อดีตและอนาคตของดวงอาทิตย์

 

      เราหวังว่าเราจะมองเห็นอนาคตได้ ขณะนี้ ต้องขอบคุณข้อมูลล่าสุดจากปฏิบัติการทำแผนที่ดาวไกอา(Gaia) นักดาราศาสตร์สามารถมองเห็นอนาคตของดวงอาทิตย์ได้ ด้วยการจำแนกดาวฤกษ์ที่มีมวลและองค์ประกอบเหมือนกับดวงอาทิตย์อย่างเที่ยงตรง ก็สามารถเห็นได้ว่าดวงอาทิตย์ของเราจะพัฒนาไปอย่างไรในอนาคต

     การเผยแพร่ข้อมูลรอบสาม(data release 3; DR3) จากไกอา เมื่อวันที่ 13 มิถุนายน 2022 ผลิตผลหลักอย่างหนึ่งที่เป็นรากฐานแก่งานวิจัยนี้ก็คือ ฐานข้อมูลคุณสมบัติของดาวฤกษ์หลายร้อยล้านดวง ตัวแปรเหล่านี้รวมถึงอุณหภูมิ, มวล และขนาดทางกายภาพ ไกอายังตรวจสอบความสว่างปรากฏของดาวเมื่อมองจากโลก และสีของมันได้อย่างเที่ยงตรงมาก การเปลี่ยนคุณสมบัติที่สำรวจได้เหล่านี้ให้เป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของดาว เป็นเรื่องที่โหดหิน

     Orlagh Creevey จากหอสังเกตการณ์ โค้ตดาซูร์ ฝรั่งเศส และเพื่อนร่วมงานจากหน่วยประสานงานที่ 8 ของไกอา รับผิดชอบการสกัดตัวแปรทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์เหล่านั้นจากการสำรวจของไกอา เพื่อที่จะทำเช่นนั้น ทีมใช้งานที่บุกเบิกโดยนักดาราศาสตร์ที่ทำงานที่หอสังเกตการณ์วิทยาลัยฮาร์วาร์ด แมสซาชูเสตต์ ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 จนถึง ต้นศตวรรษที่ 20

     ในช่วงเวลาดังกล่าว ความพยายามของนักดาราศาสตร์มุ่งเป้าไปที่การจำแนกลักษณะของเส้นสเปคตรัม(spectral lines) ซึ่งเป็นเส้นสีมืดที่ปรากฏในแถบสีรุ้งที่เกิดเมื่อแสงจากดาวฤกษ์ถูกแยกออกด้วยปริซึม Annie Jump Cannon ได้สร้างวิถีการจำแนกสเปคตรัม ซึ่งจัดเรียงดาวฤกษ์ตามความแรงของเส้นสเปคตรัมเหล่านั้น ลำดับนี้ต่อมาพบว่ามีความเชื่อมโยงโดยตรงกับอุณหภูมิของดาวฤกษ์ Antonia Maury ได้ทำการจำแนกต่างหากโดยมีพื้นฐานจากความกว้างของเส้นสเปคตรัมที่จำเพาะ ซึ่งต่อมาก็พบว่าสิ่งนี้เชื่อมโยงกับกำลังสว่าง(luminosity) และอายุของดาว

เส้นสเปคตรัม(spectral lines) ของธาตุต่างๆ เผยให้เห็นคุณลักษณะต่างๆ ของดาวได้  

     การเชื่อมโยงคุณสมบัติทั้งสองเหล่านี้ช่วยให้สามารถพล๊อตดาวทุกดวงในเอกภพอยู่ในแผนภาพเดียวกันได้ ซึ่งเรียกว่า HR diagram(Hertzprung-Russell diagram) ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องมือหลักในทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ซึ่งต่างก็พัฒนาขึ้น โดย Ejnar Hertzprung(ปี 1911) และ Henry Norris Russell(ในปี 1913) เอชอาร์ไดอะแกรมเป็นความสัมพันธ์ระหว่างกำลังสว่างที่แท้จริง(instrinsic luminosity) ของดาว กับอุณหภูมิพื้นผิวยังผล(effective surface temperature) เมื่อทำเช่นนั้นแล้ว ก็จะเผยให้เห็นว่าดาวฤกษ์พัฒนาไปอย่างไรตลอดวงจรชีวิตที่ยาวนานของพวกมัน

