กล้องเวบบ์สำรวจธาตุหนักจากการควบรวมของดาวนิวตรอน

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวนิวตรอนสองดวงชนกัน

     ยังคงมีปริศนาสภาวะที่สร้างธาตุในเอกภพ นี่รวมถึงธาตุที่มีค่าสูง หรือแม้แต่ธาตุที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิตที่เรารู้จัก ขณะนี้ นักดาราศาสตร์ขยับเข้าใกล้ไปอีกก้าวสู่การตอบคำถามนี้ ต้องขอบคุณกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ และเหตุการณ์พลังงานสูงเหตุการณ์หนึ่งซึ่งเป็นการปะทุรังสีแกมมาที่สว่างที่สุดเป็นอันดับสองเท่าที่เคยตรวจพบมา ซึ่งน่าจะเกิดขึ้นจากกการควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง เป็นผลให้เกิดการระเบิดที่เรียกว่า กิโลโนวา(kilonova)แสดงทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ทั้งภาคพื้นดินและในอวกาศหลายตัว ซึ่งรวมถึงกล้องเวบบ์ เพื่อสำรวจการปะทุรังสีแกมมาที่สว่างเจิดจ้ามากเหตุการณ์หนึ่งที่เรียกว่า GRB 230307A และจำแนกว่าการควบรวมของดาวนิวตรอนได้สร้างการระเบิดที่สร้างการปะทุนี้ขึ้นมา เวบบ์ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจจับธาตุเทลลูเรียม(tellurium) เกิดขึ้นจากการระเบิดนี้ด้วย

     ธาตุอื่นที่อยู่ใกล้กับเทลลูเรียมในตารางธาตุ อย่างไอโอดีน(iodine) และธอเรียม(thorium) ซึ่งมีความจำเป็นต่อสรรพชีวิตบนโลกเองก็น่าจะมีอยู่ในวัสดุสารที่ระเบิดออกจากกิโลโนวาด้วย กิโลโนวาเป็นการระเบิดที่เกิดจากการควบรวมของดาวนิวตรอนกับดาวนิวตรอนอีกดวง หรืออาจจะเป็นหลุมดำอีกแห่ง

     Andrew Levan จากมหาวิทยาลัยรัดบาวด์ ในเนเธอร์แลนด์ส และมหาวิทยาลัยวอร์วิค ในสหราชอาณาจักร ผู้เขียนนำการศึกษานี้ กล่าวว่า เพียง 150 ปีกว่านับตั้งแต่ที่ ดิมิทรี เมนเดลีฟ ริเริ่มตารางธาตุขึ้นมา ขณะนี้เราอยู่ในช่วงที่เริ่มเติมช่องว่างช่วงท้ายๆ เพื่อความเข้าใจว่าธาตุทั้งหมดถูกสร้างที่ไหน ต้องขอบคุณเวบบ์

กิโลโนวากับ(อดีต) กาแลคซีต้นสังกัดของมัน

     ดาวฤกษ์เป็นสิ่งที่มหัศจรรย์ พวกมันใช้ไฮโดรเจนซึ่งเป็นสสารดั้งเดิมในเอกภพ ชนอะตอมเข้าด้วยกันสร้างเป็นธาตุที่หนักขึ้นเรื่อยๆ จากไฮโดรเจนเปลี่ยนเป็นฮีเลียม จากนั้นก็เป็นอะตอมที่หนักขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งกลายเป็นเหล็ก ซึ่งเป็นจุดที่เครื่องยนต์ฟิวชั่นในแกนกลางดาวทำงานต่อไม่ได้แล้ว การหลอมเหล็กเป็นธาตุที่หนักขึ้นต้องใช้พลังงานสูงกว่าที่มันจะสร้างออกมา ทำให้ดาวยุบตัวลงและระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา ซึ่งจะสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ชุดหนึ่งขึ้นมาทำให้นิวเคลียสอะตอมชนกับนิวตรอนอิสระ สังเคราะห์ธาตุที่หนักขึ้นไปอีกได้

