Stellar collision - การชนกันของดาวฤกษ์
Tabby's Star บ้านของ มนุษย์ต่างดาว ระดับอารยธรรม Type 2 หรือเพียงแค่ฝุ่นดาวที่บดบัง
Tabby’s Star: บ้านของ เอเลี่ยนระดับอารยธรรม Type 2 หรือแค่ฝุ่นดาวที่บดบัง
สิงหาคม 8, 2020
มนุษย์ต่างดาวโบราณ ตอนที่ 4: ไขปริศนาใครสร้าง มหาพีระมิด & พูมาพันกู หินโบราณที่เหมือนถูกตัดด้วยเลเซอร์!
มนุษย์ต่างดาวโบราณ ตอนที่ 4: ไขปริศนาใครสร้าง มหาพีระมิด & พูมาพันกู หินโบราณที่เหมือนถูกตัดด้วยเลเซอร์!
สิงหาคม 11, 2020
Stellar collision - การชนกันของดาวฤกษ์

ภาพนี้แสดงให้เห็นว่าระบบดาว VFTS 352 ซึ่งเป็นระบบดาวคู่ที่ร้อนแรงและใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบัน โดยทั้งสองมีตัวติดกัน อยู่ห่างจากโลกประมาณ 160,000 ปีแสงในเมฆแมกเจลแลนใหญ่ VFTS 352 อาจมุ่งหน้าไปสู่จุดจบที่น่าทึ่งไม่ว่าจะเป็นการก่อตัวของดาวยักษ์เพียงดวงเดียวหรือกลายเป็นหลุมดำคู่ในอนาคต (ภาพจาก ESO/L. Calçada)

การชนกันของดาวฤกษ์ก็คือ การรวมตัวกันของดาวฤกษ์ตั้งแต่ 2 ดวงขึ้นไป ที่เคลื่อนเข้ามาอยู่ในพื้นที่อาณาบริเวณใกล้กัน ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ภายในกระจุกดาวที่มีดาวฤกษ์หนาแน่น หรือไม่ก็เกิดจากการสลายพลังงานในวงโคจรของดาวฤกษ์คู่ เช่นดาวฤกษ์ดวงใดดวงหนึ่ง หรือทั้งสองได้เกิดสูญเสียมวลไป หรือไม่ก็เกิดจากการแผ่รังสีความโน้มถ่วง (gravitational radiation) ขึ้นภายในระบบดาว หรืออาจจะเกิดจากกลไกอะไรบางสิ่งที่เรายังไม่เข้าใจในตอนนี้

นักดาราศาสตร์ประเมินเอาไว้ว่าเหตุการณ์ชนกันของดาวฤกษ์ภายในกระจุกดาวของทางช้างเผือกเรา เฉลี่ยแล้วจะเกิดขึ้นในทุกๆ 10,000 ปี

และเมื่อวันที่ 2 กันยายนปี 2008 นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นการรวมตัวกันของดาวฤกษ์ได้เป็นครั้งแรกในกลุ่มดาวแมงป่อง มันมีชื่อว่า V1309 Scorpii และคณะนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่ทราบว่าดาวฤกษ์ทั้งสองดวงนี้มาเผชิญหน้ากันได้อย่างไร แต่ที่แน่ๆก็คือ ณ ขณะค้นพบนั้น ก็กลายเป็นว่าดาวฤกษ์ทั้งสองดวงนี้ ได้มีเนื้อที่ติดกันไปแล้ว หรือที่เรียกว่า contact binary ก่อนที่จะรวมกันเป็นดาวฤกษ์เพียงหนึ่งดวงที่ใหญ่ขึ้น ในปี 2008 และปลดปล่อยพลังงานแสงออกมาที่เรียกว่า โนวาแดงส่องสว่าง (luminous red nova) นับว่าเป็นการค้นพบหลักฐานการชนกันของดาวฤกษ์ทั้ง 2 ดวงเป็นครั้งแรก จาก contact binary ซึ่งในท้ายที่สุดมันก็จะวิวัฒนาการไปเป็น stellar merger ซึ่งจะคล้ายกันกับสิ่งที่เกิดขึ้นในดาวฤกษ์ V838 Monocerotis และดาวฤกษ์ V4332 Sagittarii

