ซุปเปอร์-ซุปเปอร์โนวา

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวฤกษ์มวลสูงที่ 300 เท่ามวลดวงอาทิตย์ กลายเป็นซุปเปอร์โนวา

     ดาวฤกษ์ดวงแรกๆ สุดน่าจะก่อตัวขึ้นเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 1 ร้อยล้านปีเท่านั้น หรือไม่ถึง 1% ของอายุเอกภพปัจจุบัน ดาวดวงแรกๆ สุดซึ่งเรียกกันว่า ประชากรกลุ่ม 3(Population III star) มีขนาดใหญ่โตอย่างมากจนเมื่อพวกมันจบชีวิตลงกลายเป็นซุปเปอร์โนวา พวกมันจะฉีกออกเป็นชิ้นๆ อย่างไม่เหลือซาก ส่งต่อธาตุหนักให้กับสสารในห้วงอวกาศ แต่แม้ว่าจะเสาะหามาหลายทศวรรษ นักดาราศาสตร์ก็ยังไม่พบหลักฐานของดาวโบราณเหล่านี้โดยตรง

     ด้วยการวิเคราะห์หนึ่งในเควซาร์(quasar) ซึ่งห่างไกลที่สุดเท่าที่เคยพบมาที่ปรากฏเมื่อเอกภพมีอายุเพียง 7 ร้อยล้านปี ด้วยกล้องโทรทรรศน์เจมิไนเหนือ ขณะนี้นักดาราศาสตร์คิดว่าสามารถจำแนกวัสดุสารเศษซากจากการระเบิดของดาวรุ่นแรกสุดได้ ด้วยการใช้วิธีการอันล้ำยุคเพื่อระบุธาตุทางเคมีที่มีในเมฆก๊าซรอบๆ เควซาร์แห่งนี้ นักวิจัยสังเกตเห็นองค์ประกอบที่ไม่ปกติอย่างมาก เป็นวัสดุสารที่มีเหล็กสูงกว่ามักนีเซียมเกิน 10 เท่าเมื่อเทียบกับอัตราส่วนที่พบในดวงอาทิตย์ของเรา

     นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าคำอธิบายที่เป็นไปได้มากที่สุดของรายละเอียดที่สะดุดใจนี้ก็คือ วัสดุสารนี้หลงเหลือมาจากดาวรุ่นแรกที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดคู่ไร้เสถียรภาพ(pair-instability supernova) ซุปเปอร์โนวาแบบที่ทรงพลังอย่างมากนี้ไม่เคยถูกพบจริง แต่มีทฤษฎีว่าจะเป็นจุดจบของชีวิตดาวขนาดมหึมาที่มีมวลตั้งแต่ 150 ถึง 250 เท่ามวลดวงอาทิตย์

Pair-instability supernova

     ซุปเปอร์โนวาแบบคู่ไร้เสถียรภาพนี้ เกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่ใจกลางดาวดวงหนึ่ง ได้เปลี่ยนกลายเป็นอิเลคตรอนและโพสิตรอน
(positron; ปฏิสสารของอิเลคตรอน) พร้อมกันหมด การเปลี่ยนสภาพนี้ลดแรงดันการแผ่รังสี(radiation pressure) ภายในดาวลงอย่างฉับพลัน ทำให้แรงโน้มถ่วงกดลงมาและนำไปสู่การยุบตัวและต่อมา ก็ระเบิดออก

     แต่ซุปเปอร์โนวาชนิดนี้ไม่เหมือนกับซุปเปอร์โนวาอื่น เมื่อไม่มีซากดาวไม่ว่าจะเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ หลงเหลืออยู่ และจะสาดวัสดุสารทั้งหมดออกสู่สภาพแวดล้อม จึงมีเพียงสองวิธีเท่านั้นที่จะพบหลักฐานนี้ ทางแรกก็คือ จับซุปเปอร์โนวาคู่ไร้เสถียรภาพให้ได้แบบคาหนังคาเขา ซึ่งเป็นไปได้ยากมากๆ และอีกทางก็คือ จำนวนสัญญาณสารเคมีจากวัสดุสารที่ซุปเปอร์โนวาปล่อยออกสู่อวกาศ  

     สำหรับงานวิจัยใหม่ล่าสุดซึ่งเผยแพร่ใน Astrophysical Journal นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาผลจากการสำรวจก่อนหน้านี้ที่ทำโดยกล้องเจมิไนเหนือขนาด 8.1 เมตรโดยใช้ GNIRS(Gemini Near-infrared Spectrograph) สเปคโตรกราฟนี้จะแยกแสงที่วัตถุฟากฟ้าเปล่งออกมาให้เป็นองค์ประกอบที่เรียกว่า สเปคตรัม ซึ่งจะนำข้อมูลว่าในวัตถุมีธาตุใดอยู่บ้าง เจมิไนเป็นกล้องขนาดใหญ่เพียงไม่กี่ตัวที่มีเครื่องมือที่ใช้เพื่อการสำรวจแบบนี้

