Featured ข้อมูลจาก NICER Probe ขัดแย้งกับทฤษฎีขนาดและมวลของดาวนิวตรอนในปัจจุบัน
ข้อมูลจาก NICER Probe ขัดแย้งกับทฤษฎีขนาดและมวลของดาวนิวตรอนในปัจจุบัน

Chottiwatt Jittprasong in Deep Space

ข้อมูลจาก NICER Probe ขัดแย้งกับทฤษฎีขนาดและมวลของดาวนิวตรอนในปัจจุบัน

April 25, 2021

ในบทความนี้เราจะมาอธิบายกันว่าทำไมนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกมีแววจะได้โละเปลี่ยนทฤษฎีเกี่ยวกับดาวนิวตรอนใหม่ในเรื่องของความสัมพันธ์ของมวลและขนาด ใช่แล้ว วิทยาศาสตร์เปลี่ยนได้เสมอ

ดาวนิวตรอน (Neutron star) คือ ซากของดาวฤกษ์ที่เคยเป็นดาวในลำดับหลักมาก่อน (Main Sequence Star) แต่สุดท้ายก็สุดท้ายก็หลุดออกจากดาวลำดับหลักในที่สุดเมื่อเชื้อเพลิงหมดแล้วจึงระเบิดออก ฉีกเนื้อสารดาวเป็นเสี่ยง ๆ เหลือไว้แต่เพียงแกนขนาดเล็ก ๆ ที่อัดแน่นไปด้วย Neutron เท่านั้น แน่นอนว่าบางส่วนของดาวที่สิ้นอายุไขก็อาจจะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำได้เช่นกัน

กลศาสตร์ของการยุบตัวของดาวฤกษ์เบื้องต้น

การยุบตัวเป็นดาวนิวตรอนเกิดจากการที่มวลของแกนดาวมีมวลเกิน Chandrasekhar Limit (ขีดจำกัดจันทรสิกขา) ที่ 1.44 solar masses (1.4 เท่าของดวงอาทิตย์) ซึ่งเป็นจุดที่แรง Electron Degeneracy Pressure ภายในแกนดาวไม่สามารถเอาชนะเอาชนะแรงโน้มถ่วงของตัวมันเองได้ โดยแรง Electron Degeneracy นั้นมาจากหลักการกีดกันของเพาลี (Pauli Exclusion Principle) ซึ่งระบุว่า Fermions สองตัวไม่สามารถมี Quantam State เดียวกันได้

แรงดันของแก๊สทาง Quantum ในอุดมคติ (Fermi gas และ Bose gas) เทียบกับแก๊สในอุดมคติทั่วไป (classical) – ที่มา WikiCommons

เมื่อ Electron ในดาวฤกษ์ถูกบีบอีดจากแรงโน้มถ่วงของตัวมันเองเรื่อย ๆ จึงทำให้ความหนาแน่นยิ่งเพิ่มขึ้น Electron ยิ่งถูกบีบอัดเข้าใกล้กันเรื่อย ๆ แต่จากหลักการกีดกันของเพาลี Electron จะไม่สามารถอยู่ในสถานะพลังงานเดียวกันได้มันจึงจะต้องไปยังชั้นพลังงานที่สูงขึ้นเรื่อย ๆ แต่การที่ Electron จะถูกบีบให้ไปในชั้นพลังงานที่สูงขึ้นได้ แรงดันหรือพลังงานที่ใช้ก็จะมากขึ้นด้วย ซึ่งการที่สารถูกบีบอัดเช่นนี้เราเรียกสารเหล่านี้ว่า Degenerate Matter (ซึ่งในที่นี้เป็นแก๊ส) โดย Degenerate Matter จะต้านการถูกบีบอัดอย่างรุนแรงจากหลักการกัดกันของเพาลีทำให้เกิด Electron Degeneracy Pressure ขึ้นซึ่งจะต้านแรงยุบตัวของมวลดาว

