ปริศนาที่ยังคงอยู่ในการควบรวมดาวนิวตรอนครั้งประวัติศาสตร์

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวนิวตรอนสองดวงหมุนวนเข้าหากันและกัน จนชนและควบรวมกัน ในเบื้องต้น นักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบว่า วัตถุที่ควบรวมได้ จะเป็นดาวนิวตรอนหนัก หรือหลุมดำที่เบา แต่การสำรวจครั้งใหม่ได้ให้เงื่อนงำวัตถุนี้

    การเรืองรังสีเอกซ์ประหลาดที่พบเห็นบนท้องฟ้าสามปีครึ่งหลังจากการชนครั้งประวัติศาสตร์ระหว่างดาวนิวตรอนสองดวง นักดาราศาสตร์ที่ศึกษาอวกาศในพื้นที่นี้ บอกว่ามันอาจเป็นแสงเรืองไล่หลัง(afterglow) จากการระเบิดกิโลโนวา(kilonova) ที่ถูกสร้างโดยการควบรวม ซึ่งน่าจะถูกสร้างโดยคลื่นกระแทก(shockwave) จากการระเบิดชนกับฝุ่นในห้วงอวกาศในพื้นที่รอบข้างการระเบิด

     หรืออีกทางเลือกหนึ่ง แสงเรืองน่าจะถูกสร้างโดยวัสดุสารที่ถูกผลักออกมาในระหว่างการระเบิด ได้ตกกลับสู่วัตถุที่เพิ่งควบรวมได้ ซึ่งน่าจะเป็นหลุมดำมวลต่ำ ไม่ว่าเป็นทางไหน ก็ไม่เคยพบปรากฏการณ์ประหลาดเท่านั้นมาก่อน เราได้เข้าสู่พรมแดนใหม่โดยการศึกษาผลที่เกิดขึ้นจากการควบรวมของดาวนิวตรอนนี้ Aprajita Hajela นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทิร์น กล่าว เรากำลังได้เห็นสิ่งใหม่เอี่ยมพิเศษนี้เป็นครั้งแรกเลย ช่วยให้เรามีโอกาสในการศึกษาและเข้าใจกระบวนการทางกายภาพใหม่ๆ ซึ่งไม่เคยถูกสำรวจพบมาก่อน 

     คลื่นความโน้มถ่วงจากการควบรวมเหตุการณ์นี้ถูกพบครั้งแรกในวันที่ 17 สิงหาคม 2017 โดย Advanced LIGO(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) และกลุ่มความร่วมมือ Virgo กล้องโทรทรรศน์ทั้งภาคพื้นดินและในอวกาศได้ตามรอยอย่างรวดเร็ว มีการเปล่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาตลอดด้วย ซึ่งบันทึกการปะทุรังสีแกมมา(gamma ray burst) และการเปล่งคลื่นในช่วงตาเห็นและอินฟราเรดได้ ซึ่งทั้งหมดได้ยืนยันทฤษฎีว่ามีการสร้างธาตุหนักมากมายอันเป็นผลจากการควบรวมลักษณะนี้ภายในวัสดุสารที่ระเบิดออก ที่สร้างกิโลโนวา(kilonova) สว่าง การเรืองของกิโลโนวาเกิดขึ้นจากแสงที่เปล่งในระหว่างการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เช่น ทองคำขาว(platinum) และทองคำ ซึ่งถูกสร้างซึ่งในเศษซากการควบรวมนี้

การสำรวจคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคู่เคียง(electromagnetic counterpart) ในพื้นที่และเวลาใกล้เคียงกับที่พบคลื่นความโน้มถ่วงจาก GW 170817

     กล้องจันทราเองก็สำรวจ GW 170817 ด้วยเช่นกัน แต่ไม่เห็นสัญญาณจนกระทั่งอีก 9 วันต่อมา ซึ่งบอกว่าการควบรวมยังสร้างไอพ่นวัสดุสารลำแคบที่เมื่อชนกับวัสดุสารรอบๆ ดาวนิวตรอน จะเปล่งกรวย(cone) รังสีเอกซ์ซึ่งในตอนแรกไม่ได้เล็งมาที่โลกจังๆ แต่ต่อมาเมื่อหัวของไอพ่นขยายออกและเริ่มเปล่งรังสีเอกซ์ เป็นไอพ่นลำกว้างขึ้นที่มองเห็นได้จากโลก การเปล่งรังสีเอกซ์จากไอพ่นนี้เพิ่มตลอด 160 วันหลังจากการควบรวม หลังจากนั้น ก็ค่อยๆ สลัวลงอย่างคงที่เมื่อไอพ่นช้าลงและขยายตัวออกไปมาก แต่ Hajeta และทีมสังเกตว่าตั้งแต่เดือนมีนาคม 2020(ประมาณ 900 วันหลังจากกาควบรวม) จนถึงสิ้นปี 2020 ความสว่างกลับไม่ลดลงและหยุดอยู่ การเปล่งรังสีเอกซ์มีความสว่างที่คงที่

