วงแหวนยักษ์รอบหลุมดำ V404 Cygni

 

     หอลังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราและหอสังเกตการณ์สวิฟท์ของนาซาได้จับภาพซึ่งมีรายละเอียดเป็นวงแหวนตระการตาชุดหนึ่งรอบหลุมดำแห่งหนึ่ง ภาพรังสีเอกซ์แสดงวงแหวนยักษ์ได้เผยให้เห็นข้อมูลเกี่ยวกับฝุ่นที่อยู่ในกาแลคซีของเรา ด้วยการใช้ทฤษฎีคล้ายกับที่ใช้รังสีเอกซ์ในทางการแพทย์และในสนามบิน

      หลุมดำแห่งนี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบคู่ที่เรียกว่า V404 Cygni ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 7800 ปีแสง หลุมดำกำลังดึงวัสดุสารจากดาวข้างเคียงซึ่งมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์อย่างละโมบ เข้าสู่ดิสก์รอบวัตถุที่มองไม่เห็นแห่งนี้ วัสดุสารนี้เรืองสว่างในช่วงรังสีเอกซ์ ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงจัดให้ระบบเหล่านี้เป็น ระบบคู่รังสีเอกซ์(x-ray binaries)

     ในวันที่ 5 มิถุนายน 2015 สวิฟท์ได้พบการปะทุรังสีเอกซ์เหตุการณ์หนึ่งจาก V404 Cygni การปะทุได้สร้างวงแหวนพลังงานสูงจากปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า รังสีเอกซ์สะท้อนกลับ(light echoes) แทนที่จะเป็นคลื่นเสียงที่สะท้อนออกจากกำแพงหุบผาลึก แสงที่สะท้อนกลับรอบๆ V404 Cygni เกิดขึ้นเมื่อการปะทุรังสีเอกซ์จากระบบหลุมดำ สะท้อนออกจากเมฆฝุ่นที่อยู่ระหว่าง V404 Cygni กับโลก ฝุ่นอวกาศไม่เหมือนกับฝุ่นในบ้านเรือน แต่กลับคล้ายกับควันมากกว่า และประกอบด้วยอนุภาคของแข็งขนาดจิ๋ว

     ปรากฏการณ์ประหลาดนี้เคยพบเห็นมาก่อนแต่ก็พบได้ยาก มีรังสีเอกซ์สะท้อนกลับสว่างเช่นนี้อีกเพียง 3 แห่งที่พบจากดาวที่เกิดการลุกจ้าในกาแลคซีของเรา ดังนั้นแล้ว นักดาราศาสตร์จึงใช้โอกาสเพื่อใช้แสงสะท้อนกลับจาก V404 Cygni เพื่อตรวจสอบ ไม่เพียงแต่พฤติกรรมการปะทุของหลุมดำ แต่ยังรวมถึงฝุ่นในอวกาศรอบๆ

วงแหวนรังสีเอกซ์ทั้งแปดวง ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลาง และความหนาแตกต่างกัน 

      ในภาพรวมประกอบนี้ รังสีเอกซ์จากจันทรา(สีฟ้า) รวมกับข้อมูลช่วงตาเห็ฯได้จากกล้องโทรทรรศน์ Pan-STARRS ในฮาวาย ซึ่งได้แสดงดาวในพื้นที่การสำรวจ ภาพประกอบด้วยวงแหวนซ้อนที่มีจุดศูนย์กลางร่วม 8 วง วงแหวนแต่ละวงเกิดขึ้นจากการลุกจ้ารังสีเอกซ์จาก V404 Cygni ที่สำรวจพบในปี 2015 ที่สะท้อนกลับออกจากเมฆฝุ่นที่แตกต่างกัน(ภาพจากศิลปินอธิบายว่าวงแหวนที่จันทราและสวิฟท์ได้เห็นเกิดขึ้นได้อย่างไร เพื่อให้เข้าใจง่ายจึงแสดงวงแหวนเพียง 4 จาก 8 วง

     ทีมนักวิจัยที่นำโดย Sebastian Heinz จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมดิสัน ได้วิเคราะห์การสำรวจจากสวิฟท์ 50 ครั้งที่ทำในปี 2015 ตั้งแต่วันที่ 30 มิถุนายนจนถึง 25 สิงหาคม กล้องจันทราได้สำรวจระบบแห่งนี้ในวันที่ 11 และ 25 กรกฎาคม มันเป็นเหตุการณ์ที่สว่างซึ่งผู้ควบคุมกล้องจันทราจึงต้องวาง V404 Cygni ไว้ระหว่างเครื่องตรวจจับเพื่อที่จะทำอันตรายเครื่องมือ

