ดาวคู่ที่น่าจะสร้างกิโลโนวา

 

    เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้จำแนกระบบคู่ที่หาได้ยากมากแห่งหนึ่ง ซึ่งมีชะตากรรมที่ในอนาคตข้างหน้าจะกลายเป็นกิโลโนวา(kilonova) ซึ่งเป็นการระเบิดอันเป็นผลจากการชนของดาวนิวตรอนดวงหนึ่ง

     นักดาราศาสตร์ได้จำแนกระบบดาวคู่แห่งหนึ่งที่สว่างในช่วงรังสีเอกซ์ และมีมวลสูง ประกอบกับรายละเอียดวงโคจรที่กลมอย่างน่าพิศวงซึ่งเป็นสิ่งที่ประหลาดในระบบดาวคู่ อยู่ห่างจากโลกออกไป 11400 ปีแสง ระบบคู่นี้ดูจะก่อตัวเมื่อดาวที่ระเบิดดวงหนึ่งหรือซุปเปอร์โนวาไม่ปัง คล้ายกับที่ประทัดด้าน

      ระบบคู่ที่น่าสนใจมากแห่งนี้จริงๆ แล้วมีโอกาสพบเพียงหนึ่งในหนึ่งหมื่นล้านแห่ง Andre Nicolas Chene นักดาราศาสตร์ที่ศูนย์วิจัย NOIRLab ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ และผู้เขียนร่วมการศึกษาใหม่ กล่าวในแถลงการณ์ ในระบบคู่ CPD-29 2176 ซุปเปอร์โนวาแบบไม่ปังหรือที่เรียกว่า ultra-stripped supernova ทิ้งดาวนิวตรอนอยู่กับดาวข้างเคียงในระบบคู่ที่โคจรในระยะประชิด ซึ่งเป็นดาวที่นักวิจัยเองก็ทำนายว่า วันหนึ่งข้างหน้ามันจะกลายเป็นดาวนิวตรอนเช่นกัน จึงกลายเป็นตัวอย่างระบบดาวแห่งแรกสุดที่จะนำไปสู่การสร้างกิโลโนวา ซึ่งเป็นการระเบิดเมื่อดาวนิวตรอนสองดวงชนและควบรวมกัน

      แม้ว่ากิโลโนวาจะถูกพบเป็นครั้งแรกในปี 2017 นักดาราศาสตร์ก็เพียงได้แต่บันทึกผลจากเหตุการณ์นี้ ต้องขอบคุณการสำรวจคลื่นแสงและคลื่นความโน้มถ่วง งานวิจัยใหม่จึงเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้จำแนกระบบคู่ที่พวกเขาทราบว่ามันจะไปจบที่ระเบิดเป็นกิโลโนวา ยิ่งกว่านั้น นักดาราศาสตร์เคยคิดว่าน่าจะมีระบบลักษณะนี้เพียงหนึ่งหรือสองแห่งในกาแลคซีกังหันที่คล้ายทางช้างเผือกของเรา แต่นักวิจัยจากการศึกษาล่าสุดเพิ่มการประมาณการไปที่ 10 แห่ง การสำรวจเหล่านี้จะช่วยพวกเขาให้เข้าใจประวัติ, วิวัฒนาการและการตายของดาวแบบเงียบผิดปกติในระบบลักษณะดังกล่าวนี้ได้

กิโลโนวาที่เกี่ยวข้องกับ GW 170817

      Chene กล่าวในแถลงการณ์ว่า บางครั้ง นักดาราศาสตร์ก็สงสัยถึงสภาวะที่แน่ชัดที่สุดท้ายจะนำไปสู่กิโลโนวา ผลสรุปใหม่เหล่านี้จึงแสดงให้เห็นว่า อย่างน้อยในบางกรณี ดาวนิวตรอนพี่น้องสองดวงก็อาจจะควบรวมกัน เมื่อหนึ่งในนั้นถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีซุปเปอร์โนวาในแบบที่เราคุ้นเคย

     ดาวฤกษ์ในระบบ CPD-29 2176 มีมวลสูง โคจรรอบดาวนิวตรอนทุกๆ 60 วัน นักวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังงานวิจัยล่าสุดได้ศึกษาดาวฤกษ์นี้เพื่อให้เข้าใจการก่อตัวของระบบดาวปัจจุบัน เช่นเดียวกับอาจจะเผยถึงอนาคตของมันด้วย

