วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

ขั้นแรกของการเกิดดาวฤกษ์ คือ แรงโน้มถ่วงของเมฆฝุ่น และกลุ่มแก๊สขนาดใหญ่ที่เรียกว่า “เนบิวลา” ได้หดยุบตัวลง ขณะที่ยุบตัวลงเป็นก้อนกลม โมเลกุลของแก๊สเข้าใกล้กันมากขึ้น เคลื่อนตัวด้วยความเร็วสูง ความกดดันเพิ่มขึ้น ทำให้แก๊ส และฝุ่นร้อนขึ้น อุณหภูมิของแก๊สที่ใจกลางสูงขึ้นเรื่อยๆ เพราะแรงโน้มถ่วงดึงให้ยุบตัวต่อไปอีก ก้อนแก๊สกลายเป็นดาวที่ยังไม่คลอด หรือที่เรียกว่า “Protostar” จนกระทั่งอุณหภูมิสูงขึ้นเป็น  15 ล้านองศาเซียลเซียส จึงเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ได้พลังงานมหาศาลออกมา เป็นการสร้างพลังงานของดาวฤกษ์ ทำให้ดาวเปล่งแสงคลอดออกมาเป็นดาวฤกษ์เกิดใหม่ ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ดังกล่าว เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อดาวมีมวลสารมากพอที่จะทำให้ใจกลางมีอุณหภูมิสูงถึง  15 ล้านองศาเซียลเซียส หากเนื้อสารน้อยกว่า 1 ใน 20 ของดวงอาทิตย์ ก้อแก๊สจะร้อนขึ้นแต่อุณหภูมิภายในไม่สูงพอจะเกิดปฏิกิริยาได้ ดังนั้น จึงส่องแสงเป็นดาวฤกษ์อย่างสมบูรณ์ไม่ได้ แต่จะกลายเป็น ดาวแคระสีน้ำตาล

เมื่อเกิดเป็นดาวฤกษ์ขึ้นมาแล้วจะมีฝุ่น และแก๊สที่เหลือล้อมรอบดาวดวงนี้ ฝุ่นและแก๊สเหล่านี้อาจรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์หรือดาวแคระน้ำตาล และในที่สุดแรงของการแผ่รังสีของดาวฤกษ์ที่ร้อนแรงจะผลักดันแก๊สและฝุ่นที่หลงเหลือให้กระจายออกสู่อวกาศ

ตั้งแต่เริ่มกำเนิดจนถึงวาระสุดท้าย ดาวฤกษ์ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า วิวัฒนาการเกี่ยวกับดาว ดาวฤกษ์มีวิวัฒนาการอย่างไร ขึ้นอยู่กับมันมีมวลมากแค่ไหน ดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กกว่าจะมีแสงมากกว่า ส่องแสงนานกว่าดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่า หนักกว่า ดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็ก เช่น ดวงอาทิตย์ส่องแสงได้เป็นเวลา 10,000 ล้านปี อย่างไรก็ตาม “จุดจบของดาวฤกษ์จะช้าหรือเร็ว ขึ้นอยู่กับมวลสารของดาวฤกษ์นั้น”

จากข้อความข้างต้น หลายคนอาจจะยัง งงๆ อยู่ เอาเป็นว่า ดาวฤกษ์ทุกดวงเกิดขึ้นมาจากการยุบตัวลงของเนบิวลา จะทำให้บริเวณใจกลางมีอุณหภูมิที่สูงมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ซึ่งเป็นการสร้างพลังงานของดาวฤกษ์

จุดจบของดาวฤกษ์

ดาวฤกษ์ไม่อาจดำรงอยู่ได้ชั่วนิรันดร์เช่นเดียวกับมนุษย์ที่มีการเกิด แก่ เจ็บ ตาย จะมีข้อแตกต่างก็เพียงแต่ดาวฤกษ์นั้นมีชีวิตที่ลิขิตตายตัวไว้แล้วตั้งแต่กำเนิด เมื่อถึงวันหนึ่งที่แก๊สไฮโดรเจนที่แกนกลางอันเป็นแหล่งพลังงานหลักของดาวฤกษ์มาโดยตลอดหมดลง ดาวฤกษ์ก็จะต้องพบกับการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่อีกระลอกหนึ่ง ธรรมชาติจะพยายามทุกวิธีทางในการตอบสนองการเปลี่ยนแปลงที่เข้ามาอย่างต่อเนื่องเพื่อช่วงชิงความสมดุลย์ภายในกลับมา แต่ในที่สุดแล้วการเปลี่ยนแปลงจะนำไปสู่การสิ้นอายุขัยที่หลีกหลี่ยงไม่ได้