     วงแหวนได้บอกนักดาราศาสตร์ไม่เพียงแค่พฤติกรรมของหลุมดำ แต่ยังบอกเกี่ยวกับภูมิประเทศระหว่าง V404 Cygni กับโลกด้วย ยกตัวอย่างเช่น แสงที่สะท้อนกลับออกมาเป็นวงแหวนแคบๆ แทนที่จะเป็นวงแหวนกว้าง ก็เพราะการปะทุรังสีเอกซ์คงอยู่เพียงชั่วเวลาสั้นๆ เท่านั้น นอกจากนี้เส้นผ่าศูนย์กลางของวงแหวนในช่วงรังสีเอกซ์ ได้เผยให้เห็นระยะทางสู่เมฆฝุ่นที่คั่นอยู่ตรงกลางที่แสงสะท้อนกลับออกมา ถ้าเมฆอยู่ใกล้โลก วงแหวนก็จะมีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ วงแหวนที่อยู่ไกลออกไปก็จะเล็กลง เหมือนกับการมองลงไปในท่อเล็กๆ มุมมองที่เกิดขึ้นทำให้ปลายด้านที่ใกล้ดูใหญ่กว่าปลายด้านไกล

     ดังนั้น วงแหวนทั้งแปด จึงเป็นเมฆฝุ่นเอกเทศ 8 ก้อน ที่แสง(จากหลุมดำ) วิ่งเข้าหาเมื่อมันเดินทางในอวกาศ จากสิ่งนี้ เราทราบว่าวงแหวนที่ใหญ่ที่สุดซึ่งก็ใกล้ที่สุด เกิดขึ้นจากเมฆฝุ่นที่อยู่ห่างออกไปราว 3363 ปีแสง และวงแหวนที่ไกลที่สุดก็ที่ 6934 ปีแสง

 ภาพจากศิลปินแสดงรายละเอียดว่าโครงสร้างวงแหวนที่จันทราและสวิฟท์ได้เห็นถูกสร้างได้อย่างไร วงแหวนแต่ละวงเกิดขึ้นจากรังสีเอกซืที่สะท้อนกลับออกจากเมฆฝุ่นแต่ละก้อน ถ้าเมฆนั้นอยู่ใกล้เรามากกว่า วงแหวนจะมีขนาดใหญ่กว่า สิ่งที่ได้จึงเป็นวงแหวนซ้อนชุดหนึ่งที่มีขนาดปรากฏที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับระยะทางสู่เมฆฝุ่นที่คั่นกลางระหว่างเรากับระบบ V404 Cygni

     สุดท้าย แสงที่สะท้อนกลับจากฝุ่นยังสามารถใช้เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างและองค์ประกอบฝุ่นในอวกาศได้ ธาตุหนึ่งๆ จะดูดกลืนแสงในช่วงรังสีเอกซ์ที่ความยาวคลื่นที่จำเพาะ ซึ่งหมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาสเปคตรัมรังสีเอกซ์ที่มาถึงเราเพื่อดูว่าฝุ่นอวกาศมีองค์ประกอบอย่างไร พวกเขาพบว่าฝุ่นนั้นเป็นซิลิเกตกับกราไฟต์เป็นหลัก และยังพบว่าพวกมันมีความหนาแน่นไม่เป็นเนื้อเดียวกันในทุกทิศทางด้วย

     การศึกษาพิเศษชิ้นหนึ่งเผยแพร่เมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม 2016 ในวารสาร Astrophysical Journal และยังคงสำรวจแสงที่สะท้อนกลับออกมาได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้มากขึ้นเกี่ยวกับฝุ่นที่อยู่ระหว่างดวงดาวที่ปกติแล้วจะมองไม่เห็น นอกจากนี้ V404 Cygni ยัง โดยมีการปะทุราวทุกๆ สองหรือสามทศวรรษ ก่อนหน้านี้บันทึกได้ในปี 1938, 1956 และ 1989 ดังนั้น เราจึงสามารถคาดการณ์ว่าการลุกจ้าในอนาคตจะช่วยเราให้เข้าใจว่าฝุ่นในห้วงอวกาศอาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลงตามเวลาได้อย่างไร

      ยังมีอีกหลายอย่างที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากการปะทุเหล่านั้น ยกตัวอย่างเช่น การปะทุในปี 2015 ได้แสดงว่าสนามแม่เหล็กของหลุมดำในระบบ V404 Cygni นั้นอ่อนแอกว่าที่เราคาดไว้ และหลุมดำแห่งนี้ก็ยังหมุนรอบตัวแบบส่าย ในความเป็นจริงแล้ว มีรายงานจำนวนค่อนข้างมากที่เผยแพร่เกี่ยวกับการปะทุในปี 2015 ของ V404 Cygni นี่เป็นหลุมดำที่มีแต่ให้ และน่าจะเป็นเช่นนั้นต่อไป

แหล่งข่าว spaceref.com : huge rings around a black hole
             sciencealert.com : huge x-ray rings around a black hole reveal the hidden dust between stars     
               phys.org – V404 Cygni: huge rings around a black hole

วงแหวนไอน์สไตน์ 2M1310-1714

 

      แรงโน้มถ่วงนั้นเป็นกาวประสานที่แปลกประหลาดที่ยึดโยงเอกภพเข้าด้วยกัน แต่นั่นก็ยังไม่อาจจำกัดเสน่ห์อันน่าสนเท่ห์ของมัน เรายังได้พบวิถีที่มันบิดห้วงกาลอวกาศ จนได้เห็นวัตถุที่ไกลโพ้นซึ่งน่าจะเห็นได้ยากยิ่ง

