ลำแสงปฏิสสารจากพัลซาร์

 

ภาพในช่วงรังสีเอกซ์โดยกล้องจันทรา แสดงลำแสงจากพัลซาร์ที่ยาวทะลุมาถึงด้านล่างขวา การสำรวจเพิ่มเติมบอกว่า ลำแสงนี้มีความยาวเต็มๆ ถึง 7 ปีแสงและยังพบปฏิสสาร(antimatter) จำนวนมากด้วย 

   ธรรมชาติมักมีเรื่องที่ประหลาดมากกว่าในนิยายวิทยาศาสตร์จะนึกถึงเสมอ เมื่อนักดาราศาสตร์ได้ถ่ายภาพลำแสงสสารและปฏิสสารซึ่งยาว 65 ล้านล้านกิโลเมตรด้วยหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา ลำแสงที่ยาวเป็นสถิตินี้เกิดขึ้นจากพัลซาร์ ซึ่งเป็นซากดาวที่ยุบตัวลงที่มีสนามแม่เหล็กรุนแรงและหมุนรอบตัวเร็วมาก

     พัลซาร์(pulsar) นี้มีชื่อว่า PSR J2030+4415 อยู่ห่างจากโลกออกไป 1600 ปีแสงในกลุ่มดาวหงส์(Cygnus) มันเป็นวัตถุหนาแน่นสูงมากซึ่งก่อตัวขึ้นจากการยุบตัวของแกนกลางดาวมวลสูงที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา วัตถุที่เรียกว่าดาวนิวตรอน(neutron star) ซึ่งมีมวลระดับดวงอาทิตย์บีบอัดจนขนาดพอๆ กับเมืองแห่งหนึ่ง พัลซาร์เป็นดาวนิวตรอนชนิดหนึ่งซึ่งกำลังหมุนรอบตัวเร็วในระดับหลายร้อยรอบต่อวินาที(พัลซาร์แห่งนี้หมุนที่ราว 3 รอบต่อวินาที) เร็วกว่าพัดลมเพดานใดๆ

ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่หนาแน่นสูงที่สุดเท่าที่นักดาราศาสตร์เคยสำรวจได้โดยตรงมา โดยบีบอัดมวลราว 1 ล้านเท่าโลกไว้ในทรงกลมที่มีความกว้างราว 20 กิโลเมตร ภาพเปรียบเทียบขนาดของดาวนิวตรอนกับเมืองบอสตัน

     ด้วยขนาดที่ใหญ่โตมาก ลำแสงนี้อาจจะช่วยอธิบายจำนวนที่มากมายอย่างน่าประหลาดใจของโพสิตรอน(positron) ซึ่งเป็นปฏิสสาร(antimatter) ของอิเลคตรอน ที่พบได้ทั่วทางช้างเผือก เมื่อเอกภพส่วนมากประกอบด้วยสสารปกติมากกว่าปฏิสสาร  

     นักดาราศาสตร์ได้พบลำแสงหรือเส้นใยนี้ครั้งแรกในปี 2020 แต่พวกเขาก็ยังไม่ทราบความยาวโดยสมบูรณ์ของมันเนื่องจากมันแผ่ออกไปเกินขอบเครื่องตรวจจับของจันทรา การสำรวจของจันทราครั้งใหม่โดยนักวิจัยคู่เดิมที่ทำในเดือนกุมภาพันธ์และพฤศจิกายน 2021 ได้แสดงว่าเส้นใยนี้มีความยาวมากถึงสามเท่าของที่เคยเห็นในตอนแรก เส้นใยแผ่ยาวราวครึ่งหนึ่งเส้นผ่าศูนย์กลางของจันทร์เต็มดวงบนท้องฟ้า(ยาว 15 อาร์คนาที หรือ 7 ปีแสง) ทำให้มันเป็นโครงสร้างจากพัลซาร์ที่ยาวที่สุดเท่าที่เคยพบจากโลก

     Martjin de Vries นักดาราศาสตร์หลังปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ในปาโต อัลโต คาลิฟอร์เนีย ซึ่งนำทีมศึกษา กล่าวว่า มันน่าทึ่งที่พัลซาร์ซึ่งมีความกว้างเพียงสิบกว่ากิโลเมตร สามารถสร้างโครงสร้างที่ใหญ่โตมากเช่นนี้จนเราเห็นได้จากที่ไกลออกมาหลายพันปีแสง ด้วยขนาดเปรียบเทียบนี้ ถ้าเส้นใยนี้พาดจากนิวยอร์คถึงแอลเอ พัลซาร์ก็น่าจะมีขนาดเล็กกว่าวัตถุจิ๋วที่สุดที่สายตามนุษย์จะมองเห็นได้ ประมาณร้อยเท่า

     แต่นักดาราศาสตร์ไม่ได้แค่สนใจขนาดของมัน เมื่อผลสรุปนี้อาจจะเผยแง่มุมใหม่สู่แหล่งปฏิสสารในทางช้างเผือก ซึ่งมีความเหมือนกับสสารทั่วไป แต่มีประจุไฟฟ้าที่กลับกัน ยกตัวอย่างเช่น โพสิตรอนมีประจุบวกในคุณสมบัติที่เทียบเท่ากับอิเลคตรอน

      การสำรวจใหม่ได้แสดงว่าลำแสงใหญ่โตนี้ประกอบด้วยอนุภาคมีประจุพลังงานสูงจากความสุดขั้ว 2 อย่างของพัลซาร์คือ การหมุนรอบตัวที่เร็วมากและสนามแม่เหล็กรุนแรง ชักนำให้อนุภาคมีความเร่ง(acceleration) และการแผ่รังสีพลังงานสูงซึ่งสร้างคู่อิเลคตรอนและโพสิตรอนขึ้นมา(กระบวนการปกติจะเปลี่ยนมวลเป็นพลังงานตามสมการที่โด่งดัง E=mc^2 แต่สามารถกลับขั้วได้ ถ้าพลังงานสูงมากพอก็เปลี่ยนเป็นมวลได้)   