     ปฏิกิริยาสังเคราะห์ธาตุลักษณะนี้จะต้องเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากพอที่จะไม่มีเวลาให้การสลายตัวกัมมันตรังสีเกิดขึ้นได้ก่อนที่จะมีนิวตรอนมารวมเพิ่ม นี่หมายความว่าการสังเคราะห์ธาตุหนักแบบนี้ต้องมีนิวตรอนอิสระจำนวนมากล่องลอยอยู่รอบๆ กระบวนการสังเคราะห์ธาตุแบบพิเศษนี้เรียกว่า การยึดจับนิวตรอนแบบเร็ว(rapid neutron capture process หรือ r-process)  

     ในขณะที่มีทฤษฎีมานานแล้วว่า การควบรวมของดาวนิวตรอนเป็น “หม้อหุง” ที่เหมาะสมที่สุดที่จะสร้างธาตุที่หาได้ยากบางส่วนที่หนักกว่าเหล็ก นักดาราศาสตร์ก็ต้องเจออุปสรรคเพื่อที่จะได้หลักฐานที่ชัดเจน กิโลโนวานั้นพบได้ยากมากๆ ทำให้ยากที่จะสำรวจเหตุการณ์เหล่านี้ การปะทุรังสีแกมมา(GRBs) แบบสั้นซึ่งเป็นการปะทุแบบที่คงอยู่ไม่ถึง 2 วินาทีนั้น อาจเป็นผลพลอยได้จากการควบรวมที่นานๆ จะพบสักครั้ง เมื่อเทียบแล้ว GRBs แบบยาวซึ่งคงอยู่ได้ถึงหลายนาที มักจะเกี่ยวข้องกับการระเบิดจบชีวิตของดาวมวลสูง

     ในกรณีของ GRB 230307A นั้นมีความน่าสนใจอย่างมาก มันถูกพบเป็นครั้งแรกโดยดาวเทียมรังสีแกมมาเฟอร์มีในเดือนมีนาคม เป็น GRB ที่สว่างที่สุดเป็นอันดับสองในช่วง 50 ปีที่มีการสำรวจ โดยสว่างกว่า GRB ปกติที่เฟอร์มีสำรวจพบราว 1 พันเท่า มันยังคงอยู่นานราว 200 วินาที ทำให้จัดมันอยู่ในกลุ่ม GRB แบบยาวได้ แม้ว่าจะมีกำเนิดที่แตกต่างออกไป

ตำแหน่งกิโลโนวาจาก GRB 230307A ในห้วงอวกาศ  

    การปะทุนี้เป็นแบบยาว ไม่ใกล้เคียงกับรอยต่อเลยด้วยซ้ำ แต่ก็ดูเหมือนจะมาจากดาวนิวตรอนที่ควบรวมกัน Eric Burns ผู้เขียนร่วมรายงาน สมาชิกทีมเฟอร์มีที่มหาวิทยาลัยหลุยเซียนาสเตท กล่าวเสริม ความร่วมมือของกล้องโทรทรรศน์หลายแห่งทั้งภาคพื้นดินและในอวกาศช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ปะติดปะต่อข้อมูลมหาศาลจากเหตุการณ์นี้ได้เร็วแทบจะทันทีที่ตรวจจับการปะทุได้ เป็นตัวอย่างว่าดาวเทียมกับกล้องโทรทรรศน์ทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อจับตาดูการเปลี่ยนแปลงในเอกภพที่เกิดขึ้น

