หลักฐานดาวนิวตรอนในซากซุปเปอร์โนวา 1987A

 

ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อกวาศเจมส์เวบบ์ กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้พบหลักฐานที่ดีที่สุดเป็นการเปล่งคลื่นจากดาวนิวตรอนดวงหนึ่ง ที่พื้นที่ที่เพิ่งเกิดการระเบิดซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์ล่าสุดที่มนุษย์มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

     ซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์นี้ซึ่งเรียก SN 1987A เป็นซุปเปอร์โนวาแบบแกนกลางยุบตัว(core-collapse supernova) ซึ่งหมายความว่า ซากกะทัดรัดที่เหลืออยู่ในใจกลางอาจเป็นดาวนิวตรอน หรือหลุมดำก็ได้ มีการค้นหาหลักฐานของวัตถุกะทัดรัดนั้นมานานแล้ว และในขณะที่เคยมีการพบหลักฐานโดยอ้อมแสดงการมีอยู่ของดาวนิวตรอนดวงหนึ่ง แต่นี่เป็นครั้งแรกที่ได้ตรวจจับผลจากการเปล่งคลื่นพลังงานสูงจากดาวนิวตรอนที่อายุน้อยดวงนี้

     ซุปเปอร์โนวา ซึ่งเป็นการระเบิดจบชีวิตของดาวฤกษ์มวลสูงบางส่วน สาดมวลสารออกมาในเวลาไม่กี่ชั่วโมง และความสว่างของการระเบิดจะขึ้นถึงระดับสูงสุดภายในเวลาไม่กี่เดือน ซากของดาวที่ระเบิดจะยังคงวิวัฒน์อย่างรวดเร็วในอีกหลายทศวรรษต่อมา ให้โอกาสอันหาได้ยากแก่นักดาราศาสตร์ในการศึกษากระบวนการทางดาราศาสตร์สำคัญๆ ตามเวลาจริง

     SN 1987A เกิดขึ้นไกลจากโลกออกไป 160,000 ปีแสงในเมฆมาเจลลันใหญ่(Large Magellanic Cloud) ถูกพบเป็นครั้งแรกบนโลกในวันที่ 23 กุมภาพันธ์ 1987 ซึ่งเกิดจากดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่มีมวลราว 8 ถึง 10 เท่ามวลดวงอาทิตย์ระเบิด และความสว่างของมันก็ขึ้นถึงจุดสูงที่สุดในเดือนพฤษภาคมปีเดียวกัน มันเป็นซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์แรกที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า นับตั้งแต่การสำรวจพบซุปเปอร์โนวาของเคปเลอร์(Kepler’s Supernova) ในปี 1604 หมายเหตุ นักดาราศาสตร์สามารถระบุดาวต้นกำเนิด SN 1987A ได้ในภาพก่อนการระเบิดเป็นดาวฤกษ์ Sanduleak-69 202(SK-69 202)

ซุปเปอร์โนวาชนิดสอง เป็นซุปเปอร์โนวาที่เกิดเมื่อดาวฤกษ์มวลสูงถึงจุดจบของชีวิต 

     ราวสองชั่วโมงก่อนการสำรวจพบ SN 1987A ในช่วงแสงที่ตาเห็น มีหอสังเกตการณ์สามแห่งรอบโลกที่ตรวจจับการปะทุนิวตริโน(neutrino) ที่คงอยู่เพียงไม่กี่วินาที การสำรวจที่แตกต่างกันสองชนิดนี้เชื่อมโยงได้ถึงซุปเปอร์โนวาเหตุการณ์เดียวกัน และให้หลักฐานสำคัญแก่ทฤษฎีที่บอกว่าซุปเปอร์โนวาแบบแกนกลางยุบตัวเกิดขึ้นได้อย่างไร ทฤษฎีนี้รวมถึงการคาดการณ์ว่าซุปเปอร์โนวาชนิดนี้น่าจะก่อตัวดาวนิวตรอนดวงหนึ่ง หรือหลุมดำแห่งหนึ่ง ขึ้นมา นักดาราศาสตร์สำรวจหาหลักฐานวัตถุกะทัดรัดเหล่านี้ในใจกลางซากวัสดุสารจากการระเบิดที่ขยายตัวออกมา นับแต่นั้นมา

     เพิ่งมีการค้นพบหลักฐานโดยอ้อมที่แสดงถึงการมีอยู่ของดาวนิวตรอนที่ใจกลางซากแห่งนี้เมื่อไม่กี่ปีก่อนนี้เอง และการสำรวจซากซุปเปอร์โนวาที่เก่าแก่กว่ามาก เช่น เนบิวลาปู(Crab Nebula) เป็นต้น ก็ยืนยันว่าพบดาวนิวตรอนได้ในซากซุปเปอร์โนวาหลายแห่ง อย่างไรก็ตาม ไม่เคยพบหลักฐานโดยตรงของดาวนิวตรอนในซากจาก SN 1987A(หรือจากซุปเปอร์โนวาที่เกิดขึ้นเมื่อเร็วๆ นี้เลย) เหตุผลสำคัญก็คือ อนุภาคฝุ่นจำนวนมหาศาลที่ก่อตัวขึ้นหลังจากการระเบิด