      แม้ในช่วงแรก เอชอาร์ไดอะแกรมจะมีข้อมูลจากดาวเพียง 300 ดวงเท่านั้น แต่ก็ยังแสดงแนวโน้มอย่างชัดเจนว่า ดาวเกือบทั้งหมดอยู่ตามแนวเส้นตรงเส้นหนึ่งที่เรียกว่า วิถีหลัก(main sequence) ด้วยเหตุผลที่ว่าดาวจะใช้เวลาเกือบทั้งหมดของชีวิตเป็นดาววิถีหลักหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม โดยดาวที่มีมวลต่ำจะสว่างที่อุณหภูมิต่ำกว่า และดาวที่มีมวลสูงกว่าจะเผาไหม้ร้อนแรงกว่า

     ในขณะที่มวลของดาวเปลี่ยนแปลงไปค่อนข้างเล็กน้อยตลอดช่วงชีวิตของมัน อุณหภูมิและขนาดของดาวจะแปรผันได้มากเมื่อดาวมีอายุมากขึ้น การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ผลักดันโดยชนิดของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่เกิดขึ้นภายในดาวในเวลาหนึ่งๆ

ภาพจากศิลปินแสดงเส้นทางวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลเริ่มต้นแตกต่างกัน ดาวฤกษ์ทารก(proto-stars) และดาวแคระน้ำตาล(brown dwarfs) บางดวงก็ไม่เคยมีอุณหภูมิสูงพอที่จะจุดประกายการหลอมนิวเคลียสกลายเป็นดาวฤกษ์ที่แท้จริงได้ และจะเย็นตัวและจางแสงลง ดาวแคระแดง(red dwarfs) ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ชนิดที่พบได้มากที่สุดจะเผาไหม้จนกระทั่งเปลี่ยนไฮโดรเจนทั้งหมดให้กลายเป็นฮีเลียม จะกลายเป็นดาวแคระขาว(white dwarf) ดาวฤกษ์ที่คล้ายดวงอาทิตย์จะพองตัวกลายเป็นดาวยักษ์แดง(red giants) ก่อนที่จะผลักเปลือกก๊าซชั้นนอกที่ปุกปุยออกกลายเป็นเนบิวลาสีส้นสวยงาม(planetary nebula) ในขณะที่แกนกลางยุบตัวลงเป็นดาวแคระขาว ส่วนดาวมวลสูงที่สุดจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงเมื่อเผาไหม้เชื้อเพลิงจนหมด ทำให้เกิดซุปเปอร์โนวาหรือการปะทุรังสีแกมมา และเหลือดาวนิวตรอนหรือหลุมดำทิ้งไว้

    ด้วยอายุที่ราว 4.57 พันล้านปี ดวงอาทิตย์ของเรากำลังอยู่ในช่วงวัยกลางคน เป็นดาวฤกษ์ในวิธีหลักชนิด G(G-type main sequence star หรือดาวฤกษ์แคระเหลือง) มันหลอมไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียมและโดยรวมก็ค่อนข้างเสถียร สม่ำเสมอ แต่จะไม่เป็นเช่นนั้นตลอดไป เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนในแกนกลางดวงอาทิตย์หมดลง และมีการเปลี่ยนแปลงกระบวนการหลอมนิวเคลียสขึ้น แกนกลางจะเริ่มหดตัวลง กระบวนการหดตัวได้นำพาไฮโดรเจนเข้าสู่พื้นที่รอบๆ แกนกลางอย่างฉับพลันและก่อตัวเป็นเปลือกไฮโดรเจน จากนั้นไฮโดรเจนส่วนนี้จะเริ่มการหลอม ส่งฮีเลียมเข้าสู่แกนกลาง เป็นกระบวนการที่เรียกว่า การเผาไหม้ที่เปลือก(shell burning)