แต่หากดาวฤกษ์มีมวลเกิน Chandrasekhar Limit ซึ่งเป็นขีดจำกัดที่ที่ Electron ไม่สามารถไปยังชั้นพลังงานที่สูงกว่านี้ได้อีกแล้ว เนื่องจากพลังงานที่ต้องใช้ไม่พอ Degeneracy Pressure จึงหยุดอยู่เท่านั้น แต่มวลที่กดลงมายังมากกว่า Degeneracy Pressure โดย Electron เมื่อไม่มีที่ไป สุดท้ายก็จะถูกบีบอัดรวมกับ Proton กลายเป็น Neutron ผ่านกระบวนการ Electron Capture ทำให้แกนดาวยุบตัวลง *อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่การละเมิดหลักการกีดกันของเพาลี เพราะมันบังคับใช้กับชั้นพลังงาน ของ Electron ซึ่งเป็น Quantum State

ตัวอย่างของหลักการกีดกันของเพาลี ในที่นี้เมื่อเปรียบเทียบ Quantum Numbers ทั้งหมด 4 ตัว (Shell Number, Quantum Number, Magnetic Quantum Number หรือ Orbital, และ Spin Quantum Number หรือทิศทางการหมุน) โดย 1 ใน 4 คุณสมบัติของ Electron นี้จะต้องต่างกัน ในที่นี้ตัวอย่างที่ 2 ใน Orbital ที่ 2 นั้นมีเลขทุกอย่างเหมือนกันหมดยกเว้นทิศทางการโคจรจึงทำให้มันเป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี ในตัวอย่าง 1 และ 3 จะเห็นว่าทิศทางของ Electron ไปทางเดียวกันซึ่งจะทำให้มันมีคุณสมบัติครบ 4 ตัวเหมือนกัน ทำให้มันละเมิดหลักการกีดกันของเพาลีและเป็นไปไม่ได้

หากจะเปรียบเทียบง่าย ๆ คือสมมุติให้ “Electron” 2 ตัว คือ คน 2 คน คนทั้ง 2 นี้ใส่ หมวก, เสื้อ, กางเกง และรองเท้า (แทน Quantum Numbers) ตามหลักการกีดกันของเพาลีแล้วคนสองคนนี้จะมีเครื่องแต่งกายเหมือนกันได้มากที่สุดเพียงแค่ 3 อย่างเท่านั้น จะต้องมีอย่างน้อยหนึ่งอย่างที่แตกต่างกัน เช่น อาจจะใส่ทุกอย่างเหมือนกันแต่ใส่รองเท้าไม่เหมือนกัน เท่านี้ก็เป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลีแล้ว (นั้นหมายความว่า Quantum Numbers นั้นจะเป็นตัวใดก็ได้ที่ต้องแตกต่างกันอย่างน้อย 1 ตัว) – ที่มา WikiCommons

กระบวนการ Electron Capture ซึ่ง Proton รวมกัน Electron เป็น Neutron นั้นจะปลดปล่อย Neutrino ออกมาด้วย แน่นอนว่าในดาวฤกษ์มีเยอะมากทำให้ Neutrino ที่ถูกปล่อยออกมามหาศาลมาก แต่มันจะยังติดอยู่ในแกนออกไปไหนยังไม่ได้เพราะแรงโน้มถ่วงจะยังกดลงมาอยู่อย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเมื่อถึง Nuclear Density ที่ 4×1017 kg/m3 ซึ่งเป็นจุดที่แรงอันตรกิริยาอย่างเข้ม (Strong Nuclear Force) และแรง Neutron Degeneracy Pressure (คล้ายกับ Electron Degeneracy Pressure) จะหยุดไม่ให้มวลเนื้อสารดาวอัดลงมาเพิ่ม แรงหยุดกะทันหันนี้รวมถึงแรงดันจาก Neutrino มหาศาลจะทำให้เกิด Shockwave อย่างรุนแรงจากแกนดาวฉีกเนื้อสารของดาวเป็นชิ้น ๆ เกิดเป็น Supernova ส่วนที่เหลือก็คือแกนดาวนิวตรอน

