Featured ค้นพบดาวนิวตรอนแบบ Magnetar ที่คาดว่าน่าจะอายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยเจอ
ค้นพบดาวนิวตรอนแบบ Magnetar ที่คาดว่าน่าจะอายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยเจอ

Chottiwatt Jittprasong in Deep Space

ค้นพบดาวนิวตรอนแบบ Magnetar ที่คาดว่าน่าจะอายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยเจอ

January 26, 2021

วันที่ 12 มีนาคม 2020 นักดาราศาสตร์ตรวจพบ Magnetar ดวงใหม่ชื่อว่า J1818 ซึ่งยืนยันการตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์ Neil Gehrels Swift ของ NASA ซึ่ง J1818 ถือเป็น Magnetar อันที่ 31 ที่นักดาราศาสตร์เจอตั้งแต่เคยสำรวจมา อย่างไรก็ตาม Magnetar ดวงนี้ไม่ได้เหมือนดวงก่อน ๆ ที่เคยเจอมาเพราะนักดาราศาสตร์คาดว่ามันน่าจะพึงเกิดได้เร็ว ๆ นี้เท่านั้นเอง

Magnetar คืออะไร

Magnetar คือ ชนิดของดาวนิวตรอน ก่อนอื่นต้องอธิบายคร่าว ๆ ว่าดาวนิวตรอนเกิดขึ้นได้อย่างไร

ดาวนิวตรอนเกิดจากการที่แกนของดาวฤกษ์ไม่มีแรง Thermal pressure จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นมาหักล้างกับแรงโน้มถ่วงของตัวดาวเอง เนื่องจากอุณหภูมิของดาวไม่พอที่จะจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นได้ ทำให้เนื้อสารจมลงไปยังแกนกลางทำให้ดาวหดตัวลงเรื่อย ๆ เมื่อถึงจุด ๆ หนึ่ง แกนกลางของดาวถูกเนื้อสารทับลงมาจนมีความหนาแน่นขึ้นจนถึงขีดจำกัดจันทรสิกขา (มวล 1.4 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์) ซึ่งเป็นจุดที่แรง Electron degeneracy ของแกนดาวตามหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli exclusion principle) ไม่สามารถรับแรงโน้มถ่วงของตัวมันเองที่กดทำลงมาได้อีกต่อไป ดาวจึงยุบตัวลงแกนกลางต่อ

เมื่อแกนกลางถูกบีบอัดโดยเนื้อสารดาวเรื่อย ๆ พร้อมกับอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นทำให้อิเล็กตรอนและโปรตอนของแกนดาวถูกบีบจนมันรวมตัวกันกลายเป็นนิวตรอนจาก Electron capture แกนดาวยุบตัวลงทันทีกลายเป็นนิวตรอนปลดปล่อยนิวตริโนมหาศาลออกมาภายในดาวทำให้เนื้อสารดาวที่กำลังกดลงมาบนแกนอยู่โดนฟลักซ์ของนิวตริโนมหาศาลที่ปลดปล่อยออกมาเป็น Shockwave ผลักออกจนเกิดการระเบิดเป็น Supernova Type Ib และ Ic ขึ้น

แกนดาวนิวตรอนจะไม่ยุบตัวต่อจากแรง Neutron degeneracy ยกเว้นแต่แรงที่เกิดลงแกนดาวจะต้องไม่เกิน Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit ไม่เช่นนั้นแกนดาวจะยุบตัวลงอย่างไม่มีที่สิ้นสุดกลายเป็นหลุมดำนั่นเอง ซึ่งแรง Neutron degeneracy จะเพียงพอต่อการป้องกันไม่ให้ดาวยุบตัวลงไปเป็นหลุมดำที่มวลเริ่มต้นของดาวฤกษ์ประมาณ 10 ถึง 25 เท่าของดวงอาทิตย์

Magnetar ก็คือดาวนิวตรอนดี ๆ ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 20 กิโลเมตร มวลประมาณ 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ ซึ่งที่ขนาดเพียงเท่านี้ความหนาแน่นของเนื้อดาว Mangetar จะสูงมาก มวลของดาว Magnetar หนึ่งช้อนโต๊ะอาจหนักถึง 100 ล้านตัน Magnetar แตกต่างจากดาวนิวตรอนปกติตรงที่มันมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงมาก โดยอาจรุนแรงกว่าดาวนิวตรอนทั่วไปถึง 1,000 เท่า และรุนแรงกว่าสนามแม่เหล็กโลกถึง 100 ล้านเท่า รุนแรงขนาดที่ว่าหากเอา Magnetar มาวางไว้ที่ระยะทาง 1/6 จากโลกไปดวงจันทร์ สนามแม่เหล็กของมันจะทำลายข้อมูลในแถบแม่เหล็กเก็บข้อมูลทุกอย่างบนโลก เช่น บัตรเครดิต

พร้อมกันนี้มันยังหมุนรอบตัวเองช้ากว่าดาวนิวตรอนปกติอีกด้วย Magnetar หมุนรอบตัวเองครบรอบประมาณ 2 ถึง 10 วินาที ในขณะที่ดาวนิวตรอนทั่วไปหมุนครบรอบอาจใช้เวลาน้อยกว่า 1 วินาทีด้วยซ้ำ

