ดาวฤกษ์แท้งดวงจิ๋ว

 

ภาพจากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์แสดงกระจุกดาว IC 348

     ดาวแคระน้ำตาล(brown dwarfs) เป็นวัตถุที่อยู่กึ่งกลางระหว่างดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์ พวกมันก่อตัวขึ้นมาเหมือนกับดาวฤกษ์ โดยบีบอัดตัวหนาแน่นมากพอที่จะยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วง แต่พวกมันก็ไม่เคยมีความหนาแน่นและร้อนมากพอที่จะเริ่มหลอมไฮโดรเจนและเปลี่ยนเป็นดาวฤกษ์ที่แท้จริงได้(จึงเรียกแคระน้ำตาลอีกชื่อว่า ดาวฤกษ์แท้ง; failed star) ที่ปลายด้านเบาสุด ดาวฤกษ์มีมวลเบาที่สุดอยู่ที่ราว 80 ถึง 85 เท่าดาวพฤหัสฯ แต่ดาวแคระน้ำตาลบางดวงก็มีขนาดพอๆ กับดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ มีมวลเพียงไม่กี่เท่าดาวพฤหัสฯ เท่านั้น

     นักดาราศาสตร์กำลังพยายามตรวจสอบวัตถุที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะสามารถก่อตัวในวิถีที่คล้ายดาวฤกษ์ได้ ทีมนักวิจัยที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้จำแนกผู้ยึดครองสถิติใหม่ เป็นดาวแคระน้ำตาลดวงจิ๋วที่ล่องลอยเป็นอิสระ ซึ่งมีมวลเพียง 3 หรือ 4 เท่าดาวพฤหัสฯ เท่านั้น Kevin Luhman ผู้เขียนนำ จากมหาวิทยาลัยเพนน์ซิลวาเนียสเตท อธิบายว่า คำถามพื้นๆ ข้อหนึ่งที่คุณจะพบในหนังสือเรียนดาราศาสตร์ทุกเล่มก็คือ ดาวฤกษ์จะเล็กที่สุดได้แค่ไหน นี่คือสิ่งที่เรากำลังพยายามจะตอบคำถาม

      เพื่อค้นหาดาวแคระน้ำตาลที่เพิ่งพบใหม่นี้ Luhman และเพื่อนร่วมงาน ได้แก่ Catarina Alves de Oliveira ได้เลือกศึกษากระจุกดาว IC 348 ซึ่งอยู่ห่างออกไปราว 1 พันปีแสงในพื้นที่ก่อตัวดาวเปอร์ซีอุส กระจุกแห่งนี้มีอายุน้อยเพียง 5 ล้านปีเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ แคระน้ำตาลใดๆ น่าจะยังค่อนข้างสว่างในช่วงอินฟราเรด เรืองจากความร้อนที่เหลือจากการก่อตัว ทีมเริ่มต้นถ่ายภาพใจกลางกระจุกโดยใช้ NIRCam ของเวบบ์ เพื่อจำแนกว่าที่ดาวแคระน้ำตาลจากความสว่างและสีของพวกมัน จากนั้นก็สำรวจติดตามผลด้วย NIRSpec microshuttle array ของเวบบ์

การแบ่งดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์, ดาวแคระน้ำตาล และดาวฤกษ์แท้ แบบคร่าวๆ ตามมวล

      ความไวในช่วงอินฟราเรดของเวบบ์เป็นสิ่งที่สำคัญอย่างมาก ช่วยให้ทีมได้ตรวจจับวัตถุที่สลัวมากกว่าที่กล้องภาคพื้นดินทำ นอกจากนี้ สายตาที่คมกริบของเวบบ์ช่วยให้ทีมได้ตรวจสอบว่าวัตถุสีแดงแห่งใดเป็นแคระน้ำตาล และแห่งใดเป็นกาแลคซีที่พื้นหลัง กระบวนการเหล่านี้นำไปสู่เป้าหมาย 3 ดวงที่มีมวล 3 ถึง 8 เท่าดาวพฤหัสฯ โดยมีอุณหภูมิพื้นผิวตั้งแต่ 830 ถึง 1500 องศาเซลเซียส จากแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ดวงที่เล็กสุดในกลุ่มนี้มีมวลเพียง 3 ถึง 4 เท่าดาวพฤหัสฯ เท่านั้น

      การอธิบายว่าแคระน้ำตาลที่มีขนาดเล็กเช่นนี้ก่อตัวได้อย่างไรเป็นเรื่องท้าทายในทางทฤษฎี เมฆก๊าซที่หนักอึ้งและหนาทึบจะมีแรงโน้มถ่วงมากพอที่ยุบตัวและก่อตัวดาวฤกษ์ขึ้นมา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่อ่อนกว่า เมฆที่มีขนาดเล็กกว่าก็น่าจะยุบตัวลงเพื่อก่อตัวแคระน้ำตาลได้ยากกว่า และโดยเฉพาะกับแคระน้ำตาลที่มีมวลเพียงไม่กี่เท่าดาวเคราะห์ยักษ์ด้วย

     เป็นเรื่องค่อนข้างง่ายสำหรับแบบจำลองปัจจุบันที่จะสร้างดาวเคราะห์ก๊าซยักษืในดิสก์รอบๆ ดาวฤกษ์ Catarina Alves de Oliveira ผู้นำโครงการสำรวจจากอีซา กล่าว แต่ในกระจุกแห่งนี้ วัตถุนี้ไม่น่าเป็นไปได้ที่จะก่อตัวในดิสก์ ซึ่งแทนที่จะก่อตัวอย่างดาวฤกษ์ แต่กลับมีมวล 3 เท่าดาวพฤหัส หรือเล็กกว่าดวงอาทิตย์ราว 300 เท่านั้น ดังนั้นเราต้องตั้งคำถามว่า กระบวนการก่อตัวดาวทำงานในมวลที่น้อยอย่างนี้ได้อย่างไร

