิ่มเติมจากดาวข้างเคียงในระบบดาวคู่ ดาวแคระขาวเหล่านี้เป็นแกนกลางที่หนาแน่นมาก เหลืออยู่หลังจากดาวฤกษ์มวลต่ำ(1 ถึง 8 เท่ามวลดวงอาทิตย์) ถึงบั้นปลายชีวิต ส่วนซุปเปอร์โนวาแบบแกนเหล็กยุบตัวเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มวลสูง(มากกว่า 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์เป็นต้นไป) หมดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ลง และแกนเหล็กของมันก็ยุบตัว สร้างหลุมดำหรือดาวนิวตรอนขึ้นมา ระหว่างซุปเปอร์โนวาสองชนิดหลักนี้ ก็คือ แบบยึดจับอิเลคตรอน ดาวเหล่านี้จะหยุดหลอมนิวเคลียสธาตุเมื่อแกนกลางประกอบด้วยออกซิเจน, นีออนและมักนีเซียม พวกมันไม่ได้มีมวลสูงมากพอ(มวลประมาณ 8 ถึง 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์) ที่จะสร้างเหล็กได้

Type I vs Type II Supernovae

     ในขณะที่แรงโน้มถ่วงจะพยายามบีบดาว สิ่งที่รักษาไม่ให้ดาวเกือบทั้งหมดยุบตัวลงก็อาจเป็น ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ดำเนินอยู่ หรือในแกนกลางนั้นเมื่อการหลอมหยุดลง ไม่สามารถบีบอัดอะตอมให้อยู่ใกล้ชิดกันได้มากขึ้นอีกต่อไป ในซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอนนั้น อิเลคตรอนบางส่วนในแกนออกซิเจน-นีออน-มักนีเซียม ก็ชนเข้ากับนิวเคลียสอะตอม ในกระบวนการที่เรียกว่าการยึดจับอิเลคตรอน(electron capture) อิเลคตรอนที่หายไปเป็นสาเหตุให้แกนกลางของดาวยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วง เป็นสาเหตุให้เกิดซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอน และเหลือดาวนิวตรอนทิ้งไว้

     ถ้าดาวที่ขนาดใหญ่ขึ้นอีกเล็กน้อย ธาตุในแกนกลางก็น่าจะหลอมเพื่อสร้างธาตุหนักขึ้น ยืดอายุไปได้อีก ซุปเปอร์โนวาชนิดนี้จึงเหมือนต้องมีมวลให้เหมาะสม คือ ดาวไม่เบาจนเกินไปจนหลุดจากกลุ่มแกนกลางยุบตัว แต่ก็ไม่ได้หนักมากพอที่จะยืดอายุออกไปได้และตายลงในเวลาต่อมาผ่านวิธีการอื่น

     มีทฤษฎีที่คำนวณขึ้นในปี 1980 โดย Ken’ichi Nomoto จากมหาวิทยาลัยโตเกียวและคนอื่นๆ ตลอดช่วงหลายทศวรรษ นักทฤษฎีได้คำนวณการทำนายว่าจะมองหาอะไรในซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอน และดาวต้นกำเนิดที่เป็น SAGB นี้ ดาวน่าจะมีมวลสูงมาก, สูญเสียมวลจำนวนมากก่อนการระเบิด และมวลที่ปล่อยออกมาในช่วงที่ดาวใกล้ระเบิดก็น่าจะมีองค์ประกอบเคมีที่ไม่ปกติเช่น มีฮีเลียม, คาร์บอน และไนโตรเจนจำนวนมาก แต่ขาดแคลนออกซิเจน ดังนั้น ซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอนนี้ก็น่าจะอ่อนแรง, สร้างธาตุกัมมันตรังสีเพียงเล็กน้อย และมีธาตุที่อุดมด้วยนิวตรอนอยู่ในแกนกลาง

ภาพจากศิลปินแสดงดาวฤกษ์อายุมากชนิด super-asymptotic giant branch และแกนกลางของมันซึ่งประกอบด้วยออกซิเจน, นีออนและมักนีเซียม นี่เป็นสถานะจบชีวิตของดาวที่มีมวล 8 ถึง 10 เท่าดวงอาทิตย์ ซึ่งแกนกลางสร้างแรงดันที่ค้ำจุนโดยอิเลคตรอน เมื่อแกนกลางหนาแน่นสูงมากพอ นีออนและมักนีเซียมจะเริ่มกลืนอิเลคตรอน, ทำให้แรงดันในแกนกลางลดลงและเหนี่ยวนำให้เกิดการยุบตัว กลายเป็นซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอน

     การศึกษาใหม่ที่นำโดย Daichi Hiramatsu นักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บารา และหอสังเกตการณ์ลาสคัมบรีส์(LCO) Hiramatsu เป็นสมาชิกแกนหลักของโครงการ Global Supernova Project ซึ่งเป็นทีมนักวิทยาศาสตร์รอบโลกที่ใช้กล้องโทรทรรศน์สิบกว่าตัวทั่วโลกและเหนือโลก ทีมได้พบว่าซุปเปอร์โนวา SN2018zd มีคุณลักษณะหลายอย่างที่ไม่ปกติ บางส่วนก็เพิ่งพบเห็นในซุปเปอร์โนวาเป็นครั้งแรก

     โชคดีที่ซุปเปอร์โนวานี้เกิดขึ้นค่อนข้างใกล้เพียง 31 ล้านปีแสง ในกาแลคซี NGC 2146 ในกลุ่มดาวจีราฟ(Camelopardalis) นี่ช่วยให้พวกเขาได้ตรวจสอบภาพในคลังที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลก่อนการระเบิด เพื่อตรวจหาดาวที่น่าจะเป็นต้นกำเนิดก่อนการระเบิดเกิดขึ้น การสำรวจที่ได้สอดคล้องกับดาว SAGB ที่เพิ่งจำแนกล่าสุดอีกดวงในทางช้างเผือก แต่ไม่สอดคล้องกับแบบจำลองจากซุปเปอร์ยักษ์แดงซึ่งเป็นดาวต้นกำเนิดของซุปเปอร์โนวาแกนเหล็กยุบตัวปกติ

     ผู้เขียนได้กลั่นกรองผ่านข้อมูลซุปเปอร์โนวาทั้งหมดที่เผยแพร่ออกมา และพบว่าในขณะที่บางส่วนมีตัวบ่งชี้ตามที่ทำนายไว้สำหรับซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอน อยู่เพียงสองหรือสามอย่าง แต่ SN 2018zd มีครบทั้งหก คือ ดูเหมือนจะมีดาวต้นกำเนิด SAGB, มีการสูญเสียมวลก่อนเกิดซุปเปอร์โนวาอย่างรุนแรง, กลุ่มมวลที่ปล่อยออกมามีองค์ประกอบเคมีที่ไม่ปกติ, การระเบิดแสงอ่อน, (นิกเกิล) กัมมันตภาพรังสีเพียงเล็กน้อย และมีแกนกลางที่อุดมด้วยนิวตรอน เราเริ่มถามว่า ตัวประหลาดนี้เป็นอะไร Hiramatsu กล่าว จากนั้นเราก็ตรวจสอบทุกๆ ความคาดหมายเกี่ยวกับ SN 2018zd และตระหนักว่าความคาดหมายทั้งหมดสามารถอธิบายได้ในลำดับเหตุการณ์(ซุปเปอร์โนวา) ยึดจับอิเลคตรอน

ซุปเปอร์โนวา 2018zd(วงสีขาวด้านขวา) กับกาแลคซีต้นสังกัดของมัน NGC 2146

     การค้นพบใหม่นี้ยังสาดแสงสู่ปริศนาบางประการเกี่ยวกับซุปเปอร์โนวาที่โด่งดังที่สุดในอดีต ในปี ค ศ 1054 ตามบันทึกของจีนและญี่ปุ่น เกิดซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์หนึ่งในทางช้างเผือกซึ่งสว่างมากจนมองเห็นได้ในตอนกลางวันไป 23 วัน และในช่วงกลางคืนอีกเกือบ 2 ปี ซากซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้น เนบิวลาปู(M1) ถูกศึกษาในรายละเอียดอย่างปรุโปร่งที่สุด

