ระบบดาวรูปหยดน้ำ: ว่าที่ต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวา

 

     นักดาราศาสตร์ได้พบเหตุการณ์หายากเมื่อได้เห็นดาวฤกษ์สองดวงที่กำลังหมุนวนเข้าสู่จุดจบของพวกมัน โดยการจับตาดูสัญญาณของดาวที่มีรูปร่างเป็นหยดน้ำ

     รูปลักษณ์ที่ผิดเพี้ยนนี้มีสาเหตุมาจากดาวแคระขาวใกล้เคียงดวงหนึ่งที่รบกวนดาวฤกษ์ด้วยแรงโน้มถ่วงมหาศาลของมัน ซึ่งก็ยังเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับซุปเปอร์โนวาที่จะเกิดขึ้นต่อไปซึ่งจะกลืนกินดาวทั้งสองไป ระบบแห่งนี้ซึ่งพบโดยทีมนักดาราศาสตร์และนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์นานาชาติที่นำโดยมหาวิทยาลัยวอร์วิค เป็นหนึ่งในระบบเพียงจำนวนน้อยนิดที่ถูกพบว่าวันหนึ่งข้างหน้า ดาวแคระขาวจะจุดไฟนิวเคลียร์ในแกนกลางของมันอีกครั้ง

     งานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่ใน Nature Astronomy ได้ยืนยันว่าดาวทั้งสองอยู่ในขั้นต้นของการหมุนวนที่น่าจะจบลงด้วยการเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernova) ซึ่งเป็นชนิดที่ช่วยนักดาราศาสตร์ให้ตรวจสอบว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน งานวิจัยนี้ได้รับเงินทุนสนับสนุนจากมูลนิธิวิจัยเจอรมัน(DFG) และสภาสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลจี อันเป็นส่วนหนึ่งของงานวิจัยและนวัตกรรมสหราชอาณาจักร

     HD 265435 อยู่ห่างจากเราออกไปราว 1500 ปีแสง และประกอบด้วยดาวฤกษ์กึ่งแคระร้อนดวงหนึ่ง กับดาวแคระขาวอีกดวง โคจรรอบกันและกันอย่างใกล้ชิดด้วยอัตราเพียง 100 นาทีทั้น ดาวแคระขาวนั้นเป็นดาวที่ตายแล้วซึ่งเผาไหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จนหมดและยุบตัวลง ทำให้พวกมันมีขนาดเล็กแต่มีความหนาแน่นสูงมาก

ลำดับเหตุการณ์ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอทั่งไป ซึ่งเกิดจากระบบดาวคู่ โดยหนึ่งในสองนั้นเป็นดาวแคระขาว สะสมมวลจากดาวฤกษ์ข้างเคียงจนมีมวลถึงขีดจำกัด

     คิดกันว่า ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ นั้นเกิดขึ้นเมื่อแกนกลางของดาวแคระขาวถูกจุดระเบิดนิวเคลียร์ขึ้นอีกครั้ง ซึ่งนำไปสู่การระเบิดแบบเทอร์โมนิวเคลียร์ มีลำดับเหตุการณ์ 2 อย่างที่สามารถเกิดขึ้นได้ แบบแรก ดาวแคระขาวมีมวลถึงระดับ 1.4 เท่ามวลดวงอาทิตย์ซึ่งเรียกกันว่า ขีดจำกัดจันทรเสกขา(Chandrasekhar limit) แต่ HD 265435 จัดอยู่ในลำดับเหตุการณ์แบบที่สอง เมื่อมวลรวมของระบบดาวคู่นั้นใกล้หรือเหนือขีดจำกัดนี้แล้ว มีระบบเช่นนี้อีกไม่กี่แห่งเท่านั้นที่ถูกพบว่ามีมวลถึงขีดจำกัดและจะเป็นผลให้เกิดซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอได้

     Ingrid Pelisoli ผู้เขียนนำจากแผนกฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยวอร์วิค อธิบายว่า เราไม่ทราบอย่างแน่ชัดว่าซุปเปอร์โนวาเหล่านี้ระเบิดได้อย่างไร แต่เราทราบว่ามันจะต้องเกิดขึ้นเนื่องจากเราเห็นมันเกิดขึ้นทั่วทุกหนแห่งในเอกภพ ทางหนึ่งก็คือถ้าดาวแคระขาวสะสมมวลได้มากพอจากกึ่งแคระร้อนดวงนี้ ดังนั้นเมื่อดาวทั้งสองกำลังโคจรรอบกันและกันและเข้าใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆ สสารจะเริ่มหนีออกจากกึ่งแคระและตกลงสู่ดาวแคระขาว อีกทางก็คือเนื่องจากพวกมันกำลังสูญเสียพลังงานไปกับการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วง พวกมันจะเข้าใกล้กันเรื่อยๆ จนกระทั่งควบรวม เมื่อดาวแคระขาวได้มวลมากพอไม่ว่าวิธีใด ก็จะกลายเป็นซุปเปอร์โนวา