อีกทั้งผลจากการชนกันของดาวฤกษ์หลายๆชุด ภายในกระจุกดาวหนาแน่นในช่วงเวลาสั้นๆนั้น ก็สามารถนำไปสู่การกำเนิดให้กลายเป็น หลุมดำมวลปานกลาง (intermediate-mass black hole) ได้อีกด้วย ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า runaway stellar collisions ซึ่งถูกอธิบายเอาไว้อยู่ในงานวิจัยที่ชื่อ The evolution of runaway stellar collision products ที่เผยแพร่เอาไว้ ในปี 2009 บนเว็บไซต์ arxiv.org ของ มหาวิทยาลัยคอร์เนล (Cornell University) ซึ่งอธิบายไว้ว่า ในแกนของกระจุกดาวฤกษ์อายุน้อย อาจมีการชนกันของดาวฤกษ์ซ้ำๆอยู่หลายครั้ง จนทำให้วัตถุ ณ ศูนย์กลางแห่งความยุ่งเหยิงนี้ อาจสามารถพัฒนาตัวเอง และก่อตัวกลายเป็น หลุมดำมวลปานกลางได้

โดยทีมนักวิจัย ได้ศึกษาและติดตามวิวัฒนาการของดาวฤกษ์จากการชนกันซ้ำๆ เป็นจำนวน 3 ชุด ผ่านโปรแกรมคอมพิวเตอร์ พวกเขาพบว่า เมื่อถึงจุดหนึ่งของการชนกัน แกนดาวฤกษ์ จะเริ่มมีการเผาไหม้คาร์บอนเกิดขึ้น ซึ่งเป็นกระบวนการในระยะสุดท้ายก่อนที่จะเข้าสู่ ในขั้นของ runaway merger sequence และระเบิดออกกลายเป็น supernova โดยแกนดาวที่หลงเหลืออยู่นั้นก็จะกลายเป็นหลุมดำ 

อย่างไรก็ตาม ระหว่างการรวมตัวกันของดาวฤกษ์นั้น มวลส่วนใหญ่อาจสูญเสียไปกับ การปะทะกัน และลมสุริยะที่พัดออกมาอย่างรุนแรง ซึ่งจะส่งผลทำให้ค่าของมวลดาวลดลงได้

ดังนั้นนักวิจัยจึงต้องสร้างแบบจำลองออกมาใหม่ให้ดูมีความสมจริงมากยิ่งขึ้น พวกเขาได้สร้างแบบจำลองวิวัฒนาการดาวฤกษ์มา 2 แบบ และป้อนค่าให้ทั้งสองมีอัตราการสูญเสียมวลลงไปด้วย จากนั้นก็ใส่ค่าความเป็นโลหะให้แก่แบบจำลองทั้งสอง โดยแบบแรกให้มีค่าความเป็นโลหะสูง (Z= 0.02) และแบบที่สองให้มีค่าความเป็นโลหะต่ำ (Z = 0.001) เพื่อประเมินว่าความเป็นโลหะของดาวฤกษ์จะส่งผลกระทบเช่นไร ต่อวิวัฒนาการภายหลังจากการรวมตัวกันนี้

พวกเขาพบว่า การรวมตัวกันของดาวฤกษ์ทั้งสอง จะก่อให้เกิดกลายเป็นดาวฤกษ์หายากประเภท Wolf-Rayet star ที่มีการเผาไหม้ไฮโดรเจนที่แกนกลาง

โดยมวลดาวฤกษ์ที่สูญเสียไป จะเพิ่มขึ้นไปตามจำนวนดาวที่มีการปะทะกัน และรวมไปถึงลมพายุสุริยะที่พัดกระหน่ำออกมา และนี่ก็เป็นไปตามที่นักวิจัยได้เคยพิจารณาเอาไว้ก่อนหน้า 