ในดาวฤกษ์ทุกดวง จะมีความสมดุลกันระหว่างแรงโน้มถ่วงที่พยายามทำให้ดาวแตกสลายและยุบตัวลงเข้าสู่ใจกลางของตัวเอง กับผลของความร้อนที่พยายามจะทำให้มันแยกเป็นเสี่ยงๆ ความสมดุลนี้จะอยู่ได้นานตราบเท่าที่มีไฮโดรเจนเหลืออยู่ เมื่อขาดเชื้อเพลิงความสมดุลจะหมดไปและดาวก็จะเริ่มดับลง แรงโน้มถ่วงจะเริ่มมีพลังเหนือ ผลของความร้อนและดวงดาวก็จะเริ่มแตกสลาย อย่างไรก็ตามไม่ใช่ว่าดาวฤกษ์ทุกดวงจะมีจุดจบเช่นนี้ อนาคตของมันขึ้นอยู่กับมวล ซึงก็คือปริมาณสสารในตัวของมันนั่นเอง

การสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์มวลน้อย

ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย จะมีขนาดเล็ก เช่น ดวงอาทิตย์ มีแสงสว่างไม่มากจะใช้เชื้อเพลิงในอัตราที่น้อย จึงมีช่วงชีวิตยาว จะถึงจุดจบเมื่อเชื้อเพลิงของมันหมดลง ก่อนอื่นมันจะพ่นควันไฟออกมาจนกลายเป็น ดาวยักษ์สีแดง (Red Giant) จากนั้นก็กลืนดาวพุธและดาวศุกร์เข้าไปแล้วระเบิดส่วนเปลือกนอกออกสู่อวกาศแล้วยุบตัวลงเป็นวัตถุขนาดเล็กที่เรียกว่า ดาวแคระขาว (White Dwarf) เต็มไปด้วยธาตุคาร์บอนและมีเนบิวลาดาวเคราะห์ (Planetary Nebula) ซึ่งเป็นซากของส่วนที่เคยเป็นพื้นผิวดาวห้อมล้อมอยู่ ดาวแคระขาวมีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่าโลกของเรา และในที่สุดสีของมันจะจางลงและกลายเป็น ดาวแคระดำ (Black Dwarf) ในที่สุด

การสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์มวลปานกลาง

ดาวฤกษ์ระดับปานกลาง (มวลมากกว่า 2 เท่า แต่น้อยกว่า 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์) จะมีจุดจบในลักษณะเดียวกับมวลน้อย คือ จบชีวิตลงอย่างสงบและกลายเป็นดาวแคระขาวที่ห้อมล้อมไปด้วยเนบิวลาดาวเคราะห์ สิ่งที่แตกต่างเป็นเพียงผลเนื่องมาจากมวลที่มากกว่าเท่านั้น กล่าวคือ (1) กิจกรรมในทุกช่วงของชีวิตและทุกขั้นตอนของการสิ้นอายุขัยจะดำเนินไปอย่างรวดเร็วกว่าดาวมวลน้อยอย่างมาก และ (2) มวลที่มากขึ้นส่งผลให้ความร้อนและความดันที่แกนกลางมากขึ้นไปด้วย ดาวฤกษ์มวลปานกลางจึงมีมวลพอที่จะกดดันให้แกนกลางมีอุณหภูมิ 600 ล้านเคลวิน เพียงพอสำหรับจุดฟิวชันหลอมรวมคาร์บอนให้เป็นออกซิเจนและนีออนได้ ดาวแระขาวที่เกิดจากดาวมวลปานกลาง จึงเป็นดาวแคระขาวที่เต็มไปด้วยธาตุออกซิเจน ซึ่งต่อมาก็คือแก๊สออกซิเจนที่เราใช้หายใจนั่นเอง

การสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์มวลมาก

ดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่ มีมวลมาก สว่างมาก จะใช้เชื้อเพลิงอย่างสิ้นเปลืองในอัตราที่สูงมาก จึงมีช่วงชีวิตที่สั้นกว่า ดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าจะขยายตัวกลายเป็นดาวยักษ์สีแดง เมื่อเชื้อเพลิงหมดใจกลางของมันจะยุบลงส่วนเปลือกนอกจะระเบิดออกกลายเป็น ซุปเปอร์โนวา (Supernova) ซึ่งจะปล่อยพลังงานอย่างมากมายมหาศาล แสงสว่างจากการระเบิดจะพอๆกับกาแล็กซี ตรงใจกลางของมันจะเกิดวัตถุที่มีความหนาแน่น และมืด แรงโน้มถ่วงจะทำให้ดาวยุบตัวลงกลายเป็น ดาวนิวตรอน (Neutron star) หรือบริเวณแปลกประหลาดที่เรียกว่า หลุมดำ (black hole) ซึ่งมีแรงโน้มถ่วงมหาศาล ขนาดที่แสงยังไม่อาจเล็ดลอดออกไปได้ ขณะที่เกิดหลุมดำก็จะมีแรงสะท้อนที่ทำให้ส่วนภายนอกของดาวระเบิดเกิดธาตุหนักต่างๆ เช่น ยูเรเนียม ทองคำ ซึ่งถูกสาดกระจายออกสู่อวกาศกลายเป็น ส่วนประกอบของเนบิวลารุ่นใหม่ และเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์รุ่นต่อไป

             

          วิวัฒนาการของดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์ก็มีลักษณะคล้ายกับดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ที่เกิดขึ้นมาจากการหดตัวของเมฆหมอก ของแก๊สธุลี หรือเนบิวลา อนุภาคตรงบริเวณขอบด้านนอกของกลุ่มหมอกไฟ เริ่มเคลื่อนตัวเข้าสู่ศูนย์กลาง โดยแรงโน้มถ่วงช่วยดึงดูดเอาอะตอมสู่ภายในมากขึ้นๆ เป็นเวลาประมาณ 10 ล้านปี เมฆหมอกของแก๊สเริ่มหนาแน่น และร้อนขึ้นแล้วเกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญขึ้นที่แกนกลาง เนื่องด้วยแรงโน้มถ่วง ความดันที่เพิ่มสูงขึ้นจะทำให้อุณหภูมิของแก๊สสูงขึ้น สูงกว่าที่ขอบนอก เมื่ออุณหภูมิที่แกนกลางสูงมากขึ้นเป็นหลายแสนองศาเซลเซียส เรียกช่วงนี้ว่า “ดาวฤกษ์ก่อนเกิด (Protostar)” เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงให้แก๊สยุบตัวลงไปอีก ความดัน ณ แกนกลางจะสูงขึ้นจนบังคับให้นิวเคลียสของอะตอมเกิดการหลอมตัวขึ้นด้วยวิธีการที่เรียกว่า “การหลอมนิวเคลียส” ปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล อุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน ซึ่งเป็นอุณหภูมิสูงมากพอที่จะเกิด “ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear reaction)” ที่อุณหภูมินี้ นิวเคลียสของแก๊สไฮโดรเจนจะหลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสฮีเลียม ซึ่งเรียกว่า “ปฏิกิริยาฟิวชัน” เมื่อเกิดความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงดันของแก๊สร้อน ทำให้ดวงอาทิตย์เป็นดวงฤกษ์ที่สมบูรณ์

