ฮับเบิลตรวจสอบมวลดาวแคระขาวโดดเดี่ยว

 

ดาวแคราะขาว LAWD 37 เป็นดาวที่เผาไหม้จนหมดเชื้อเพลิงในแกนกลาง และกำลังมอดดับ ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 15 ปีแสงเท่านั้น แต่แม้ว่าเตาปฏิกรณ์จะปิดตัวลง แต่ความร้อนที่กักไว้ก็ทำให้พื้นผิวของดาวมีอุณหภูมิถึง 1 แสนองศาเซลเซียส เป็นสาเหตุให้ซากดาวนี้เรืองสว่างไสว ดาวแคระขาวยังมี “ประกายแฉก” เนื่องจากมันสว่างมากจนแสงท่วม CCD detector ของฮับเบิล ซึ่งรบกวนการสำรวจตำแหน่งของดาวพื้นหลัง  

    เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล สามารถตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวโดดเดี่ยวดวงหนึ่งได้โดยตรง

      นักวิจัยพบว่าดาวแคระขาว(white dwarf) ซึ่งเป็นซากแกนกลางของดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ที่มอดดับลง มีมวลราว 56% ดวงอาทิตย์ นี่สอดคล้องกับการทำนายมวลทางทฤษฎีก่อนหน้านี้ และสอดคล้องกับทฤษฎีปัจจุบันว่าด้วยดาวแคระขาวพัฒนาอย่างไร ในฐานะที่เป็นผลิตผลสุดท้ายจากวิวัฒนาการดาวฤกษ์ทั่วไป การสำรวจอันเป็นอัตลักษณ์นี้ได้ให้แง่มุมสู่ทฤษฎีโครงสร้างและองค์ประกอบของดาวแคระขาว

     จนกระทั่งปัจจุบันนี้ การตรวจสอบมวลดาวแคระขาวได้มาจากการสำรวจดาวแคระขาวที่อยู่ในระบบดาวคู่ ด้วยการเฝ้าดูการเคลื่อนที่ของดาวสองดวงที่มีวงโคจรร่วมกัน เป็นฟิสิกส์แบบนิวตันที่ตรงไปตรงมา ซึ่งใช้เพื่อตรวจสอบมวลของพวกมัน อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบเหล่านี้ยังมีความคลาดเคลื่อนถ้าดาวข้างเคียงของดาวแคระขาวนั้น อยู่ในวงโคจรคาบยาว ในระดับหลายร้อยจนถึงหลายพันปี การเคลื่อนที่โคจรที่กล้องโทรทรรศน์ตรวจสอบได้จึงเป็นเพียงช่วงเพียงพริบตาในการเคลื่อนที่โคจรของดาวแคระขาว

     สำหรับดาวแคระขาวที่ไม่มีคู่หู นักวิจัยต้องใช้ความช่วยเหลือจากธรรมชาติที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค(gravitational microlensing) แสงจากดาวที่พื้นหลังจะถูกบิดเบนได้เล็กน้อย จากห้วงอวกาศที่บิดเบี้ยวไปด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวแคระขาวที่พื้นหน้า เมื่อดาวแคระขาวผ่านหน้าดาวที่พื้นหลัง เลนส์แบบจุลภาคจะทำให้ดาวปรากฏขยับไปเล็กน้อยจากตำแหน่งจริงบนท้องฟ้า

     ผลสรุปเหล่านี้รายงานในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ผู้เขียนหลักคือ Peter McGill อดีตสังกัดที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในสหราชอาณาจักร และปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ McGill ใช้ฮับเบิลเพื่อตรวจสอบว่าแสงจากดาวที่อยู่ห่างไกลเลี้ยวเบนไปรอบดาวแคระขาวดวงหนึ่งอย่างแม่นยำ เป็นสาเหตุให้ดาวที่พื้นหลังขยับตำแหน่งปรากฏบนท้องฟ้าไปชั่วคราว

ภาพจากศิลปินแสดงว่าแรงโน้มถ่วงของดาวแคระขาวที่พื้นหน้าบิดผืนกาลอวกาศและทำให้แสงจากดาวที่ห่างไกลที่อยู่เบื้องหลังมัน เลี้ยวเบนได้อย่างไร เป็นครั้งแรกที่กล้องอับเบิลได้ตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวโดดเดี่ยวดวงหนึ่งได้โดยตรง ยิ่งภาพของดาวที่พื้นหลังหลุดตำแหน่งชั่วคราวนี้ ไปมากแค่ไหน ก็แสดงว่าวัตถุพื้นหน้ามีมวลสูงตามไปด้วย แต่การหลุดตำแหน่งก็เกิดขึ้นน้อยกว่าเทียบเท่ากับการสำรวจมดตัวหนึ่งที่คลานบนพื้นผิวเหรียญสลึงจากที่ไกลออกมา 2400 กิโลเมตร

