ที่มาของดาวแคระขาวที่มีมวลต่ำจนไม่ควรมีอยู่จริง

 

นักดาราศาสตร์ได้สำรวจระบบดาวคู่ชนิดนี้ซึ่งดาวแคระขาวในระบบสูญเสียมวลให้กับดาวข้างเคียงของมัน จนมีมวลที่ต่ำมากและมีรูปร่างที่แสดงถึงการถูกรบกวน

     นักดาราศาสตร์ได้สืบสวนหาคำตอบที่พึงพอใจในที่สุด ให้กับปัญหาในอวกาศข้อหนึ่งเป็นปริศนาของดาวที่ดูเหมือนจะเล็กเกินกว่าจะมีอยู่ได้

     ดาวแคระขาวที่คิดว่ามีขนาดเล็กจิ๋วเกินกว่าจะปรากฏในอายุปัจจุบันของเอกภพได้ อย่างไรก็ตาม ดูเหมือนความผิดปกติที่เกิดกับมวลของมันจะมาจากการขโมยของดาวข้างเคียง เป็นกลไกที่สงสัยมานานซึ่งน่าจะอธิบายขนาดของพวกมันได้ แต่ไม่เคยพิสูจน์พบจริง ระบบดาวคู่ที่หายไปเหล่านี้เรียกว่า คู่แปรแสงหายนะที่พัฒนาแล้ว(evolved cataclysmic variables) และการค้นพบได้ช่วยให้เราได้เข้าใจหนึ่งในขั้นตอนเส้นทางวิวัฒนาการดาวที่ตายแล้ว

     Kareem El-Badry นักดาราศาสตร์ที่ศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ กล่าวว่า เราได้สำรวจพบหลักฐานทางกายภาพอันแรกของประชากรระบบดาวคู่ที่แปรสภาพกลุ่มใหม่ นี่เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้น มันเป็นส่วนเชื่อมที่หายไปในแบบจำลองวิวัฒนาการการก่อตัวระบบดาวคู่ที่เรากำลังมองหาอยู่

     ดาวแคระขาวเป็นบั้นปลายชีวิตของดาวฤกษ์ที่มีมวลต่ำกว่า 8 เท่ามวลดวงอาทิตย์(ราว 97% ของดาวทั้งหมด) เมื่อมันหมดเชื้อเพลิงเพื่อใช้ในกระบวนการหลอมนิวเคลียส(nuclear fusion) ดาวที่ตายแล้วนี้จะผลักมวลเกือบทั้งหมดของมันออกมา เหลือแต่แกนกลางซึ่งยุบตัวลงกลายเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นสูง โดยมีมวลสูงได้ถึง 1.4 เท่าดวงอาทิตย์ อัดแน่นในทรงกลมที่มีขนาดพอๆ กับโลก

วัฎจักรชีวิตของดวงอาทิตย์(และดาวฤกษ์มวลต่ำอื่นๆ อีกราว 97% ของประชากรดาวทั้งหมดในทางช้างเผือก) จะจบชีวิตด้วยการเป็นดาวแคระขาว แต่ระยะเวลาของการเปลี่ยนจากดาวที่หลอมไฮโดรเจน(เรียกว่าวิถีหลัก) จนกลายเป็นดาวแคระขาวแปรผกผันกับมวลของพวกมัน ดาวที่มีมวลต่ำมากๆ จะหลอมไฮโดรเจนอย่างช้าๆ 

     อย่างไรก็ตาม ในโอกาสที่พบได้ยาก พวกมันก็อาจมีมวลที่ต่ำมากๆ ซึ่งจากแบบจำลองวิวัฒนาการดาวฤกษ์ของเราบอกว่าไม่ควรจะมีอยู่ ดาวแคระขาวที่มวลต่ำสุดขั้ว(extremely low-mass white dwarfs, ELMs) เหล่านี้มีมวลเพียงหนึ่งในสามของดวงอาทิตย์เท่านั้น การสูญเสียมวลเช่นนั้นใช้เวลายาวนานกว่าอายุปัจจุบันของเอกภพซึ่งมีอายุเพียง 13.8 พันล้านปีเท่านั้น เอกภพก็แค่ไม่ได้มีอายุมากพอที่จะสร้างดาวเหล่านี้โดยวิวัฒนาการปกติได้ El-Badry กล่าว

