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?