      Kailash Sahu จากสถาบันวิทยาศษสตร์กล้องโททรรศน์อวกาศในบัลติมอร์ มารีแลนด์ ผู้นำทีมสำรวจด้วยฮับเบิลงานล่าสุด เป็นคนแรกที่ใช้เลนส์จุลภาคเพื่อตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวอีกดวง Stein 2051B ในปี 2017 แต่แคระดวงนั้นอยู่ในระบบดาวคู่ที่อยู่ห่างจากคู่หู การสำรวจล่าสุดกับแคระขาว LAWD 37 จึงเป็นอีกก้าวหนึ่งเนื่องจาก LAWD 37 อยู่ของมันเพียงลำพัง Sahu กล่าว

      ซากที่เหลือจากดาวที่เผาไหม้จนหมดเมื่อ 1 พันล้านปีก่อน LAWD 37 ถูกศึกษาอย่างทะลุปรุโปร่งเนื่องจากมันอยู่ห่างออกไปเพียง 15 ปีแสงในกลุ่มดาวแมลงวัน(Musca) เนื่องจากดาวแคระขาวดวงนี้อยู่ค่อนข้างใกล้เรา เราจึงมีข้อมูลจำนวนมาก ซึ่งเราได้ข้อมูลมาจากสเปคตรัมของมัน แต่สิ่งที่ขาดก็คือการตรวจสอบมวล McGill กล่าว

     ทีมตรวจสอบมวลที่แม่นยำของดาวแคระขาวดวงนี้ได้ต้องขอบคุณปฏิบัติการไกอา(Gaia) ขององค์กรอวกาศยุโรป(ESA) ซึ่งทำการตรวจสอบตำแหน่งของดาวเกือบ 2 พันล้านดวงอย่างแม่นยำสูงมาก ใช้การสำรวจจากไกอาหลายครั้งเพื่อตามรอยการเคลื่อนที่ของดาว อ้างอิงจากข้อมูลเหล่านี้ นักดาราศาสตร์ก็สามารถทำนายได้ว่า LAWD 37 น่าจะผ่านหน้าดาวที่พื้นหลังดวงหนึ่งในเดือนพฤศจิกายน 2019

     เมื่อทราบเช่นนี้ จึงใช้กล้องฮับเบิลเพิ่อตรวจสอบอย่างแม่นยำตลอดหลายปีว่า ตำแหน่งปรากฏของดาวที่พื้นหลังเบี่ยงไประหว่างที่ดาวแคระขาวดวงนี้ผ่าน อย่างไรบ้าง เหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นได้ยาก และผลก็น้อยนิด McGill กล่าว ยกตัวอย่างเช่น ขนาดของความเบี่ยงที่เราได้พบก็เหมือนกับการตรวจสอบความยาวของรถยนต์บนดวงจันทร์เมื่อมองจากโลก

      เนื่องจากแสงจากดาวที่พื้นหลังสลัวอย่างมาก ความท้าทายใหญ่สำหรับนักดาราศาสตร์จึงเป็นการสกัดภาพของดาวที่พื้นหลังออกจากแสงจ้าของดาวแคระขาว ซึ่งสว่างกว่าดาวที่พื้นหลัง 400 เท่า มีแต่เพียงฮับเบิลที่สามารถทำการสำรวจที่มีความเปรียบต่าง(contrast) สูงเช่นนี้ได้ในช่วงตาเห็น

กราฟแสดงว่าเลนส์แบบจุลภาคถูกใช้เพื่อตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวโดดเดี่ยวอย่างไร ภาพเล็กจุดแสดงว่าดาวแคระขาวผ่านหน้าดาวพื้นหลังในปี 2019 อย่างไร เส้นหยักสีฟ้าตามรอยการเคลื่อนที่ปรากฏของแคระขาวบนท้องฟ้าเมื่อมองจากโลก แม้ว่าแคระจะมีเส้นทางเป็นเส้นตรง แต่การเคลื่อนที่ของโลกเมื่อโคจรไปรอบดวงอาทิตย์ก็ส่งผลเส้นทางดูเสมือนเป็นโค้งรูปคลื่น(sinusoidal) อันเนื่องจากพารัลแลกซ์(parallax) ดังนั้นจึงเคลื่อนที่ด้วยอัตราที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับพื้นหลัง เมื่อมันผ่านดาวพื้นหลังที่สลัวกว่า สนามแรงโน้มถ่วงของแคระขาวจะบิดอวกาศ และฮับเบิลก็ตรวจสอบการเลี้ยวเบนนี้ได้ด้วยความละเอียดสูงมาก ระดับการเลี้ยวเบนบอกถึงมวลดาวแคระขาวที่ 56% มวลดวงอาทิตย์

