ดาวนิวตรอนหนักในระบบ "แม่ม่ายดำ"

 

ดาวนิวตรอนในระบบคู่ ดึงมวลสารจากดาวข้างเคียง ซึ่งนอกจากจะได้มวลแล้วยังมีโมเมนตัมเชิงมุมเพิ่มเ้ามา มันจึงหมุนรอบตัวเร็วขึ้น

     ซากดาวที่มีความหนาแน่นสูงดวงหนึ่งกำลังหมุนรอบตัว 707 รอบต่อวินาที ทำให้มันเป็นหนึ่งในดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเร็วที่สุดในกาแลคซีทางช้างเผือก และมันได้ฉีกและกลืนมวลเกือบทั้งหมดของดาวข้างเคียง ซึ่งจากกระบวนการฉีกทึ้งนี้ทำให้มันเจริญเป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดเท่าที่เคยพบมา

    ด้วยมวลที่ถือครองสถิติ 2.35 เท่ามวลดวงอาทิตย์ ได้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เข้าใจสสารในสถานะควอนตัมประหลาดภายในวัตถุที่หนาแน่นสูงเหล่านี้ได้ ซึ่งถ้าพวกมันมีมวลสูงกว่านี้ จะยุบตัวลงโดยสิ้นเชิงและหายวับไปกับตา กลายเป็นหลุมดำ

     Alex Filippenko ศาสตราจารย์พิศิษฐ์ด้านดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าวว่า เราทราบคร่าวๆ ว่าสสารจะมีพฤติกรรมอย่างไรในความหนาแน่นระดับนิวเคลียส อย่างในนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม ดาวนิวตรอนก็เหมือนเป็นนิวเคลียสขนาดยักษ์ก้อนหนึ่ง แต่เมื่อเอามวลประมาณ 1.5 เท่าดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นนิวเคลียสที่หนักราว 5 แสนเท่ามวลโลกมาบีบอัดอยู่ด้วยกัน ก็ยังไม่ชัดเจนว่าพวกมันจะมีพฤติกรรมอย่างไร

     Roger W. Romani ศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด บอกว่าดาวนิวตรอนนั้นมีความหนาแน่นสูงมาก มวลสารเพียง 1 ลูกบาศ์กนิ้วมีน้ำหนัก 1 หมื่นล้านตัน จนแกนกลางของพวกมันเป็นวัสดุสารที่หนาแน่นที่สุดเท่าที่เคยพบในเอกภพเป็นรองแค่หลุมดำ ดาวนิวตรอนดวงนี้ซึ่งเป็นพัลซาร์ที่มีชื่อว่า PSR J0952-0607 จึงเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นสูงที่สุดในสายตามนุษย์

แรงดันสสารเสื่อมถอย(degeneracy pressure) ในกรณีดาวแคระขาว อะตอมธาตุซึ่งมีอิเลคตรอนวิ่งวนจะถูกบีบจนอิเลคตรอนเข้าใกล้กันมากจนเกิดแรงผลักเป็น electron degeneracy pressure ถ้าการมียุบตัวมากขึ้นจะทำให้อิเลคตรอนรวมตัวกับโปรตอนกลายเป็นนิวตรอนไปรวมกับส่วนนิวเคลียสที่เป็นนิวตรอนเกือบทั้งหมด ซึ่งก็คือดาวนิวตรอน ซึ่งดำรงอยู่ด้วย neutron degeneracy แต่ถ้ายังมีการยุบตัวต่อไป จะเข้าสู่สภาพความหนาแน่นเป็นอนันต์ซึ่งเรียกว่าภาวะ เอกฐาน(singularity) ได้หลุมดำ