      การระบุปริมาณของธาตุแต่ละชนิดที่มีอยู่ เป็นเป้าหมายที่ยุ่งยากเนื่องจากความสว่างของเส้นในสเปคตรัมหนึ่งๆ ขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย นอกเหนือจากปริมาณของธาตุ ผู้เขียนร่วมสองคนในการวิเคราะห์นี้คือ Yuzuru Yoshii และ Hiroaki Sameshima จากมหาวิทยาลัยโตเกียว ได้ฟาดฟันกับปัญหานี้โดยพัฒนาวิธีการใช้ความเข้มในช่วงความยาวคลื่นแสงจากสเปคตรัมแสงของเควซาร์ เพื่อประเมินปริมาณธาตุที่มีที่นั้น เมื่อใช้วิธีการนี้วิเคราะห์สเปคตรัมเควซาร์ ทีมก็พบอัตราส่วนมักนีเซียม-เหล็กที่ต่ำอย่างผิดปกติ

ภาพจากศิลปินแสดงประชากรดาวกลุ่ม 3(Population III star) อย่างที่พวกมันน่าจะเป็นเมื่อเอกภพมีอายุเพียงหนึ่งร้อยล้านปีหลังบิ๊กแบงเท่านั้น

     ดูเผินๆ สำหรับผมแล้วว่าที่ซุปเปอร์โนวาที่สร้างสิ่งนี้น่าจะเป็นคู่ไร้เสถียรภาพจากประชากรดาวกลุ่ม 3 ซึ่งดาวทั้งดวงระเบิดหายไปโดยไม่ทิ้งซากใดๆ ไว้เลย Yoshii กล่าว ผมดีใจและก็ประหลาดใจในบางทีที่ได้พบซุปเปอร์โนวาคู่ไร้เสถียรภาพจากดาวฤกษ์ที่มีมวลระดับ 300 เท่าดวงอาทิตย์ จะให้อัตราส่วนมักนีเซียม/เหล็ก ที่สอคดล้องกับ(อัตราส่วน)ระดับต่ำที่เราหาได้จากเควซาร์

     เคยมีการสำรวจหาหลักฐานทางเคมีของประชากรกลุ่ม 3 มวลสูงรุ่นก่อนๆ หน้านี้มาก่อน กับดาวในฮาโล(halo) ของทางช้างเผือก และก็มีว่าที่แห่งหนึ่งปรากฏในปี 2014 อย่างไรก็ตาม Yoshii และเพื่อนร่วมงานคิดว่าผลสรุปใหม่ให้สัญญาณซุปเปอร์โนวาคู่ไร้เสถียรภาพที่ชัดเจนที่สุด อ้างอิงจากอัตราส่วนปริมาณมักนีเซียม/เหล็กที่ต่ำมากๆ ที่ปรากฏในสเปคตรัมจากเควซาร์นี้

     ถ้านี่เป็นหลักฐานหนึ่งในดาวฤกษ์ดวงแรกๆ และเป็นซากของซุปเปอร์โนวาคู่ไร้เสถียรภาพจริง การค้นพบนี้ก็จะช่วยเติมภาพวิวัฒนาการการสร้างสสารในเอกภพจนกระทั่งเป็นอย่างปัจจุบัน เพื่อทดสอบการแปลผลนี้ ยังต้องการการสำรวจอีกมากเพื่อดูว่าจะมีวัตถุอื่นที่มีคุณลักษณะคล้ายคลึงกันนี้หรือไม่ แต่เราก็อาจจะสามารถค้นหาสัญญาณเคมีที่อยู่ใกล้โลกมากขึ้นได้ด้วย

     แม้ว่าประชากรดาวกลุ่ม 3 จะสาบสูญไปนานมากแล้ว แต่ร่องรอยทางเคมีที่พวกมันเหลือทิ้งไว้ในวัสดุสารที่ผลักออกมา ก็คงอยู่ได้ยาวนานกว่าและยังอาจจะคงลอยอ้อยอิ่งจนถึงทุกวันนี้ นี่หมายความว่านักดาราศาสตรือาจจะสามารถค้นหาสัญญาณของซุปเปอร์โนวาคู่ไร้เสถียรภาพจากดาวที่ระเบิดเมื่อนานมาแล้ว ฝังตรึงอยู่ในวัตถุในเอกภพท้องถิ่น Timothy Beers ผู้เขียนร่วม นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยนอเตรดัม กล่าวว่า ขณะนี้เราทราบว่าจะมองหาอะไร เราก็มีหนทางแล้ว ถ้าเกิดซุปเปอร์โนวาในละแวกนี้ในเอกภพยุคต้นๆ ดังนั้นเราก็น่าจะพบหลักฐาน

แหล่งข่าว phys.org : potential first traces of the universe’s earliest stars
                space.com : astronomers discover traces of “super-supernovas” that destroyed earliest stars