     ในระหว่างนี้ ชั้นบรรยากาศส่วนนอกของดวงอาทิตย์จะพองขยายออกไปอย่างมาก อาจจะขยายไปไกลถึงวงโคจรของดาวอังคาร และกลายเป็นดาวยักษ์แดง(red giant) ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวต่ำและเย็นลง สุดท้ายเมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและฮีเลียมหมดลง ดาวยักษ์แดงจะผลักชั้นก๊าซส่วนนอกๆ ทั้งหมดออกมาก่อตัวเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์(planetary nebula) และแกนกลางจะยุบตัวลงกลายเป็นดาวแคระขาว(white dwarfs) ซึ่งจะใช้เวลานับล้านล้านปีเพื่อเย็นตัวลงจนมอดดับไป  

     แต่ว่าการสิ้นสุดกระบวนการนี้จะเกิดขึ้นได้เมื่อใด ก็ขึ้นอยู่กับว่าดาวฤกษ์มีมวลและมีองค์ประกอบเคมีอย่างไร นั้นเป็นจุดที่ DR3 เข้ามาเกี่ยวข้อง ทางที่ดีที่สุดก็คือการค้นหาดาวฤกษ์ที่คล้ายดวงอาทิตย์ทั่วทางช้างเผือก ในช่วงสถานะต่างๆ ของชีวิตและจากนั้น ก็ประสานต่อดาวเหล่านั้นให้เป็นไทม์ไลน์เพื่อจำลองอดีตและอนาคตของดาวฤกษ์ของเรา

     Orlagh และเพื่อนร่วมงานได้กลั่นกรองข้อมูลเพื่อมองหาการสำรวจดาวที่เที่ยงตรงที่สุดที่ไกอาจะให้ได้ เราต้องมีตัวอย่างดาวที่มีการตรวจสอบอย่างแม่นยำมากๆ Orlagh กล่าว พวกเขาทุ่มเทความพยายามไปที่ดาวที่มีอุณหภูมิพื้นผิวระหว่าง 3000 ถึง 10000 เคลวิน เนื่องจากพวกมันเป็นดาวที่มีอายุยาวนานที่สุดในทางช้างเผือก และสามารถเผยให้เห็นความเป็นมาของทางช้างเผือกได้ พวกมันยังเป็นว่าที่สถานที่ที่น่าจะพบดาวเคราะห์นอกระบบ(exoplanets) ได้เนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับดวงอาทิตย์อย่างมาก ซึ่งมีอุณหภูมิพื้นผิว 6000 เคลวิน

HR diagram จากข้อมูล Gaia Data Release 2

    ต่อมา ทีมได้กรองกลุ่มตัวอย่างเพื่อหาดาวที่มีมวลและองค์ประกอบเคมีเหมือนกับดวงอาทิตย์ เนื่องจากอายุที่แตกต่างกัน ดาวที่เลือกมาได้จึงสามารถวางเรียงเป็นเส้นในเอชอาร์ไดอะแกรมไว้ ซึ่งแสดงวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์ของเราตั้งแต่อดีตจนถึงอนาคต จากวิถีหลักจนถึงยักษ์แดง มันได้เผยเส้นทางที่ดาวฤกษ์ของเราจะมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและกำลังสว่างเมื่อมันมีอายุมากขึ้น

     จากงานวิจัยนี้ ก็ชัดเจนว่าดวงอาทิตย์ของเราจะมีอุณหภูมิสูงที่สุดเมื่ออายุราว 8 พันล้านปี จากนั้นก็เย็นตัวลงและมีขนาด(กายภาพ) มากขึ้นกลายเป็นดาวยักษ์แดงที่อายุราว 10 ถึง 11 พันล้านปี หลังจากสถานะนี้ ดวงอาทิตย์ก็จะถึงจุดจบของชีวิต เมื่อมันกลายเป็นดาวแคระขาวสลัว

