ซุปเปอร์โนวาซวิคกี้

 

SN Zwicky

     นักดาราศาสตร์ได้พบซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นไกลออกไปมากๆ เหตุการณ์หนึ่ง ซึ่งสว่างกว่าที่ควรจะเป็น จากระยะทางที่ไกลมากๆ ของมัน และมันไม่ได้ปรากฏให้เห็นเพียงครั้งเดียว นักวิจัยได้เห็นมันถึง 4 ครั้ง

     แต่เหตุการณ์เหล่านี้ก็ยังไม่ขัดต่อกฎทางฟิสิกส์ นั้นเป็นเพราะ แสงจากเหตุการณ์นี้ผ่านเข้าใกล้ใจกลางกาแลคซีมวลสูงแห่งหนึ่ง กาแลคซีได้บิดแสงจากซุปเปอร์โนวา และขยายแสงและทำภาพซ้ำ(multiple images) ออกมา เป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วง(gravitational lensing) ซึ่งถูกทำนายไว้โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์นี้เรียกว่า SN Zwicky ตามชื่อ Zwicky Transient Facility(ZTF) บนหอสังเกตการณ์พาโลมาร์

     ด้วย ZTF เราจึงมีความสามารถอันเป็นอัตลักษณ์ที่จะค้นหาและจำแนกซุปเปอร์โนวาในช่วงเวลาเกือบตามเวลาจริง เราสังเกตเห็นว่า SN Zwicky สว่างขึ้นกว่าที่ควรจะเป็น จากระยะทางของมัน และก็ตระหนักในไม่ช้าว่าเรากำลังได้เห็นผ่านเลนส์ความโน้มถ่วงแบบแรง Ariel Goobar ผู้เขียนหลัก ผู้อำนวยการศูนย์ออร์การ์ไคลน์ ที่มหาวิทยาลัยสต๊อกโฮล์ม ในสวีเดน กล่าวในแถลงการณ์

ภาพจากศิลปินแสดงระบบดาวคู่ที่ประกอบด้วยดาวแคระขาวที่กำลังดึงมวลสารออกจากดาวข้างเคียง จนทำให้มีมวลสะสมที่ดาวแคระขาวเกินค่าจำกัดค่าหนึ่ง ดาวแคระขาวเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบกู่ไม่กลับลุกลามไปทั่วพื้นผิว ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ 

     ZTF ได้สำรวจพบซุปเปอร์โนวาที่ยืนยันแล้ว 7811 เหตุการณ์ ทั้งหมดมีความสำคัญอย่างมากต่อความเข้าใจว่าดาวฤกษ์ตายอย่างไร และยังบอกถึงคุณสมบัติของเอกภพ แต่ SN Zwicky ก็มีความพิเศษยิ่งกว่า มันเป็นหนึ่งในซุปเปอร์โนวาเพียงไม่กี่เหตุการณ์ที่ถูกพบผ่านเลนส์ความโน้มถ่วง นี่หมายความว่า มันอยู่ห่างไกลมากกว่าซุปเปอร์โนวาเกือบทั้งหมดที่เราได้สำรวจ เมื่อแสงของมันเดินทางเกือบ 4 พันล้านปี และยังเป็นซุปเปอร์โนวาชนิดพิเศษที่เรียกว่า ชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) ด้วย

      ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ มักจะมีกำลังสว่าง(luminosity) ในช่วงพีคที่เท่าๆ กัน นี่ทำให้พวกมันเป็นเทียนมาตรฐานในอุดมคติ เมื่อทราบกำลังสว่างที่ควรจะเป็นและ ตรวจสอบว่ามันมีความสว่างที่ปรากฏให้เห็นมากแค่ไหน ก็ช่วยให้คุณสามารถคำนวณระยะทางได้ การตรวจสอบระยะทางเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งในการเข้าใจธรรมชาติของพลังงานมืด(dark energy) ซึ่งเป็นพลังงานไม่ทราบรูปแบบและเป็นเพียงทฤษฎี ซึ่งเชื่อว่าเป็นตัวการทำให้เอกภพขยายตัวด้วยความเร่ง

     แสงจาก SN Zwicky ใช้เวลาเดินทาง 4 พันล้านปี ผ่านเข้าใกล้กาแลคซีแห่งหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไป 2.5 พันล้านปีแสงและเกิดปรากฏการณ์เลนส์ฯ จนมาถึงโลกในวันที่ 21 สิงหาคม 2022 และถูกพบโย Christoffer Freming จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย มันมีชื่ออย่างเป็นทางการว่า SN 2022qmx จากนั้นทีมของ Goobar ก็สำรวจติดตามผลด้วยกล้องโทรทรรศน์จำนวนมากซึ่งรวมถึง กล้องเคก, กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล, กล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) เป็นต้น

ภาพ SN Zwicky โดย Zwicky Transient Facility(ที่พื้นหลัง), กล้อง VLT(ซ้ายบน), กล้องเคก(ขวาบน) พลังในการเปิดเผยรายละเอียดของ NIRC2 ของเคก และระบบปรับกระจก-adaptive optics เผยให้เห็นซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงจนสร้างภาพขึ้นมา 4 ภาพ

     ที่น่าสนใจคือ ภาพทั้งสี่จากเหตุการณ์นี้ ซึ่งถูกบิดเลี้ยวด้วยเลนส์ความโน้มถ่วงทั้งหมดไม่ได้มีความสว่างเท่ากัน ภาพสองภาพซึ่งระบุเป็น A และ C มีความสว่างมากกว่าที่คาดไว้ที่ 4 และ 2 เท่าตามลำดับ ทีมบอกว่านี่อาจเกิดจากเหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาค(microlensing) ภายในกาแลคซีที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์เอง ซึ่งจะขยายแสงจากซุปเปอร์โนวาให้สว่างขึ้นไปอีก วัตถุที่ถูกขยายด้วยเลนส์ซ้ำซ้อนลักษณะนี้จะช่วยเราให้ตรวจสอบปริมาณและการกระจายของสสารในแกนกลางส่วนในของกาแลคซี นักดาราศาสตร์สงสัยว่าสภาวะในใจกลางกาแลคซีน่าจะช่วยให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์มวลสูงในสัดส่วนที่สูงกว่าปกติ และดาวมวลสูงเหล่านี้ก็น่าจะเป็นตัวการเลนส์แบบจุลภาค