ภายหลังจากการชนกันของดาวฤกษ์ก็พบว่า มวลดาวฤกษ์ยังคงหลงเหลืออยู่ที่ระหว่าง 10 ถึง 14 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เมื่อเริ่มมีการเผาไหม้คาร์บอนเกิดขึ้น

จากนั้นทีมงานก็พบว่า ไม่มีแบบจำลองที่มีค่าความเป็นโลหะสูงใดๆ จะก่อตัวกลายเป็นหลุมดำได้ และพวกเขายังพบว่า หากแบบจำลองอุดมเต็มไปด้วยโลหะ ดาวดวงนี้จะขยายตัวใหญ่ขึ้น และพองตัวออกจนมีค่าความหนาแน่นรวมที่ลดลงหากเทียบกับสัดส่วนของปริมาตรที่ปรากฏ 

ส่วนในแบบจำลองดาวฤกษ์ที่มีค่าความเป็นโลหะต่ำ ในท้ายที่สุดภายหลังจากการรวมตัวกันมันก็จะระเบิดกลายเป็นซูเปอร์โนวาคู่

อย่างไรก็ตาม การชนกันของดาวฤกษ์ จากงานวิจัยข้างต้น ก็เป็นเพียงหนึ่งในความเป็นไปได้ที่ทำนายถึงการชนกันที่อาจเกิดขึ้นได้ภายในจักรวาลของเรา และยังต้องการหลักฐานอีกมากเพื่อมายืนยันถึงความถูกต้องในงานวิจัยนี้ 

ดาวฤกษ์ใดๆก็ตามในจักรวาล ก็มีโอกาสที่พวกมันจะชนกันได้ ตราบใดที่พวกมันยังมีชีวิตอยู่ โดยการหลอมนิวเคลียสในแกนดาว หรือแม้แต่ดาวฤกษ์ที่ดับลงแล้วก็ตาม พวกมันมีโอกาสปะทะอยู่เสมอ 

อย่างเช่น ดาวแคระขาว, ดาวนิวตรอน. หลุมดำ, ดาวฤกษ์แถบลำดับหลัก (main sequence stars), ดาวยักษ์ (giant stars), และดาวยักษ์ใหญ่ (Supergiant star) ที่มีทั้งขนาดความแตกต่างของมวล, อุณหภูมิ, รัศมี เป็นต้น สิ่งเหล่านี้มีผลต่อความรุนแรงทั้งสิ้นครั้งเมื่อเกิดการชนกันขึ้น

อีกทั้งหากมีวัตถุมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายเท่าชนกัน ผลที่ตามมาอาจก่อให้เกิดกลายเป็นการปลดปล่อยพลังงานในความโน้มถ่วงออกมา หรือที่เรียกกันว่า เหตุการณ์คลื่นความโน้มถ่วง หรือ Gravitational wave ซึ่งเคยเกิดขึ้นมาแล้วกับวัตถุอวกาศ GW170817 เมื่อวันที่ 25 สิงหาคม ปี 2017 ที่เกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนจนเปล่งรังสีความโน้มถ่วงออกมาจากแกแล็คซี่ NGC 4993 ที่อยู่ห่างไกลออกไปจากโลก 140 ล้านปีแสง ในกลุ่มดาว Hydra 

ซึ่งจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงดังกล่าว ยังได้รับการยืนยันถึงความถูกต้องในตำแหน่งว่ามาจากกาแล็กซี่แห่งนี้จริง โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลอีกด้วย ภายหลังจากการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่รอช้าพวกเขาได้หันกล้องไปยังตำแหน่งของ NGC 4993 แล้วก็พบว่ามีการระเบิดของ kilonova ที่ส่องแสงสว่างเจิดจรัสออกมาจากภายในกาแล็กซี่แห่งนี้จริงๆ ก่อนที่แสงจะค่อยๆเลือนลางหายไปในตลอดการเฝ้าสังเกตการณ์ 6 วันอันน่าตื่นเต้นนี้


ประเภทของการชนและการรวมตัวของดาวฤกษ์

1) มหานวดาราประเภท 1เอ (Type Ia supernova)