     การค้นหาดาวที่คล้ายกับดวงอาทิตย์เป็นสิ่งสำคัญในการเข้าใจแห่งหนของเราในเอกภพที่กว้างใหญ่นี้ ถ้าเราไม่เข้าใจดวงอาทิตย์ของเราเอง และอีกหลายๆ สิ่งที่เราไม่ทราบเกี่ยวกับดวงอาทิตย์ แล้วเราจะคาดหวังว่าจะเข้าใจดาวอื่นๆ ทั้งหมดที่เป็นองค์ประกอบในกาแลคซีทางช้างเผือกอันสวยงามของเราได้อย่างไร Orlagh กล่าว

     แม้ว่าดวงอาทิตย์จะเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุดและถูกศึกษามากที่สุด แต่ความใกล้กลับเป็นอุปสรรคบังคับเราให้ศึกษามันด้วยกล้องโทรทรรศน์และเครื่องมือที่แตกต่างกันออกไปอย่างสิ้นเชิงจากที่เราใช้เพื่อมองดาวฤกษ์ที่เหลือ นั้นเป็นเพราะดวงอาทิตย์ของเราสว่างมากกว่าดาวฤกษ์อื่น(ในสายตาเรา) การจำแนกดาวที่เหมือนกับดวงอาทิตย์ แต่ด้วยอายุที่แตกต่างกัน เราจึงสามารถเชื่อมต่อช่องว่างในการสำรวจนี้ได้

เส้นทางวิวัฒนาการของดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์จากข้อมูล DR3 ของไกอาในสิ่งที่เรียกว่า HR diagram  

      เพื่อจำแนกหาดาวที่เหมือนกับดวงอาทิตย์ในข้อมูลไกอา ทีมได้มองหาดาวที่มีอุณหภูมิ, แรงโน้มถ่วงที่พื้นผิว, องค์ประกอบ, มวลและรัศมีที่เหมือนกับดวงอาทิตย์ในปัจจุบันอย่างไม่ผิดเพี้ยน พวกเขาพบดาว 5863 ดวงที่สอดคล้องกับข้อกำหนด และตอนนี้เมื่อไกอาได้ทำบัญชีรายชื่อออกมามีตั้งแต่อายุน้อยมากๆ จนถึงอายุเก่าแก่มากแล้ว ก็มีการสำรวจพวกมันในรายละเอียด คำถามบางส่วนที่ต้องการคำตอบก็รวมถึงว่า แล้วดาวที่เหมือนดวงอาทิตย์ทั้งหมดนี้มีระบบดาวเคราะห์ที่คล้ายกับระบบของเราหรือไม่ ดาวที่เหมือนดวงอาทิตย์ทั้งหมดนี้หมุนรอบตัวด้วยอัตราเดียวกับดวงอาทิตย์หรือไม่ ดาวที่เหมือนดวงอาทิตย์จะมีวัฏจักรสุริยะ(solar cycles) เหมือนดวงอาทิตย์หรือไม่ หรือบางดวงจะมีช่วงการลุกจ้าที่รุนแรงหรือจะค่อนข้างเสถียรเหมือนดวงอาทิตย์

     ด้วยข้อมูลที่รวบรวมมาได้มากมาย ไกอากำลังเผยให้เห็นรายละเอียดใหม่ๆ เกี่ยวกับดาวฤกษ์ของเราเอง แต่แน่นอนว่างานของไกอาไม่ใช่เพียงแค่สะท้อนอดีตและอนาคตของดวงอาทิตย์เท่านั้น

แหล่งข่าว esa.int : Gaia reveals the past and future of the Sun
                universetoday.com : thanks to Gaia we know exactly how and when the Sun will die
                 sciencealert.com : astronomers charted the Sun’s life, and this is how the story ends