     และเลนส์ความโน้มถ่วงก็เป็นหนทางหนึ่งที่ใช้ตรวจสอบว่ากาแลคซีมีองค์ประกอบอย่างไร รวมถึงสสารมืด(dark matter) ซึ่งเป็นสสารปริศนาที่เชื่อว่ามีมวลมากกว่าสสารปกติที่เป็นองค์ประกอบของมนุษย์, ดาวเคราะห์ และดาวฤกษ์ ถึง 5 เท่า ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่เกิดเลนส์ความโน้มถ่วงอย่าง SN Zwicky จึงเป็นเครื่องมือที่ใช้ศึกษาเอกภพแห่งความดำมืดทั้งปวง

     ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอที่เกิดเลนส์ความโน้มถ่วงแบบแรง ช่วยให้เราได้ย้อนเวลาไปไกลขึ้นเนื่องจากพวกมันถูกขยายแสง การสำรวจซุปเปอร์โนวาเหล่านี้ให้ได้มากขึ้นจะช่วยให้เรามีโอกาสอันหาได้ยากในการสำรวจธรรมชาติของพลังงานมืด Joel Johansson นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยสต๊อคโฮล์ม และผู้เขียนร่วมการศึกษานี้ กล่าว

แสงจากแหล่งแสงที่พื้นหลัง เดินทางผ่านสนามแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีที่พื้นหน้า ต้องใช้เส้นทางที่คดเคี้ยวต่างกัน จึงทำให้ภาพแต่ละภาพมาถึงโลก ในเวลาที่ต่างกัน  

      ในซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์บางกรณี ก็เป็นไปได้ที่จะใช้ความล่าช้าในการปรากฏภาพแต่ละภาพ เพื่อคำนวณค่าคงที่ฮับเบิล(Hubble constant) ซึ่งเป็นค่าที่บอกถึงอัตราการขยายตัวของเอกภพ เมื่อเร็วๆ นี้ ซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์อีกเหตุการณ์หนึ่งที่พบในปี 2014 ซึ่งเรียกว่า ซุปเปอร์โนวาเรฟสดัล(SN Refsdal) ก็แสดงพหุภาพ 4 ภาพแต่ภาพที่ 5 ก็ปรากฏในอีกหนึ่งปีถัดมา เมื่อใช้เส้นทางที่ยาวกว่าในการเดินทางผ่านห้วงอวกาศที่บิดเบี้ยว

     ด้วยการตรวจสอบว่าเอกภพที่กำลังขยายตัวทำให้แสงจากซุปเปอร์โนวาแต่ละภาพล่าช้าไปมากน้อยแค่ไหน นักดาราศาสตร์ก็คำนวณค่าคงที่ฮับเบิลได้ที่ 64.8 ถึง 66.6 กิโลเมตรต่อวินาทีต่อเมกะพาร์เซค ค่าดังกล่าวจึงสร้างความขัดแย้งให้กับสิ่งที่เรียกว่า ความไม่ลงรอยฮับเบิล(Hubble tension) เมื่อวิธีการต่างๆ ที่ใช้ตรวจหาค่าคงที่ฮับเบิลได้ให้ค่าที่แตกต่างกันจนสังเกตเห็นได้

     แต่สำหรับ SN Zwicky ซึ่งภาพทั้งสี่เกิดความล่าช้าเพียงไม่กี่วันเท่านั้น จึงสั้นเกินกว่าจะใช้เพื่อตรวจหาค่าคงที่ฮับเบิลได้ แต่สิ่งที่น่าสนใจอีกอย่างในเหตุการณ์นี้ก็คือ กาแลคซีที่เป็นเลนส์ซึ่งค่อนข้างสลัวและไม่ได้มีมวลสูงนัก ซึ่งน่าจะถูกมองข้ามไปโดยสิ้นเชิงถ้าไม่เกิดซุปเปอร์โนวาที่ถูกขยายด้วยเลนส์จนสว่างมากอย่างนี้ การมีอยู่ของมันบอกว่ามันอาจจะเป็นตัวแทนประชากรกาแลคซียุคใหม่ที่สลัว ซึ่งอยู่ห่างออกไปไม่กี่พันล้านปีแสง ที่โครงการสำรวจท้องฟ้าไม่เคยได้พบ

ภาพอธิบายแสดงขั้นตอนพื้นฐาน 3 ขั้น ที่นกัดาราศาสตร์ใช้เพื่อคำนวณว่าเอกภพกำลังขยายตัวเร็วแค่ไหน เป็นค่าที่เรียกว่า ค่าคงที่ฮับเบิล ขั้นตอนทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสร้างสิ่งที่เรียกว่า บันไดระยะทางในอวกาศ โดยการเริ่มต้นด้วยการตรวจสอบระยะทางสู่กาแลคซีใกล้เคียงอย่างเที่ยงตรง จากนั้นก็ขยับไปสู่กาแลคซีที่ไกลออกไปเรื่อยๆ บันไดนี้เป็นการตรวจสอบวัตถุทางดาราศาสตร์ชนิดต่างๆ ที่ทราบความสว่างที่แท้จริงชุดหนึ่ง ซึ่งใช้เพื่อคำนวณระยะทางได้