การรวมตัวกันในประเภทแรกนี้ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นภายในระบบดาวฤกษ์คู่ อันประกอบไปด้วยดาวแคระขาวซึ่งเป็นเศษซากที่หลงเหลืออยู่ของดาวฤกษ์มวลต่ำ และดาวฤกษ์สหายเขามันอีกดวง ซึ่งอาจจะยังเป็นดาวฤกษ์ที่ส่องสว่างอยู่ หรือเป็นดาวยักษ์แดง การอยู่ร่วมกันของดาวทั้งสองดวงนี้อาจก่อให้เกิดกลายเป็น ซูเปอร์โนวาประเภท 1 เอได้ตลอดเวลา

โดยปกติแล้ว ต้นเหตุของผู้ที่นำการจุดระเบิดนี้มา ก็คือตัวของดาวแคระขาวเอง ด้วยแรงโน้มถ่วงมหาศาลของมัน มันได้ดูดกลืนมวลสารออกมาจากดาวฤกษ์สหายของมัน ซึ่งบางระบบอาจจะเป็นดาวยักษ์แดง มวลเหล่านี้จะไหลมากองอยู่กันเป็นรูปทรงจานรอบดาวแคระขาว หรือเป็นที่รู้จักกันในชื่อ จานพอกพูนมวล

ยิ่งไปกว่านั้น หากดาวแคระขาวทั้ง 2 ดวงโคจรเข้ามาอยู่ใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆ พวกมันก็อาจปะทะกันจนเกิดเป็น ซูเปอร์โนวาประเภท 1 เอ ที่รุนแรงยิ่งขึ้นไปอีกได้ เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงแผ่ขยายออกมาจากวงโคจรของดาวแคระขาวทั้งสอง พวกมันจะเริ่มสูญเสียพลังงานในวงโคจรมากขึ้นเรื่อยๆ ระยะห่างระหว่างทั้งสองก็จะเริ่มสั้นลง จนในที่สุดเมื่อทั้งสองเข้ามารวมตัวกันภายในศูนย์กลางของเกลียวพายุอันบ้าคลั่งนี้ มวลของพวกมันจะเพิ่มมากขึ้น จนเกินขีดจำกัดจันทรเศขร (Chandrasekhar limit) ซึ่งมีค่าอยู่ที่ 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เมื่อนั้น จะมีการหลอมนิวเคลียสของคาร์บอนเกิดขึ้น ซึ่งจะไปส่งผลทำให้อุณหภูมิใจแกนดาวเพิ่มสูงขึ้นอย่างยากที่จะควบคุมได้ 

เนื่องจากส่วนประกอบของสสารภายในดาวแคระขาวเริ่มเสื่อมสภาพ (Degenerate matter) และไม่อาจคงความสมดุลระหว่างแรงดันจากความร้อนและน้ำหนักของดาวที่สูงเกินไป

ด้วยเหตุนี้จึงทำให้ใจกลางดาวไม่อาจควบคุมปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้อีกต่อไป ด้วยความร้อนแรงของอุณหภูมิดาวจะเพิ่มสูงขึ้นในช่วงระยะเวลาอันสั้น ท้ายสุด ดาวทั้งสองดวงก็จะระเบิดออกกลายเป็นซูเปอร์โนวา ที่แผ่ขยายมวลสารและพลังงานทั้งหมดออกมารอบทุกทิศทางสู่อวกาศ

2. การรวมตัวของดาวนิวตรอน

การรวมตัวกันของดาวนิวตรอน เกิดขึ้นในแบบที่คล้ายกันกับ ซูเปอร์โนวาประเภท 1 เอ แต่ค้นหาได้ยากกว่ามาก

การรวมตัวกันในประเภทนี้ เกิดขึ้นจากวงโคจรของดาวนิวตรอนทั้งสองดวง ค่อยๆถดถอยเข้ามาใกล้กันเรื่อยๆ เมื่อใกล้กันที่ระดับหนึ่ง มันจะสร้างเกลียวพายุแห่งกาลอวกาศ ที่แพร่ขยายรังสีความโน้มถ่วง (gravitational radiation) อันรุนแรงออกมารอบทิศทาง 