การยุบตัวของดาวฤกษ์เป็นดาวนิวตรอน – ที่มา WikiCommons

หากดาวนิวตรอนที่เหลืออยู่มีมวลเกิน Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit (TOV limit) ที่ 2.2 ถึง 2.9 solar masses ซึ่งเป็น Limit ที่ Neutron Degeneracy Pressure ไม่สามารถต้านแรงโน้มถ่วงของดาวเองได้ ตามทฤษฎี Quantum Mechanics ปัจจุบัน จะไม่มีแรงใด ๆ มาห้ามการหยุบตัวของ Neutron ได้อีกหลังจากแรง Neutron Degeneracy Pressure ทำให้แรงโน้มถ่วงสู่ศูนย์กลางเป็นแรงเดียวที่เหลืออยู่ แกนดาวจึงยุบตัวลงอย่างไม่มีที่สิ้นสุดเป็นหลุมดำ (Indefinite Collapse)

อย่างไรก็ตาม Limit เหล่านี้ทั้ง Chandrasekhar Limit และ TOV Limit ก็ยังไม่มีค่าที่แน่นอนชัดเจน 100% เพียงแต่ประมาณได้ว่าอยู่ช่วงไหนเท่านั้นเนื่องจากเราไม่สามารถไปวัดได้ว่าดาวมันจะยุบตัวเมื่อมีมวลเท่าไหร่นั่นเอง

NICER Probe พบว่าดาวนิวตรอนอาจถูกบีบอัดได้น้อยกว่าที่คิดไว้

การสำรวจนั้นมาจากการสังเกตการณ์ PSR J0740+6620 หรือ J0740 ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่ใหญ่ที่สุดดวงหนึ่งที่เรารู้จัก อยู่ห่างออกไป 3,600 ปีแสงในกลุ่มดาวยีราฟเหนือ (Camelopardalis Constellation) ซึ่งอยู่ในระบบดาวคู่ร่วมกับดาวแคระขาว (Binary System) หมุนรอบตัวเองประมาณ 346 ครั้งต่อวินาที มวลประมาณ 2.1 เท่าของดวงอาทิตย์ (2.1 solar masses)

เนื่องจากดาวนิวตรอนนั้นเกิดมาจากการอัดมวลรวมกันเข้าไปมหาศาลทำให้มันอาจถูกบีบอัดขนาดที่ว่าดาวนิวตรอนขนาดเพียงเมืองเมืองหนึ่งอาจมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์เลยทีเดียว แต่นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าดาวนิวตรอนก็น่าจะแบ่งเป็นชั้น ๆ เช่นกันไม่ใช่นิวตรอนทั้งดวงโดยชั้นบนสุดอาจจะเป็นเศษซากของ Hydrogen, Helium และ Carbon ส่วนเปลือกนอกเป็นชั้น Electrons บาง ๆ เปลือกในเป็นชั้นของนิวตรอนเหลวยิ่งยวดที่ถูกยัดอยู่ในความหนาแน่นกว่า 2 เท่าของความหนาแน่นของอะตอม ส่วนแกนชั้นนอกเป็นโปรตอนที่มีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด แต่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้ว่าแกนชั้นในอาจเป็นอะไรได้บ้าง

การสันนิษฐานแบ่งชั้นของดาวนิวตรอน – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab

บริเวณแกนชั้นในของดาวนิวตรอนนั้นเป็นบริเวณที่หนาแน่นที่สุดของดาวนิวตรอนเพราะว่าเป็นที่ที่แรงโน้มถ่วงของตัวมันเองกดทับลงมามากที่สุด นักฟิสิกส์ไม่รู้ว่าแกนชั้นในนี่จริง ๆ แล้วอยู่ในรูปของ Neutron หรือว่าแตกตัวเป็นชิ้นส่วนอนุภาคมูลฐานเล็ก ๆ ที่เรียกว่า Quarks (อ่านว่า ควาร์ก) กันแน่ ซึ่งเป็นคำถามที่ถามมาตั้งแต่ยุคที่นักดาราศาสตร์อย่าง Walter Baade และ Fritz Zwicky เสนอการมีอยู่ของดาวนิวตรอนในปี 1934