ดวงอาทิตย์จัดว่าเป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยถึงมวลปานกลาง ฉะนั้น อีกประมาณห้าพันล้านปีต่อจากนี้ ดวงอาทิตย์จะหลอมไฮโดรเจนไปเป็นฮีเลียมอย่างมาก เพื่อรักษาอุณหภูมิไว้ ไฟภายในดวงอาทิตย์ต้องเผาเชื้อเพลิงมากขึ้น ทำให้ดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นและส่องสว่างมากขึ้น ขณะนี้ดวงอาทิตย์ผ่านช่วงชีวิตไปแล้วครั้งหนึ่ง และจะคงส่องแสงต่อไปโดยไม่เปลี่ยนแปลงอีกเป็นเวลาห้าพันล้านปี เมื่อไฮโดรเจนทั้งหมดหลอมรวมกันกลายเป็นฮีเลียมหมด ดวงอาทิตย์จะเข้าสู่วัยชรา เริ่มด้วยการเปลี่ยนแปลงบางอย่างที่รวดเร็ว ขณะที่แก่นกลางเริ่มเสื่อมสลาย ดวงอาทิตย์จะขยายตัวเป็น 100 เท่าของขนาดปัจจุบัน เมื่อผิวด้านนอกขยายตัว อุณหภูมิผิวจะลดลง สีจะเปลี่ยนจากสีเหลืองเป็นสีแดง ดวงอาทิตย์จึงกลายเป็นดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่มาก เรียกว่า “ดาวยักษ์แดง (red giant)” ทีมีการกลืนดาวพุธ และดาวศุกร์เอาไว้ เป็นช่วงที่พลังงานถูกปล่อยออกจากดวงอาทิตย์ในอัตราที่สูงมาก จะทำลายสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก ดวงอาทิตย์จะมีชีวิตเป็นดาวยักษ์แดงค่อนข้างสั้น

ที่แกนกลางของดวงอาทิตย์ซึ่งอยู่ในสภาพของดาวยักษ์แดง ในช่วงท้ายของชีวิตจะไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์อีกต่อไป เพราะอุณหภูมิภายในไม่สูงพอ ความดันจึงลดลง ในเวลาต่อมาแรงโน้มถ่วงจะทำให้แกนกลางของดาวยักษ์แดงยุบตัวลงกลายเป็น “ดาวแคระขาว (white dwarf)” ที่มีขนาดเพียง 1 ใน 100 ของดวงอาทิตย์ในปัจจุบัน ในขณะที่แก่นกลางการยุบตัวมวลของผิวดาวแคระขาวรอบนอกไม่ได้ยุบเข้ามารวมด้วย จึงมีชั้นของแก๊สหุ้มอยู่โดยรอบ เกิดเป็น “เนบิวลาดาวเคราะห์ (planetary nebula) ซึ่งจริงๆแล้วไม่ได้มีความเกี่ยวข้องกับดาวเคราะห์เลย เพียงแต่เมื่อมองด้วยกล้องขนาดเล็กจะเห็นเป็นวงกลมๆ คล้ายกับดาวเคราะห์ดวงหนึ่งเท่านั้น เนบิวลาดาวเคราะห์จะเรืองแสงอยู่ในระยะแรก แต่ต่อมาจะเย็นตัวลง เมื่อขยายออกไปเรื่อยๆและจางหายไปในห้วงอวกาศในที่สุด

ดวงอาทิตย์ในสภาพของดาวแคระขาวจะส่องสว่างไปได้อีกนานนับล้านปี โดยผลิตพลังงานจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ หลอมรวมกับนิวเคลียสของฮีเลียมอีกครั้งที่แก่นกลาง ซึ่งอุณหภูมิจะสูงขึ้น เนื่องจากการยุบตัวลงจากแรงโน้มถ่วง และจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หลอมรวมนิวเคลียสธาตุไฮโดรเจนที่เกิดในชั้นรอบแก่นของดาวแคระขาว จะทำให้ดาวแคระขาวมีความสว่างน้อยลงเป็นลำดับ เพราะอุณหภูมิภายในเริ่มลดลงจนไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ในที่สุดก็หยุส่องแสงสว่างกลายเป็น “ดาวแคระดำ (black dwarf)” ซึ่งเป็นก้อนมวลสารที่ไร้ชีวิต

ดาวแคระขาว (White Dwarf)

บุคคลแรกที่สามารถไขความลับเรื่อการยุบตัวของดวงดาว คือ นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย ดร. สุบามายันต์   จันทรสิกขาร์ (Dr. Subrahmanyan   Chandrasekhar) จันทรสิกขาร์ พบว่า ในดาวฤกษ์ที่มีเชื้อเพลิงน้อยกว่า 1.4 เท่า ของมวลดวงอาทิตย์ (โดยประมาณ) เมื่อเผ่าไหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์จนหมดแล้วจะเกิดการยุบตัวลง เป็นวัตถุท้องฟ้า ที่เรียกว่า “ดาวแคระขาว”