     ความจริงที่ว่าการสลัวลงของรังสีเอกซ์หยุดลงเป็นหลักฐานที่ดีที่สุดที่เรามี ว่ามีบางสิ่งนอกเหนือจากไอพ่นที่ตรวจจับได้ในรังสีเอกซ์จากแหล่งนี้ Raffaella Margutti นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย(UC) เบิร์กลีย์ และผู้เขียนอาวุโสในการศึกษาซึ่งเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 28 กุมภาพันธ์ กล่าว เพื่อใช้ในการอธิบายสิ่งที่เรากำลังได้เห็น มีความจำเป็นที่ต้องเพิ่มแหล่งรังสีเอกซ์อื่นที่แตกต่างออกไป

     จากการวิเคราะห์ของทีม คำอธิบายที่สอดคล้องกับการเรืองไล่หลังนี้ก็คือ คลื่นกระแทกสัมพัทธภาพ คลื่นกระแทกนี้เป็นผลจากการยุบตัวอย่างล่าช้าของดาวนิวตรอนที่ควบรวม ซึ่งน่าจะเป็นเพราะมันหมุนรอบตัวเร็วเพื่อต้านทานการยุบตัวลงโดยคงอยู่เพียงไม่กี่วินาที(ก่อนที่จะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ) เกิดขึ้นคล้ายกับโซนิกบูม(sonic boom) จากเครื่องบินความเร็วเหนือเสียงบนโลก ก็คือ เมื่อวัสดุสารนี้ขยายตัวออกสู่อวกาศรอบๆ พื้นที่การควบรวม มันจะชนกับก๊าซ สร้างคลื่นกระแทกที่ทำให้ก๊าซร้อนขึ้น และเป็นสาเหตุให้มีการเรืองรังสีเอกซ์เกิดขึ้น ซึ่งถ้าเป็นกรณีนี้ ก็จะบอกได้ว่า การก่อตัวของหลุมดำจากการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง ไม่ใช่กระบวนการที่เกิดขึ้นรวดเดียวจบ

     คำอธิบายอีกทางก็คือ เมื่อหลุมดำก่อตัวขึ้น วัสดุสารรอบๆ มันจะเริ่มตกลง หลังจากก่อตัวเป็นดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk)    

ในภาพจากศิลปิน การควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวงได้ก่อตัวหลุมดำขึ้นมา(ซ่อนอยู่ในก้อนสว่างป่องในใจกลางภาพ) ได้สร้างไอพ่นอนุภาคพลังงานสูง(สีฟ้า) ที่ทำให้วัสดุสารรอบวัตถุนี้ร้อนขึ้นจนมันเปล่งรังสีเอกซ์ออกมา(เมฆสีแดง) จันทรายังคงตรวจจับรังสีเอกซ์จากเหตุการณ์นี้ได้จนทุกวันนี้ ซึ่งอาจเกิดขึ้นจากคลื่นกระแทกในวัสดุสารรอบหลุมดำ หรือจากวัสดุสารทีตกลงสู่หลุมดำอย่างรุนแรง(จานสีเหลืองรอบก้อนป่อง)

     ถ้าดาวนิวตรอนที่ควบรวมกันได้ยุบตัวโดยตรงกลายเป็นหลุมดำโดยไม่มีขั้นตอนมาคั่น มันก็น่าจะยากมากๆ ที่จะอธิบายรังสีเอกซ์จำนวนมากที่เราได้เห็นตอนนี้ เนื่องจากไม่น่าจะมีพื้นผิวแข็งอยู่ให้สสารกระดอนออกมาด้วยความเร็วที่สูงมากเพื่อสร้างแสงเรืองไล่หลัง Margutti รองศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์และฟิสิกส์ กล่าว มันก็น่าจะตกลงไปก็เท่านั้น เหตุผลที่แท้จริงว่าเพราะอะไรฉันจึงตื่นเต้นก็คือ ความเป็นไปได้ที่เรากำลังได้เห็นบางสิ่งที่มากกว่าไอพ่น ในที่สุดเราอาจจะได้ข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับวัตถุใหม่นี้