และถ้าจะตอบคำถามดังกล่าวหมายความว่านักดาราศาสตร์จะต้องสามารถวัดค่าที่แม่นยำของทั้งขนาดและมวลของดาวนิวตรอนได้เพื่อคำนวณหาแรงดันและความหนาแน่นของแกนชั้นในของดาวนิวตรอน เพื่อหาว่าดาวนิวตรอนสามารถบีบอัดได้เท่าไหร่

ทฤษฎี Squeezability

ถ้าแกนชั้นในของดาวเป็นอนุภาคมูลฐานอย่าง Quarks ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า Neutron มาก ๆ มันย่อมสามารถถูกบีบอัดได้มากกว่า Neutron นั่นเองหมายความว่าหากแกนชั้นในเป็น Quarks ดาวนิวตรอนจะมีขนาดเล็กกว่าดาวที่มีแกนชั้นในเป็น Neutron นั่นเอง เทียบง่าย ๆ คือ หากเรามีแก้ว 2 สองใบ ใบแรกใส่หินก้อนเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ซม. (Neutron) จนเต็ม ใบที่สองใส่ทราย (Quarks) จนเต็ม หากนำไปชั่งน้ำหนักจะพบว่าแก้วที่มีทรายหนักกว่าและหนาแน่นกว่าทั้ง ๆ ที่ปริมาตรภายนอกเท่ากันนั่นก็คือแก้ว

สภาพของดาวนิวตรอนที่แกนกลางแตกต่างกันระหว่าง “Quark” และ “Neutron” – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center

Less Squeezable Model

ในดาวนิวตรอนที่มวลประมาณ 1.4 solar masses (ซึ่งเป็นมวลที่น้อยสำหรับดาวนิวตรอน) นักฟิสิกส์คาดว่าแกนในสุดของดาวนิวตรอนน่าจะเต็มไปด้วย Neutron เพราะว่าดาวนิวตรอนที่มีความหนาแน่นน้อยจะมีน้ำหนักกดลงมาแกนน้อยทำให้ระยะห่างให้ Neutron เพิ่มขึ้น และทำให้พวกมันสามารถอยู่ด้วยกันได้แบบห่าง ๆ โดยไม่ชนกันเนื่องจากแรงอันตรกิริยาอย่างเข้ม (Strong Nuclear Force) ที่คอยผลักพวกมันออกจากกันอยู่ ทำให้ดาวมีขนาดใหญ่เนื่องจากมวลตัวมันเองไม่สามารถเอาชนะแรงผลักของ Neutron เพื่อบีบอัดหรือ Squeeze แกนมันให้เล็กลงได้นั่นเอง ตามข้อสันนิษฐานนี้หมายความว่าดาวนิวตรอนที่มีมวลน้อยจะมีขนาดใหญ่

More Squeezable Model

ในดาวนิวตรอนที่มวลมากอย่าง J0740 ซึ่งมีความหนาแน่นสูงมาก นิวตรอนพวกนี้อาจถูกบีบอัดกันจนมันศูนย์เสียโครงสร้างทั่วไปของมันและแตกตัวกลายเป็น Quarks ซึ่งมีขนาดเล็กกว่า Neutron มากและ Quarks เหล่านี้เองสามารถถูกบีบอัดให้อยู่ใกล้กันกว่าเดิมได้มากยิ่งขึ้นเมื่อเทียบกับ Neutron (More Squeezable Model) โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าดาวนิวตรอนมีมวลมาก ๆ หมายความว่ายิ่งดาวนิวตรอนมีมวลมากขึ้นขนาดของมันก็จะยิ่งเล็กลง