     แม้แต่คุณจะจำแนกว่าจะเป็นเหตุการณ์ที่มีโอกาสเกิดขึ้นหนึ่งในล้าน แต่ก็ยังยากอย่างสุดขั้วที่จะทำการตรวจสอบเหล่านี้ Leigh Smith จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กล่าว แสงจ้าจากดาวแคระขาวอาจทำให้เกิดรอยขีดในทิศทางที่ทำนายไม่ได้ ซึ่งหมายความว่าเราจะต้องวิเคราะห์การสำรวจของฮับเบิลแต่ละครั้งอย่างระมัดระวังมากๆ และขีดจำกัดของพวกมัน เพื่อจำลองเหตุการณ์และประเมินมวลของ LAWD 37

     ความแม่นยำในการตรวจสอบมวลของ LAWD 37 ช่วยให้เราได้ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างมวล-รัศมีในดาวแคระขาว McGill กล่าว นี่หมายความว่าการทดสอบทฤษฎีของสสารเสื่อมถอย(degenerate matter; ) ภายใต้สภาวะที่สุดขั้วภายในดาวที่ตายแล้วนี้ McGill กล่าวเสริม

     นักวิจัยบอกว่าผลสรุปได้เปิดประตูสู่การทำนายเหตุการณ์จากข้อมูลไกอาในอนาคต นอกเหนือจากฮับเบิลแล้ว การเรียงตัวเหล่านี้ยังสามารถตรวจจับได้โดยกล้องเวบบ์ด้วย เนื่องจากเวบบ์ทำงานในช่วงอินฟราเรด แสงเรืองสีฟ้าจากดาวแคระขาวที่พื้นหน้าในช่วงอินฟราเรดจึงสลัวลง และดาวที่พื้นหลังก็จะดูสว่างขึ้น จากพลังในการทำนายของไกอา Sahu กำลังสำรวจดาวแคระขาวอีกดวง LAWD 66 ด้วยเวบบ์ การสำรวจแรกทำขึ้นในปี 2022 จะมีการสำรวจเพิ่มเติมเพื่อการเบี่ยงภาพจะเกิดสูงสุดในปี 2024 และจากนั้นก็จะค่อยๆ ลดลง

     ไกอาเป็นตัวเปลี่ยนเกมที่แท้จริง น่าตื่นเต้นที่สามารถใช้ข้อมูลของไกอาเพื่อทำนายว่าเหตุการณ์จะเกิดขึ้นเมื่อใด และจากนั้นก็สำรวจสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นได้ McGill กล่าว เราต้องการจะทำการตรวจสอบปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาคต่อไป และทำการตรวจสอบมวลกับดาวชนิดอื่นๆ ด้วย

      ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปี 1915 ไอน์สไตน์ทำนายว่าเมื่อวัตถุมวลสูงขนาดเล็กผ่านหน้าดาวฤกษ์ที่พื้นหลัง แสงจากดาวก็น่าจะเลี้ยวไปรอบๆ วัตถุที่พื้นหน้า เนื่องจากห้วงกาลอวกาศที่บิดโค้งโดยสนามแรงโน้มถ่วง และในปี 1919 ทีมสำรวจซึ่งนำโดยอังกฤษ 2 ทีมมุ่งหน้าสู่ซีกโลกใต้ เป็นคนกลุ่มแรกที่ตรวจพบผลการเกิดเลนส์นี้ในระหว่างสุริยุปราคาเต็มดวงเมื่อวันที่ 19 พฤษภาคม จึงถูกยกย่องว่าเป็นครั้งแรกที่มีการพิสูจน์สัมพัทธภาพทั่วไปด้วยการทดลอง ซึ่งบอกว่าแรงโน้มถ่วงทำให้อวกาศบิดโค้งได้

     อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์เองก็สงสัยว่าปรากฏการณ์จะสามารถใช้กับดาวนอกระบบสุริยะของเราได้หรือไม่ เนื่องจากต้องการความแม่นยำ การตรวจสอบของเราผลปรากฏการณ์เลนส์ที่มีขนาดเล็กกว่าที่พบในสุริยุปราคาปี 1919 ถึง 625 เท่า McGill กล่าว

แหล่งข่าว esa_hubble.org : for the first time Hubble directly measures the mass of a lone white dwarf 
                hubblesite.org : for the first time Hubble directly measures the mass of a lone white dwarf