          นักดาราศาสตร์เห็นพ้องกันว่าเมื่อดาวฤกษ์ที่มีแกนกลางมวลสูงกว่า 1.4 เท่าดวงอาทิตย์ ได้ยุบตัวลงในช่วงจุดจบของชีวิต แกนกลางจะก่อตัวเป็นวัตถุขนาดกะทัดรัดและมีความหนาแน่นสูงมาก โดยภายในที่มีสภาพแรงดันสูงมากจนอะตอมทั้งหมดเบียดกัน โปรตอนและอิเลคตรอนรวมตัวเป็นนิวตรอน และองค์ประกอบที่เรียกว่า ควาร์ก(quarks) สิ่งเดียวที่รักษาไม่ให้ลูกบอลนิวตรอนนี้ยุบตัวกลายเป็นหลุมดำได้ก็คือ แรงดันเสื่อมถอย(degeneracy pressure)  

     ดาวนิวตรอนเหล่านี้เกิดขึ้นมาก็หมุนรอบตัวแล้ว และแม้ว่าจะสลัวเกินกว่าจะเห็นได้ในช่วงแสงที่ตาเห็น แต่ก็เผยตัวตนออกมาเป็นพัลซาร์ ที่กวาดลำแสง(คลื่นวิทยุ, รังสีเอกซ์หรือกระทั่งรังสีแกมมา) เข้าใส่โลกเมื่อพวกมันหมุนรอบตัว เหมือนกับลำแสงจากประภาคาร

     การตรวจสอบมวลของดาวนิวตรอนเกิดขึ้นได้ต้องขอบคุณความไวอย่างสุดขั้วของกล้องโทรทรรศน์เคก 1 ขนาด 10 เมตรบนเมานาคี ในฮาวาย ซึ่งเพิ่งจะบันทึกสเปคตรัมช่วงแสงที่ตาเห็นได้จากดาวข้างเคียงของพัลซาร์ ที่เรืองสว่างร้อนซึ่งขณะนี้มีขนาดเล็กลงจนใกล้เคียงกับดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์แล้ว ระบบซึ่งอยู่ห่างออกไป 3000 ปีแสงในทิศทางกลุ่มดาวเซกซ์แทน(Sextans)

    ระบบ PSR J0952-0607 ซึ่งถูกพบในปี 2017 ถูกเรียกว่าเป็นพัลซาร์แม่ม่ายดำ ซึ่งก็ไม่ต่างจากแมงมุมแม่ม่ายดำเพศเมียที่จะกินตัวผู้ที่มีขนาดเล็กกว่ามาก หลังจากที่ผสมพันธุ์ Filippenko และ Romani ได้ศึกษาระบบแม่ม่ายดำมากว่าหนึ่งทศวรรษ ด้วยความหวังที่จะหาขีดจำกัดสูงสุดที่ดาวนิวตรอน/พัลซาร์จะเจริญได้

     ด้วยการรวมการตรวจสอบนี้กับแม่ม่ายดำแห่งอื่นๆ เราได้แสดงว่าดาวนิวตรอนจะต้องมีมวลขั้นต่ำสุดที่ 2.35± 0.17 เท่ามวลดวงอาทิตย์ Romani กล่าว จากตัวเลขที่ได้เป็นหลักฐานที่หนักแน่นที่สุดระบุคุณสมบัติของสสารที่ระดับหลายเท่าความหนาแน่นที่พบในนิวเคลียสอะตอม ในความเป็นจริง มีแบบจำลองฟิสิกส์สสารหนาแน่นสูงหลายงานที่ผลสรุปนี้ได้กำจัดทิ้งไป

นักดาราศาสตร์ตรวจสอบความเร็วของดาวสลัวดวงหนึ่ง(วงกลมสีเขียว) ซึ่งถูกดึงมวลสารเกือบทั้งหมดออกไปโดยดาวข้างเคียงที่มองไม่เห็นซึ่งเป็นดาวนิวตรอน และพัลซาร์เสี้ยววินาทีที่พวกเขาพบก็เป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดเท่าที่เคยพบมาและอาจจะเป็นขีดจำกัดมวลขั้นสูงของดาวนิวตรอนแล้ว 