     หลังจากที่ตรวจจับการปะทุได้ ก็มีการสำรวจอย่างเข้มข้นหลายชุดจากภาคพื้นดินและในอวกาศ หันไประบุแหล่งบนท้องฟ้าและตามรอยการเปลี่ยนแปลงความสว่างของมัน การสำรวจในช่วงรังสีแกมมา, รังสีเอกซ์, ช่วงตาเห็น, อินฟราเรด และคลื่นวิทยุแสดงว่า มีการระเบิดคู่ขนานในช่วงตาเห็น/อินฟราเรดที่สลัว, พัฒนาอย่างรวดเร็ว และมีสีแดงจัด ซึ่งเป็นตัวระบุที่ชัดเจนของกิโลโนวา

     การระเบิดชนิดนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมาก โดยวัสดุสารในการระเบิดจะขยายตัวอย่างเร็ววูบวาบ Om Sharan Salafia ผู้เขียนร่วมการศึกษาที่หอสังเกตการณ์เบรรา ในอิตาลี กล่าว เมื่อเมฆทั้งก้อนขยายตัว วัสดุสารจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว และช่วงพีคของแสงนี้จะขยับจากช่วงตาเห็นไปเป็นอินฟราเรด และมีสีแดงขึ้นเรื่อยๆ ในเวลาเพียงไม่กี่วันถึงไม่กี่สัปดาห์

     ในเวลาต่อมา ก็ไม่น่าจะศึกษากิโลโนวานี้ได้จากภาคพื้นดินแล้ว แต่ก็เป็นสภาวะที่ดีเยี่ยมต่อการศึกษาด้วยกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) และสเปคโตรกราฟอินฟราเรดใกล้(NIRSpec) ของเวบบ์เพื่อสำรวจสภาพแวดล้อมที่ปั่นป่วนนี้ สเปคตรัมมีเส้น(เปล่งคลื่น) ที่กว้างซึ่งแสดงว่าวัสดุสารกำลังถูกผลักออกมาด้วยความเร็วสูง แต่ก็มีรายละเอียดหนึ่งที่ปรากฏชัดเจนที่ 2.15 ไมครอน เป็นแสงที่เปล่งออกจากเทลลูเรียม ธาตุที่หาได้ยากกว่าทองคำขาว(platinum) บนโลก ทีมคำนวณพบว่าปริมาณของเทลลูเรียมที่สร้างขึ้นในกิโลโนวานี้น่าจะเทียบเท่ากับ 300 เท่ามวลโลก นี่ช่วยอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใด เทลลูเรียมซึ่งพบได้ยากมากๆ บนโลก กลับพบได้ทั่วไปในเอกภพ

การควบรวมของดาวนิวตรอนสองดวง ทำให้เกิดการเปล่งคลื่นความโน้มถ่วง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคู่ขนานออกมาทั้งการปะทุรังสีแกมมา และสร้างกิโลโนวา

     แบบจำลองทฤษฎีบอกว่ากิโลโนวาน่าจะสร้างเทลลูเรียมจำนวนมาก แต่นี่เป็นครั้งแรกที่พบหลักฐานจากการสำรวจ นอกเหนือจากที่เคยตรวจพบ สตรอนเทียม(strontium) ในกิโลโนวาก่อนหน้า AT2017gfo นอกจากนี้ ยังมีเส้นเปล่งคลื่นอ่อนๆ ที่ 4.5 ไมครอนซึ่งอาจบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของทังสเตน(tungsten) หรือ เซเลเนียม(selenium) หรือทั้งสองธาตุ นี่เป็นเพียงครั้งที่สองเท่านั้นที่เคยได้พบธาตุหนักโดยใช้การสำรวจสเปคตรัมหลังจากดาวนิวตรอนควบรวมกัน

     ความสามารถที่ไวมากในช่วงอินฟราเรดของเวบบ์ช่วยนักวิทยาศาสตร์จำแนกตำแหน่งสังกัดของดาวนิวตรอนสองดวงที่สร้างกิโลโนวาเหตุการณ์นี้ เป็นกาแลคซีกังหันแห่งหนึ่งซึ่งอยู่ไกลออกไปราว 120,000 ปีแสง จากตำแหน่งที่ควบรวม ก่อนจะไปอยู่ตำแหน่งดังกล่าว ครั้งหนึ่งพวกมันเคยเป็นดาวฤกษ์มวลสูงปกติ 2 ดวงที่ก่อตัวเป็นระบบดาวคู่(binary system) ในกาแลคซีกังหันแห่งนี้