จากทฤษฎีนี้จะได้ว่า มวล แปลผกผันกับ ขนาดของดาวนิวตรอน

ยิ่งมวลเพิ่ม (Mass) ขนาดยิ่งลด (Diameter)

สรุปน่าจะผิดทั้งสองโมเดลซะงั้น

เพื่อที่จะหาคำตอบ นักวิทยาศาสตร์จะต้องสามารถวัดขนาดของดาวพวกนี้ได้อย่างแม่นยำ

นักวิทยาศาสตร์ใช้ Probe ชื่อว่า NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) เพื่อสังเกตการณ์ดาวนิวตรอนที่หมุนอย่างรวดเร็วเรียกว่า Pulsars เพื่อสังเกตจุด Hot Spot ที่แผ่ X-ray ออกมาจากพื้นผิว โดย Pulsars นั้นหมุนรวดเร็วมากทำให้มันเป็นเหมือนประภาคารที่คอยส่องแสงมายังโลกตลอดเวลา โดยอาศัยช่วงที่ลำแสง X-ray อันนี้หมุนไปอีกด้านของดาวซึ่งจะทำให้ค่าความสว่างของแสงช่วงคลื่น X-ray ลดลง โดยการแปรแสงในช่วงคลื่น X-ray นั้นสามารถนำมาใช้ในการคำนวณได้นั่นเอง (อธิบายข้างล่างว่าคำนวณอย่างไร)

ภาพจำลองของ Pulsars – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center

เนื่องจาก Pulsars นั้นมีความหนาแน่นสูงมากจนมันบิด Spacetime รอบ ๆ ตัวมันเองเกิด Gravitational Lensing จากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein ซึ่งปรากฏการณ์นี้จะทำให้แสงที่มาจากดาวพื้นหลังบิดเบี้ยวรวมถึงทำให้ Pulsars มีขนาดใหญ่กว่าความเป็นจริงอีกด้วยซึ่งอาจทำให้การหาขนาดของดาวยากขึ้น

แสงจาก X-ray Hot Spot อาจจะถูก Gravitational Lensing บิดและ Distort มาข้างหน้าได้นั่นเอง โดยความรุนแรงของ Gravitational Lensing นั้นขึ้นอยู่กับว่าวัตถุนั้น ๆ สามารถบิด Spacetime ได้มากแค่ไหน หมายความว่าแปรผันตามมวลของดาวนั่นเอง

Gravitational Lensing ซึ่งทำให้วัตถุพื้นหลังบิดเบี้ยวเมื่อเดินทางผ่านวัตถุมวลมากอย่างดาวฤกษ์ – ที่มา ESA/Hubble
แสงข้างหลังดาวที่อาจถูก Distort ได้ – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center

โดยนักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เทคนิคติดตามการแปรแสง X-ray เพื่อหาว่าแสงถูก Distort ด้วย Gravitational Lensing เท่าใดนั่นเอง และถ้าเรารู้ว่ามันถูก Distort ไปแค่ไหน เนื่องจากเรารู้มวลของดาวอยู่แล้ว เราก็จะสามารถคำนวณหาได้ว่าขนาดจริงของดาวคือเท่าไหร่จากการวัดว่าค่าการ Distort จาก Gravitational Lensing นั่นเอง

อ่านบทความเกี่ยวกับ Gravitational Lensing ได้ที่นี่ – ข้อมูลกล้องฮับเบิลพบสสารมืดมีพฤติกรรมไม่ตรงกับแบบจำลองจักรวาลวิทยาปัจจุบัน

มีกลุ่มนักวิทยาศาสตร์สองกลุ่มที่ทำการวัดขนาดของ J0740 โดยกลุ่มหนึ่งวัดเส้นผ่านศูนย์กลางได้ 23.8 กิโลเมตร อีกกลุ่มวัดได้ 27.4 กิโลเมตร โดยข้อมูลจากทั้งสองกลุ่มเมื่อร่วมค่าความคลาดเคลื่อนที่เป็นไปได้แล้วที่ระหว่าง 22.8 กิโลเมตร – 27.4 กิโลเมตร และอีกกลุ่มที่ 24.4 กิโลเมตร – 32.6 กิโลเมตร แล้วใกล้เคียงกันอย่างมีนัยสำคัญ แล้วจึงนำไปรวมกับค่าจากดาวเทียม XMM-Newton ของ ESA เพื่อช่วยในเรื่องของ Background Noise

