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