      องค์ประกอบที่หายไปที่ต้องใช้เพื่อจำลองประวัติการขยายตัวของเอกภพคืออะไร สสารมืดที่เป็นมวลส่วนใหญ่ในกาแลคซีคืออะไร เมื่อเราได้พบ SN Zwicky ได้มากขึ้นด้วย ZTF และหอสังเกตการณ์รูบิน(Vera C. Rubin observatory) ในชิลีซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์เพื่อการสำรวจขนาด 8.4 เมตร เราก็จะมีเครื่องมืออีกชิ้นในการกระเทาะปริศนาเอกภพและค้นหาคำตอบได้ Goobar กล่าวเสริม การศึกษานี้เผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy วันที่ 12 มิถุนายน

แหล่งข่าว iflscience.com : extremely warped supernova, just spotted, will help us understand the dark universe
               space.com : “cosmic magnifying glass” reveals super-rare warped supernova with gravitational lens
                keckobservatory.org : rare gravitational lensing warps light of distant supernova into four images

ร่องรอยจากดาวฤกษ์มวลระดับหมื่นเท่าดวงอาทิตย์

 

supermassive stars

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ได้ช่วยนักดาราศาสตร์ในการตรวจจับร่องรอยทางเคมีของดาวฤกษ์มวลมหาศาล(supermassive stars) ซึ่งเป็นดาวยักษ์ใหญ่มโหฬารซึ่งสาดแสงด้วยความสว่างหลายล้านเท่าดวงอาทิตย์ ในเอกภพยุคต้น

     โดยรวมแล้ว ดาวที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เราเคยสำรวจพบมามีมวลที่ราว 300 เท่าดวงอาทิตย์ แต่ดาวมวลมหาศาลที่อธิบายในการศึกษาใหม่นี้ มีมวลราว 5000 ถึง 10000 เท่าดวงอาทิตย์ ทีมนักวิจัยยุโรปที่อยู่เบื้องหลังงานศึกษานี้เคยตั้งทฤษฎีถึงการมีอยู่ของดาวมวลมหาศาลมาก่อนในปี 2018 ในความพยายามเพื่ออธิบายหนึ่งในปริศนาใหญ่ที่สุดข้อหนึ่งในทางดาราศาสตร์

     เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักดาราศาสตร์ต้องงงงันกับองค์ประกอบดาวต่างๆ ที่มีความหลากหลายอย่างรุนแรง ซึ่งแออัดอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า กระจุกดาวทรงกลม(globular clusters) กระจุกดาวชนิดนี้ ซึ่งเกือบทั้งหมดมีอายุเก่าแก่อย่างมาก อาจมีดาวได้มากถึงหลายล้านดวงแออัดอยู่ในพื้นที่ที่ค่อนข้างเล็กเพียงสิบกว่าจนถึงราวหนึ่งร้อยปีแสง  

     ความก้าวหน้าทางดาราศาสตร์ได้เพิ่มจำนวนกระจุกทรงกลม ซึ่งคิดกันว่าเป็นส่วนเชื่อมโยงที่หายไประหว่างดาวฤกษ์ดวงแรกๆ สุดและกาแลคซีแห่งแรกๆ สุดในเอกภพ ทางช้างเผือกของเรามีดาวมากกว่า 1 แสนล้านดวง ก็มีกระจุกทรงกลมราว 180 แห่ง แต่ก็ยังมีคำถามอยู่ว่า เพราะเหตุใด ดาวในกระจุกเหล่านี้จึงมีองค์ประกอบเคมีที่แตกต่างกันอย่างไร ยกตัวอย่างเช่น สัดส่วนของออกซิเจน, ไนโตรเจน, โซเดียม และอลูมินัมนั้นก็แตกต่างกันในดาวแต่ละดวง แม้ว่าทั้งหมดน่าจะก่อตัวขึ้นในเวลาเดียวกัน จากเมฆก๊าซก้อนเดียวกัน(ซึ่งนักดาราศาสตร์เรียกว่า abundance anomalies)  

       ดาวหลายดวงมีธาตุที่ต้องใช้ความร้อนมหาศาลเพื่อผลิตขึ้นมาอย่างเช่น อลูมินัมซึ่งต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง 70 ล้านองศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิในใจกลางดาวอย่างมาก สำหรับดาวที่ใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิเพียงราว 15 ถึง 20 ล้านองศาเซลเซียสเท่านั้น ดังนั้น นักวิจัยจึงพยายามหาคำตอบที่เป็นไปได้ โดยเสนอว่า มีดาวฤกษ์มวลมหาศาลที่ปล่อย “มลพิษสารเคมี” ออกมา

ภาพกระจุกดาวทรงกลม M15 ซึ่งเป็นดาวนับล้านดวงอยู่กันอย่างแออัด

      ทีมจากมหาวิทยาลัยเจนีวา, มหาวิทยาลัยบาร์เซโลนา และสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งปารีส(CNRS) ตั้งทฤษฎีว่าดาวดวงมหึมาเหล่านี้ก่อตัวขึ้นจากการชนอย่างเป็นลำดับขั้นในกระจุกทรงกลมที่มีดาวอยู่กันอย่างแออัด Corinne Charbonnel นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเจนีวา และผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ กล่าวว่า เมล็ดพันธุ์ดาวแบบนี้น่าจะกลืนดาวเข้าไปมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างกู่ไม่กลับ จนสุดท้าย ก็จะกลายเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดมหึมา ซึ่งกลืนวัตถุดิบอย่างต่อเนื่อง และจะพ่นสารออกมาจำนวนมาก

     สิ่งที่เรียกว่า สารปนเปื้อนนี้ก็จะไปรวมอยู่ในดาวฤกษ์อายุน้อยที่กำลังก่อตัว ทำให้พวกมันมีองค์ประกอบทางเคมีที่หลากหลายมากขึ้น เมื่อพวกมันอยู่ใกล้กับดาวมหึมานี้มาก เธอกล่าว แต่ทีมยังคงต้องการการสำรวจเพื่อสนับสนุนทฤษฎีนี้ จนสุดท้าย ก็พบร่องรอยในกาแลคซี GN-z11 ซึ่งอยู่ห่างออกไปมากกว่า 13 พันล้านปีแสง โดยแสงที่เราได้เห็นมาจากเมื่อ 440 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเท่านั้น

