หลักฐานการสะสมเศษซากเข้าสู่ดาวแคระขาว

 

ภาพจากศิลปินแสดงดิสก์เศษซากจากสิ่งที่เคยเป็นระบบดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ เมื่อดาวฤกษ์มีการพัฒนาเมื่อมีอายุมากขึ้น เสถียรภาพในระบบดาวเคราะห์จะถูกสั่นคลอน วัตถุต่างๆ ชนกัน จนกระทั่งดาวฤกษ์กลายสภาพเป็นดาวแคระขาวในภาพ

   ในที่สุด นักดาราศาสตร์ก็สำรวจพบเศษซากที่เหลือจากดาวเคราะห์ที่ถูกทำลาย ได้เข้าสู่ชั้นบรรยากาศของดาวแคระขาวซึ่งเป็นแกนกลางเปลือยของดาวฤกษ์อายุมาก

      สิ่งที่นักดาราศาสตร์เห็นนั้นเป็นการเปล่งรังสีเอกซ์เพื่อตรวจจับวัสดุสารหินและก๊าซที่เหลืออยู่ของดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง หลังจากที่ดาวฤกษ์แม่ของมันตายลง เมื่อชิ้นส่วนเหล่านั้นชนกันและถูกกลืนเข้าสู่พื้นผิวดาวแคระขาว รายงานที่เผยแพร่วันที่ 9 กุมภาพันธ์ ในวารสาร Nature ผลสรุปที่ได้เป็นการตรวจสอบการสะสมมวลสาร(accretion) วัสดุสารหินบนดาวแคระขาวได้โดยตรงเป็นครั้งแรก และเป็นการยืนยันหลักฐานโดยอ้อมหลายทศวรรษของการสะสมมวลสารของดาวแคระขาวกว่าพันดวง เหตุการณ์ที่สำรวจพบน่าจะเกิดขึ้นในอีกหลายพันล้านปีหลังจากการก่อตัวของระบบดาวเคราะห์

      ชะตากรรมของดาวฤกษ์เกือบทั้งหมดซึ่งรวมถึงดวงอาทิตย์ของเรา(ราว 95%) จะกลายเป็นดาวแคระขาว(white dwarf) ซึ่งเผาไหม้เชื้อเพลิงของมันจนหมด และทิ้งเปลือกก๊าซชั้นนอกๆ ออกมา เหลือแกนกลางที่ยังร้อนของดาวฤกษ์ซึ่งจะสว่างจากความร้อนที่เหลืออยู่เหมือนกับก้อนถ่านที่กำลังมอดดับ ซึ่งก็คือ ดาวแคระขาว การทิ้งเปลือกชั้นนอกของดาวฤกษ์อาจจะทำลายหรือรบกวนเสถียรภาพวัตถุใดๆ ในวงโคจร วัสดุสารจากวัตถุเหล่านั้นถูกดึงเข้าหาดาวแคระขาวด้วยความเร็วมากพอ มันจะพุ่งลงมาถึงพื้นผิวดาวแคระขาวและก่อตัวพลาสมาซึ่งร้อนขึ้นจากการกระแทก(shock-heated) พลาสมานี้มีอุณหภูมิสูงตั้งแต่ระดับหนึ่งแสนจนถึงหนึ่งล้านเคลวิน ซึ่งจะเปล่งรังสีเอกซ์ออกมาให้ตรวจจับได้

วงจรชีวิตดวงอาทิตย์ซึ่งขณะนี้มีอายุราว 4.5 พันล้านปี จัดอยู่ในช่วงวัยกลางคน และจะมีชีวิตต่อไปอีกราว 5 พันล้านปี ก่อนที่จะเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในแกนกลางจะหมดลง ดาวเย็นตัวและขยายตัวกลายเป็นดาวยักษ์แดง ปล่อยเปลือกก๊าซรอบนอกออกสู่อวกาศ เหลือไว้แต่แกนกลางที่ยังร้อนซึ่งก็คือ ดาวแคระขาว

     มีการค้นพบดาวแคระขาวมากกว่า 3 แสนดวงในทางช้างเผือกของเรา และเชื่อกันว่าหลายๆ ดวงกำลังสะสมเศษซากจากดาวเคราะห์และวัตถุอื่นๆ ที่ครั้งหนึ่งเคยโคจรรอบพวกมัน เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบสเปคตรัมในช่วงตาเห็นและอุลตราไวโอเลต เพื่อตรวจสอบปริมาณธาตุบนพื้นผิวดาวแคระขาว และหาให้ได้ว่าองค์ประกอบวัตถุเหล่านั้นมาจากไหน นักดาราศาสตร์จึงมีหลักฐานโดยอ้อมจากการตรวจสอบสเปคตรัมว่าวัตถุเหล่านั้นกำลังสะสมมวลสาร ซึ่งแสดงว่าดาวแคระขาวราว 25 ถึง 50% มีธาตุหนักเช่น เหล็ก, คัลเซียม, มักนีเซียม เจือปนในชั้นบรรยากาศของพวกมัน ซึ่งมันหนักมากพอที่จะหายไปโดยจมลงสู่ภายในดาวแคระขาว ดาวแคระขาวเหล่านี้จึงถูกเรียกว่า ปนเปื้อน(polluted) แต่กระทั่งบัดนี้ นักดาราศาสตร์ก็ไม่เคยได้เห็นวัสดุสารที่ถูกดึงเข้าสู่ดาวแคระขาวเลย