     สิ่งนี้เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ทำนายโดยไอน์สไตน์ และความงดงามของมันก็ปรากฏในภาพใหม่จากกล้องมุมกว้าง 3(Wide Field Camera 3) ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลนี้ ในใจกลางภาพนั้นเป็นวงแหวนวาววับเกือบสมบูรณ์แบบ โดยมีสิ่งที่ดูเหมือนเป็นจุดสว่าง 4 แห่งร้อยเรียงไปตามแนววงโค้ง รอบๆ จุดสว่างอีก 2 แห่งที่มีประกายทอง นี่เรียกว่า วงแหวนไอน์สไตน์(Einstein ring) และจุดสว่างเหล่านั้นก็ไม่ใช่กาแลคซี 6 แห่ง แต่เป็น 3 แห่ง โดยมีสองแห่งอยู่ในใจกลางวงแหวน และกาแลคซีอีกแห่งที่เป็นเควซาร์(quasar) อยู่หลังพวกมัน แสงจากเควซาร์ถูกรบกวนและขยายเมื่อมันผ่านทะลุสนามแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีสองแห่งที่พื้นหน้า

      เนื่องจากมวลของกาแลคซีสองแห่งที่พื้นหน้านั้นสูงมาก นี่ทำให้เกิดความโค้งของกาลอวกาศจากแรงโน้มถ่วงไปรอบๆ วัตถุคู่นี้ แสงใดๆ ที่ได้เดินทางผ่านกาลอวกาศนี้จะเดินทางตามแนวโค้งนี้ และเข้าสู่กล้องโทรทรรศน์ของเราอย่างพร่าเลือนและบิดเบี้ยว แต่ก็ถูกขยายแสงขึ้นด้วย อย่างในกรณีของ 2M1310-1714 นี้ เกิดภาพเควซาร์ 5 ภาพ(จุดแสงตามวงโค้ง 4 ภาพ และอีกภาพที่สลัวกว่าใกล้ใจกลาง)

     สิ่งนี้เองเป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์ในการตรวจสอบทั้งส่วนที่ไกลและใกล้ของเอกภพ สรรพสิ่งใดๆ ที่มีมวลมากพอก็ทำหน้าที่เป็นเลนส์ความโน้มถ่วงได้ ซึ่งอาจหมายถึงกาแลคซีหนึ่งหรือสองแห่งอย่างที่กำลังได้เห็นนี้ หรือกระทั่งกระจุกกาแลคซี(galaxy clusters) ขนาดมหึมา ซึ่งจะสร้างความปั่นป่วนอันน่าอัศจรรย์ในการเกลี่ยแสงจากวัตถุมากมายที่อยู่เบื้องหลังพวกมัน

     นักดาราศาสตร์ที่เจาะเข้าสู่อวกาศห้วงลึกก็สามารถย้อนรอยการเกลี่ยเลือนเหล่านี้และสร้างภาพเพื่อตรวจสอบรายละเอียดยิบย่อยมากมายในกาแลคซีที่ห่างไกลที่ถูกขยายด้วยเลนส์ แต่ก็ไม่ใช่ว่าปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงทั้งหมดจะสามารถทำได้ ความแรงของการเป็นเลนส์ขึ้นอยู่กับความโค้งของสนามแรงโน้มถ่วง ซึ่งก็มีความสัมพันธ์โดยตรงกับมวลที่สร้างสนามขึ้นมา

     ดังนั้น เลนส์ความโน้มถ่วงจึงช่วยให้เราได้ “ชั่ง” กาแลคซีและกระจุกกาแลคซี ซึ่งเมื่อทำการเหล่านั้นจะช่วยเราค้นหาและทำแผนที่สสารมืด(dark matter) ซึ่งเป็นแหล่งมวลที่มองไม่เห็นและเป็นปริศนาซึ่งสร้างแรงโน้มถ่วงเพิ่มเติม นอกเหนือจากสสารในเอกภพที่เราตรวจจับได้จริง

      ขยับเข้ามาใกล้ตัวเรามากขึ้น ปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค(microlensing) สามารถช่วยเราค้นหาวัตถุภายในทางช้างเผือก ซึ่งน่าจะมืดเกินกว่าจะเห็นได้ เช่น หลุมดำมวลดวงดาว(stellar-mass black holes) และกระทั่งเข้าถึงสิ่งที่เล็กลงมาอีก เมื่อนักดาราศาสตร์ใช้ตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบที่เร่ร่อน(roque exoplanets) ซึ่งไม่ได้ยึดโยงกับดาวฤกษ์แม่ใดๆ แล้ว เพ่นพล่านไปในกาแลคซีที่เย็นเยือกโดยลำพัง จากพลังการขยายแสงที่เกิดขึ้นเมื่อดาวเคราะห์เหล่านี้ผ่านระหว่างเรากับดาวฤกษ์ที่ห่างไกล และยังใช้เลนส์แบบจุลภาคเพื่อตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบในกาแลคซีแห่งอื่นด้วย นี่เป็นธรรมชาติอันแสนงามเมื่อเอกภพตลบม่านความโน้มถ่วงขึ้นมา

 