     เนื่องจากทั้งคู่ยึดเกาะกันด้วยแรงโน้มถ่วง ดาวทั้งสองจึงถูกส่งออกมาด้วยกันในสองเหตุการณ์ที่เกิดขึ้น เมื่อดวงหนึ่งในคู่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาและกลายเป็นดาวนิวตรอน จากนั้นอีกดวงก็เดินตามรอยเดียวกัน ในกรณีนี้ ดาวนิวตรอนก็ยังคงอยู่ในระบบดาวคู่ แม้ว่าการระเบิดทั้งสองเหตุการณ์จะส่งพวกมันออกนอกกาแลคซีบ้านเกิด คู่เดินทางด้วยระยะทางพอๆ กับเส้นผ่าศูนย์กลางของทางช้างเผือก ก่อนที่จะควบรวมในอีกหลายร้อยล้านปีต่อมา

ภาพกราฟฟิคเปรียบเทียบข้อมูลสเปคตรัมเปล่งคลื่นจากกิโลโนวาของ GRB 230307A ที่สำรวจโดยกล้องเวบบ์ กับแบบจำลองกิโลโนวา ทั้งสองแสดงจุดพีคในพื้นที่ของสเปคตรัมที่เกี่ยวข้องกับเทลลูเรียม(สีแดง) การตรวจพบเทลลูเนียมซึ่งบนโลกหาได้ยากกว่าทองคำขาว ทำให้เป็นการตรวจพบธาตุหนักชนิดหนึ่งในกิโลโนวาเป็นครั้งแรกของเวบบ์

     นักวิทยาศาสตร์คาดว่าจะได้พบกิโลโนวาเพิ่มเติมอีกในอนาคต ต้องขอบคุณโอกาสที่เพิ่มขึ้นเมื่อกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและในอวกาศทำงานสอดประสานกันเพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงในเอกภพ Ben Gompertz ผู้เขียนร่วมการศึกษาที่มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม ในสหราชอาณาจักร กล่าวว่า กล้องเวบบ์เป็นตัวเร่งอย่างรุนแรงมาก และอาจจะได้พบธาตุที่หนักขึ้นไปอีก

     กระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ เรายังไม่เคยคิดว่าการควบรวมดาวนิวตรอนจะทำให้เกิด GRBs ที่ยาวกว่า 2 วินาทีได้ งานต่อไปก็คือค้นหาการควบรวมเหล่านี้ให้ได้มากขึ้นและพัฒนาความเข้าใจสิ่งที่ผลักดันมันให้ดีขึ้น และรู้ให้ได้ว่ามีธาตุหนักกว่าอื่นๆ ถูกสร้างขึ้นหรือไม่ เมื่อเราทำการสำรวจได้ถี่มากขึ้น แบบจำลองก็จะพัฒนาและสเปคตรัมก็จะพัฒนาไปเพิ่มขึ้นตามเวลา เวบบ์จึงขยายช่องประตูบานใหม่ให้ทำงานได้เพิ่มขึ้น และความสามารถของมันก็จะเปลี่ยนแปลงองค์ความรู้เกี่ยวกับเอกภพได้อย่างสมบูรณ์แบบ การค้นพบเผยแพร่ในวารสาร Nature

แหล่งข่าว esa.int : Webb’s first detection of heavy element from star merger
                phys.org : second-brightest gamma-ray burst ever seen observed creating elements needed for life
                iflscience.com : creation of three heavy elements has been observed for first time ever
                sciencealert.com : neutron star collision caught forging heavy metals in a JWST first