      กาแลคซีแห่งนี้ถูกพบโดยกล้องฮับเบิลในปี 2015 และก็ยังยึดครองสถิติกาแลคซีที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่เคยสำรวจมาจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ จึงทำให้มันเป็นเป้าหมายต้นๆ สำหรับผู้สืบทอดของกล้องฮับเบิลอย่างกล้องเจมส์เวบบ์  

     เวบบ์ได้เผยให้เห็นเงื่อนงำสองอย่าง คือ ดาวที่อยู่กันอย่างหนาแน่นมากจนไม่น่าเชื่อ และที่สำคัญที่สุดก็คือ การมีไนโตรเจนอยู่จำนวนมาก(มากว่าอัตราส่วนที่พบในดวงอาทิตย์ 4 เท่า) ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิและความดันที่สูงสุดขั้วเพื่อสร้างไนโตรเจนขึ้นมาจนนักวิจัยเชื่อว่าจะเป็นไปได้ที่จะถูกสร้างโดยดาวมวลมหาศาลเท่านั้น แม้ไนโตรเจนจะถูกสร้างผ่านลมดวงดาวได้ แต่เนื่องจาก GN-z11 ไม่ได้แสดงสัญญาณออกซิเจนที่มากมาย จึงน่าจะมาจากการหลอมในดาวมวลมหาศาล เมื่อมีดาวอยู่หนาแน่นมากและมีไนโตรเจนในสัดส่วนที่สูงมาก ก็น่าจะมีกระจุกดาวทรงกลมหลายแห่งที่กำลังก่อตัวในกาแลคซี GN-z11 และก็น่าจะยังมีดาวมวลมหาศาลมีชีวิตอยู่

     กระจุกดาวทรงกลมนั้นมีอายุเก่าแก่ระหว่าง 1 ถึง 1.3 หมื่นล้านปี ในขณะที่ดาวมวลมหาศาลน่าจะมีอายุมากที่สุดได้แค่ 2 ล้านปีเท่านั้น พวกมันจึงหายไปจากกระจุกที่ถูกสำรวจ ตั้งแต่ช่วงต้นๆ สุด จึงพบแค่ร่องรอยโดยอ้อมเท่านั้น Mark Gieles ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยบาร์เซโลนา กล่าวในแถลงการณ์

ภาพจากพื้นที่โครงการสำรวจ GOODS(Great Observatories Origins Deep Survey) แสดงตำแหน่งของกาแลคซี GN-z11 ภาพเล็กซูมให้เห็นกาแลคซี

      การมีไนโตรเจนจำนวนมากสามารถอธิบายได้แค่การสันดาปของไฮโดรเจนที่อุณหภูมิสูงสุดขั้วเท่านั้น ซึ่งก็มีแต่เพียงในแกนกลางของดาวมวลมหาศาลที่จะสูงถึง ตามที่แสดงในแบบจำลองจาก Laura Ramirez-Galeano นักศึกษาปริญญาโทในทีมของทีม Charbonnet อธิบาย

     ทีมได้จำลองวิวัฒนาการของดาวมวลมหาศาลที่ 1000, 10000, 50,000 และ 100,000 เท่ามวลดวงอาทิตย์ขึ้นมา โดยดาวมหึมาแต่ละดวงเริ่มด้วยโลหะ(metal; นักดาราศาสตร์ใช้เรียกธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม) ประมาณ 1/10 ของที่มีในดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นตัวแทนสภาวะในช่วงไม่กี่ร้อยล้านปีแรกหลังจากบิ๊กแบง แบบจำลองเสมือนจริงได้พบกลศาสตร์ของไหล, ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และสัมพัทธภาพทั่วไปเพื่อตามรอยดาวเมื่อมันพัฒนาไป

      มวลที่แตกต่างกันอย่างมากของดาวจำลอง เป็นผลให้เกิดสิ่งที่ได้มาแตกต่างกันอย่างมาก สำหรับดาวมวล 1 แสนเท่าจะระเบิด ส่วนดาวมวล 5 หมื่นเท่าจะยุบตัวก่อนที่จะสิ้นสุดช่วงวิถีหลัก(main sequence; สถานะที่ดาวหลอมไฮโดรเจนในแกนกลาง) ในขณะที่ดาวมวลเบากว่าอีกสองชนิดที่เหลือจะพัฒนาจนหลุดช่วงวิถีหลัก  

      ต้องขอบคุณข้อมูลที่รวบรวมโดยกล้องเจมส์เวบบ์ เราเชื่อว่าเราได้พบร่องรอยแรกที่แสดงการมีอยู่ของดาวพิเศษสุดๆ เหล่านี้ Charbonnel กล่าวในแถลงการณ์ และยังเรียกดาวเหล่านี้ว่า ปีศาจในอวกาศ ทฤษฎีก่อนหน้านี้ของทีมก็เหมือนกับ การหาร่องรอยของดาวมวลมหาศาล การค้นพบนี้ก็เหมือนกับการเจอกระดูก เธอกล่าว เราก็สงสัยเกี่ยวกับหัวของปีศาจตัวนี้

กราฟแสดงปริมาณของธาตุต่างๆ เมื่อเทียบกับธาตุที่พบในดวงอาทิตย์ จะมีแต่ดาวมวลสูงเท่านั้นที่จะสร้างธาตุที่หนักได้ ปริมาณมาก จะเห็นแบบจำลองดาวมวลสูงกว่าจะ สร้างไนโตรเจน(z=7) มากกว่า และ ออกซิเจน(z=8) น้อยกว่าดวงอาทิตย์ ส่วนดาวมวลต่ำจะสร้างธาตุทั้งหมดในปริมาณมากกว่าดวงอาทิตย์