แหล่งข่าว sciencealert.com : Hubble captures a stunning “Einstein Ring” magnifying the depth of the universe
               phys.org : Hubble captures gravity-lensed quasar

การปะทุรังสีแกมมาแบบยาวที่สั้น

 

     ในเดือนเมษายน 1998 แสงจากการระเบิดจบชีวิตของดาวฤกษ์มวลสูงดวงหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไป 120 ล้านปีแสง ได้พุ่งอาบโลก นี่เป็นซุปเปอร์โนวาที่เรียกว่า SN 1998bw เป็นซุปเปอร์โนวาจากดาวยุบตัวลงเหตุการณ์แรกสุดเท่าที่เคยสำรวจพบ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแกนกลางดวงมวลสูงเกิดการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงของมันเอง และซุปเปอร์โนวานี้ยังเกี่ยวข้องกับการปะทุรังสีแกมมาด้วย ขณะนี้ นักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบการปะทุรังสีแกมมาเหตุใหม่ และมันก็สั้นที่สุดเท่าที่เราเคยตรวจจับได้ว่าเกี่ยวข้องกับการยุบตัว

      การปะทุรังสีแกมมา(gamma-ray burst; GRB) ที่เรียกว่า GRB 200826A อาจจะเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเหตุการณ์ที่ทรงพลังอย่างไม่น่าเชื่อเหล่านี้ Tomas Ahumada จากมหาวิทยาลัยมารีแลนด์ นำทีมนักดาราศาสตร์ บอกไว้ว่า ข้อมูลสำรวจติดตามผลในหลายช่วงความยาวคลื่นได้ยืนยันกำเนิดจากการยุบตัว GRB 200826A เป็นการปะทุรังสีแกมมาแบบยาว(long gamma-ray burst) ที่อ่อนแต่สั้นที่สุด เท่าที่เคยพบว่าเกี่ยวข้องกับการยุบตัวของดาว มันดูเหมือนจะอยู่ที่รอยต่อระหว่างดาวยุบตัวสร้างไอพ่นสัมพัทธภาพสำเร็จหรือล้มเหลว การค้นพบของเราสอดคล้องกับสมมุติฐานว่าดาวที่ยุบตัวลง(collapsars) เกือบทั้งหมดไม่สามารถสร้างไอพ่นสัมพัทธภาพขึ้นได้

     ดาวที่ยุบตัวลงได้สร้างซุปเปอร์โนวาที่เรียกว่า ไฮเปอร์โนวา(hypernovae) และคิดกันว่าเป็นผลจากการตายของดาวที่เกิดแกนกลางยุบตัวลงอย่างสุดขั้ว ไฮเปอร์โนวาเป็นซุปเปอร์โนวาที่ทรงพลังที่สุดปรากฎการณ์หนึ่งในเอกภพ เกิดขึ้นเมื่อแกนกลางของดาวที่มีมวลมากกว่า 30 เท่าดวงอาทิตย์ ยุบตัวลงก่อตัวเป็นหลุมดำที่หมุนรอบตัวอย่างรวดเร็ว

ภาพที่ค้นพบแสงเรืองไล่หลังที่กำลังจางลง(กลางภาพ) ของ GRB 200826A 

     เคยคิดกันว่า GRB 200826A ซึ่งตรวจพบในเดือนสิงหาคม 2020 เป็นการปะทุรังสีแกมมาชนิดที่แตกต่างออกไป ที่เรียกว่า การปะทุรังสีแกมมาแบบสั้น(short gamma-ray burst; การปะทุสั้นกว่า 2 วินาที) ซึ่งเหตุการณ์แบบนี้คิดกันว่าเกิดขึ้นจากการควบรวมของระบบคู่ที่เป็นวัตถุขนาดกะทัดรัด เช่น ดาวนิวตรอนสองดวง มันก็อาจจะถูกเข้าใจอย่างนั้น ถ้า Ahumada และเพื่อนร่วมงานของเขาไม่ได้พบเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นชั่วคราว(transient event) ที่จางแสงลงอย่างรวดเร็วเป็นเหตุการณ์ ZTF 20abwysqy ขณะนี้พวกเขายืนยันได้ว่าเหตุการณ์ชั่วคราวนี้เป็นแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) ของ GRB 200826A และคุณลักษณะการเปล่งคลื่นของมันก็ไม่สอดคล้องกับการควบรวมในระบบคู่ แต่มาจากซุปเปอร์โนวา

      นักวิจัยอีกทีมหนึ่งซึ่งนำโดย Binbin Zhang นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยหนานจิง ในจีน ก็บรรลุถึงข้อสรุปคล้ายกันในการวิเคราะห์ GRB 200826A จากลักษณะสัญญาณที่แรงและสั้น การปะทุนี้เกิดขึ้นเพียง 0.6 วินาทีและไม่พบหลักฐานใดๆ ที่ยาวนานกว่านี้ ยังมีคุณสมบัติที่สำรวจพบอื่นๆ เช่น พฤติกรรมสเปคตรัม, พลังงานรวมและตำแหน่งในกาแลคซีต้นสังกัด ซึ่งล้วนแต่ไม่สอดคล้องกับที่พบใน GRBs แบบสั้นอื่นๆ ที่เชื่อว่ากำเนิดจากการควบรวมของดาวนิวตรอนคู่ ทีมของ Zhang เขียนไว้ในรายงาน

