ดาวแคระขาวที่ชะลอการแก่เฒ่า

 

ภาพถ่าย ซิริอุส(Sirius) ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้า จะเห็น ดาวข้างเคียง Sirius B ซึ่งเป็นดาวแคระขาวเป็นจุดแสงเล็ก 

     เราคิดว่าเรารู้ทั้งหมดแล้ว เมื่อดาวที่มีมวลระดับหนึ่งจบปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นลง, จะตายและกลายเป็นดาวแคระขาว สิ่งที่เหลืออยู่ที่ทำให้ซากดาวยังสว่างอยู่ได้ก็คือความร้อนที่เหลืออยู่ และสุดท้ายมันจะเย็นตัวและมืดลง เหลือทิ้งไว้แค่ผลึกเย็นที่มอดดับแล้วที่เรียกว่า ดาวแคระดำ

     เราไม่คิดว่าเอกภพจะเก่าแก่มากพอที่จะสร้างดาวแคระดำได้ ดังนั้นเราจึงไม่สามารถยืนยันการมีอยู่ของมันได้ ขณะนี้ ดูเหมือนว่าเราอาจจะผิดพลาดในบางประเด็น นักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานว่าดาวแคระขาวที่ยังคงเผาไหม้ไฮโดรเจนได้อย่างมีเสถียรภาพแม้ว่าจะที่พื้นผิว ไม่ใช่ที่แกนกลาง นี่บอกว่า ซากแกนกลางของดาวเหล่านี้อาจจะแก่เฒ่าและตายลงช้ากว่าที่เราเคยคิดไว้ ชะลอการดับโดยการเผาไหม้ชั้นบรรยากาศส่วนนอกที่อุดมด้วยไฮโดรเจน

     Jianxing Chen นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโบโลญญา และสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติอิตาลี ซึ่งนำการวิจัยอธิบายว่า เป็นครั้งแรกที่เราได้พบหลักฐานจากการสำรวจว่าดาวแคระขาวยังคงสามารถมีกิจกรรมเทอร์โมนิวเคลียร์ที่เสถียรได้ นี่เป็นเรื่องที่ค่อนข้างสร้างความประหลาดใจ เมื่อมันแตกต่างจากสิ่งที่เชื่อกัน

     ดาวแคระขาวเป็นสถานะวิวัฒนาการขั้นสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลต่ำ ซึ่งรวมถึงที่มีมวลประมาณ 8 เท่าดวงอาทิตย์ เมื่อดาวเหล่านี้จบการใช้ชีวิตในช่วงวิถีหลัก(main-sequence) และไม่สามารถหลอมไฮโดรเจนในแกนกลางได้อีกต่อไป ก็จะผลักวัสดุสารชั้นนอกทิ้งออกมา แกนกลางที่เหลือเมื่อไม่มีแรงดันออกจากการหลอมไฮโดรเจนก็จะยุบตัวกลายเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นสูง นั้นก็คือดาวแคระขาว และมันจะมีมวลสูงสุดที่ราว 1.4 เท่าดวงอาทิตย์

วัฏจักรชีวิตของดาวฤกษ์มวลต่ำ(รวมถึงดวงอาทิตย์) ตั้งแต่ถือกำเนิดในเนบิวลา จนกระทั่งกลายเป็นดาวฤกษ์เต็มตัว เริ่มการหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมในแกนกลาง ซึ่งเรียกสถานะนี้ว่า วิถีหลัก(main sequence) ดาวจะใช้ชีวิตในวิถีหลักนานที่สุด จนกระทั่งไฮโดรเจนในแกนกลางหมดลง ดาวเย็นตัวลงกลายเป็นยักษ์แดง(red giant) ในขณะเดียวกับที่แรงโน้มถ่วงในดาวเริ่มยุบตัวลง ซึ่งทำให้แกนกลางร้อนขึ้น จนสามารถหลอมฮีเลียมได้ สุดท้ายเมื่อฮีเลียมในแกนกลางหมดลง เปลือกก๊าซส่วนนอกจะหลุดออกมา เหลือทิ้งไว้แค่แกนกลางที่เฉื่อยและยังร้อน ซึ่งก็คือ ดาวแคระขาว จะเปล่งรังสีอุลตราไวโอเลตทำให้เปลือกก๊าซที่อยู่รอบๆ เรืองแสง กลายเป็น เนบิวลาดาวเคราะห์(planetary nebula) 