     ถ้ามวล 2.35 เท่าดวงอาทิตย์นั้นใกล้เคียงกับมวลขีดจำกัดขั้นบนของดาวนิวตรอน ดังนั้นแล้ว ภายในของดาวนิวตรอนก็น่าจะเป็นซุปของนิวตรอน และซุปของควาร์กอัพ(up) และดาวน์(down) ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของโปรตอนและนิวตรอน แต่ก็ยังไม่ใช่สสารพิศวงอย่างเช่น ควาร์ก สเตรงจ์(strange) หรือคาออน(kaons) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กสเตรงจ์

     มวลขั้นสูงที่สุดที่สูงสำหรับดาวนิวตรอนบอกว่า มันจะเป็นสารผสมของนิวเคลียสกับควาร์กอัพและดาวน์ที่สลายออกมาตลอดจนถึงแกนกลาง Romani กล่าว นี่ได้ตัดสถานะสสารที่เสนอขึ้นมาในทางทฤษฎี โดยเฉพาะอย่างยิ่ง องค์ประกอบภายในที่เป็นสสารพิศวง

     Romani, Fillippenko และ Dinesh Kandel นักศึกษาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด เป็นผู้เขียนร่วมรายงานเผยแพร่ผลสรุปของทีมใน Astrophysical Journal Letters

     พัลซาร์ปกติ หมุนรอบตัวและส่งลำคลื่นออกมาราว 1 ครั้งต่อวินาที(โดยเฉลี่ย) ซึ่งเป็นความเร็วที่อธิบายได้จากการหมุนรอบตัวปกติของดาวฤกษ์ก่อนที่จะยุบตัวลง แต่พัลซาร์บางส่วนก็หมุนรอบตัวหลายร้อยจนถึงหนึ่งพันรอบต่อวินาที ซึ่งยากจะอธิบายได้โดยไม่เกี่ยวข้องกับมวลที่ตกลงสู่ดาวนิวตรอน และทำให้มันหมุนเร็วขึ้น แต่สำหรับพัลซาร์เสี้ยววินาที(millisecond pulsar) บางส่วน ก็ไม่พบดาวข้างเคียงอยู่เลย คำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับพัลซาร์เสี้ยววินาทีที่อยู่อย่างโดดเดี่ยวก็คือ แต่ละดวงครั้งหนึ่งเคยมีดาวข้างเคียงอยู่ แต่ถูกดึงมวลสารไปจนหมดสิ้น

      เส้นทางวิวัฒนาการนี้เป็นเรื่องมหัศจรรย์อย่างแท้จริง!! Fillippenko กล่าว เมื่อดาวข้างเคียงพัฒนาตัวและเริ่มกลายเป็นดาวยักษ์แดง(red giant) วัสดุสารก็ทะลักเข้าสู่ดาวนิวตรอน และทำให้ดาวนิวตรอนหมุนเร็วขึ้น เมื่อหมุนเร็วขึ้นมันก็มีพลังเพิ่มขึ้นอย่างไม่น่าเชื่อ และดาวนิวตรอนก็เริ่มส่งลมอนุภาคออกมา ลมนี้จะฟาดดาวข้างเคียงและเริ่มฉีกวัสดุสารของมันออกมา และเมื่อเวลาผ่านไป มวลของดาวข้างเคียงก็ลดลงจนเหลือเท่าดาวเคราะห์ และยิ่งเวลาผ่านไปอีก มันก็หายไปจนหมด

PSR J0952-0607 ดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดและหมุนเร็วที่สุดในทางช้างเผือก ดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนรอบตัวกวาดลำคลื่นวิทยุ(เขียว) และรังสีแกมมา(สีบานเย็น) ผ่านโลกในภาพจากศิลปินแสดงพัลซาร์แม่ม่ายดำ ดาวนิวตรอน/พัลซาร์ทำให้ดาวข้างเคียงด้านที่หันเข้ามา(ขวา) ร้อนขึ้นจนมีอุณหภูมิเป็นสองเท่าของอุณหภูมิพื้นผิวดวงจันทร์ และค่อยๆ ระเหยออกไป