     กลับเป็นว่าคุณสมบัติเหล่านั้นไปคล้ายคลึงกับที่พบใน GRBs แบบยาวซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับซุปเปอร์โนวาชนิดจำเพาะ(Type Ic-BL) การปะทุนี้ยืนยันการมีอยู่ของ GRBs สั้นที่เกิดจากกำเนิดแกนกลางดาวยุบตัวลง

เมื่อแกนกลางของดาวมวลสูงมากยุบตัวลงจะสามารถก่อตัวหลุมดำขึ้นมาได้ สสารล้อมรอบบางส่วนจะหนีออกมาในรูปของไอพ่นทรงพลังที่วิ่งออกมาด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงในทิศทางตรงกันข้ามตามที่แสดงไว้ในภาพ ไอพ่นปกติของดาวที่กำลังยุบตัวลงจะสร้างรังสีแกมมาได้นานหลายวินาทีจนถึงหลายนาที นักดาราศาสตร์คิดว่าไอพ่นจาก GRB 200826A ปิดตัวลงอย่างรวดเร็วสร้างการปะทุรังสีแกมมาที่สั้นที่สุดเท่าที่เคยพบจากดาวที่ยุบตัวลง

     ความเชื่อมโยงนี้อาจจะเปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับเหตุการณ์รุนแรงสุดขั้วเหล่านี้ ซึ่งคิดกันว่าการปะทุรังสีแกมมามีการสร้างไอพ่นสัมพัทธภาพ(relativistic jets) ขึ้นมา ซึ่งเป็นไอพ่นพลาสมาที่ยิงออกมาด้วยความเร็วระดับเกือบเท่าแสง โดยหลุมดำที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่ เมื่อมันสะสมมวลสาร แต่จากทีมของ Ahumada การปะทุเหตุการณ์ใหม่นี้บ่งชี้ว่าไอพ่นอาจจะไม่ได้ก่อตัวขึ้นเลย หรือไม่สามารถพุ่งทะลุผ่านวัสดุสารรอบดาวที่ยุบตัวลงออกมาได้

      นอกจากนี้ การค้นพบยังบอกว่าหลายๆ เหตุการณ์ที่ถูกจำแนกเป็น GRBs แบบสั้น แท้จริงแล้วอาจจะเป็น GRBs แบบยาวที่จำแนกผิด กล่าวคือ แทนที่เราจะกำลังได้เห็นดาวนิวตรอนควบรวมกัน แต่จริงๆ แล้วเป็นไฮเปอร์โนวาที่แทบไม่เกิดไอพ่นพุ่งทะยานออกมา(คือการสร้าง GRB แทบจะล้มเหลว) และถ้าเป็นกรณีนี้ สัดส่วนก็น่าจะเปลี่ยนไปเล็กน้อย เนื่องจากมันน่าจะหมายความว่า เป็นเรื่องเกือบปกติที่ดาวที่ยุบตัวล้มเหลวในการยิงไอพ่น และดาวที่ยุบตัวลงจึงไม่ได้หาได้ยากอย่างที่เคยคิด

      ผลสรุปแสดงว่าการจำแนก GRBs โดยอาศัยแค่ระยะเวลาที่เกิดการปะทุออกมา อาจจะไม่ใช่หนทางที่ดีที่สุด และต้องมีการสำรวจเพิ่มเติมเพื่อตรวจสอบสาเหตุของ GRBs นั้นๆ ตอนแรกเราตามล่าหาดาวนิวตรอนที่กำลังควบรวมกันซึ่งคิดว่าสร้าง GRBs แบบสั้นออกมา Ahumada กล่าว แต่เมื่อเราได้พบ GRB 200826A เราก็ตระหนักว่าการปะทุนี้น่าจะเกิดขึ้นจากซุปเปอร์โนวาดาวที่ยุบตัวลงมากกว่าซึ่งเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ

      นี่ค่อนข้างน่าสนใจเนื่องจากคิดกันว่าแกนดาวมวลสูงที่ยุบตัวเป็นแหล่งหลักแห่งหนึ่งที่สร้างธาตุหนักในเอกภพ กำเนิดของธาตุเหล่านี้ยังค่อนข้างเป็นปริศนา ซึ่งอัตราสัดส่วนดาวที่ยุบตัวที่เพิ่มขึ้น น่าจะช่วยไขปริศนานี้ได้ รายงานสองฉบับเผยแพร่ใน Nature Astronomy

แหล่งข่าว sciencealert.com : a weird gamma-ray burst has been spotted, and it’s coming from a rare collapsar
                phys.org : astronomers uncover briefest supernova-powered gamma-ray burst 

COCONUTS-2b ดาวเคราะห์นอกระบบคาบโคจร 1.1 ล้านปี

 

ภาพจากศิลปินแสดงระบบดาวเคราะห์ COCONUTS-2 โดยมีดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ COCONUTS-2b อยู่ที่พื้นหน้า 

     นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเราหลายพันดวงแล้ว แต่มีเพียงไม่กี่ดวงที่ถูกถ่ายภาพได้โดยตรง เนื่องจากเป็นการยากมากๆ ที่จะได้เห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ที่มีอยู่ นักศึกษาจากสถาบันดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวายกลับโชคดีได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบจากการถ่ายภาพโดยตรงดวงหนึ่ง และมันก็เป็นดวงที่ใกล้โลกมากที่สุดเท่าที่เคยพบมาด้วย ที่ระยะทางเพียง 35 ปีแสงเท่านั้น

      ด้วยการใช้การสำรวจ COCONUTS(Cool Companions ON Ultrawide orbits) Zhoujian Zhang จากสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ และทีมนักดาราศาสตร์ Michael Liu และ Zach Claytor จากสถาบันเดียวกัน, William Best จากมหาวิทยาลัยเทกซัส ที่ออสติน, Trent Dupuy จากมหาวิทยาลัยเอดินเบอระ และ Robert Siverd จากหอสังเกตการณ์เจมิไน ได้จำแนกดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่มีมวล 6 เท่าดาวพฤหัสฯ งานวิจัยของทีมเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters นำไปสู่การค้นพบดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อุณหภูมิต่ำที่โคจรรอบดาวแคระแดงมวลต่ำดวงหนึ่ง ด้วยระยะทางไกลจากโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ประมาณ 6000 เท่า พวกเขาเรียกระบบดาวเคราะห์แห่งใหม่นี้ว่า COCONUTS-2 และดาวเคราะห์ใหม่ COCONUTS-2b ใช้เวลาโคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของมัน 1.1 ล้านปี

      ด้วยดาวเคราะห์มวลสูงในวงโคจรที่กว้างมากๆ นี้ และดาวฤกษ์แม่ที่เย็นมากๆ COCONUTS-2 จึงเป็นระบบดาวเคราะห์ที่แตกต่างอย่างมากกับระบบสุริยะของเรา Zhang อธิบาย การสำรวจ COCONUTS เป็นเป้าหมายในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของเขาที่เพิ่งเสร็จไป ซึ่งมุ่งเป้าที่จะค้นหาวัตถุข้างเคียงที่อยู่ไกลมากๆ รอบดาวฤกษ์ทุกๆ ชนิดที่อยู่ใกล้โลก

COCONUTS-2b จุดแดงทางซ้ายบน

     COCONUTS-2b เป็นดาวเคราะห์นอกระบบที่ถูกถ่ายภาพโดยตรงที่เย็นที่สุดเป็นอันดับสองเท่าที่เคยพบมา โดยมีอุณหภูมิเพียง 160 องศาเซลเซียสเท่านั้น ซึ่งก็ยังเย็นกว่าเตาอบที่ใช้เพื่ออบคุกกี้ สามารถถ่ายภาพดาวเคราะห์ได้โดยตรงต้องขอบคุณการเปล่งแสงที่เกิดจากความร้อนที่เหลืออยู่หลังจากการก่อตัวของดาวเคราะห์ซึ่งมีอายุราว 8 ร้อยล้านปี แต่กระนั้น พลังงานที่ดาวเคราะห์ปล่อยออกมาก็ยังอ่อนกว่าที่ดวงอาทิตย์ของมันเปล่งออกมามากกว่า 1 ล้านเท่า ดังนั้น ดาวเคราะห์จึงตรวจจับได้เมื่อใช้แสงอินฟราเรดพลังงานต่ำเท่านั้น

     การตรวจจับและการศึกษาแสงจากดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์รอบดาวฤกษ์อื่นได้โดยตรง โดยปกติเป็นเรื่องที่ยากมากๆ เนื่องจากดาวเคราะห์ที่เราพบมักจะมีวงโคจรที่แคบ และจึงถูกฝังไว้ในแสงจ้าของดาวฤกษ์แม่ Liu ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาวิทยานิพนธ์ของ Zhang กล่าว แต่ด้วยระยะโคจรที่ห่างมากๆ COCONUTS-2b จึงเป็นห้องทดลองชั้นเยี่ยมในการศึกษาชั้นบรรยากาศและองค์ประกอบของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อายุน้อย

      ดาวเคราะห์ดวงนี้ถูกพบครั้งแรกในปี 2011 โดยดาวเทียม WISE(Wide-field Infrared Survey Explorer) แต่ก็เชื่อว่ามันเป็นวัตถุที่ล่องลอยอย่างเป็นอิสระ(free-floating objects) ไม่ได้โคจรรอบดาวฤกษ์ใดๆ Zhang และเพื่อนร่วมงานได้พบว่าในความเป็นจริงแล้ว มันเกี่ยวข้องด้านแรงโน้มถ่วงกับดาวมวลต่ำดวงหนึ่ง COCONUTS-2A ซึ่งมีมวลราวหนึ่งในสามของดวงอาทิตย์ และมีอายุน้อยกว่าดวงอาทิตย์ 10 เท่า

Rob Siverd, Zhoujian Zhang, Michael Liu, Trent Dupuy, Will Best, Zach Claytor ในระหว่างเกิดการระบาดของไวรัสโควิด-19 Zhang ใช้ซูมเพื่อพบปะพูดคุยกับเพื่อนนักวิจัยเกี่ยวกับการค้นพบนี้