     ดาวแคระขาวเหล่านี้จะร้อนจัดมาก ตามแบบจำลอง เอกภพซึ่งมีอายุราว 13.8 พันล้านปีนั้นยังสั้นเกินกว่าที่ดาวแคระขาวจะเย็นตัวลงอย่างสมบูรณ์ แต่เราก็สนใจในกระบวนการเย็นตัวลงนี้ นักดาราศาสตร์ได้ทำนายว่ามีดาวฤกษ์ทั้งหมดในเอกภพราว 97% ซึ่งรวมถึงดวงอาทิตย์ของเรา ที่จะจบชีวิตในหนทางนี้ การทราบว่าดาวแคระขาวพัฒนาไปอย่างไรสามารถช่วยทำนายจุดจบของเอกภพได้

     นักดาราศาสตร์ได้ทำนายว่าดาวแคระขาวควรจะเย็นตัวลงเร็วแค่ไหน ซึ่งหมายความว่าถ้าเราทราบมวลและอุณหภูมิของดาวแคระขาวสักดวง เราก็น่าจะบอกได้ว่ามันเก่าแก่แค่ไหน นี่สามารถใช้เป็นเครื่องมือในการประเมินอายุของกระจุกดาวที่พบประชากรดาวแคระขาวอยู่ เรายังสามารถสำรวจกระจุกหลายๆ แห่งโดยมองหาดาวแคระขาวที่อยู่ในสถานะวิวัฒนาการที่แตกต่างกัน และเปรียบเทียบ นี่เป็นสิ่งที่ Chen และทีมกำลังทำอยู่ โดยใช้กล้องมุมกว้าง 3(WFC3) ของกล้องฮับเบิลเพื่อศึกษาดาวแคระขาวในกระจุกดาวทรงกลม(globular clusters) สองแห่งคือ M3 และ M13

     กระจุกดาวทั้งสองนี้น่าสนใจเนื่องจากดาวในกระจุกเหล่านั้นมีอายุและความเป็นโลหะ(metallicity; ปริมาณของธาตุอื่นที่หนักกว่าฮีเลียม) ที่ใกล้เคียงกัน ธาตุเหล่านั้นไม่ได้มีอยู่มากในเอกภพก่อนที่ดาวไม่กี่รุ่นจะเกิดและดับ หลอมธาตุเหล่านั้นขึ้นในแกนกลางของพวกมันและปล่อยออกมาสู่เอกภพเมื่อดาวตายลง นี่หมายความว่า ปริมาณของธาตุหนักเหล่านั้นสามารถใช้เพื่อตรวจสอบได้อย่างคร่าวๆ ว่าดาวมีอายุเก่าแก่แค่ไหน

     ดาวใน M3 และ M13 อยู่ในวิวัฒนาการสถานะหนึ่งที่เรียกว่า กิ่งแนวนอน(Horizontal Branch) นั้นเป็นช่วงเวลาหลังจากที่ดาวมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์เพิ่งหมดเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ใช้หลอมในแกนกลาง มันเพิ่งพ้นสถานะยักษ์แดง(red giant) ไปซึ่งได้สาดเปลือกก๊าซชั้นนอกออกไป และกำลังหลอมฮีเลียมในแกนกลางในขณะนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สีโดยรวมของดาวในสถานะกิ่งแนวนอนนี้ใน M13 มีสีที่ฟ้ากว่าซึ่งบ่งชี้ถึงประชากรดาวที่ร้อนกว่าซึ่งก็บอกว่าพวกมันอาจจะเย็นตัวลงแตกต่างกัน ความเป็นโลหะของดาวในกระจุกทั้งสองที่ใกล้เคียงกัน หมายความว่า ดาวน่าจะมีอายุใกล้เคียงกัน