      Clarissa Pavao นักศึกษาปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัยการบิน เอมบรี-ริดเดิล ในอริโซนา ได้พบระบบแห่งนี้ในขณะที่กลั่นกรองข้อมูลที่ได้จากหอสังเกตการณ์ เซร์โร โทโลโล อินเตอร์-อเมริกัน(CTIO) ในชิลีเมื่อไปที่สำนักงานของ Noel Richardson ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่ เอมบรี-ริดเดิล เพื่อขอข้อมูลวิจัย ก็บังเอิญที่ Richardson มีข้อมูลจาก CTIO อยู่จากดาวฤกษ์สว่างสีฟ้าดวงหนึ่งที่เรียกว่าดาวฤกษ์ชนิด บีอี(Be-type star) บีอีดวงนี้อยู่ในตำแหน่งบนท้องฟ้าใกล้กับอีกแหล่งที่สร้างรังสีเอกซ์ แสงวาบนั้นซึ่งเรียกว่า soft gamma repeater  

     โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เธอกำลังพล๊อตสเปคตรัมของดาวในคู่ ซึ่งวิเคราะห์ว่าดาวเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่จำเพาะมากน้อยแค่ไหน หลังจากกำจัดสัญญาณรบกวน(noise) ในข้อมูล เธอก็พบเส้นสเปคตรัมเส้นหนึ่ง ซึ่งบอกว่าดาวมวลสูงอยู่ในวงโคจร 60 วันที่กลมอย่างมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ปกติในระบบดาวคู่

ภาพจากศิลปินแสดงระบบดาวแห่งหนึ่งซึ่งประกอบด้วยดาววิถีหลักดวงยักษ์สีฟ้า และดาวนิวตรอนที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งสุดท้ายพวกมันก็จะกลายเป็นดาวนิวตรอนคู่ ที่จะสร้างกิโลโนวา ผลิตทองคำและโลหะหนักอื่นๆ กระจายไปทั่วกาแลคซี

     นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่ช่วยทีมให้สรุปได้ว่าดาวนิวตรอนจบชีวิตจากซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลว โดยปกติ เมื่อดาวดวงหนึ่งในระบบคู่เผาไหม้ไฮโดรเจนและใกล้สิ้นสุดสถานะวิถีหลัก(main-sequence stage) มันจะเริ่มถ่ายเทมวลไปให้กับดาวข้างเคียง การระเบิดที่จะจบชีวิตก็มักจะผลักดาวข้างเคียงออกจากระบบ หรืออยู่ในวงโคจรที่มีความรีสูง แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เกิดในระบบที่น่าสนใจแห่งนี้

      เพื่อให้เข้าใจสิ่งที่อาจเกิดขึ้นให้ดีขึ้น Richardson ได้ร้องขอไปที่ Jan J. Eldridge จากมหาวิทยาลัยออกแลนด์ ซึ่งเชี่ยวชาญระบบดาวคู่และวิวัฒนาการ นักดาราศาสตร์ได้ใช้แบบจำลองหลายพันงานเพื่ออธิบายระบบดาวคู่ที่คล้ายระบบแห่งนี้ ซึ่งพบเพียงสองงานที่สอดคล้องกับระบบที่พบ จากนั้น ทีมก็ตามรอยประวัติความเป็นมาของดาวและสรุปพฤติกรรมของมัน โดยเป็นไปตามวิถีที่ดาวมวลสูงเกือบทั้งหมดเป็นเมื่อหมดเชื้อเพลิงลง แต่ในช่วงยุติชีวิต ดาวได้ถ่ายเทมวลสารให้กับดาวข้างเคียงจนกลายเป็นดาวมวลต่ำ ที่มีแกนกลางฮีเลียม

      เมื่อดาวสูญเสียมวลมากเกินไปจนซุปเปอร์โนวาที่ยุติชีวิตของมันไม่ได้มีพลังงานมากพอที่จะผลักวงโคจรของดาวคู่หูให้มีรูปร่างรีมากขึ้นอย่างที่พบในระบบคู่ที่คล้ายๆ กัน ดาวที่ตายลงยังไม่มีพลังงานมากพอที่จะผลักคู่หูออกจากระบบ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ดาวทั้งสองยังคงมีวงโคจรที่แนบชนิดกันต่อไป Richardson กล่าวในแถลงการณ์ สุดท้าย ดาวบีอีก็จะจบชีวิตกลายเป็นดาวนิวตรอนในซุปเปอร์โนวาล้มเหลวที่คล้ายกัน สร้างระบบคู่ดาวนิวตรอนซึ่งมีการสลายตัวของวงโคจรจนทำให้เกิดการชนของดาวนิวตรอนขึ้น ซึ่งอาจจะสร้างทั้งดาวนิวตรอนมวลหนัก หรือหลุมดำขึ้นได้