     Claes Fransson จากมหาวิทยาลัยแห่งสตอคโฮล์ม และผู้เขียนนำการศึกษานี้ อธิบายว่า จากแบบจำลองทฤษฎีว่าด้วย SN 1987A มีการสำรวจพบการปะทุนิวตริโนนาน 10 วินาทีก่อนพบเห็นซุปเปอร์โนวา ได้บอกว่ามีดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ก่อตัวขึ้นในการระเบิดนี้ แต่เราไม่เคยสำรวจพบสัญญาณแน่ชัดใดๆ ถึงวัตถุที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่จากซุปเปอร์โนวาใดๆ เลย ด้วยกล้องเวบบ์ ขณะนี้เราได้พบหลักฐานโดยตรงเป็นการเปล่งคลื่นที่เหนี่ยวนำโดยวัตถุกะทัดรัดที่เพิ่งเกิดใหม่ ซึ่งเป็นไปได้มากที่สุดที่จะเป็นดาวนิวตรอน

     กล้องเวบบ์ซึ่งเริ่มทำการสำรวจทางวิทยาศาสตร์ในเดือนกรกฎาคม 2022 และการสำรวจของเวบบ์เบื้องหลังงานนี้ก็ทำในวันที่ 16 กรกฎาคม ทำให้ซาก SN 1987A เป็นซากซุปเปอร์โนวาแห่งแรกที่เวบบ์ทำการสำรวจ ทีมใช้รูปแบบการทำงานสเปคโตรกราฟความละเอียดปานกลาง(MRS mode) ของอุปกรณ์อินฟราเรดกลาง(MIRI) ซึ่งสมาชิกของทีมได้ช่วยพัฒนา MRS เป็นเครื่องมือชนิดหนึ่งที่เรียกว่า integral field unit(IFU)

ภาพด้านซ้ายเป็นภาพอินฟราเรดใกล้ของ SN 1987A ที่เผยแพร่ในปี 2023 แสดงวงรีสีชมพูอ่อนที่มีสีฟ้าอ่อน มีก้อนรูปร่างคล้ายรูกุญแจที่ใจกลาง ล้อมรอบด้วยดาวสองสามดวง 

     IFUs สามารถถ่ายภาพวัตถุหนึ่งและเก็บสเปคตรัมของมันในเวลาเดียวกันด้วย IFU จะทำสเปคตรัมแต่ละพิกเซลภาพ ช่วยให้ผู้สังเกตการณ์ได้เห็นความแตกต่างของสเปคตรัมทั่ววัตถุนั้นๆ การวิเคราะห์การเลื่อนดอปเปลอร์(Doppler shift) จากแต่ละสเปคตรัม ยังช่วยให้ประเมินความเร็วของแต่ละตำแหน่งได้ด้วย

     การวิเคราะห์สเปคตรัมแสดงสัญญาณรุนแรงที่เกิดจากอาร์กอนที่แตกตัวเป็นไอออน(ionized argon) จากใจกลางของวัสดุสารที่ถูกผลักออกมาซึ่งล้อมรอบพื้นที่ SN 1987A นี้ การสำรวจต่อมาโดยใช้ IFU ของสเปคโตรกราฟอินฟราเรดใกล้(NIRSpec) ของเวบบ์ ได้พบธาตุที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างรุนแรงเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อาร์กอนที่สูญเสียอิเลคตรอน 5 ครั้ง(อาร์กอนมี 18 อิเลคตรอน สูญเสียไป 5 อิเลคตรอน) ไอออนลักษณะดังกล่าวต้องใช้โฟตอนพลังงานสูงมากเพื่อก่อตัวขึ้น และโฟตอนเหล่านั้นก็มาจากแหล่งบางอย่าง ในขณะที่ซุปเปอร์โนวากำลังขยายตัวด้วยความเร็วสูงถึง 1 หมื่นกิโลเมตรต่อวินาที และกระจายครอบคลุมพื้นที่กว้าง แต่อาร์กอนไอออนและกำมะถันไอออนที่พบอยู่ใกล้กับใจกลางอย่างมาก  

     เพื่อสร้างไอออนที่เราตรวจพบเหล่านั้น ก็ชัดเจนว่าจะต้องมีแหล่งการแผ่รังสีพลังงานสูงที่ใจกลางซาก SN 1987A Fransson กล่าว ในรายงาน เราถกถึงความเป็นไปได้หลายประการ และพบว่ามีลำดับเหตุการณ์ที่เป็นไปได้เพียงไม่กี่ทาง และทั้งหมดก็เกี่ยวข้องกับดาวนิวตรอนที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่เอี่ยม

      โดยอาร์กอนไอออน และกำมะถันไอออนน่าจะเกิดขึ้นจากการแผ่รังสีอุลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ จากดาวนิวตรอนร้อนที่กำลังเย็นตัวลง หรืออีกทาง จากลมของอนุภาคสัมพัทธภาพที่ถูกเร่งความเร็วขึ้นโดยดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเร็วมากและมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุสารที่ซุปเปอร์โนวาสาดออกมารอบๆ ซึ่งเรียกลำดับเหตุการณ์หลังนี้ว่า เนบิวลาลมพัลซาร์(pulsar wind nebula)