เพื่อตรวจสอบฟิสิกส์ที่ซ่อนอยู่ในวิวัฒนาการดาวแคระขาว นักดาราศาสตร์ได้เปรียบเทียบดาวแคระขาวที่กำลังเย็นตัวลงในกระจุกดาวทรงกลมขนาดใหญ่สองแห่งคือ M3 และ M13 กระจุกดาวทั้งสองมีคุณสมบัติทางกายภาพร่วมกันหลายประการเช่น อายุและความเป็นโลหะ แต่ประชากรดาวที่ต่อมาให้กำเนิดดาวแคระขาวขึ้นนั้นแตกต่างกัน นีjทำให้  M3 และ M13 กลายเป็นห้องทดลองในธรรมชาติที่ดีเยี่ยมเพื่อทดสอบว่าประชากรดาวแคระขาวกลุ่มที่แตกต่างกันเย็นตัวลงอย่างไร

     จากการสำรวจในช่วงอุลตราไวโอเลตใกล้ของ WFC3 ได้ช่วยให้นักวิจัยพิจารณาดาวแคระขาวกว่า 700 ดวงที่กระจายในกระจุกทั้งสองอย่างใกล้ชิดมากขึ้น เพื่อดูว่าอาจมีความแตกต่างหรือไม่ ดาวแคระขาวทั้งหมดใน M3 ดูจะเป็นไปตามกระบวนการ ตามสิ่งที่เราคาดไว้จากแกนกลางหนาแน่นสูงที่กำลังเย็นตัวลง อย่างไรก็ตาม ดาวแคระขาวใน M13 แบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มปกติ และพวกที่ยังรักษาชั้นบรรยากาศอุดมด้วยไฮโดรเจนของพวกมันไว้ได้

      แบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์แสดงวิวัฒนาการดาวฤกษ์ได้บอกว่า ดาวแคระขาวใน M13 มีราว 70% ที่กำลังเผาไหม้ไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศ ซึ่งทำให้พวกมันร้อนได้นานกว่า ซึ่งสุดท้ายก็จะหมายความว่าพวกมันแก่ชราด้วยอัตราที่แตกต่างจากดาวแคระขาวที่สว่างจากเพียงความร้อนที่เหลืออยู่เท่านั้น นี่เป็นเรื่องใหญ่เนื่องจากมันหมายความว่า การประเมินอายุดาวแคระขาวของเราก็น่าจะผิดเพี้ยนไปได้ถึง 1 พันล้านปี ถ้าพวกมันเป็นแบบที่เผาไหม้ไฮโดรเจนนี้

     และที่ยิ่งสร้างข้อโต้แย้งเพิ่มเติมเมื่อนักดาราศาสตร์ในปี 2019 ได้พบดาวแคระขาวชนิดที่แตกต่างออกไป ซึ่งเผาไหม้อย่างร้อนแรงมาก เพียงพอที่จะชะลอการเย็นตัวลงได้ถึง 8 พันล้านปี นี่ก็ยังไม่ได้คำอธิบายแต่เมื่อรวมกับการค้นพบใหม่ มันได้บอกว่าบางทีเราอาจจะยังเข้าใจชีวิตของดาวในสถานะนี้ได้ครบถ้วนสมบูรณ์ดีอย่างที่เราคิดไว้ Francesco Ferraro นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโบโลญญา ซึ่งเป็นคนประสานงานการศึกษานี้ กล่าวว่า การค้นพบของเราท้าทายคำจำกัดความของดาวแคระขาวในแบบที่เราต้องหามุมมองใหม่เพื่ออธิบายว่าดาวแบบไหนที่มีอายุเก่าแก่ ขณะนี้เรากำลังสำรวจกระจุกแห่งอื่นที่คล้ายกับ M13 เพื่อระบุให้แน่ชัดมากขึ้นถึงสภาวะที่ผลักดันให้ดาว(แคระขาว) ยังสามารถรักษาเปลือกไฮโดรเจนของพวกมันไว้ได้ ซึ่งช่วยให้พวกมันแก่ช้าลง

แหล่งข่าว esa.int : Hubble discovers hydrogen-burning white dwarfs enjoying slow aging   
                hubblesite.org : Hubble discovers hydrogen-burning white dwarfs enjoying slow aging