     แต่นั่นก็คือกรณีที่ดาวอยู่อย่างโดดเดี่ยว ถ้ามีสิ่งอื่น เช่น ดาวข้างเคียงในระบบคู่ แทะมวลของดาวแคระขาวไปก็น่าจะเร่งกระบวนการสูญเสียมวลได้มากจนอธิบายการมีอยู่ของ ELMs ในเอกภพได้อย่างเหมาะเจาะ แต่ปัญหาเดียวที่มีก็คือไม่เคยสำรวจพบกระบวนการนี้จริงๆ เลย ตามทฤษฎีบอกว่ากระบวนการน่าจะเกิดขึ้นหลังจากขั้นตอนที่เรียกว่า การแปรแสงหายนะ(cataclysmic variable) เมื่อดาวแคระขาวในระบบดาวคู่กับดาวฤกษ์อื่น อยู่ใกล้กันอย่างมากจนดาวแคระขาวสะสมมวลสารจากดาวข้างเคียงของมัน

     ดาวแคระขาวจะปะทุแสงออกมาเป็นคาบเวลา เมื่อมีวัสดุสารสะสมเหนี่ยวนำให้เกิดการหลอมไฮโดรเจนแบบกู่ไม่กลับ(runaway hydrogen fusion) ในชั้นบรรยากาศ หายนะเหล่านี้ทำให้เกิดการแปรแสง(variation) จึงเป็นที่มาของชื่อ แต่บางครั้ง ดาวแคระขาวก็สะสมมวลสารไว้มากเกินไปจนมันเริ่มไม่เสถียร ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernova) แต่ก็ยังมีอีกทางเลือกหนึ่ง ถ้าสมดุลเปลี่ยนด้านจนดาวอีกดวงเริ่มขโมยมวลจาดาวแคระขาว แทน

     El-Badry และเพื่อนร่วมงานใช้ข้อมูลจากการสำรวจทางดาราศาสตร์จากปฏิบัติการไกอาและโครงการ Zwicky Transient เลือก 50 ดวงจากนับพันล้านที่น่าจะอยู่ในสถานะรอยต่อ จากนั้นพวกเขาก็ใช้กล้องโทรทรรศน์เชน ที่หอสังเกตการณ์ลิค เพื่อทำการสำรวจระบบดาวคู่ 21 แห่งจากกลุ่มตัวอย่างในรายละเอียด แล้วก็เจอตอ ว่าที่ที่เราเลือกออกมา 100% เป็นดาวแคระขาวก่อนจะมีมวลต่ำแบบสุดขั้ว(pre-ELMs) ที่เรากำลังมองหาอยู่ พวกมันพองบวมออกมากกว่า ELMs พวกมันยังมีรูปไข่เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวอีกดวงที่รบกวนรูปร่างกลมดิกของพวกมัน El-Badry กล่าว เราได้พบวิวัฒนาการที่หายไประหว่างระบบคู่ 2 ชนิดคือ แปรแสงหายนะ กับดาวแคระขาว ELM เขากล่าวเสริม

ระบบคู่แปรแสงหายนะ(cataclysmic variable binary) แบบปกติ 

     ระบบคู่เกือบทั้งหมดประกอบด้วยดาวแคระขาวที่มีมวลราว 0.15 เท่ามวลดวงอาทิตย์ โดยดาวข้างเคียงมีมวลราว 0.8 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ดาวแคระขาวทั้งหมดแสดงสัญญาณการสูญเสียมวลให้กับดาวข้างเคียงของพวกมัน ในจำนวนนี้มี 13 ดวงที่กำลังเกิดกระบวนการ(สูญเสียมวล) อยู่ ในขณะที่ที่เหลืออีก 8 ดวงไม่มีการสูญเสียมวลแล้ว แต่ก็พองบวมราวกับว่าการสูญเสียมวลเพิ่งเกิดขึ้นไม่นาน ทั้ง 21 ดวงร้อนกว่าและสว่างกว่าดาวแคระขาวปกติในระบบคู่แปรแสงหายนะ

     ยังมีงานอีกมากเพื่อที่จะเข้าใจประชากรแปรแสงหายนะที่พัฒนาไปแล้วนี้ ซึ่งรวมถึงการสำรวจระบบคู่ทั้ง 21 คู่ในรายละเอียดที่เพิ่มเติม ทีมยังหวังว่าจะได้ย้อนกลับไปและพิจารณาอีก 29 ดวงจากว่าที่เดิม 50 ดวงให้ถี่ถ้วนมากขึ้น ก็เหมือนกับงานของนักมานุษยวิทยา(anthropologist) ในยุคปัจจุบันซึ่งกำลังเติมช่องว่างในวิวัฒนาการมนุษย์ El-Badry เองก็ประหลาดใจกับความหลากหลายรุ่มรวยของดาวที่เกิดขึ้นได้จากวิทยาศาสตร์พื้นๆ งานวิจัยเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Journal

แหล่งข่าว sciencealert.com : scientists said these stars were too small to exist, but we finally know their secret
                phys.org : astronomers observe a new type of binary star long predicted to exist