ดาวแคระขาว คือ ซากของส่วนที่เคยเป็นแกนกลางของดาวฤกษ์ที่มีมวลเริ่มต้นน้อยกว่า 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ จึงประกอบด้วยธาตุคาร์บอนหรือออกซิเจนเป็นส่วนใหญ่ ดาวแคระขาวมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10,000 กิโลเมตร ซึ่งไม่ต่างจากโลกของเรามากนัก แต่ก็มีมวลมากได้ถึง 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ (พึงระลึกว่าดวงอาทิตย์มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่าโลก 109 เท่า) ทำให้ดาวแคระขาวมีความหนาแน่นสูงถึง 100 – 1,000 กิโลกรัม /ลูกบาศก์เซนติเมตร เป็นดาวที่หนาวเย็น และมีขนาดเล็ก (ประมาณโลกของเรา)

จากการคำนวณโดยอาศัยกลศาสตร์ควอนตัม (Quantum mechanics) พบว่า ในขณะที่ดาวยุบตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วง อะตอมของธาตุต่างๆจะถูกอัดให้ใกล้กันมากจนอิเล็กตรอนของแต่ละอะตอมมาอยู่ใกล้กัน ปัญหามีอยู่ว่าอิเล็กตรอนนั้นมีนิสัยประหลาดอยู่อย่างหนึ่ง คือ มันไม่ชอบอยู่ใกล้กัน เมื่อมันถูกจับให้มาอยู่ใกล้กันจนเกินไป มันจะผลักกันทำให้เกิดแรงดันขึ้น ซึ่งเรียกว่า Electron degeneracy pressure แรงดันนี้เป็นคุณสมบัติทางควอนตัมฟิสิกส์ของอิเล็กตรอน ไม่ใช่เกิดจากแรผลักของประจุไฟฟ้านั้นมีค่าน้อยมาก เมื่อเทียบกับแรงบีบอัดเนื่องจากความโน้มถ่วง

แรงดัน Electron degeneracy นี้มีค่ามากเสียจนกระทั่งสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดวงดาวได้ และทำให้เกิดวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ ซึ่งเรียกกันว่า ดาวแคระขาว เป็นดาวที่หนาวเย็นและมีขนาดเล็ก (ประมาณโลกของเรา) อย่างไรก็ตามถ้าดาวฤกษ์มีมวลมากกว่า 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ แรงดันจากอิเล็กตรอน จะไม่สามารถต้านทานการยุบตัวของดาวได้อีกต่อไป ดาวที่มีมวลมากกว่านี้จะเปลี่ยนสภาพเป็นวัตถุที่แปลกประหลาดยิ่งขึ้น ซึ่งมวลในระดับนี้ต่อมาเรียกว่า “ขีดจำกัดของจันทรสิกขาร์” (Chandrasekkhar limit) เพื่อเป็นเกียรติแก่จันทรสิกขาร์นั่นเอง

ดาวนิวตรอน (Neutron Star)

ในกรณีที่ดาวมีมวลมากกว่า Chandrasekkhar limit แรงดันจากอิเล็กตรอนจะไม่สามารถยับยั้งอิเล็กตรอนของดาวได้อีก ดาวจะยุบตัวลงจนอัดนิวเคลียสของอะตอมต่างๆเข้าใกล้กัน เกิดเป็นวัตถุท้องฟ้าชนิดใหม่ ที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอน หรืที่รู้จักกันในชื่อ “ดาวนิวตรอน”