     เนื่องจากวงโคจรที่ไกลมากๆ และดาวฤกษ์แม่ที่เย็น ท้องฟ้าของ COCONUTS-2b น่าจะดูแตกต่างอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับท้องฟ้าบนโลก เวลากลางคืนและกลางวันน่าจะดูไม่แตกต่างกัน โดยดาวฤกษ์แม่ปรากฏเป็นดาวสีแดงสว่างบนท้องฟ้ายามค่ำคืน

     การค้นพบของ Zhang ยังเติมไฟปรารถนาของเขาในการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบ, ดาวแคระน้ำตาล(brown dwarfs) และดาวฤกษ์ต่อไป นักดาราศาสตร์ผู้เปี่ยมด้วยความกระตือรือร้นนี้สำเร็จการศึกษาจากสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฤดูร้อนปีนี้ และจะเริ่มการวิจัยหลังปริญญาเอกในช่วงฤดูใบไม้ร่วง 2021

COCONUTS-2b จุดแดงทางซ้ายบน

ภาพจากศิลปินแสดงระบบดาวเคราะห์ COCONUTS-2 โดยมีดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ COCONUTS-2b อยู่ที่พื้นหน้า

Rob Siverd, Zhoujian Zhang, Michael Liu, Trent Dupuy, Will Best, Zach Claytor ในระหว่างเกิดการระบาดของไวรัสโควิด-19 Zhang ใช้ซูมเพื่อพบปะพูดคุยกับเพื่อนนักวิจัยเกี่ยวกับการค้นพบนี้

แหล่งข่าว phys.org : the second-coldest imaged exoplanet found to date
                sciencealert.com : this newly discovered world is the closest directly imaged exoplanet ever  

ซากดาวลูกกระสุน

ภาพจากศิลปินแสดงดวงดวงหนึ่งที่ถูกผลักจากการระเบิดซุปเปอร์โนวา จนมีความเร็วที่สามารถหนีออกจากกาแลคซีได้
 

     ไกลจากโลกออกไปประมาณ 2000 ปีแสง มีดาวฤกษ์ดวงหนึ่งกำลังถูกยิงไปที่ขอบของทางช้างเผือก ดาวพิเศษดวงนี้ซึ่งเรียกกันว่า LP 40-365 เป็นหนึ่งในเผ่าพันธุ์ดาวเคลื่อนที่เร็วชนิดประหลาด เป็นซากที่เหลืออยู่จากดาวแคระขาว ที่เหลือรอดมาหลังจากเกิดการระเบิด

     ดาวดวงนี้กำลังเคลื่อนที่เร็วมากๆ จนมันแทบจะหนีออกจากกาแลคซีได้แล้ว โดยวิ่งไปราว 3 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง JJ Hermes ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยบอสตัน กล่าว แต่เพราะเหตุใดวัตถุนี้จึงวิ่งเร็วจี๋ออกจากทางช้างเผือก ก็เพราะมันเป็นชิ้นส่วนจากลูกกระสุนของการระเบิดซุปเปอร์โนวา ซึ่งถูกผลักออกมา Odelia Putterman อดีตนักศึกษาจากมหาวิทยาลัยบอสตัน ซึ่งเคยทำงานในแล๊ปของ Hermes กล่าวว่า เมื่อผ่านการทำลายล้างตัวเองบางส่วนและยังคงอยู่รอด มันจึงเป็นวัตถุที่เจ๋งและเป็นอัตลักษณ์ และเป็นดวงเดียวในรอบหลายปีหลังที่เราเคยคิดว่าดาวชนิดนี้มีอยู่จริง ในรายงานใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters Hermes และ Putterman ได้ทำการสำรวจเศษซากดาวลูกกระสุนนี้ เพื่อให้ได้แง่มุมสู่ดาวอื่นๆ ที่เผชิญหายนะในอดีตคล้ายๆ กัน

     Putterman และ Hermes วิเคราะห์ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและดาวเทียม TESS ของนาซาซึ่งสำรวจท้องฟ้าและรวบรวมข้อมูลแสงจากดาวที่อยู่ทั้งใกล้และไกล ด้วยการตรวจสอบข้อมูลแสงแตกต่างชนิดจากกล้องทั้งสอง นักวิจัยและเพื่อนร่วมงานก็พบว่า LP 40-365 ไม่เพียงแต่กำลังวิ่งหน้าตั้งออกจากกาแลคซีของเรา แต่จากรูปแบบความสว่างในข้อมูล มันกำลังหมุนรอบตัวไปด้วย ดาวดวงนี้ถูกเหวี่ยงออกจากการระเบิด และเรากำลังได้เห็นมันหมุนรอบตัวไปด้วยตอนเดินทาง Putterman ซึ่งเป็นผู้เขียนที่สองในรายงานนี้ กล่าว