     แต่ก็มีความหวังเพียงน้อยนิดที่จะได้สำรวจปีศาจตนนี้โดยตรง แต่ก็น่าจะเผยร่องรอยเพิ่มเติมของดาวมวลมหาศาลที่เคยอยู่ในกระจุกทรงกลมอื่นๆ ที่ก่อตัวในกาแลคซีที่ห่างไกล การศึกษานี้เผยแพร่ในวารสาร Astronomy & Astrophysics

แหล่งข่าว phys.org : Webb telescope spots signs of universe’s biggest stars
                phys.org : possible first evidence for supermassive stars at the origin of globular clusters
                sciencealert.com : signs of monster stars 10000 times our Sun’s mass found at the dawn of time   
                 skyandtelescope.com : could supermassive stars explain how this galaxy got its nitrogen?

บีเทลจูสทำตัวประหลาดอีกแล้ว

 

credit image: Bob King/skyandtelescope.com 

      แม้ว่าคุณจะไม่รู้จักชื่อของมัน แต่ดาวซุปเปอร์ยักษ์แดง บีเทลจูส ก็เป็นหนึ่งในภาพที่เห็นจนเจนตาที่สุดบนท้องฟ้า เป็นจุดแสงสีแดงที่หัวไหล่ของกลุ่มดาวนายพราน(Orion) แม้ว่าจะมองข้ามได้ยาก แต่บีเทลจูสก็ยิ่งเป็นที่จับตามองมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีหลังนี้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงลักษณะปรากฏครั้งใหญ่ของมัน เป็นความสว่างที่ปั่นป่วนโดยไม่คาดคิด

     แต่ในช่วงไม่กี่สัปดาห์ล่าสุด บีเทลจูสสว่างขึ้นมากกว่าปกติ 50% และยังกลายเป็นดาวที่สว่างที่สุดในกลุ่มดาวนายพราน ดึงดูดความสนใจระลอกใหม่จากนักดูดาวสมัครเล่นและนักดาราศาสตร์อาชีพไปพร้อมๆ กัน ซึ่งแต่ละส่วนก็รอคอยเหตุการณ์ประวัติศาสตร์ครั้งสำคัญ วันหนึ่งข้างหน้า บีเทลจูสจะระเบิดจบชีวิตของมันเป็นซุปเปอร์โนวา และจากเก้าอี้แถวหน้าๆ บนโลกที่อยู่ห่างออกมาเพียง 650 ปีแสง เราชาวโลกจะได้เห็นหายนะภัยในอวกาศที่น่าตื่นตานี้อย่างแน่นอน

     แล้วการสว่างขึ้นครั้งนี้บอกว่าบีเทลจูสจะระเบิดแล้วหรือ และซุปเปอร์โนวาที่เกิดใกล้ๆ นี้น่าจะมีสภาพอย่างไร คงต้องหยุดฝันเมื่อทุกผู้คนที่มีชีวิตในปัจจุบันไม่น่าจะได้เห็นการระเบิดครั้งใหญ่ของบีเทลจูส อ้างอิงจากความสว่าง, สี, ขนาดและอายุของดาว นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่า บีเทลจูสยังคงอยู่ในช่วงต้นของกระบวนการหลอมฮีเลียมเป็นคาร์บอน ซึ่งหลังจากนั้น มันจะต้องหลอมต่อไปจนได้ออกซิเจนออกมา ตามด้วยซิลิกอน และสุดท้ายที่เหล็ก ในจุดนี้เอง ที่แกนกลางบีเทลจูสจะไม่สามารถรีดพลังงานจากปฏิกิริยาการหลอมนิวเคลียสได้อีกต่อไป ทำให้ดาวยุบตัวลงภายในมวลและระเบิดกระจุยกระจายเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย

ภาพโดย ALMA แสดงบีเทลจูส ถ้านำมันมาวางไว้ใจกลางระบบสุริยะของเรา ภาพแสดงขนาดทางกายภาพของบีเทลจูสโดยประมาณ

      เราทราบว่าบีเทลจูสจะระเบิดในไม่ช้านี้ แต่คำว่า “ในไม่ช้า” ก็เป็นอีกหนึ่งหมื่นถึงหนึ่งแสนปีข้างหน้า Jared Goldberg นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่สถาบันฟลาติรอนในนิวยอร์ค ซิตี้ กล่าว ผมคงไม่กล้าพนันด้วยอาชีพของผมบีเทลจูสจะระเบิดในไม่ช้านี้ ในตอนนี้

      อย่างไรก็ตาม เมื่อวันนั้นมาถึง ดาวก็จะหายวับไป ลางเตือนแรกๆ ของซุปเปอร์โนวาน่าจะเป็นกระแสของอนุภาคขนาดจิ๋วที่เรียกว่า นิวตริโน(neutrinos) ซึ่งจะเปล่งออกมาในระหว่างที่ดาวยุบตัว ก็น่าจะพุ่งทะลักผ่านโลกไปโดยไม่สร้างอันตรายใดๆ เพียงแค่ทำให้เครื่องตรวจจับรอบโลกร้องสว่างวาบขึ้น หลังจากนั้นไม่นาน เมื่อโฟตอนพลังงานสูงหนีออกจากเมฆเศษซากหนาทึบที่กำลังขยายตัวออกมาได้ ดอกไม้ไฟของจริงก็จะเริ่มต้นขึ้น