ดาวนิวตรอน คือ ซากแกนของดาวที่มีมวลเริ่มต้นระหว่าง 8 – 18 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ที่ยังหลงเหลืออยู่จากการเกิดซุปเปอร์โนวา ดาวนิวตรอนเป็นดาวที่มีความหนาแน่นสูงยิ่งยวด เพราะเนื้อสารที่มีมวลอาจมากถึง 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ถูกบีบอัดให้อยู่ในดาวที่มีขนาดเพียง 10 – 20 กิโลเมตรเท่านั้น ในทางนิวเคลียร์ฟิสิกส์นั้นนิวเคลียสของธาตุต่างๆประกอบด้วยอนุภาคสองชนิด คือ โปรตอนและนิวตรอน ที่น่าสนใจคือ อนุภาคทั้งสองมีนิสัยไม่ชอบอยู่ใกล้ๆกัน เหมือนอิเล็กตรอน ดังนั้นเมื่อถูกอัดให้ใกล้กันมากๆ มันจะเกิดเป็น degeneracy pressure เช่นเดียวกับกรณีของอิเล็กตรอนในดาวแคระขาว แต่ที่น่าสงสัยยิ่งไปกว่านั้นคือ อนุภาคโปรตอนหายไปไหน ทำไมดาวทั้งดวงจึงมีแต่นิวตรอน ? โดยธรรมชาตินิวตรอนสามารถสลายตัวให้โปรตอน อิเล็กตรอนกับนิวทรีโน (neutrino) ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Beta – decay process ซึ่งเป็นการสลายตัวของธาตุกัมมันตภาพรังสี ซึ่งให้อนุภาคเบต้า (อนุภาคเบต้า ก็คือ อิเล็กตรอน นั่นเอง) แต่ในดาวนิวตรอนนั้นมีความดันสูงมากจึงทำให้เกิดปฏิกิริยาย้อนกลับที่เรียกกันว่า ปรากฏการณ์ Inverse Beta – Decay คือ อิเล็กตรอนรวมกับโปตอน เกิดเป็นนิวตรอนและนิวทริโน ในสภาพปกตินิวตรอนและนิวทริโนที่เกิดขึ้นจะรวมตัวกลับไปเป็นโปรตอนดังเดิมแต่เนื่องจากนิวทริโนมีพลังงานสูง และเคลื่อที่ด้วยอัตราเร็วเกือบๆเท่าแสง มันจึงหนีออกจากดาวหมด ปฏิกิริยาย้อยกลับจึงเกิดได้ไม่สมบูรณ์ เป็นสาเหตุให้โปรตอนถูกใช้หมดไป ดาวทั้งดาวจึงเหลือแต่นิวตรอนในที่สุด

จากการศึกษาโดยนักฟิสิกส์หลายท่านพบว่า ถ้าดาวมีมวลมากกว่า 3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แล้วก็จะไม่มีสิ่งใดสามารถหยุดยั้งการยุบตัวของดาวได้ แม้แต่แรงต้านจากนิวตรอน ดวงดาวจะยุบตัวลงเรื่อยๆ จนกระทั่งกลายเป็นวัตถุประหลาด ที่มีแรงดึงดูดมากมายมหาศาล ขนาดที่ไม่มีสิ่งใดจะหลุดรอดออกมาได้หากพลัดหลงเข้าไป เจ้าวัตถุที่ว่านั่น ก็คือ “หลุมดำ” นั่นเอง

หลุมดำ (Black hole)

หลุมดำ มีชื่อเรียกเช่นนี้เพราะหลุมดำมีแรงโน้มถ่วงสูงมากจนแม้แต่แสงซึ่งเดินทางด้วยความเร็วสูงที่สุด ก็ไม่สามารถออกจากหลุมดำได้ (เพราะความเร็วหลุดพ้นของหลุมดำสูงกว่าความเร็วแสง) ดังนั้นจึงไม่มีวัตถุใดๆหลุดออกจากหลุมดำได้เลย ผู้คนส่วนใหญ่มักมีความเข้มใจที่ผิดว่า วัตถุที่อยู่รอบๆหลุมดำจะถูกดูดลงไปยังหลุมดำเสมอ ในความเป็นจริงแล้วหลุมดำมีพฤติกรรมเช่นเดียวกับดาวมวลมากดวงหนึ่ง นั่นคือวัตถุที่อยู่ห่างจากหลุมดำมากเพียงพอ จะโคจรรอบหลุมดำในลักษณะที่ไม่ต่างจากการโคจรรอบดวงดาวนั้นเลย

