การก่อตัวระบบดาวนิวตรอนมวลสูง

ภาพจากศิลปินแสดงการชนและควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง

      การศึกษาใหม่งานหนึ่งได้แสดงว่าดาวมวลสูงที่ถูกดึงมวลสารออกก่อนหน้าแล้วระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา สามารถชักนำไปสู่การก่อตัวดาวนิวตรอนมวลสูง หรือหลุมดำมวลเบาได้ ไขปัญหาท้าทายที่สุดข้อหนึ่งที่เกิดขึ้นจากการตรวจจับการควบรวมของดาวนิวตรอนจากหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วง LIGO และ Virgo

     การตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงโดย LIGO(Advanced Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ในปี 2017 เป็นคลื่นที่มาจากการควบรวมดาวนิวตรอน ซึ่งได้สร้างความประหลาดใจเกินความคาดหมายให้กับนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ แต่การตรวจจับคลื่นจากการควบรวมชนิดนี้ได้เป็นครั้งที่ 2 ในปี 2019 เป็นการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวงซึ่งมวลรวมที่ได้สูงจนคาดไม่ถึง Enrico Ramirez-Ruiz ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย(UC) ซานตาครูซ กล่าวว่า มันยังทำให้ช๊อคอย่างมากจนเราต้องเริ่มคิดว่าจะสร้างดาวนิวตรอนหนักได้อย่างไร โดยไม่ทำให้มันกลายเป็นพัลซาร์
(pulsar)

     วัตถุกะทัดรัดทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์อย่างดาวนิวตรอนและหลุมดำ กำลังเป็นสิ่งที่ท้าทายในการศึกษาเนื่องจากเรามักจะมองไม่เห็นพวกมันในสภาพเสถียร ซึ่งพวกมันจะไม่เปล่งรังสีใดๆ ให้ตรวจจับได้เลย นี่หมายความว่าเรากำลังเกิดความลำเอียงกับสิ่งที่เราสำรวจพบหรือไม่ Ramirez-Ruiz อธิบาย เราตรวจพบระบบดาวนิวตรอนคู่ในกาแลคซีของเรา เมื่อหนึ่งในนั้นเป็นพัลซาร์ และมวลของพัลซาร์เหล่านั้นก็แทบจะเหมือนๆ กันทั้งหมด เรามองไม่เห็นดาวนิวตรอนหนักใดๆ เลย

ดาวนิวตรอนชนิดต่างๆ 

      การตรวจสอบการควบรวมของดาวนิวตรอนหนักโดย LIGO ในอัตราที่ใกล้เคียงกับระบบที่มวลเบากว่า บอกเป็นนัยว่าคู่ดาวนิวตรอนหนักก็น่าจะมีอยู่ค่อนข้างทั่วไปด้วยเหมือนกัน ดังนั้นเพราะเหตุใด พวกมันจึงไม่ปรากฏให้เห็นในประชากรพัลซาร์

     ในการศึกษาใหม่นี้ Ramirez-Ruiz และเพื่อนร่วมงานมุ่งเป้าไปที่ซุปเปอร์โนวาของดาวฤกษ์ที่เปลือย(stripped star) ในระบบดาวคู่ ซึ่งสามารถก่อตัว “วัตถุกะทัดรัดคู่” ที่ประกอบด้วยดาวนิวตรอนสองดวง หรือไม่ก็ดาวนิวตรอน 1 กับหลุมดำอีกหนึ่ง ดาวที่เปลือยซึ่งก็เรียกอีกชื่อว่า ดาวฮีเลียม(helium star) เป็นดาวฤกษ์ที่ชั้นไฮโดรเจนที่ห่อหุ้มของมัน ถูกดึงออกโดยปฏิสัมพันธ์กับดาวข้างเคียง การศึกษาซึ่งเผยแพร่วันที่ 8 ตุลาคม ใน Astrophysical Journal Letters นำโดย Alejandro Vigna-Gomez นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่สถาบันนีล บอห์ร มหาวิทยาลัยโคเปนเฮเกน ซึ่ง Ramirez-Ruizดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์นีล บอห์ร(Niels Bohr Professorship) อยู่

      เราใช้แบบจำลองดาวในรายละเอียดเพื่อติดตามวิวัฒนาการดาวที่เปลือย จนถึงช่วงเวลาที่มันระเบิดกลายเป็นซุปเปอร์โนวา Vigna-Gomez กล่าว เมื่อเราถึงช่วงเวลาซุปเปอร์โนวา เราก็ทำการศึกษาอุทกพลศาสตร์(hydrodynamics) ซึ่งเราสนใจที่จะตามรอยวิวัฒนาการก๊าซที่กำลังระเบิดออกมา

     ดาวที่เปลือยในระบบดาวคู่กับดาวนิวตรอน เริ่มต้นด้วยมวล 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์ แต่หนาแน่นสูงมากจนพวกมันมีเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่าดวงอาทิตย์ ขั้นตอนสุดท้ายในวิวัฒนาการจะเป็นซุปเปอร์โนวาแบบแกนกลางยุบตัว(core-collapse supernova) ซึ่งเหลือทิ้งไว้เป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ขึ้นอยู่กับมวลสุดท้ายของแกนกลางนั้น ผลสรุปของทีมได้แสดงว่าเมื่อดาวเปลือยมวลสูงระเบิดออก ชั้นส่วนนอกบางส่วนของมันจะถูกผลักออกจากระบบคู่ไปอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม ชั้นก๊าซส่วนในบางส่วนไม่ได้ถูกผลักออกและสุดท้ายก็ตกกลับสู่วัตถุกะทัดรัดที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่