     นี่อาจเป็นวิถีที่พัลซาร์เสี้ยววินาทีที่โดดเดี่ยวก่อตัวขึ้น พวกมันทั้งหมดไม่ได้อยู่อย่างโดดเดี่ยวมาตั้งแต่ต้น พวกมันเคยอยู่ในระบบดาวคู่(binary pair) แต่พวกมันก็ค่อยๆ สูบเลือดเนื้อของดาวข้างเคียงหายไป แล้วตอนนี้พวกมันอยู่เพียงลำพัง ซึ่งพัลซาร์ PSR J0952-0607 และดาวข้างเคียงสลัวๆ ของมันก็สนับสนุนเรื่องราวกำเนิดพัลซาร์เสี้ยววินาทีนี้ วัตถุขนาดพอๆ กับดาวเคราะห์เหล่านี้เป็นเศษของดาวฤกษ์ปกติที่ได้ส่งมวลและโมเมนตัมเชิงมุม ทำให้คู่พัลซาร์ของพวกมันหมุนเร็วขึ้นจนมีคาบเสี้ยววินาที และเพิ่มมวลให้ด้วยจากกระบวนการนี้ Romani กล่าว

     ในกรณีของพัลซาร์แม่ม่ายดำแห่งนี้ ซึ่งกลืนมวลส่วนใหญ่ของคู่ขาของมันไป ขณะนี้ก็เผาและระเหยวัตถุข้างเคียงจนเหลือมวลพอๆ กับดาวเคราะห์ และบางทีอาจจะทำลายล้างจนเกลี้ยงเกลา Fillippenko กล่าว ด้วยอัตราการหมุนรอบตัว 707 รอบต่อวินาที ทำให้มันอยู่ในพัลซาร์ที่หมุนรอบตัวเร็วที่สุดเป็นลำดับที่สอง(โดยผู้ครองสถิติ PSR J1748-2446 มีอัตราการหมุนรอบตัวที่ 716 รอบต่อวินาที) ถ้ามันกลืนดาวข้างเคียงไปจนหมด พัลซาร์ก็จะหนักขึ้นไปอีก(ถ้าไม่ยุบตัวกลายเป็นหลุมดำไปซะก่อน)    

     การได้พบพัลซาร์แม่ม่ายดำที่มีดาวข้างเคียงขนาดเล็ก แต่ก็ไม่ได้เล็กเกินจนตรวจจับไม่ได้ เป็นหนึ่งในไม่กี่วิธีที่จะชั่งน้ำหนักของดาวนิวตรอน ในกรณีของระบบคู่แห่งนี้ ดาวข้างเคียงซึ่งขณะนี้มีมวลเหลือเพียง 20 เท่ามวลดาวพฤหัสฯ ถูกรบกวนโดยมวลของดาวนิวตรอนและอยู่ในสภาพล๊อคด้วยแรงบีบฉีก(tidally locked) คล้ายกับดวงจันทร์ของโลกที่หันด้านเดียวด้านเดิมเมื่อโคจร ด้านที่หันเข้าหาดาวนิวตรอนร้อนขึ้นจนมีอุณหภูมิสูงถึง 6200 เคลวิน ร้อนกว่าดวงอาทิตย์ของเราพอสมควร และก็สว่างมากพอที่จะมองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่

      Fillippenko และ Romani หันเคก 1 ไปที่ PSR J0952-0607 ในหกวาระตลอดช่วง 4 ปีที่ผ่านมา แต่ละครั้งจะสำรวจด้วยสเปคโตรมิเตอร์ถ่ายภาพความละเอียดต่ำในช่วง 15 นาที เพื่อจับภาพดาวข้างเคียงที่สลัวที่ตำแหน่งที่จำเพาะในวงโคจร 6.4 ชั่วโมงรอบพัลซาร์ ด้วยการเปรียบเทียบสเปคตรัมกับดาวฤกษ์คล้ายๆ กันที่คล้ายกับดวงอาทิตย์ ทีมวิจัยก็สามารถตรวจสอบความเร็วการหมุนรอบตัวของดาวข้างเคียงจากดอปเปลอร์ และคำนวณมวลของดาวนิวตรอนได้