ตามทฤษฎีฟิสิกส์ “หลุมดำ” นั้นก็เปรียบได้กับดาวฤกษ์ที่ตายดับแล้ว ซึ่งดาวที่จะกลายเป็นหลุมดำได้นั้น ต้องเป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่ามวลของดวงอาทิตย์หลายๆเท่า โดยดาวฤกษ์ คือ ดาวที่มีแสงสว่างในตัวเอง ซึ่งเป็นก้อนแก๊สร้อนๆ ที่ลอยเคว้งคว้างอยู่ในอวกาศ โดยมีไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นองค์ประกอบหลัก พลังงานที่ได้รับจากดาวฤกษ์นั้น เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ในแกนกลางของดาว ซึ่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ว่านี้นอกจากจะให้แสงสว่างแล้ว ยังทำให้เกิดแรงดันมหาศาลจากภายในดาว ซึ่งจะทำหน้าที่พยุงไม่ให้ดาวทั้งดวงเกิดการยุบตัวลง

สาเหตุ

Trip : หลุมดำ

เมื่อพูดถึงหลุมดำหลายคนจะนึกถึงที่ว่างในอวกาศ แต่ความเป็นจริงแล้วหลุมดำประกอบด้วยสสารที่มีความหนาแน่นสูงมาก มันไม่ใช่ที่ว่าง หรือ หลุม อาจทำให้เรานึกว่าเป็นทางผ่านสู่สิ่งอื่นหรือช่องว่าง ซึ่งในสมาการของไอสไตน์บอกว่าหลุมดำไม่ได้เป็นทางผ่านสู่อาณาบริเวณอื่นในอวกาศเหมือนรูหนอน (Wormhole) แต่ที่ถูก คือ หลุมดำเป็นสถานที่ที่นอกเหนือเอกภพปกติ มันเป็นหลุมหรือช่องว่างในมิติเอกภพ แต่หลุมดำก็ไม่ได้อยู่นอกเหนือเอกภพซะทีเดียว มันสามารถติดต่อกับเอกภพภายนอกได้ ผ่าน 3 ทาง คือ

1) มวลหลุมดำจะสร้างแรงดึงดูดโน้มถ่วงต่อวัตถุรอบข้าง ก่อนที่มันจะกลายเป็นหลุมดำไปจริงๆ

2) โมเมนตัมเชิงมุมของหลุมดำก็เหมือนกับก่อนที่สสารจะกลายเป็นหลุมดำ และการหมุนของมันก็มีผลต่ออวกาศนอกขอบสังเกตการณ์

3) ประจุสุทธิของสสารทั้งหมดในหลุมดำจะเท่ากับประจุก่อนเข้สู่หลุมดำ

ดังนั้น หลุมดำจึงไม่ได้เป็นหลุม นานมาแล้วที่เชื่อกันว่า หลุมดำเป็นเครื่องดูดฝุ่นอากาศ แต่ด้วยเหตุผล 2 ประการ ที่ทำให้หลุมดำไม่ได้มีประสิทธิภาพเหมือนเครื่องดูดฝุ่น

ประการแรก หลุมดำไม่ได้เป็นหลุมดวงดาว มีขนาดเล็กมากและสูบมวลสารได้เพียงเล็กน้อย แม้ว่าหลุมดำจะมีแรงดึงดูดเอาแก๊สปริมาณมาก แต่หลุมดำก็มีขนาดเก ดังนั้นแก๊สจะต้องหุนวนรอบๆ อาจเป็นเวลานานหลายปี ก่อนที่จะตกสู่หลุมดำ

ประการที่สอง ทางเดียวที่หลุมดำจะดูดสสารได้ คือ แรงดึงดูดโน้มถ่วง

ปัจจุบัน เรายังไม่สามารถสังเกตหลุมดำได้โดยตรง เพราะหลุมดำจะไม่ส่องสว่างในช่วงคลื่นใดๆเลย การศึกษาหลุมดำจงยังคงอยู่ในระดับทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ และการหาหลักฐานจากการสังเกตการณ์เบื้องต้นเท่านั้น วิธีที่นักดาราศาสตร์มักใช้พิจารณาหลุมดำ คือ การตรวจสอบวงโคจร เพื่อหามวลของดาวในระบบดาวคู่ หรือการวัดการแผ่รังสีเอกซ์จากจานรวมมวลที่อาจเกิดขึ้นรอบๆหลุมดำที่ดูดมวลจากดาดวงอื่นเข้ามา

 

ทางผู้จัดทำ ขอขอบคุณ ข้อมูลจากคู่มือเตรียมสอบ โลก ดาราศาสตร์ และอวกาศ ม. 5 สำนักพิมพ์ พ.ศ.พัฒนา