เฝ้าดูการระเบิดของดาวซุปเปอร์ยักษ์แดง

 

ภาพจากศิลปินแสดงซุปเปอร์โนวาจากดาวฤกษ์ที่มีมวลตั้งแต่ 8 เท่าดวงอาทิตย์ขึ้นไป 

    เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้จับภาพการจบชีวิตอย่างรุนแรงของดาวซุปเปอร์ยักษ์แดง(red supergiant) ดวงหนึ่งไว้ได้ในเวลาจริง โดยเฝ้าดูการทำลายตัวเองอย่างรวดเร็ว และลมหายใจเฮือกสุดท้ายก่อนที่ดาวมวลสูงนี้จะยุบและระเบิดกลายเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดสอง (Type II supernova) ซุปเปอร์โนวาชนิดนี้เกิดขึ้นเมื่อดาวมวลสูงตายลงโดยหมดเชื้อเพลิงในแกนกลางและยุบตัวลง เมื่อไม่สามารถรักษาสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงดันจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้อีกต่อไป จะเกิดการระเบิดที่รุนแรงสว่างเจิดจ้าตามหลังการยุบตัว ส่งคลื่นกระแทกออกไปทั่วอวกาศ และมักจะเหลือแกนกลางที่หนาแน่นสูงที่ล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆก๊าซที่เรียกว่า เนบิวลา(nebula) เอาไว้  

      ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น และมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย(UC) เบิร์กลีย์ ได้สำรวจดาวซุปเปอร์ยักษ์แดงดวงนี้ในช่วง 130 วันสุดท้ายของมัน ซึ่งนำไปสู่การระเบิดทำลายล้างตัวเอง การค้นพบขัดแย้งกับแนวคิดก่อนหน้านี้ว่าซุปเปอร์ยักษ์แดงจะพัฒนาไปอย่างไรก่อนที่จะระเบิด

      การสำรวจก่อนหน้านี้ได้แสดงว่าซุปเปอร์ยักษ์แดงนั้นค่อนข้างเงียบกริบก่อนตาย โดยไม่พบหลักฐานการปะทุที่รุนแรงหรือการเปล่งกำลังสว่างจ้า แต่อย่างไรก็ตาม การสำรวจใหม่ได้พบการเปล่งรังสีที่สว่างจากซุปเปอร์ยักษ์แดงในช่วงปีสุดท้ายก่อนระเบิด นี่บอกว่าอย่างน้อยซุปเปอร์ยักษ์แดงบางส่วนก็จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในไปพอสมควร ซึ่งเป็นผลให้เกิดการผลักก๊าซที่รุนแรงจนสว่างขึ้นก่อนที่จะยุบตัว

      นี่เป็นการแผ้วถางความเข้าใจของเราว่าดาวมวลสูงทำอะไรก่อนที่มันจะตาย Wynn Jacobson-Galan ผู้เขียนนำการศึกษานี้ ไม่เคยมีการสำรวจพบกิจกรรมก่อนการระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาจากซุปเปอร์ยักษ์แดงดวงหนึ่ง ได้โดยตรง ก่อนที่จะเกิดซุปเปอร์โนวาชนิดสอง นี่เป็นครั้งแรกที่เราดูซุปเปอร์ยักษ์แดงดวงหนึ่งระเบิด การค้นพบนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 6 มกราคม 2022

(1)เมื่อดาวฤกษ์มวลสูงถึงจุดจบชีวิต โครงสร้างภายในของมันจะเป็นชั้นๆ เหมือนหัวหอมใหญ่ (2)เหล็กในแกนกลางไม่สามารถสร้างพลังงาน แรงโน้มถ่วงของดาวทำให้ดาวยุบตัวลง (3)การยุบตัวในแกนกลางทำให้อะตอมแตกออก โปรตอนและอิเลคตรอนรวมตัวกลายเป็นนิวตรอน สร้างนิวตริโนขึ้นซึ่งวิ่งออกมาจากแกนกลาง เกิดแรงดัน (4)นิวตริโนวิ่งออกในขณะที่วัสดุสารรอบแกนกลางยังคงยุบตัวลง เกิดคลื่นกระแทกซึ่งระเบิดดาวออกเป็นซุปเปอร์โนวา

     แม้ว่างานวิจัยนี้จะทำที่นอร์ธเวสเทิร์นเมื่อ Jacobson-Galan ยังเป็นนักวิจัยทุนของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ แต่เราก็ได้ย้ายไปยูซีเบิร์กลีย์แล้ว ผู้เขียนร่วมที่นอร์ธเวสเทิร์น ได้แก่ Deanne Coppejans, Charlie Kilpatrick, Giacomo Terreran, Peter Blanchard และ Linsay DeMarchi ซึ่งทั้งหมดเป็นสมาชิกของศูนย์เพื่อการวิจัยศึกษาและสหวิทยาการในดาราศาสตร์ฟิสิกส์(CIERA)