     ก่อนหน้านี้ เนบิวลาปูเคยเป็นว่าที่เหตุการณ์ซุปเปอร์โนวาแบบยึดจับอิเลคตรอนที่ดีที่สุด แต่สถานะของมันก็ไม่แน่นอน บางส่วนก็เพราะการระเบิดเกิดขึ้นเมื่อเกือบหนึ่งพันปีก่อนเมื่อไม่มีทั้งกล้องโทรทรรศน์, สเปคโตรมิเตอร์หรืออุปกรณ์อื่นๆ ที่ช่วยผู้สังเกตการณ์ตรวจสอบคุณลักษณะการระเบิดหรือดาวต้นกำเนิดได้ ผลสรุปใหม่จึงเพิ่มความเชื่อมั่นว่า SN 1054 เป็นซุปเปอร์โนวายึดจับอิเลคตรอนจริง มันยังอธิบายว่าเพราะเหตุใดซุปเปอร์โนวาดังกล่าวจึงค่อนข้างสว่างเมื่อเทียบกับแบบจำลอง นั้นก็เพราะ กำลังสว่าง(luminosity) ของมันอาจจะเป็นสิ่งเทียมที่ถูกเพิ่มความสว่างจากซากที่ระเบิดจากซุปเปอร์โนวาได้ชนกับมวลสารที่ดาวทิ้งออกมาก่อนหน้านั้น อย่างที่ก็พบเห็นใน SN 2018zd ด้วยเช่นกัน  

     Ken Nomoto จากสถาบันคัฟลี่เพื่อฟิสิกส์และคณิตศาสตร์แห่งเอกภพ(Kavli IPMU) มหาวิทยาลัยโตเกียว ได้แสดงความตื่นเต้นว่าทฤษฎีของเขาได้รับการยืนยัน ผมรู้สึกดีใจอย่างยิ่งที่สุดท้ายก็มีการค้นพบซุปเปอร์โนวายึดจับอิเลคตรอนแล้วในที่สุด ซึ่งเพื่อนร่วมงานและผมได้ทำนายว่าจะต้องมีอยู่และมีความเชื่อมโยงกับเนบิวลาปูเมื่อ 40 ปีก่อน ผมรู้สึกตื้นตันมากๆ กับความพยายามครั้งยิ่งใหญ่ในการทำการสำรวจเหล่านี้ มันเป็นกรณีศึกษาที่น่าทึ่งในการรวมการสำรวจเข้ากับทฤษฎี

เนบิวลาปูในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ(สี่ช่องเล็กทางซ้าย) และเนบิวลาปูในแบบภาพรวมประกอบ(กลาง) พร้อมคำอธิบายรายละเอียดต่างๆ ขวาแสดงแบบจำลองพัลซาร์ในเนบิวลาปู 

     Hiramatsu กล่าวเสริมว่า สำหรับพวกเขา มันก็คล้ายกับโมเมนท์ยูเรกา ที่เราสามารถปิดช่องโหว่ทางทฤษฎีที่มีมานาน 40 ปีได้ และสำหรับตัวผมเองส่วนตัวซึ่งเริ่มต้นชีวิตในทางดาราศาสตร์เมื่อมองไปที่ภาพอันน่าตื่นตะลึงของเอกภพในห้องสมุดโรงเรียนมัธยม หนึ่งในภาพเหล่านั้นก็คือเนบิวลาปู ที่เป็นสัญลักษณ์ซึ่งถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

     คำว่า หินโรเซตตา(Rosetta Stone) ถูกใช้บ่อยเกินไปเมื่อเทียบช่วงเวลาที่เราได้พบวัตถุใหม่ในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Andrew Howell นักวิทยาศาสตร์ทีมงานที่ LCO แต่ในกรณีนี้ผมคิดว่ามันใช่ ซุปเปอร์โนวานี้กำลังช่วยเราให้ถอดรหัสบันทึกอายุพันปีจากหลายอารยธรรมทั่วโลก และมันกำลังช่วยเราเชื่อมโยงสิ่งที่เราไม่เข้าใจเต็มที่นักคือ เนบิวลาปู เข้ากับสิ่งอื่นๆ ที่เรามีบันทึกสมัยใหม่เกี่ยวกับซุปเปอร์โนวานี้ ในกระบวนการมันกำลังสอนเราเกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐานว่า ดาวนิวตรอนบางส่วนถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร, ดาวฤกษ์ที่สุดขั้วมีชิวิตและตายอย่างไร และเกี่ยวกับธาตุที่เป็นองค์ประกอบในตัวเราถูกสร้างและกระจัดกระจายไปทั่วเอกภพได้อย่างไร Howell เองก็เป็นผู้นำ Global Supernova Project และอาจารย์ที่ปรึกษาปริญญาเอกของ Hiramatsu ผู้เขียนนำ   

แหล่งข่าว phys.org : the discovery of a new type of supernova illuminates a medieval mystery
                astronomy.com : astronomers confirm there’s a third type of supernova explosion
                sciencealert.com : an extreme supernova lit the skies 1000 years ago. We may finally know its type 
                iflscience.com : brand new supernova class explains the mystery of the Crab Nebula