     พัลซาร์สร้างอนุภาคเหล่านั้นรวมทั้งโพสิตรอนออกมาตลอดเวลา แต่โดยปกติก็มักจะอยู่แต่ในขอบเขตของสนามแม่เหล็กพัลซาร์ แต่ J2030 กลับปล่อยให้เล็ดลอดออกสู่อวกาศห้วงลึก สร้างเป็นลำแสงขนาดมหึมา ทีมวิจัยคิดว่าการรั่วไหลเกิดขึ้นเนื่องจากการกระแทกรูปโบว์(bow shock) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสนามแม่เหล็กในลมพัลซาร์(pulsar wind) ที่ปกติจะปกคลุมโดยนำหน้าพัลซาร์เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ แต่บางครั้งเมื่อ 20 ถึง 30 ปีก่อน คลื่นกระแทกรูปโบว์ก็หยุดอยู่กับที่

ภาพนี้ซึ่งกว้าง 2.7 ปีแสงแสดงส่วนหนึ่งของลำแสงจากพัลซาร์ ซึ่งเป็นลำอนุภาคที่พุ่งออกสู่ด้านขวาล่าง การสำรวจเพิ่มเติมได้เผยให้เห็นความยาวเต็มๆ ที่ 7 ปีแสง พัลซาร์, ลมอนุภาคของพัลซาร์ และไอพ่นทั้งหมดเรืองในช่วงรังสีเอกซ์(สีฟ้า) สภาพแวดล้อมของพัลซาร์และคลื่นกระแทกรูปโบว์(bow shock) ถ่ายในช่วงตาเห็น(สีแดง)

     เมื่อพัลซาร์วิ่งมาจะชนและผ่านโบว์ในห้วงอวกาศไป การทะลุผ่านช่วยให้เส้นแรงสนามแม่เหล็กของพัลซาร์เชื่อมต่อกับสนามแม่เหล็กในอวกาศ อิเลคตรอนและโพสิตรอนพลังงานสูงที่ถูกกักไว้ หลุดออกผ่านจุดเชื่อมต่อที่กลายเป็นหัวฉีด พุ่งออกสู่อวกาศ อนุภาคที่รั่วออกมาดูเหมือนจะมีความเร็วเพิ่มขึ้นตามเส้นแรงสนามแม่เหล็กในห้วงอวกาศ จนถึงความเร็วราวหนึ่งในสามความเร็วแสง ทำให้ลำอนุภาคเรืองสว่างในช่วงรังสีเอกซ์

     บนโลก นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบโพสิตรอนตลอดเวลาแต่ไม่สามารถอธิบายได้อย่างเต็มปากเต็มคำว่าอนุภาคเหล่านี้มาจากไหน ถ้าพวกมันก่อตัวในเอกภพยุคต้น โพสิตรอนที่มีบนโลกตอนนี้ก็น่าจะชนกับสสารปกติ ทำลายล้าง(annihilate) ซึ่งกันและกันในกระบวนการนี้แทน

     ก่อนหน้านี้ นักดาราศาสตร์เคยได้สำรวจฮาโลขนาดใหญ่รอบพัลซาร์ใกล้ๆ ในช่วงรังสีแกมมาซึ่งได้บอกเป็นนัยว่าโพสิตรอนพลังงานสูงโดยปกติจะหลุดรั่วออกสุ่กาแลคซีได้ยาก จึงตัดแหล่งที่มาโพสิตรอนจากพัลซาร์ออกไป อย่างไรก็ตาม เพิ่งมีการค้นพบเส้นใยลักษณะนี้อย่าง J2030 เมื่อไม่นานมานี้ ซึ่งแสดงว่าแท้จริงแล้ว อนุภาค(ปฏิสสาร) สามารถหนีออกสู่ห้วงอวกาศได้ และต่อมาก็มาถึงโลก

ภาพระยะประชิดพัลซาร์แสดงการเรืองรังสีเอกซ์(สีฟ้า) ของวัตถุและอนุภาคทรงพลังรอบๆ มัน พัลซาร์แห่งนี้เพิ่งวิ่งทะลุผ่านคลื่นกระแทกรูปโบว์ ที่เห็นเป็นครึ่งวงกลมของไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออน(ionized hydrogen) ในช่วงตาเห็น(สีแดง)  

     การทะลุผ่านเช่นนี้พบเห็นได้ยาก โดยรวมแล้ว มันเป็นพัลซาร์แห่งที่สี่เท่านั้นที่ได้สร้างเส้นใยแคบยาวเช่นนี้ แต่อาจเป็นเพราะเหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นเป็นเวลาสั้นๆ(สิบกว่าปี) น้ำพุโพสิตรอนอย่าง PSR J2030 ก็น่าจะเป็นแหล่งของโพสิตรอนที่นักวิทยาศาสตร์พบในทางช้างเผือก งานวิจัยเผยแพร่เป็นรายงานโพสในเวบไซท์ก่อนตีพิมพ์ arXiv วันที่ 7 กุมภาพันธ์ และเผยแพร่ใน Astrophysical Journal

แหล่งข่าว space.com : small stellar corpse shoots beam of matter and antimatter trillions of miles into deep space   
               spaceref.com : tiny star unleashes gargantuan beam of matter and antimatter
               skyandtelescope.com : pulsar shoots 7-light-year-long phaser blast
                sciencealert.com : a huge beam of antimatter has been caught streaming from this runaway pulsar