ภาพด้านซ้ายเป็นภาพอินฟราเรดใกล้ของ SN 1987A ที่เผยแพร่ในปี 2023 แสดงวงรีสีชมพูอ่อนที่มีสีฟ้าอ่อน มีก้อนรูปร่างคล้ายรูกุญแจที่ใจกลาง ล้อมรอบด้วยดาวสองสามดวง ด้านขวาเป็นภาพพื้นที่เดียวกันซึ่งแสดงวงแหวนสว่างสีส้มแห่งหนึ่ง โดยมีจุดสีส้มที่ใจกลาง บนเป็นอาร์กอนที่เสีย 1 อิเลคตรอน ล่างเป็นอาร์กอนที่เสีย 5 อิเลคตรอน

    ส่วนถ้าเป็นลำดับเหตุการณ์แรก พื้นผิวของดาวนิวตรอนน่าจะมีอุณหภูมิราว 1 ล้านองศา ซึ่งเย็นตัวลงจากระดับ 1 แสนล้านองศาในช่วงที่ก่อตัวขึ้นที่แกนกลางของดาวที่ยุบตัวลงเมื่อกว่า 30 ปีก่อน จากการทำนายลำดับเหตุการณ์ทั้งสองแบบนี้ให้ผลสเปคตรัมที่เหมือนกัน ซึ่งก็สอดคล้องกับการสำรวจจริง แต่ก็ยากที่จะแยกแยะ

     การค้นพบนี้สอดคล้องกับทฤษฎีมากมายเกี่ยวกับดาวนิวตรอน แบบจำลองบอกว่าจะมีการสร้างอาร์กอนและกำมะถันจำนวนมากภายในดาวที่กำลังจะตายไม่นานก่อนระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา และนักวิทยาศาสตร์ก็ทำนายมาหลายสิบปีแล้วว่า การแผ่รังสีอุลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ในซากซุปเปอร์โนวาน่าจะแสดงถึงการมีดาวนิวตรอนที่เพิ่งก่อตัวขึ้นใหม่

     แต่ไม่มีใครจะเดาได้ว่านี่จะเป็นหนทางที่เราได้พบมัน Josefin Larsson นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลจีหลวงแห่งสวีเดน กล่าวว่า ซุปเปอร์โนวามักจะสร้างเรื่องประหลาดใจให้กับเราอยู่เนืองๆ ไม่มีใครทำนายว่าน่าจะตรวจพบวัตถุกะทัดรัดนี้ได้ผ่านเส้นเปล่งคลื่นรุนแรงมากจากอาร์กอน นี่เป็นเรื่องประหลาดใจที่เราได้พบในข้อมูลจากเวบบ์

รวมภาพ SN 1987A จากกล้องฮับเบิลกับแหล่งอาร์กอน แหล่งสีฟ้าสลัวที่ใจกลางเป็นการเปล่งคลื่นจากแหล่งขนาดกะทัดรัดที่พบโดย JWST/NIRSpec นอกวงสีฟ้าเป็นซากดาวซึ่งเดินทางระดับพันกิโลเมตรต่อวินาที สร้อยไข่มุกสว่างด้านในเป็นก๊าซจากเปลือกส่วนนอกของดาวที่ถูกผลักออกมาราวสองหมื่นปีก่อนระเบิดครั้งสุดท้าย เศษซากจากการระเบิดกำลังขนกับวงแหวนนี้ ทำให้เกิดจุดสว่างหลายแห่ง นอกวงแหวนส่วนในเป็นวงแหวนนอกอีกสองวงซึ่งน่าจะก่อตัวจากกระบวนการคล้ายกับวงแหวนด้านใน ดาวสว่างทางซ้ายและขวาของวงแหวนในไม่เกี่ยวกับซุปเปอร์โนวานี้

         ยังมีแผนการการสำรวจเพิ่มอีกในปีนี้ด้วยกล้องเวบบ์และกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ทีมวิจัยหวังว่าการศึกษาอย่างต่อเนื่องจะบอกใด้ชัดเจนมากขึ้นถึงสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นที่ใจกลางของซาก SN 1987A การสำรวจเหล่านี้จะกระตุ้นการพัฒนาแบบจำลองรายละเอียดใหม่ๆ ซึ่งสุดท้ายจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เข้าใจไม่เพียงแค่ SN 1987A ได้ดีขึ้น แต่ยังรวมถึงซุปเปอร์โนวาแบบแกนกลางยุบตัวทั้งหมดด้วย การค้นพบเผยแพร่ในวารสาร Science วันที่ 23 กุมภาพันธ์ ครบปีที่ 37 ที่พบซุปเปอร์โนวานี้

แหล่ง webbtelescope.org : Webb finds evidence for neutron star at heart of young supernova remnant
           phys.org : astronomers find first strong evidence of neutron star remnant of exploding star
           sciencealert.com : in 1987, we saw a star explode. JWST finally found evidence of its remains.
           space.com : James Webb Space Telescope spots neutron star hiding in supernova wreckage