     ด้วยการใช้ข้อมูลจาก TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) ของนาซา ทีมก็สามารถสำรวจกึ่งแคระร้อนดวงนี้ได้ เนื่องจากกึ่งแคระนั้นร้อนกว่าดาวแคระขาวอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การแปรผันความสว่างตามเวลาได้บอกว่าดาวถูกรบกวนจนมีรูปร่างเป็นหยดน้ำ โดยวัตถุมวลสูงที่อยู่ใกล้เคียง ด้วยการใช้การตรวจสอบความเร็วแนวสายตา(radial velocity) และความเร็วการโคจร(rotational velocity) จากหอสังเกตการณ์พาโลมาร์ และหอสังเกตการณ์เคก และด้วยการทำแบบจำลองผลของวัตถุมวลสูงต่อกึ่งแคระร้อนดวงนี้ นักดาราศาสตร์ก็สามารถยืนยันว่าดาวแคระขาวที่ซ่อนอยู่นั้นมีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์ของเรา แต่มีขนาดเล็กกว่ารัศมีโลกเล็กน้อย

     เมื่อรวมกับมวลของกึ่งแคระร้อนที่ 0.6 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ดาวทั้งสองก็มีมวลเกินพอที่จะทำให้เกิดซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอได้ เมื่อดาวทั้งสองได้เข้าใกล้กันมากพอจนเริ่มหมุนวนเข้าหากันใกล้มากขึ้นเรื่อยๆ ดาวแคระขาวจะคืบหน้าสู่การกลายเป็นซุปเปอร์โนวาในอีกราว 70 ล้านปี แบบจำลองทางทฤษฎีที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษสำหรับการศึกษานี้ได้ทำนายว่ากึ่งแคระร้อนจะยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาวด้วยเช่นกัน ก่อนที่จะควบรวมกับดาวข้างเคียงของมัน

standard candle ใช้เพื่อบอกระยะทาง เมื่อเทียนมาตรฐานมีความสว่างที่แท้จริงเท่ากัน ความสว่างที่มองเห็นได้จะขึ้นอยู่กับระยะทาง 

      ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ มีความสำคัญสำหรับเอกภพวิทยาในฐานะ “เทียนมาตรฐาน”(standard candles) ความสว่างของพวกมันนั้นคงที่ และมีแสงที่จำเพาะ ซึ่งหมายความว่านักดาราศาสตร์สามารถเปรียบเทียบว่ากำลังสว่าง(luminosity) ของพวกมันควรจะเป็นเท่าใดเทียบกับความสว่างเมื่อสำรวจจากโลก และจากงานเช่นนี้ก็บอกว่าพวกมันอยู่ห่างแค่ไหนด้วยความเที่ยงตรงสูง ด้วยการสำรวจซุปเปอร์โนวานี้ในกาแลคซีที่ห่างไกล นักดาราศาสตร์ก็รวมสิ่งที่พวกเขารู้ว่ากาแลคซีนี้กำลังเคลื่อนที่เร็วแค่ไหน จากระยะทางสู่ซุปเปอร์โนวา และคำนวณการขยายตัวของเอกภพได้

     Pelisoli กล่าวเสริมว่า ยิ่งเราเข้าใจว่าซุปเปอร์โนวาเกิดขึ้นได้อย่างไรได้มากขึ้น เราก็จะสามารถเทียบมาตรฐาน(calibrate) เทียนมาตรฐานของเราได้ดีขึ้น นี่มีความสำคัญอย่างมากในตอนนี้เนื่องจากมีความแตกต่างระหว่างสิ่งที่เราได้จากเทียนมาตรฐานชนิดนี้ และสิ่งที่เราได้ผ่านวิธีการอื่น ยิ่งเราเข้าใจว่าซุปเปอร์โนวาก่อตัวได้อย่างไรได้มากขึ้น เราก็จะสามารถเข้าใจว่าความแตกต่างที่เรากำลังได้เห็นนี้ เป็นเพราะฟิสิกส์ใหม่ๆ ที่เราไม่เคยคาดคิดและไม่ได้นำมารวมด้วย หรือเพียงแค่เราประเมินความคลาดเคลื่อนในระยะทางเหล่านี้ต่ำเกินไป

     ยังมีความแตกต่างอีกข้อระหว่างอัตราการเกิดซุปเปอร์โนวาที่ประเมินไว้ กับที่สำรวจพบจริง และจำนวนของดาวต้นกำเนิดที่เราเห็น เราสามารถประเมินว่าจะมีซุปเปอร์โนวาเกิดขึ้นมากแค่ไหนในกาแลคซีของเราผ่านการสำรวจกาแลคซีอื่นๆ อีกหลายแห่ง หรือผ่านสิ่งที่เราทราบในวิวัฒนาการดาวฤกษ์ และจำนวนนี้ก็สอดคล้องกัน แต่ถ้าเรามองไปที่วัตถุที่จะสามารถกลายเป็นซุปเปอร์โนวา เรากลับมีไม่พอ การค้นพบนี้จึงมีประโยชน์อย่างมากในการช่วยประเมินว่าระบบคู่ของกึ่งแคระร้อนและดาวแคระแดงจะมีส่วน(สร้างซุปเปอร์โนวา) แค่ไหน แม้จะยังดูไม่เยอะ แต่ก็ไม่มีช่องทางใดเลยที่เราสำรวจพบว่าจะสร้างได้เพียงพอ HD 265435 ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 1500 ปีแสงจึงเป็นว่าที่ระบบต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ที่อยู่ใกล้ที่สุดซึ่งหมายความว่าเราจะมีโอกาสได้ศึกษามันในรายละเอียด

 

แหล่งข่าว phys.org : teardrop star reveals hidden supernova doom
                sciencealert.com : two stars spiraling towards explosive doom detected in our cosmic neighborhood