ในช่วงปลายของการก่อตัวระบบดาวนิวตรอนคู่ ดาวฤกษ์ยักษ์ขยายตัวและล้อมกรอบดาวนิวตรอนข้างเคียงไว้ในสถานะที่เรียกกันว่า วิวัฒนาการแบบชั้นห่อหุ้มร่วม(common-envelope)(a) การผลักชั้นห่อหุ้มทิ้งให้ดาวนิวตรอนอยู่ในวงโคจรประชิดกับดาวที่เปลือยชั้นห่อหุ้มออก วิวัฒนาการของระบบขึ้นอยู่กับอัตราส่วนมวล ดาวเปลือยที่มีมวลต่ำจะเจอกับสถานะการถ่ายเทมวลสารซึ่งยิ่งดึงมวลสารดาวออกไปสู่ดาวนิวตรอนและทำให้พัลซาร์ฟื้นกลับคืนมา ทำให้ระบบลักษณะนี้กลายเป็นระบบดาวนิวตรอนคู่ที่สำรวจพบได้ในทางช้างเผือกและ GW 170817(b) ดาวเปลือยที่มีมวลสูงกว่าจะไม่ขยายตัวมากนักไม่เกิดการถ่ายเทมวลสาร ดาวนิวตรอนข้างเคียงไม่สามารถคืนสภาพพัลซาร์ได้ นำไปสู่ระบบแบบ 
GW190425(c) สุดท้าย ดาวเปลือยมวลสูงยิ่งขึ้นไปอีกจะนำไปสู่ระบบคู่ดาวนิวตรอน-หลุมดำ อย่าง GW200115(d)

     ปริมาณของวัสดุสารที่สะสมได้ขึ้นอยู่กับพลังงานการระเบิด ยิ่งพลังงานสูงเท่าใด ก็ยิ่งเหลือมวลให้น้อยลงด้วย Vigna-Gomez กล่าว สำหรับดาวเปลือยมวล 10 เท่าดวงอาทิตย์ของเรา ถ้าพลังงานการระเบิดต่ำ มันจะก่อตัวหลุมดำขึ้นมา แต่ถ้าพลังงานการระเบิดสูง ก็จะเหลือมวลให้น้อยลงและก่อตัวดาวนิวตรอนขึ้นมา

     ผลสรุปเหล่านี้ไม่เพียงแต่อธิบายการก่อตัวของระบบคู่ดาวนิวตรอนหนัก อย่างเช่นระบบคู่ที่เผยตัวในเหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง GW190425 แต่ยังทำนายการก่อตัวของระบบคู่ดาวนิวตรอน-หลุมดำเบา อย่างเช่นระบบแห่งหนึ่งที่ควบรวมในปี 2020 เป็น GW200115 ด้วย

    การค้นพบที่สำคัญอีกอย่างก็คือ มวลของแกนฮีเลียมของดาวที่เปลือยเป็นสิ่งจำเป็นในการกำกับธรรมชาติของปฏิสัมพันธ์กับดาวนิวตรอนข้างเคียงของมัน และชะตากรรมสุดท้ายของระบบคู่เหล่านี้ ดาวฮีเลียมที่มีมวลสูงพอจะป้องกันการดึงมวลสารเข้าสู่ดาวนิวตรอนได้ อย่างไรก็ตาม ถ้ามีดาวฮีเลียมที่มีมวลต่ำกว่า กระบวนการดึงมวลสารจะเปลี่ยนดาวนิวตรอนให้มีความเร็วสูงกลายเป็นพัลซาร์ที่หมุนรอบตัวเร็ว Ramirez-Ruiz อธิบายว่า เมื่อแกนกลางฮีเลียมมีขนาดเล็ก มันจะขยายตัว และจากนั้นการดึงมวลสารก็ทำให้ดาวนิวตรอนหมุนรอบตัวเร็วขึ้นกลายเป็นพัลซาร์ อย่างไรก็ตาม ดาวฮีเลียมมวลสูงจะมีแรงโน้มถ่วงในตัวมากกว่าและไม่ขยายตัว จึงไม่เกิดการถ่ายเทมวล และถ้าพวกมันไม่ได้หมุนรอบตัวเร็วจนกลายเป็นพัลซาร์ เราก็ไม่เห็นพวกมัน

     พูดอีกอย่างก็คือ อาจจะมีประชากรระบบคู่ดาวนิวตรอนหนักที่ยังตรวจไม่พบอีกมากในกาแลคซีของเรา Vigna-Gomez กล่าวว่า การถ่ายเทมวลเข้าสู่ดาวนิวตรอนเป็นกลไกที่มีประสิทธิภาพในการสร้างพัลซาร์ที่หมุนรอบตัวเร็วมาก(หรือเรียกว่า พัลซาร์เสี้ยววินาที; millisecond pulsars) ถ้าป้องกันการถ่ายเทมวลนี้ได้ตามที่เราบอกไว้ ก็จะมีประชากรระบบที่ไม่ส่งวิทยุออกมาอย่างนี้หลบอยู่ในทางช้างเผือก

แหล่งข่าว phys.org : astrophysicists explain the origin of unusually heavy neutron star binaries
                spaceref.com : astrophysicists explain the origin of unusually heavy neutron star binaries