      Fillippenko และ Romani ได้ตรวจสอบระบบแม่ม่ายดำประมาณหนึ่งโหลซึ่งก็มีแค่ 6 ระบบเหล่านี้ที่มีดาวข้างเคียงที่สว่างมากพอที่จะคำนวณมวลได้ ดาวนิวตรอนที่เกิดวิวัฒน์ในระบบเหล่านี้ทั้งหมดมีมวลต่ำกว่าพัลซาร์ PSR J0952-0607 พวกเขาหวังว่าจะได้ศึกษาพัลซาร์แม่ม่ายดำแห่งอื่นๆ เช่นเดียวกับระบบญาติของมัน เช่น หลังแดง(redbacks) ซึ่งคล้ายกับแม่ม่ายดำ แต่พบในออสเตรเลีย ซึ่งมีวัตถุข้างเคียงที่มีมวล 1/10 ดวงอาทิตย์ และสิ่งที่ Romani เรียกว่า ไทดาร์เรนส์(tidarrens) ซึ่งดาวข้างเคียงมีมวล 1/100 ดวงอาทิตย์ ตามชื่อญาติของแมงมุมแม่ม่ายดำ Tidarren sisyphoides ซึ่งเพศผู้ของมันมีขนาดเพียง1% ของตัวเมีย     

     เรายังคงมองหาแม่ม่ายดำและดาวนิวตรอนคล้ายๆ กันที่เข้าใกล้ข่ายการเป็นหลุมดำมากขึ้น แต่ถ้าเราไม่พบดวงที่หนักกว่า มันก็ย้ำว่า 2.3 เท่ามวลดวงอาทิตย์เป็นขีดจำกัดของจริง เลยจากนั้นไปพวกมันจะยุบตัวเป็นหลุมดำ Fillippenko กล่าว นี่ก็อยู่ตรงขีดจำกัดที่กล้องเคกจะทำได้ การตรวจสอบระบบ PSR J0952-0607 ให้มีความคลาดเคลื่อนน้อยลง น่าจะต้องรอการตรวจสอบความเร็วแนวสายตาที่ปรับปรุงในยุคของกล้องโทรทรรศน์ขนาด 30 เมตรไป Romani กล่าวเสริม

PSR J0952-0607 ดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดและหมุนเร็วที่สุดในทางช้างเผือก ดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนรอบตัวกวาดลำคลื่นวิทยุ(เขียว) และรังสีแกมมา(สีบานเย็น) ผ่านโลกในภาพจากศิลปินแสดงพัลซาร์แม่ม่ายดำ ดาวนิวตรอน/พัลซาร์ทำให้ดาวข้างเคียงด้านที่หันเข้ามา(ขวา) ร้อนขึ้นจนมีอุณหภูมิเป็นสองเท่าของอุณหภูมิพื้นผิวดวงจันทร์ และค่อยๆ ระเหยออกไป

นักดาราศาสตร์ตรวจสอบความเร็วของดาวสลัวดวงหนึ่ง(วงกลมสีเขียว) ซึ่งถูกดึงมวลสารเกือบทั้งหมดออกไปโดยดาวข้างเคียงที่มองไม่เห็นซึ่งเป็นดาวนิวตรอน และพัลซาร์เสี้ยววินาทีที่พวกเขาพบก็เป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดเท่าที่เคยพบมาและอาจจะเป็นขีดจำกัดมวลขั้นสูงของดาวนิวตรอนแล้ว 

แหล่งข่าว sciencedaily.com : heaviest neutron star to date is a “black widow” eating its mate
                sciencealert.com : this record-breaking “black widow” pulsar is the most massive neutron star yet
                 skyandtelescope.com : black widow pulsar sets mass record