      นอกเหนือจากการเรียนรู้เกี่ยวกับกิโลโนวาให้มากขึ้น งานวิจัยใหม่ยังช่วยนักดาราศาสตร์ให้เข้าใจกำเนิดของธาตุที่หนักมากที่สุดในเอกภพบางส่วน ซุปเปอร์โนวาแบบเงียบเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อไม่กี่ล้านปีก่อน และนักดาราศาสตร์ก็คาดว่าระบบ CPD-29 2176 จะยังคงเป็นเช่นนี้ไปอีกอย่างน้อย 1 ล้านปี แบบจำลองได้แสดงว่า ดาวข้างเคียงเองก็จะเหมือนกับดาวนิวตรอนหลัก ที่จะกลายเป็นซุปเปอร์โนวาเปลือย และสุดท้ายยุบตัวกลายเป็นดาวนิวตรอนอีกดวงหนึ่ง

วิวัฒนาการของ CPD-29 2176 1.ดาวยักษ์สีฟ้า 2 ดวงก่อตัวในระบบดาวคู่ 2.ดาวมวลสูงกว่าใกล้จุดจบชีวิต 3.ดาวขนาดเล็กดึงวัสดุสารออกจากดาวข้างเคียง 4.ดาวมวลสูงกลายเป็นซุปเปอร์โนวาแบบเปลือยรุนแรง(ultra-stripped supernova) 5.ดาวนิวตรอนที่ได้กำลังดึงมวลสารออกจากดาวฤกษ์ข้างเคียง 6.ดาวข้างเคียงก็กลายเป็นซุปเปอร์โนวาแบบเปลือยรุนแรงด้วยเช่นกัน 7.เหลือดาวนิวตรอนคู่หนึ่งทิ้งไว้ 8.ดาวนิวตรอนสองดวงหมุนวนเข้าหากัน 9.กิโลโนวา

     ในอีกหลายล้านปีต่อจากนี้ ทีมทำนายว่าดาวนิวตรอนทั้งสองจะค่อยๆ หมุนวนเข้าหากันและกันอย่างช้าๆ จนสุดท้ายชนกัน และสร้างกิโลโนวาขึ้นมา การระเบิดลักษณะนี้เป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นแหล่งของธาตุหนักจำนวนมหาศาล อย่างทองคำขาว(platinum), ซีนอน(xenon), ยูเรเนียม(uranium) และทองคำ ซึ่งจะกระจายไปทั่วเอกภพ Richardson กล่าว นักดาราศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่าโลหะหนักที่ปล่อยออกมาจากเหตุการณ์ลักษณะนี้จะล่องลอยในตัวกลางระหว่างดวงดาว(interstellar medium) จนกว่าจะไปเกาะกับดาวเคราะห์น้อย และจากนั้นก็ระดมชนโลกเมื่อเพิ่งก่อตัวขึ้น และนำส่งโลหะมีค่าที่เราได้พบในปัจจุบัน

     กิโลโนวาที่พบในปี 2017(จากเหตุการณ์ GW170817) เพียงเหตุการณ์เดียวก็สร้างโลหะมีค่ามากถึง 100 เท่ามวลโลกออกมา ดังนั้น จึงดูเหมือนการเป็นซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลว ไม่ใช่การสูญเปล่าสำหรับเอกภพแต่อย่างใด งานวิจัยใหม่เผยแพร่ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 1 กุมภาพันธ์

แหล่งข่าว space.com - astronomers identify 1^st twin stars doomed to collide in kilonova explosion
                scitechdaily.com – supernova fizzles out: rare twin star system discovered with a weirdly circular orbit    
               iflscience.com – astronomers discover a “one-in-10-billion” kilonova-in-waiting for first time
                sciencealert.com – super-rare star system is a giant cosmic accident waiting to happen