ภาพจำลองของดาวนิวตรอน Magnetar ใน Westerlund Star Cluster – ที่มา ESO/L. Calcada

Magnetar จะแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงานสูง (High-energy electromagnetic radiation) อย่าง X-rays และ Gammar rays ออกมาด้วย นอกจากนี้ยังมีบางดวงที่ปลดปล่อย Fast Radio bursts (FRBs) ออกมาอย่างต่อเนื่องด้วย หรือบางดวงก็เป็น Soft Gamma Repeaters (SGRs) ที่ปล่อยรังสีแกมมาอ่อน ๆ ออกมาอย่างต่อเนื่องด้วย อย่างไรก็ตาม Magnetar ดวงใหม่ที่พึ่งค้นพบนี้ นักดาราศาสตร์เชื่อว่ามันแตกต่างจากดวงก่อน ๆ ที่เคยค้นพบมา

Magentar J1818

Magnetar J1818 หรือ J1818.0-1607 ถูกตรวจจับก่อนหน้ากล้องจันทราโดยกล้องโทรทรรศน์ Neil Gehrels Swift ในวันที่ 12 มีนาคม 2020 ต่อมาตำแหน่งที่แน่นอนของ J1818 ถูกระบุโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราซึ่งเผยให้เห็นถึงการแผ่รังสี X-ray ที่เข้มข้นของ Magnetar ซึ่งการค้นพบนี้ถูกเผยแพร่ลงในจดหมายวารสารฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และ arxiv

Chandra observations of the newly discovered magnetar Swift J1818.0-1607

ข้อมูล Wide FOV ในย่านอินฟราเรดจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศของ NASA Spitzer และ WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) ซึ่งถูกถ่ายก่อนหน้านี้ใน Field เดียวกับที่ J1818 อยู่ (ตอนนั้นยังไม่รู้ว่ามี Magnetar อยู่) เมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูล X-ray emission ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราแล้วพบว่า J1818 มีลักษณะเป็นสีม่วงอยู่ใกล้กับ Plane (จาน) ของกาแล็กซีทางช้างเผือก อยู่ห่างออกไปจากโลก 21,000 ปีแสง

ภาพของ J1818 ที่ช่วงคลื่น X-ray จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราก่อนนำไปรวมกับภาพในย่าน Infrared – ที่มา Chandra X-ray Observatory
ภาพของ J1818 ที่ช่วงคลื่น X-ray ที่ 0.5 – 7 keV energy band จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา – ที่มา Chandra observations of the newly discovered magnetar Swift J1818.0-1607

J1818 ถูกตรวจสอบเพิ่มเติมโดยกล้องโทรทรรศน์วิทยุ Karl Jan Sky Very Large Array (VLA) ซึ่งพบว่ามันแผ่คลื่นวิทยุออกมาด้วย และยังมีคุณสมบัติแบบ Pulsar เรียกว่า “rotation-powered pulsar” ซึ่งจะแผ่ลำรังสีออกมาเป็นเมื่อความเร็วในการหมุนมันช้าลงเรื่อย ๆ มีเพียง 5 magnetars ที่เคยเจอเท่านั้นที่มีคุณสมบัติแบบนี้รวม J1818 ด้วย คิดเป็นแค่ 0.2% ของประชากรดาวนิวตรอนทั้งหมด

ภาพของ J1818 ที่ช่วงคลื่น X-ray จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราเมื่อนำไปรวมกับภาพในย่าน Infrared – ที่มา NASA/CXC/Univ. of West Virginia/H. Blumer; Infrared (Spitzer and Wise): NASA/JPL-CalTech/Spitzer

Rotation-powered pulsar ก็เหมือนมอเตอร์ไฟฟ้าที่กำลังถูกปล่อยให้หมุนด้วยแรงเฉื่อยอยู่และก็ผลิตไฟฟ้าออกมาเรื่อย ๆ เปรียบกับ Magnetar ดวงนี้ก็คือมันกำลังแปลงความเร็วในการหมุนของมันให้เป็นรังสี X-ray ซึ่งจากการวิเคราะห์โดยนักดาราศาสตร์คาดว่า J1818 น่าจะพึ่งเกิดได้เพียง 500 ปีเท่านั้น จากการที่ความเร็วในการหมุนของมันลดลงเร็วมาก ซึ่งก่อนหน้านี้น่าจะหมุนเร็วมาก และน่าจะเป็น Magnetar ที่อายุน้อยที่สุดเท่าที่เคยเจอมาเพราะว่ามันหมุนเร็วกว่าดวงก่อนที่เร็วที่สุดประมาณ 1.4 วินาที

อย่างไรก็ตามจากการวิเคราะห์พบว่า J1818 มีประสิทธิภาพน้อยกว่าในการแปลงความเร็วในการหมุนของมันเป็นรังสี X-ray เมื่อเทียบกับ Rotation-powered pulsars ดวงอื่น ๆ และการที่มันพึ่งเป็น Magnetar ได้เพียง 500 ปีนั้น หมายความว่า Supernova พึ่งจะเกิดได้ไม่นาน และซาก Supernova (Supernova remnant) น่าจะยังอยู่ใกล้ ๆ กับ J1818 แต่จากการค้นห้าโดย Spitzer และ VLA พบว่าซากที่เจอใกล้เคียงนั้นอยู่ห่างออกไปพอสมควรจาก J1818 ซึ่งถ้า J1818 จะกระเด็นออกมาไกลขนาดหมายความว่าแรงระเบิดจะต้องเหวี่ยงมันเร็วมากสมควรขนาดที่ในระยะเวลาเพียง 500 ปีมันเดินทางออกมาไกลจากซากของมันขนาดนี้

จึงทำให้ยังเป็นปริศนาอยู่ว่า J1818 มีอายุเพียง 500 ปีจริงหรือไม่นั่นเอง

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

Chandra Studies Extraordinary Magnetar





MORE