เมื่อนำค่าขนาดของดาวนิวตรอน J0740 ไปเทียบกับขนาดของดาวนิวตรอนชนิด Pulsars อีกดวงชื่อ J0030+0451 ย่อว่า J0030 ที่มีมวลประมาณ 1.4 solar masses วัดเมื่อปี 2019 พบว่า J0030 มีเส้นผ่านศูนย์กลางถึง 26 กิโลเมตร ในขณะที่ J0740 ซึ่งมีมวลถึง 2.1 solar masses แต่กลับมีขนาดพอ ๆ กับ J0030 (ในสเกลของดาวนิวตรอนนั้น ขนาดหลักกิโลเมตรทั่วว่ามีนัยสำคัญมาก เพราะดาวนิวตรอนมีขนาดเพียงหลัก 10 กิโลเมตร)

เทียบง่าย ๆ J0740 คือ J0030 ที่ยัดมวลของดวงอาทิตย์เข้าไปเพิ่มเกือบทั้งดวง แต่มันยังมีขนาดเท่ากับ J0030 ซะงั้น การสำรวจโดย NICER ครั้งนี้ “ขัดแย้ง” กับทฤษฎี Squeezability ซึ่งนิยามโมเดลทฤษฎีแกนชั้นในของดาวนิวตรอนที่มีเพียงนิวตรอนอย่างเดียวและโมเดลทฤษฎีที่แกนชั้นในของดาวนิวตรอนเป็นทะเล Quarks เพราะว่า J0740 มีมวลมากกว่า J0030 ถึง 50% ของมันแต่กลับมีขนาดเท่ากับ J0030 ทั้งที่ตามทฤษฎี Squeezable แล้ว J0740 ที่มีมวลมากกว่าควรจะมีขนาดเล็กกว่า J0030 ตาม More Squeezable Model ที่ได้อธิบายไว้ด้านบน

ผลการสำรวจจาก NICER ขัดแย้งกับทฤษฎี Squeezability ในดาวนิวตรอน – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center

ผลการสำรวจของ NICER รวมถึงผลการคำนวณขนาดดาวของทีมนักวิทยาศาสตร์นั้นยากที่จะคลาดเคลื่อนเนื่องจากมีค่าความไม่แน่นอนเพียงแค่ 5% เท่านั้นเอง นั้นทำให้นักวิทยาศาสตร์จะต้องหาโมเดลทฤษฎีใหม่มาอธิบายการค้นพบนี้ ไม่ว่าจะเป็น Model Hybrid ไหม? Quark ผสมกับ Neutron หรือ ผสมโปรตอนและสสารอื่น ๆ ด้วยอีกหรือเปล่า

ข้อสันนิษฐานทฤษฎีใหม่ที่แกนชั้นในของดาวนิวตรอนอาจมีสสารหลายอย่างผสมกันอยู่ – ที่มา NASA’s Goddard Space Flight Center

ยังต้องรอการยืนยันทฤษฎีต่อไปว่าทฤษฎี Squeezability จะถูกปัดตกไปหรือไม่เนื่องจากข้อมูลของ NICER นั้นเป็นข้อมูลการสำรวจชิ้นแรกที่ขัดแย้งอย่างรุนแรงกับทฤษฎี Squeezability ถึงขั้นที่ ณ ตอนนี้ นักฟิสิกส์และทฤษฎีของดาวนิวตรอนจะต้องมานั่งพิจารณาทฤษฎี Squeezability ใหม่กันเลยทีเดียว

เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO

อ้างอิง

NASA’s NICER Probes the Squeezability of Neutron Stars





MORE