     นี่อาจเป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นแสงเรืองไล่หลังกิโลโนวา หรือเป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นวัสดุสารตกลงสู่หลุมดำหลังจากการควบรวมของดาวนิวตรอน Joe Bright ผู้เขียนร่วม นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ยูซี เบิร์กลีย์ กล่าว ไม่ว่าจะมาจากทางไหนก็น่าตื่นเต้นอย่างสุดขั้ว

     ขณะนี้ จันทราเป็นหอสังเกตการณ์เพียงแห่งเดียวที่ยังคงตรวจจับแสงจากการชนนี้ได้ การสำรวจติดตามผลด้วยจันทราและกล้องโทรทรรศน์วิทยุน่าจะแยกแยะได้ระหว่างคำอธิบายทั้งสอง อย่างไรก็ตาม ถ้ามันเป็นแสงเรืองไล่หลังกิโลโนวา ก็คาดว่าจะตรวจจับการเปล่งรังสีเอกซ์และคลื่นวิทยุสว่างขึ้นได้ในอีกไม่กี่เดือนหรือไม่กี่ปีข้างหน้านี้ เมื่อการกระแทกยังคงถางผ่านสภาพแวดล้อมของมันไป แต่ถ้ารังสีเอกซ์ถูกสร้างโดยวัสดุสารที่ตกลงสู่หลุมดำที่เพิ่งก่อตัวใหม่ ดังนั้นแล้ว รังสีเอกซ์ที่ผลิตออกมาก็น่าจะคงที่หรือลดลงอย่างรวดเร็ว และไม่พบคลื่นวิทยุเลย

     Margutti หวังว่า LIGO, Virgo และกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ จะตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากการควบรวมของดาวนิวตรอนได้มากขึ้นอีก เพื่อที่เมื่อมีเหตุการณ์เกิดมากขึ้นและมีการติดตามผลมากขึ้น ก็จะสามารถระบุได้แม่นยำมากขึ้น และช่วยเผยให้เห็นฟิสิกส์การก่อตัวของหลุมดำ จนกระทั่งบัดนี้ GW 170817 เป็นเพียงตัวอย่างเดียวที่มีให้ศึกษา

การควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวงได้สร้างหลุมดำ(สีขาวกลางภาพ) และการปะทุรังสีแกมมาซึ่งเกิดจากไอพ่นอนุภาคพลังงานสูงลำแคบๆ แสดงเป็นสีแดง ในตอนแรก ไอพ่นยังแคบและจันทราก็มองไม่เห็น ต่อมาวัสดุสารในไอพ่นช้าลงและขยายออกกว้างขึ้น(สีฟ้า) เมื่อมันชนกับวัสดุสารรอบข้างเกิดสิ่งที่คล้ายโซนิคบูม สร้างการเปล่งรังสีเอกซ์ขึ้นมาจนไอพ่นหันเข้าหาจันทราโดยตรง

     การศึกษา GW 170817 ต่อๆ ไปน่าจะให้นัยยะที่เกินคาดคิด Kate Alexander ผู้เขียนร่วม นักวิจัยหลังปริญญาเอกจากนอร์ธเวสเทิร์น กล่าว การตรวจจับแสงเรืองไล่หลังกิโลโนวา น่าจะบอกว่าการควบรวมไม่ได้สร้างหลุมดำขึ้นในทันที วัตถุนี้อาจจะให้โอกาสแก่นักวิจัยในการศึกษาว่าสสารตกลงสู่หลุมดำไม่กี่ปีหลังจากที่มันเกิดขึ้นอย่างไร Margutti และทีมเพิ่งประกาศว่าจันทราได้ตรวจจับรังสีเอกซ์ในการสำรวจ GW 170817 ที่ทำในเดือนธันวาคม 2021 ยังคงทำการวิเคราะห์ข้อมูลนั้นอยู่ ไม่มีรายงานการตรวจพบคลื่นวิทยุที่เกี่ยวข้องกับรังสีเอกซ์นี้แต่อย่างใด

แหล่งข่าว phys.org : did rapid spin delay 2107 collapse of neutron stars into black hole?
                sciencealert.com : we might have seen the afterglow of a neutron star kilonova explosion
                space.com : possible massive “kilonova” explosion creates an epic afterglow
                 scitechdaily.com : astronomers may have detected a “sonic boom” from a powerful blast known as a kilonova