     โครงการ Pan-STARRS ของสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวาย ในฮาลีคาลา ฮาวาย ได้พบดาวมวลสูงดวงนี้เป็นครั้งแรกในฤดูร้อนปี 2020 จากแสงจำนวนมากที่ซุปเปอร์ยักษ์แดงดวงนี้เปล่งออกมา ในอีกไม่กี่เดือนต่อมาในฤดูใบไม้ร่วงปี 2020 ก็เกิดซุปเปอร์โนวาขึ้น ทีมได้จับแสงนี้อย่างรวดเร็วและเก็บสเปคตรัมในช่วงแรกๆ สุดของการระเบิดได้ซึ่งเรียกว่า ซุปเปอร์โนวา 2020tlf โดยใช้สเปคโตรมิเตอร์ถ่ายภาพความละเอียดต่ำ บนกล้องเคกในฮาวาย ข้อมูลได้แสดงหลักฐานของวัสดุสารหนาทึบที่ล้อมรอบดาวในช่วงเวลาที่เกิดระเบิด ซึ่งน่าจะเป็นมวลก๊าซเดียวกับที่ Pan-STARRS ได้ถ่ายภาพซุปเปอร์ยักษ์แดงเมื่อเกิดการปะทุอย่างรุนแรงในฤดูร้อนก่อนหน้านั้น

      Raffaella Margutti รองศาสตราจารย์วุฒิคุณที่ CIERA และผู้เขียนอาวุโสรายงานนี้ กล่าวว่า มันก็เหมือนกับการเฝ้าดูระเบิดเวลานับถอยหลัง จนถึงบัดนี้ เราไม่เคยได้ยืนยันกิจกรรมที่รุนแรงในดาวซุปเปอร์ยักษ์แดงที่กำลังจะตายซึ่งเราได้เห็นมันเปล่งแสงที่สว่างมาก จากนั้นก็ยุบตัวและตูม

     ทีมยังคงจับตาดู SN2020tlf หลังจากการระเบิด จากข้อมูลที่รวบรวมได้ Deep Imaging and Multi-object Spectrograph และNear Infrared Echelle Spectrograph ของเคก เช่นเดียวกับหอสังเกตการณ์สวิฟท์ในวงโคจร นักวิจัยได้ตรวจสอบดาวซุปเปอร์ยักษ์แดงต้นกำเนิดซุปเปอร์โนวา 2020tlf ซึ่งอยู่ในกาแลคซี NGC 5731 ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 120 ล้านปีแสง พบว่ามันมีมวล 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์

ช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนที่จะระเบิด ความไม่เสถียรเป็นสาเหตุให้ความสว่างของดาวที่จะกลายเป็นซุปเปอร์โนวา 2020tlf ปั่นป่วนอย่างรุนแรง นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้แง่มุมสู่ช่วงวันท้ายๆ ของซุปเปอร์ยักษ์แดง

     Margutti และ Jacobson-Galan ได้ทำการศึกษาเกือบทั้งหมดในช่วงที่อยู่ที่นอร์ธเวสเทิร์น โดย Margutti ทำหน้าที่เป็นรองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และสมาชิก CIERA และ Jacobson-Galan เป็นนักศึกษาในทีมวิจัย Margutti ในขณะที่ปัจจุบัน Margutti เป็นรองศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ยูซีเบิร์กลีย์ งานวิจัยนี้ใช้การเข้าถึงกล้องที่หอเคกจากทางไกลที่นอร์ธเวสเทิร์น จากวิทยาเขตเอฟวานสตัน นักดาราศาสตร์สื่อสารกับผู้ดำเนินงานกล้องที่ฮาวาย และเลือกตำแหน่งที่หันกล้องไป เมื่อไม่ต้องเดินทางไกลไปถึงฮาวาย นักดาราศาสตร์ก็สงวนเวลาการสำรวจอันมีค่า ได้พบเหตุการณ์ชั่วคราวอย่างเช่นซุปเปอร์โนวา ซึ่งปะทุขึ้นอย่างรวดเร็วและหายไปในเวลาอันสั้น

    นักดาราศาสตร์หวังว่าจะได้พบซุปเปอร์ยักษ์แดงก่อนระเบิดซุปเปอร์โนวาเพิ่มเติมอีก เพื่อให้เข้าใจช่วงวันท้ายๆ ที่นำไปสู่การระเบิดซุปเปอร์โนวาได้ดีขึ้น ผมตื่นเต้นมากๆ กับสิ่งที่ไม่เคยรู้มาก่อนนี้ซึ่งเปิดเผยออกมากับการค้นพบนี้ Jaconson-Galan กล่าว การตรวจจับเหตุการณ์อย่าง SN2020tlf ให้มากขึ้นจะส่งผลอย่างใหญ่หลวงต่อความรู้ของเราในช่วงเดือนท้ายๆ ของวิวัฒนาการดาวฤกษ์ ประสานความร่วมมือของนักสังเกตการณ์กับนักทฤษฎีในความพยายามเพื่อไขปริศนาว่าดาวมวลสูงใช้ชีวิตช่วงสุดท้ายของพวกมันอย่างไร

แหล่งข่าว scitechdaily.com : astronomers capture red supergiant star exploding in massive supernova – for the very first time
                 space.com : Death star- in cosmic first, scientists observe red supergiant just before it explode
                 sciencealert.com : for the first time, we’ve seen a red giant star transition into a supernova