เมื่อดาวนิวตรอนทั้งสองดวงชนกันเมื่อไหร่ มันจะก่อให้เกิดกลายเป็นดาวนิวตรอนดวงใหม่ที่หนักขึ้นกว่าเดิม หรือไม่ก็แปลงสภาพกลายเป็นหลุมดำไปเลย ทั้งนี้ทั้งนั้นก็ขึ้นอยู่กับว่ามวลของดาวนิวตรอนทั้งสอง เมื่อรวมกันแล้วจะเกินค่าขีดจำกัดของ Tolman – Oppenheimer – Volkoff หรือไม่ ที่มีค่าอยู่ระหว่าง 1.5 ถึง 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์

กระบวนการรวมตัวกันของดาวนิวตรอนเมื่อเกิดขึ้น ในช่วงเวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีนี้ มันจะสร้างสนามแม่เหล็กออกสู่อวกาศรอบตัว ซึ่งมีความเข้มข้นสูงนับล้านๆเท่าของสนามแม่เหล็กโลก

นักดาราศาสตร์เชื่อว่า ปรากฏการณ์นี้คือสิ่งที่ทำให้เกิดการปะทุของรังสีแกมมา ออกมาในช่วงเวลาสั้นๆ รวมถึงการระเบิดออกมาเป็น kilonova ที่มีพลังทำลายล้างสูงยิ่งกว่าซูเปอร์โนวายิ่งนัก

3) ดาวยักษ์แดง ที่ใจกลางเป็นดาวนิวตรอน (Thorne–Żytkow object)

จักรวาลของเราอาจจะมีวัตถุประหลาดมากมาย อย่างเช่นดาวฤกษ์ที่มีใจกลางเป็นหลุมดำ ที่มีชื่อว่าดาวควอซี (Quasi-star) ซึ่งในเรื่องของดาวดวงนี้ผมได้เคยทำข้อมูลนำเสนอไปแล้ว 

แต่ก็ยังมีดาวฤกษ์อีกประเภทหนึ่งที่ผมอยากจะให้คุณผู้ชมได้รับทราบกันว่ามันอาจจะมีอยู่จริงๆนั่นก็คือ ดาวฤกษ์ยักษ์แดง ที่ใจกลางเป็นดาวนิวตรอน!

ข้อมูลในส่วนนี้ผมจะอธิบายสั้นๆให้พอเข้าใจกันเพราะมันคือประเภทของการรวมตัวกันของดาวฤกษ์อย่างหนึ่ง

วัตถุอวกาศนี้มีชื่อว่า Thorne–Żytkow object ซึ่งเกิดขึ้นมาจากการรวมตัวกันระหว่างดาวยักษ์แดงมวลต่ำ และดาวนิวตรอนมวลสูง

หากดาวทั้งสองสามารถรอดพ้นจากการรวมตัวกันในครั้งนี้ได้ พวกมันก็จะวิวัฒนาการกลายเป็นดาวฤกษ์ลูกผสมที่มีความแปลกประหลาดที่สุดในจักรวาลที่เรียกว่า Thorne–Żytkow object 

ซึ่งมันก็คือ ดาวนิวตรอนที่ถูกล้อมรอบเอาไว้โดยดาวยักษ์แดงนั่นเอง และในปี 2014 ก็มีดาวผู้ต้องสงสัยอยู่ดวงหนึ่งที่คาดว่าน่าจะเป็น Thorne–Żytkow object นั่นก็คือดาว HV 2112 ในกลุ่มดาวนกทูแคน

4) การรวมตัวกันของดาวไบนารี

ดาวฤกษ์กว่าครึ่งหนึ่งบนท้องฟ้าที่เราเห็น คือดาวฤกษ์ที่อยู่กันเป็นคู่ ที่เรียกว่าระบบดาวฤกษ์คู่ (Binary system) ที่ดาวทั้งสองโคจรอยู่ร่วมกัน