     สิ่งที่เราน่าจะได้เห็นก็คือบีเทลจูสจะสว่างขึ้นมาก สว่างกว่าปกติ หนึ่งหมื่นถึงหนึ่งแสนเท่าในเวลาเพียงหนึ่งสัปดาห์เท่านั้น Goldberg กล่าว ก็ต้องขึ้นอยู่กับว่าการระเบิดนี้ทรงพลังแค่ไหน ซากซุปเปอร์โนวาก็อาจจะสว่างถึงหนึ่งในสี่หรืออาจถึงครึ่งหนึ่งของจันทร์เต็มดวง กระจุกในจุดแสงจุดเดียว เพียงพอที่จะมองเห็นได้แม้แต่ในเวลากลางวันและสาดแสงจนทิ้งเงาในเวลากลางคืนได้

     และภาพตระการตานี้ก็จะอ้อยอิ่งอยู่นานพอให้ทุกๆ ผู้คนได้เห็น Goldberg กล่าวว่า มันจะสว่างอยู่เป็นเวลานานทีเดียว ผมหมายถึงนานแบบเป็นฤดูกาล สำหรับนักดาราศาสตร์แล้ว การระเบิดและผลที่ตามมาก็น่าจะเป็นเหตุการณ์ที่สร้างความสั่นสะเทือนเมื่อจะให้โอกาสอันเป็นอัตลักษณ์ในการสำรวจอย่างใกล้ชิด ซึ่งน่าจะเผยให้เห็นการค้นพบใหม่ๆ อีกเป็นกระบุง

      แล้วการระเบิดซุปเปอร์โนวาของบีเทลจูสจะสร้างอันตรายใดๆ ให้กับเราหรือไม่ ซุปเปอร์โนวาจะสร้างอนุภาคพลังงานสูงที่เรียกว่า รังสีคอสมิค(cosmic rays) ซึ่งสามารถทะลุผ่านสนามแม่เหล็กที่เป็นเกราะป้องกันโลกได้ แต่ปริมาณรังสีน่าจะน้อยที่เทียบกับการแผ่รังสีใดๆ ที่มาจากซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นใกล้ๆ ซุปปอร์โนวายังสร้างเหล็กกัมมันตรังสี(radioactive iron) ด้วย ซึ่งในความเป็นจริงแล้ว เราพบสสารนี้ในชั้นตะกอนก้นทะเลโลกและบนดวงจันทร์ ซึ่งเชื่อว่าก่อตัวขึ้นในซุปเปอร์โนวาที่ระเบิดเมื่อ 2 ถึง 3 ล้านปีก่อน ซึ่งน่าจะอยู่ใกล้ราวๆ 300 ปีแสง แต่ก็ยังไกลเกินกว่าจะสร้างปัญหาใหญ่ให้กับชีวิตบนโลก

      ซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นใกล้มากๆ น้อยกว่า 30 ปีแสง ถึงน่าจะสร้างปัญหาใหญ่ให้ได้ รังสีคอสมิคน่าจะเป็นสาเหตุให้เกิดการทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศ และเพิ่มระดับรังสีอุลตราไวโอเลตที่ลงมาถึงโลก โอโซนอาจลดลงถึงครึ่งหนึ่งในเวลาเพียงไม่กี่ร้อยจนถึงไม่กี่พันปี ซึ่งระดับดังกล่าวทำให้เกิดการสูญพันธุ์ครั้งใหญ่(mass extinction) ได้ แต่ก็พบซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นใกล้มากอย่างนั้นได้ยาก และอาจจะเกิดเพียงหนึ่งครั้งในรอบพันล้านปี 

      ก็สบายใจได้ว่าบีเทลจูสยังอยู่ไกลมากพอที่มนุษย์จะไม่ได้รับผลเสียใดๆ จากการระเบิด แต่ก็แน่ชัดว่าเหตุการณ์ซุปเปอร์โนวาจะเป็นที่กล่าวขวัญในประวัติการสำรวจซุปเปอร์โนวาที่ยาวนานของมนุษยชาติ ท้องฟ้าน่าจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก และมันก็จะปรากฏให้ทุกคนได้เห็น และมันก็น่าจะสร้างปฏิกิริยาอย่างมหาศาลไปทั่วโลก Bryan Penprase นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโซคาแห่งอเมริกา กล่าว

บีเทลจูส(Betelgeuse) ดาวฤกษ์สว่างสีเหลืองส้มทางด้านบนของภาพ สลัวลงในช่วงต้นปี 2020(ภาพที่สอง) และหลังจากนั้นก็สว่างขึ้นราว 50% image credit: H. Raab/Flickr, CCBY-ND

     นักดาราศาสตร์ทราบมานานแล้วว่าบีเทลจูสสว่างขึ้นและมืดลงอย่างเป็นคาบเวลา ในความเป็นจริง มีบันทึกจากชนเผ่าอะบอริจิ้นและกรีกโบราณต่างก็ทราบถึงวัฏจักรการแปรแสงนี้มาตั้งแต่หลายพันปีก่อน ในยุคปัจจุบันนี้ วัฏจักรคงอยู่ราว 400 วัน แต่ขณะนี้ ความสว่างของบีเทลจูสกำลังปั่นป่วนเร็วขึ้น ในระดับ 130 วัน Andrea Dupree นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ศูนย์ฮาร์วาร์ดสมิธโซเนียนเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ซึ่งตามรอยบีเทลจูส กล่าว

     ขณะนี้ บีเทลจูสกลายเป็นดาวที่สว่างมากที่สุดเป็นอันดับ 7 บนท้องฟ้า จากอันดับปกติที่ 10 โดยในเดือนพฤษภาคม สว่างที่ 142% ของความสว่างปกติ ในขณะที่เคยสว่างที่สุดที่ 156% ในเดือนเมษายน พลวัตล่าสุดของบีเทลจูสดูจะเชื่อมโยงกับสิ่งที่เรียกว่า การมืดลงครั้งใหญ่(Great Dimming) ซึ่งบีเทลจูสมืดลงเกือบ 25% ที่เกิดในช่วงปลายปี 2019 จนถึงต้นปี 2020 ซึ่งนักวิทยาศาสตร์อธิบายว่า เป็นเพราะบีเทลจูสผลักก้อนก๊าซและฝุ่นขนาดใหญ่ออกมา แล้วบังแสงดาวไว้บางส่วน ทำให้ดูเหมือนมืดลง