     Tim Cunningham จากแผนกฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยวอร์วิค กล่าวว่า สุดท้ายเราก็ได้เห็นวัสดุสารที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศดาวแคระขาวจริงๆ นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถหาอัตราการสะสมมวลสารโดยที่ไม่ต้องพึ่งพาแบบจำลองรายละเอียดชั้นบรรยากาศดาวแคระขาวเลย ที่ค่อนข้างน่าประทับใจก็คือมันสอดคล้องอย่างมากกับสิ่งที่เคยคำนวณได้ ก่อนหน้านี้ การตรวจสอบอัตราการสะสมมวลสารใช้การตรวจสอบสเปคตรัมและขึ้นอยู่กับแบบจำลองดาวแคระขาว ซึ่งก็มีแบบจำลองจำนวนมากเพื่อคำนวณว่าธาตุหนึ่งๆ กำลังหลุดออกจากชั้นบรรยากาศลงสู่พื้นผิวดาวแคระขาวเร็วแค่ไหน และบอกเราได้ว่าจากอัตราการสะสมที่ได้จะมีปริมาณที่สะสมมากน้อยแค่ไหน จากนั้นคุณก็คำนวณย้อนกลับไปแล้วดูว่ามีธาตุหนึ่งๆ บนวัตถุต้นกำเนิดมากแค่ไหน จะเป็นดาวเคราะห์, ดวงจันทร์ หรือดาวเคราะห์น้อย

     การตรวจจับรังสีเอกซ์จากการสะสมเศษซากเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างมากเมื่อจะมีโฟตอนจำนวนน้อยเดินทางมาถึงโลก ซึ่งจะสูญหายไปท่ามกลางแหล่งรังสีเอกซ์สว่างอื่นๆ บนท้องฟ้า นักดาราศาสตร์จึงใช้ข้อได้เปรียบของหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา ซึ่งปกติจะตรวจจับรังสีเอกซ์จากหลุมดำและดาวนิวตรอนที่กำลังสะสมมวลสาร เพื่อมาวิเคราะห์ดาวแคระขาวปนเปื้อน G29-38 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 57 ปีแสงนี้ ซึ่งคิดกันว่ามีอายุค่อนข้างน้อย เพิ่งยุบตัวเมื่อเพียง 6 ร้อยล้านปีก่อนเท่านั้น การศึกษาก่อนหน้านี้ยังบอกว่าดาวแคระขาวดวงนี้ถูกล้อมรอบด้วยดิสก์เศษซาก และมีธาตุหนักปนเปื้อนในชั้นบรรยากาศของมัน  

ภาพจากศิลปินแสดงเศษซากวัสดุที่พุ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศดาวแคระขาวด้วยความเร็วสูง จนสร้างรังสีเอกซ์ออกมา จากปริมาณรังสีเอกซ์ที่ตรวจพบสามารถคำนวณอัตราการสะสมมวลสารเข้าสู่ดาวแคระขาว และทราบถึงปริมาณการปนเปื้อนธาตุต่างๆ ได้ credit: Mark Gallick/University of Warwick 

     ด้วยความละเอียดเชิงมุมของจันทราที่มีมากกว่ากล้องอื่นๆ พวกเขาก็สามารถแยกดาวเป้าหมายออกจากแหล่งรังสีเอกซ์อื่นๆ และมองเห็นรังสีเอกซ์จากดาวแคระขาวที่โดดเดี่ยวดวงหนึ่งได้เป็นครั้งแรก

      มันช่วยยืนยันการสำรวจวัสดุสารที่สะสมเข้าสู่ดาวแคระขาวตลอดหลายทศวรรษซึ่งพึ่งพาหลักฐานจากการตรวจสอบสเปคตรัม Cunningham กล่าวเสริมว่า สิ่งที่น่าตื่นเต้นจริงๆ ในผลสรุปนี้ก็คือ เรากำลังทำงานกับช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างออกไป คือรังสีเอกซ์ และมันก็ช่วยให้เราได้ตรวจสอบฟิสิกส์ชนิดที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิงได้ การตรวจจับนี้เป็นหลักฐานโดยตรงครั้งแรกว่าดาวแคระขาวกำลังสะสมเศษซากจากระบบดาวเคราะห์เก่า

     การตรวจสอบการสะสมมวลสารในแบบนี้จะเป็นเทคนิคใหม่ที่เราจะสามารถศึกษาระบบเหล่านี้ ได้ให้แง่มุมสู่ชะตากรรมที่น่าจะเป็นไปได้สำหรับระบบดาวเคราะห์ต่างด้าวหลายพันแห่ง ซึ่งรวมถึงระบบสุริยะของเราด้วย แต่ยังไม่ต้องเป็นกังวล ดวงอาทิตย์ของเรายังไม่กลายเป็นดาวแคระขาวอีกหลายพันล้านปี

 

แหล่งข่าว phys.org : final moments of planetary remnants seen for the first time
                sciencealert.com : we have the first direct evidence of a white dwarf violently ripping apart a planet   
               iflscience.com : fragments of a planet seen getting destroyed by white dwarf for first time