ซึ่งดาวฤกษ์คู่บางแห่ง อาจโคจรเข้ามาใกล้กันเกินไป เมื่อถึงจุดหนึ่งพวกมันจะหลอมรวมชั้นบรรยากาศร่วมกัน ในขั้นนี้รูปร่างของพวกมันจะคล้ายๆกับถั่วลิสงเลย ที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า Contact binary หรือดาวฤกษ์ที่มีเนื้อติดกัน คล้ายแฝดสยาม

แม้ว่าในตอนนี้พวกมัน จะยังคงแบ่งปันชั้นบรรยากาศร่วมกันอยู่ภายในวงโคจรแคบๆ แต่เมื่อถึงจุดหนึ่งครั้งเมื่อเกิดมีความไม่เสถียรขึ้น พวกมันจะรวมตัวกัน คล้ายกับสิ่งที่เกิดขึ้นในอนาคตกับดาวฤกษ์คู่ KIC 9832227 

ดาวฤกษ์คู่ KIC 9832227 ถือเป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับการศึกษาวัตถุอวกาศที่มีเนื้อสารติดกัน ดาวฤกษ์ทั้งสองดวงนี้อยู่ใกล้กันมาก จนชั้นบรรยากาศของดาวทั้งสองหล่อหลอมรวมเป็นหนึ่ง จนมีรูปทรงคล้ายกับถั่วลิสง 

เมื่อเวลาผ่านไปวงโคจรของพวกมันจะค่อยๆสลายตัวลงมา สืบเนื่องจากที่พวกมันมีการสูญเสียมวลไปส่วนหนึ่ง จากนั้นเมื่อทั้งสองรวมตัวกันอย่างสมบูรณ์ มันจะให้ผลลัพธ์ออกมากลายเป็นดอกไม้ไฟในอวกาศที่สวยงามจับใจยิ่งนักที่เรียกว่า โนวาแดงส่องสว่าง (luminous red nova)

และจากการศึกษา สุริยุปราคาในระบบดาวฤกษ์คู่ KIC 9832227 ที่อยู่ห่างไกลจากโลก 1,800 ปีแสงในกลุ่มดาวหงส์ ในงานวิจัยที่ชื่อ Prediction of a red nova outburst in KIC 9832227 ในปี 2017 ก็พบว่าวงโคจรของมันเริ่มหดสั้นลงมาเรื่อยๆ และจากการคาดการณ์ทีมนักวิจัยก็พบว่าพวกมันน่าจะรวมตัวกันในไม่ช้านี้ และจะเกิดขึ้นภายในในปี ค.ศ. 2022

อย่างไรก็ตามจากการวิเคราะห์ย้ำอีกครั้งในงานวิจัยเมื่อปี 2018 ก็พบว่า หนึ่งในชุดข้อมูลที่ใช้สำหรับการทำนายในแบบจำลอง 12 ชั่วโมงนั้น มีความผิดพลาด ซึ่งไปทำให้ช่วงเวลาในวงโคจรของดาวฤกษ์คู่แห่งนี้ลดลงไปเร็วมาก และไม่น่าจะเกิด โนวาแดงส่องสว่าง ขึ้นภายในปี 2022 แต่อย่างใด

แต่ถึงอย่างนั้น แม้นักวิทยาศาสตร์จะยังไม่ค่อยเข้าใจกลไกที่อยู่เบื้องหลังการรวมตัวกันของดาวฤกษ์คู่สักเท่าไหร่ แต่ในการศึกษาดาวฤกษ์แฝดที่มีลำตัวติดกันของ KIC 9832227 และระบบดาวฤกษ์คู่ที่คล้ายๆกันในแห่งอื่นๆนั้น ก็ยังคงมีส่วนสำคัญที่จะไปช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เข้าใจถึงกลไกการรวมตัวกันของดาวฤกษ์ในอนาคตมากยิ่งขึ้นสืบต่อไป

แหล่งที่มา

  1. Stellar collision
  2. KIC 9832227
  3. V1309 Scorpii
  4. The evolution of runaway stellar collision product 
  5. Two stars will NOT merge and explode into red fury in 2022
Sci Ways
Sci Ways
นักเดินทางข้ามกาลเวลา
Facebook
กลับสู่บนสุด