     ลองจินตนาการว่าคุณบั่นวัสดุสารก้อนใหญ่ออกมา จากนั้นทุกๆ อย่างก็จะเริ่มทะลักและกระฉอกไปรอบๆ Dupree กล่าว ผลจึงสร้างพลาสมาและสนามแม่เหล็กที่ปั่นป่วน ซึ่งช่วยอธิบายว่าเพราะเหตุใด บีเทลจูสจึงสว่างมากกว่าที่วัฏจักรการแปรแสง 400 วันได้ทำนายไว้ เขาเปรียบเทียบการสว่างขึ้นแบบนอกรอบก็เหมือนกับเครื่องซักผ้าที่ไม่สมดุลจึงเหวี่ยงไปรอบๆ ฉันคิดว่าสิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ ชั้นส่วนบนๆ กำลังประสบปัญหาในการกลับสู่สมดุล สุดท้ายเราก็หวังว่าจะกลับสู่วัฏจักร 400 วันได้ แต่ตอนนี้มันแค่พยายามหาทางอยู่ อาจจะภายในหนึ่งทศวรรษ

การสลัวลงครั้งใหญ่ของบีเทลจูส ซึ่งเกิดจากวัสดุสารที่ดาวผลักออกมาเย็นตัวลงกลายเป็นฝุ่นบังแสงดาวไว้บางส่วน

     บีเทลจูสเป็นดาวชนิดที่ไม่ปกติ แม้กระทั่งในกลุ่มดาวยักษ์แดงด้วยกัน ครั้งหนึ่งเมื่อนานมาแล้ว มันเคยเป็นดาวร้อนแรงสีฟ้าขาว(O-type star) ซึ่งเป็นดาวฤกษ์กลุ่มที่มีมวลสูงที่สุด ดาวมวลสูงมากกลุ่มนี้จะเผาไหม้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนได้รวดเร็วกว่าดาวมวลเบา บีเทลจูสซึ่งน่าจะมีอายุระหว่าง 8 ถึง 8.5 ล้านปี เมื่อเทียบกับดาวอย่างดวงอาทิตย์ซึ่งมีอายุ 4.6 พันล้านปีแล้วแต่เพิ่งหลอมไฮโดรเจนไปได้เพียงครึ่งทาง แต่บีเทลจูสได้เปลี่ยนแปลงชนิดสเปคตรัมเนื่องจากมันหลอมไฮโดรเจนไปเกือบหมดแล้ว ขณะนี้ซึ่งกำลังหลอมฮีเลียมเป็นคาร์บอนและออกซิเจน ได้พองตัวออกจนมีขนาดราว 700 เท่าขนาดของดวงอาทิตย์  

แหล่งข่าว scientificamerican.com : Betelgeuse’s brightening raises hopes for a supernova spectacle
                sciencealert.com : Betelgeuse is being weird again. What gives?
                iflscience.com : Betelgeuse is continuing to behave mysteriously – here’s what would happen if it exploded

พัลซาร์มินิเมาส์

 

การเดินทางของพัลซาร์ความเร็วสูงแห่งหนึ่ง

     นักดาราศาสตร์ที่ศึกษาหลุมดำได้พบสิ่งที่หายากอีกอย่าง เมื่อดาวฤกษ์ที่ตายแล้วดวงหนึ่งถูกยิงออกจากซุปเปอร์โนวาที่ให้กำเนิดมัน ทิ้งรอยทางคลื่นวิทยุคล้ายดาวหางไว้ตามหลัง

     ดาวที่ตายแล้วซึ่งมีชื่อว่า PSR J1914+1054g เป็นวัตถุในกลุ่มพัลซาร์วิทยุ(radio pulsar) ที่ถูกยิงออกมาด้วยความเร็วสูงมากซึ่งเพิ่งพบเป็นดวงที่ 4 เท่านั้น ไม่เพียงแต่นักดาราศาสตร์สามารถสำรวจพัลซาร์ได้ แต่ยังสำรวจรอยทางที่อยู่ข้างหลังมันที่เรียกว่า เนบิวลาคลื่นรูปโบว์(bow-shock nebula) และซากซุปเปอร์โนวาที่ผลักมันออกมาได้ด้วย

     ทีมนักวิทยาศาสตร์ซึ่งนำโดยนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Sara Elisa Motta จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์เบรร่า ในอิตาลี และมหาวิทยาลัยออกฟอร์ด ในสหราชอาณาจักร ได้ตั้งชื่อเนบิวลานี้ว่า มินิเมาส์(Mini Mouse)

     การแตกดับของดาวมวลสูงดวงหนึ่งเป็นเรื่องราวที่ค่อนข้างรุนแรง เมื่อพวกมันหมดเชื้อเพลิงลง ปฏิกิริยาหลอมนิวเคลียสที่ค้ำจุนแรงดันที่ผลักออกมา ต้านทานการยุบตัวลงจากแรงโน้มถ่วง ก็ลดลงในทันที และสรรพสิ่งก็เข้าสู่ความวุ่นวาย ดาวจะระเบิด พ่นทุกสิ่งทุกอย่างออกไปทั่ว ในขณะที่แกนกลางของดาวยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงกลายเป็นวัตถุที่หนาแน่นสูงมากซึ่งเรียกว่า ดาวนิวตรอน ซึ่งมีมวลถึง 2.16 เท่าดวงอาทิตย์ อัดอยู่ในทรงกลมที่มีความกว้างเพียง 20 กิโลเมตรเท่านั้น