      เราขุดลงไปอีกนิดหน่อยว่าเพราะเหตุใดดาวจึงสว่างขึ้นและสลัวลงประมาณ 1% ซ้ำแล้วซ้ำอีก และคำอธิบายที่ง่ายที่สุดก็คือ เรากำลังได้เห็นพื้นผิวของมันหมุนเข้าและออกจากสายตาของเราทุกๆ 9 ชั่วโมง ซึ่งนี่ก็บอกถึงอัตราการหมุนรอบตัว Hermes กล่าว ดาวทุกดวงนั้นหมุนรอบตัว แม้แต่ดวงอาทิตย์ของเราจะหมุนรอบตัวอย่างช้าๆ ทุก 27 วัน แต่สำหรับชิ้นส่วนดาวที่เหลือรอดจากซุปเปอร์โนวา เก้าชั่วโมงนั้นจัดว่าค่อนข้างช้า

คิดกันว่าดาว LP 40-365 มาจากระบบแห่งหนึ่งที่มีดาวแคระขาวสองดวงโคจรใกล้กันและกันอย่างมากจนกระทั่งดวงหนึ่งดึงวัสดุสารออกจากอีกดวงและระเบิดเป็นบางเสี้ยว ส่งพวกมันแยกออกจากกันในทิศทางตรงกันข้าม  

     ซุปเปอร์โนวาเกิดขึ้นเมื่อดาวแคระขาวดวงหนึ่งมีมวลสูงเกินกว่าจะค้ำจุนตัวมันเองได้ ซึ่งต่อมาก็ทำให้เกิดการระเบิดทำลายล้าง การทราบอัตราการหมุนรอบตัวของดาวอย่าง LP 40-365 หลังจากซุปเปอร์โนวา สามารถให้เงื่อนงำสู่ระบบดาวคู่ที่ให้กำเนิดได้ เป็นเรื่องปกติในเอกภพที่ดาวจะอยู่ด้วยกันเป็นคู่ ซึ่งรวมถึงดาวแคระขาวด้วย ซึ่งเป็นซากดาวหนาแน่นสูงที่ก่อตัวขึ้นในช่วงบั้นปลายชีวิตของดาวฤกษ์ ถ้าแคระขาวดวงหนึ่งส่งมวลให้กับอีกดวงมากเกินไป ดาวที่ถูกถล่มมวลใส่ก็จะเริ่มทำลายตัวมันเองเป็นผลให้เกิดซุปเปอร์โนวา ซุปเปอร์โนวาเกิดได้ทั่วไปในกาแลคซีและเกิดขึ้นได้ในหลายทาง แต่โดยปกติมักจะพบเห็นได้ยาก นี่ทำให้ยากที่จะทราบว่าดาวดวงใดที่ระเบิด และดาวดวงใดที่ถล่มมวลเข้าสู่คู่หูมากเกินไป

     จากอัตราการหมุนรอบตัวที่ค่อนข้างช้าของ LP 40-365 Hermes และ Putterman รู้สึกมั่นใจมากขึ้นว่ามันเป็นซากกระสุนจากดาวที่ทำลายตัวเองบางส่วน หลังจากได้รับมวลจากดาวข้างเคียงมากจนเกินไป เป็นซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอเอกซ์(Type Iax supernova) เมื่อพวกมันเคยโคจรรอบกันและกันด้วยความเร็วสูงและใกล้ชิดมาก การระเบิดซึ่งเกิดขึ้นไม่เต็มที่อย่างชนิดหนึ่งเอทั่วไปจึงผลักดาวทั้งสองออก และขณะนี้เราก็ได้เห็นแค่ LP 40-365 เท่านั้น รายงานนี้ได้เพิ่มความรู้อีกขั้นหนึ่งสู่บทบาทที่ดาวเหล่านี้มี เมื่อเกิดซุปเปอร์โนวาขึ้น และจะเกิดอะไรหลังจากการระเบิดบ้าง Putterman กล่าว ด้วยการเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นกับดาวพิเศษดวงนี้ เราก็เริ่มเข้าใจสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นกับดาวคล้ายๆ กันอีกมากมายที่มาจากสถานการณ์คล้ายๆ กัน

      นี่เป็นดาวที่แปลกประหลาดอย่างมาก Hermes กล่าว ดาวอย่าง LP 40-365 ไม่เพียงเป็นดาวที่มีความเร็วสูงที่สุดดวงหนึ่งเท่าที่เคยพบมา แต่ยังเป็นดาวที่อุดมด้วยโลหะมากที่สุดเท่าที่เคยพบมาด้วย ดาวอย่างดวงอาทิตย์ของเราประกอบด้วยฮีเลียมและไฮโดรเจน และดาวที่รอดจากซุปเปอร์โนวาจะประกอบด้วยโลหะ(metal) เป็นหลักโดยมีชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยออกซิเจนและนีออน เนื่องจากสิ่งที่เรากำลังได้เห็นนั้นเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรงที่เกิดขึ้นเมื่อดาวระเบิดตัวมันเองออก Hermes กล่าว ทำให้ดาวกระสุนเช่นนี้มีความน่าตื่นตาตื่นใจในการศึกษา

แหล่งข่าว phys.org : why is this weird, metallic star hurtling out of the Milky Way?
                iflscience.com : supernova shrapnel piece spotted hurtling out of the galaxy at 2 million miles an hour
                space.com : scientists find chunk of blown-apart star hurtling through Milky Way at breakneck speed