     นอกเหนือจากจะได้แง่มุมสู่กระบวนการก่อตัวดาวแล้ว แคระน้ำตาลดวงจิ๋วยังช่วยนักดาราศาสตร์ให้เข้าใจดาวเคราะห์นอกระบบ(exoplanets) ได้ดีขึ้น แคระน้ำตาลที่เบาที่สุดจะซ้อนทับกับดาวเคราะห์นอกระบบที่ใหญ่ที่สุด ก็คาดได้ว่าจะมีคุณสมบัติบางอย่างที่คล้ายกัน อย่างไรก็ตาม แคระน้ำตาลที่ล่องลอยอย่างเป็นอิสระนั้นกลับศึกษาได้ง่ายกว่าดาวเคราะห์ยักษ์นอกระบบ เนื่องจากวัตถุแบบหลังจะถูกซ่อนอยู่ภายใต้แสงจ้าของดาวฤกษ์แม่

     แคระน้ำตาลสองในสามดวงที่จำแนกได้ในการสำรวจนี้ แสดงสัญญาณสเปคตรัมของไฮโดรคาร์บอนที่ยังจำแนกชนิดไม่ได้ ปฏิบัติการคาสสินี(Cassini) ในชั้นบรรยากาศดาวเสาร์และดวงจันทร์ไททัน(Titan) ของดาวเสาร์ เคยจำแนกสัญญาณอินฟราเรดคล้ายๆ กัน และยังพบสัญญาณได้ในตัวกลางในห้วงอวกาศ(interstellar mecium) หรือก๊าซที่อยู่ระหว่างดาว

    นี่เป็

ภาพเต็มกระจุกดาว IC 348 ซึ่งมีการค้นพบดาวแคระน้ำตาลดวงจิ๋ว

นครั้งแรกที่เราได้พบโมเลกุลนี้ในชั้นบรรยากศของวัตถุนอกระบบสุริยะ Alves de Oliveira อธิบาย แบบจำลองชั้นบรรยากาศแคระน้ำตาลไม่ได้ทำนายการมีอยู่ของโมเลกุลชนิดนี้ไว้ เรากำลังได้พบวัตถุคล้ายๆ กันที่มีอายุน้อยกว่าและมวลเบากว่าที่เราเคยทำ และเรากำลังได้เห็นบางสิ่งที่แปลกใหม่และคาดไม่ถึง

     เนื่องจากวัตถุอยู่ในช่วงมวลของดาวเคราะห์ยักษ์ด้วย มันจึงสร้างคำถามว่า พวกมันเป็นแคระน้ำตาลจริง หรือเป็นดาวเคราะห์พเนจรที่ถูกผลักออกจากระบบดาวเคราะห์ กันแน่ ในขณะที่ทีมไม่สามารถกำจัดความเป็นไปได้ข้อหลังได้ แต่พวกเขาอ้างว่า เป็นไปได้มากกว่าที่จะเป็นแคระน้ำตาล เนื่องจากสองเหตุผล ประการแรก ดาวเคราะห์ที่ถูกผลักออกมาพบได้น้อยเมื่อเทียบกับดาวเคราะห์ที่มีมวลเบากว่า ประการที่สอง ดาวฤกษ์เกือบทั้งหมดเป็นดาวมวลต่ำ และดาวเคราะห์ยักษ์ที่พบได้ยากมากๆ รอบดาวฤกษ์มวลเบาเหล่านี้

     ด้วยเหตุผลทั้งหมด จึงไม่น่าเป็นไปได้ที่ดาวฤกษ์เกือบทั้งหมดใน IC 348(ซึ่งเป็นดาวฤกษ์มวลต่ำ) จะสามารถสร้างดาวเคราะห์ยักษ์ได้ นอกจากนี้ เนื่องจากกระจุกมีอายุราว 5 ล้านปี ก็ไม่น่ามีเวลามากพอที่จะก่อตัวดาวเคราะห์ยักษ์และจากนั้นก็ผลักออกจากระบบของพวกมัน

IC 348 โดยกล้องฮับเบิล

     การค้นพบวัตถุลักษณะนี้ให้มากขึ้นจะช่วยระบุสถานะของพวกมันให้ชัดเจนมากขึ้น ทฤษฎีบอกว่าดาวเคราะห์พเนจรนั้นมีความเป็นไปได้ที่จะพบที่ชายขอบของกระจุกดาว ดังนั้นการขยายพื้นที่การสำรวจอาจจะจำแนกพวกมันได้ถ้ามีอยู่ในกระจุก IC 348 งานในอนาคตอาจจะรวมถึงการสำรวจที่ยาวขึ้นเพื่อจำแนกวัตถุที่เล็กกว่าและสลัวยิ่งกว่า การสำรวจระยะสั้นของทีมคาดว่าจะพบวัตถุที่มีมวลเบาได้ถึง 2 เท่าดาวพฤหัสฯ การสำรวจระยะยาวขึ้นก็อาจถึง 1 เท่าดาวพฤหัสฯ ได้ การสำรวจเหล่านี้เผยแพร่ใน Astronomical Journal

แหล่งข่าว webbtelescope.org : NASA’s Webb identifies tiniest free-floating brown dwarf
                 sciencealert.com : JWST discovers record-breaking brown dwarf so small it defies explanation
                 iflscience.com : new brown dwarf spotted by JWST is tiniest “failed star” ever discovered