     ในหลายๆ กรณี อาจพบซากดาวเหล่านี้ซ่อนอยู่ในเนบิวลาที่เกิดจากการระเบิด แต่ถ้าซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นนั้นเอียงข้างหนึ่ง การกระจายพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอจะผลักดาวนิวตรอนวิ่งออกสู่อวกาศด้วยความเร็วสูง แต่ก็ต้องใช้สภาพแวดล้อมที่พิเศษเพื่อสร้างเนบิวลาที่เหมือนกับ มินิเมาส์นี้ เริ่มต้นด้วย ดาวนิวตรอนจะต้องเป็นพัลซาร์ ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่กำลังหมุนรอบตัวด้วยความเร็วสูงมาก จนดูเหมือนมันเต้นเป็นจังหวะ(pulses) เหมือนกับประภาคารในอวกาศ เมื่อลำคลื่นจากขั้วดาวกวาดผ่านเป็นจังหวะ

      สนามแม่เหล็กที่รุนแรงของพัลซาร์ยังเร่งอนุภาคมีประจุเข้าสู่ลมที่เกรี้ยวกราด ซึ่งพัดไปรอบๆ พัลซาร์ บางครั้งก็มีปฏิสัมพันธ์กับตัวกลางในห้วงอวกาศรอบๆ สร้างเนบิวลาลมพัลซาร์(pulsar wind nebula) ขึ้นมา แต่ถ้าพัลซาร์นั้นได้รับแรงผลักจากซุปเปอร์โนวาที่ไม่สม่ำเสมอ จะก่อตัวคลื่นกระแทกรูปโบว์ในทิศทางที่มุ่งหน้าไป ผลักลมพัลซาร์ไปอยู่เบื้องหลังวัตถุเหมือนกับหางของดาวหาง ซึ่งนี่เองที่เรียกว่า เนบิวลาคลื่นกระแทกรูปโบว์จากพัลซาร์

พัลซาร์ความเร็วสูง J1914 เน้นเนบิวลารูปโบว์ และซากซุปเปอร์โนวา ในภาพเล็กทางซ้ายบน แสดงเนบิวลา

     Motta และเพื่อนร่วมงานได้ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ MeerKAT ในอาฟริกาใต้เพื่อศึกษาดาวฤกษ์คู่หนึ่งซึ่งเรียกว่า GRS 1915+105 ซึ่งประกอบด้วยหลุมดำแห่งหนึ่ง และดาวฤกษ์ปกติอีกดวงหนึ่ง พวกเขาก็สังเกตเห็นบางสิ่งที่ประหลาดในระบบดาวคู่นี้ เมื่อมีแสงที่เกลี่ยพาดยาวขวางพื้นที่การมอง ซึ่งแลดูคล้ายคลึงกับเนบิวลารูปโบว์จากพัลซาร์แห่งหนึ่งที่พบในปี 1987 ซึ่งเรียกว่า เดอะเมาส์(the Mouse)

      การสำรวจข้อมูลที่รวบรวมโดย GPPS(FAST Galactic Plane Pulsar Snapshot) ได้เผยให้เห็นพัลซาร์ที่เพิ่งค้นพบใหม่แห่งหนึ่ง ซึ่งมี่คาบการหมุนรอบตัว 138 รอบต่อวินาที ซึ่งปรากฏอยู่ที่หน้ารอยขีดนี้ การสำรวจติดตามผลของทีมได้เผยว่า J1914 อยู่ที่ตำแหน่งหัวของเนบิวลาพอดี ข้อมูลช่วงวิทยุจาก MeerKAT ยังเผยให้เห็นรูปวงกลมจางๆ อยู่ไกลมากจากด้านหลังพัลซาร์ และหางของมัน โดยมีเส้นทางที่ดูจะตามรอยย้อนหลังไปถึงจุดศูนย์กลางของวงกลม จากสิ่งนี้เอง ที่นักวิจัยจำแนกว่าเป็นซากของซุปเปอร์โนวาที่ให้กำเนิดพัลซาร์ J1914

      ทีมพบว่า หางของพัลซาร์มีความยาวราว 40 ปีแสง และรัศมีของซากซุปเปอร์โนวาที่ 43 ปีแสง ทีมยังตรวจสอบจากการย้อนรอยกลับสู่ใจกลางเนบิวลา รวมกับความเร็วของ J1914 ที่ 320 ถึง 360 กิโลเมตรต่อวินาที ก็บอกได้ว่าพัลซาร์(และซุปเปอร์โนวา) ก่อตัวขึ้นมาแล้ว 82000 ปี ซึ่งมีความเร็วน้อยกว่าดาววิ่งหนี(runaway star) ที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยพบมา เร็วไม่พอที่จะวิ่งออกนอกทางช้างเผือก

     จากพัลซาร์ที่เพิ่งพบใหม่ รวมกับอีก 3 แห่งที่จำแนกก่อนหน้านี้ซึ่งมีคุณลักษณะเดียวกัน การค้นพบจะช่วยนักดาราศาสตร์ให้เข้าใจพัลซาร์และลมของพวกมัน, การระเบิดซุปเปอร์โนวา, ตัวกลางในห้วงอวกาศ, อนุภาคความเร็วสูง และคลื่นกระแทกที่สร้างลม ได้ดีขึ้น ยิ่งกว่านั้น มันยังแสดงถึงศักยภาพของ MeerKAT ในการค้นหาวัตถุที่พบได้ยากเหล่านี้

     ต้องขอบคุณการตรวจจับโครงสร้างที่คล้ายๆ กันของเดอะเมาส์ กับมินิเมาส์ นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน MeerKAT จะช่วยให้ได้พบพัลซาร์วิทยุอายุน้อยอีกมาก ซึ่งจะเพิ่มประชากรให้กับกลุ่มวัตถุที่มีจำนวนน้อยเหล่านี้ ซึ่งเคยทำนายว่าในทางช้างเผือกน่าจะมีจำนวนหลายพันดวง งานวิจัยเผยแพร่ใน Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

แหล่งข่าว sciencealert.com : this star exploded so hard, it sent its core whizzing across the galaxy