“ดนตรี” ที่เรารู้จัก คือ ศิลปะ ที่ใช้เรียบเรียงความรู้สึกนึกคิดของคนคนหนึ่ง สื่อออกมาในรูปแบบของคลื่นเสียงเป็นจังหวะหรือ “Harmonic Frequency” หากจะพูดให้เข้าใจง่าย ๆ ดนตรีก็คือการสื่อสารชนิดหนึ่ง หากแต่มันไม่จำกัดเพียงการสื่อสารจากสิ่งมีชีวิต เพราะสิ่งไม่ชีวิตก็สามารถก่อให้เกิดดนตรีเหล่านี้ได้ด้วยเช่นกัน และมันอยู่ในศาสตร์หนึ่งที่สามารถผสมศิลปะและวิทยาศาสตร์เขาด้วยกัน เรียกว่า “Asteroseismology” หรือ “ศาสตร์แห่งการไหวของดาวฤกษ์”
ได้ยินคำว่าการไหวของดาวฤกษ์เป็นครั้งแรกอาจจะชวนงงไม่น้อย แต่มันก็คือศาสตร์ที่ประยุกต์มาจากการศึกษาการเกิดแผ่นดินไหวบนโลกเรานั่นเอง แต่เนื่องจากบนดาวฤกษ์นั้นไม่มีแผ่นดินให้เกิดแผ่นดินไหว แต่เป็นฟองแก๊สยักษ์ที่มีคุณสมบัติเป็นของไหล จึงเกิดการศึกษาด้าน Asteroseismology ขึ้นมานั่นเอง
การสำรวจจากยาน TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ซึ่งปกติแล้วใช้ค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ (Exoplanet) แต่ด้วยความสามารถของมันที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความสว่างของดาว มันจึงถูกนำมาใช้ในการศึกษา Stellar Oscillation หรือการสั่นของดาว ซึ่งเป็นหนึ่งใน Field of Study ของ Asteroseismology
อ้างอิงจากเปเปอร์ A ‘Quick Look’ at All-Sky Galactic Archeology with TESS: 158,000 Oscillating Red Giants from the MIT Quick-Look Pipeline นั้น TESS ได้ค้นพบดาวยักษ์แดงที่เต้นเป็นจังหวะทั่วท้องฟ้าที่มองเห็นได้ของมันเป็นจำนวนมากกว่า 158,000 ดวง โดยการเต้นเป็นจังหวะแบบนี้หรือ Pulsation เกิดจากการเคลื่อนตัวของเสียงภายในตัวดาวไป ๆ มา ๆ เกิดเป็นจังหวะที่เป็นเอกลักษณ์ของแต่ละดาว
คลื่นเสียง ที่เกิดจากแหล่งต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นการสั่นไหวของสายกีตาร์ การเสียดสีจากการไหลเวียนของของเหลวอย่างในโลกและดวงจันทร์ ต่างก็สามารถสะท้อนและทำปฏิกิริยากลับคลื่นเสียงอื่น ๆ ได้ เช่น อาจจะทำให้เสียงดังขึ้น หรือ อาจจะหักล้างกับคลื่นเสียงอื่น ๆ
ยกตัวอย่างง่าย ๆ ก็คือการตะโกนของคน 10 คนโดยแต่ละคนตะโกนที่ความดังเท่ากัน ย่อมดังกว่าการตะโกนของคน 1 คนที่ความดังเดียวกัน เนื่องจากเกิดการ Amplify ของเสียงขึ้น (Constructive Interference)
ในการหักล้างของเสียง ยกตัวอย่างก็คือหูฟัง Active Noise Cancellation ที่จะอัดเสียงรบกวนภายนอกแล้วนำมา Invert หรือกลับด้านเสียงแล้วเล่นมันในหูฟังของเราเพื่อให้เสียงที่ถูก Invert หักล้างกับเสียงรบกวนนั่นเอง (Destructive Interference)
ใต้พื้นผิวของดาวฤกษ์เช่นดวงอาทิตย์นั้น เต็มไปด้วยแก๊สร้อนที่แบ่งตัวกัน โดยมีชั้นเย็นและชั้นร้อนหมุนเวียนสลับกันไป คล้ายกับเวลาเราต้มน้ำ เมื่อแก๊สร้อนขึ้นจากแกนดาวมันก็ลอยตัวขึ้น แต่พอมันอยู่ห่างจากแกนทำให้ได้รับพลังงานน้อยกว่าจึงเย็นตัวลงและจมกลับสู่แกน วนไปวนมา โดยแก๊สร้อนและแก๊สเย็นก็จะสลับกันแทนที่กันและกัน
การเคลื่อนที่ไปแทนที่กันของแก๊สร้อนและแก๊สเย็นนี่เองที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของความดันและทำให้เกิดคลื่นเสียงตามมา ซึ่งคลื่นเสียงนี้เมื่อมันเดินทางขึ้นสู่พื้นผิวจะทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของความสว่างเล็กน้อย เป็นจังหวะ คล้าย ๆ กับการเต้นของหัวใจ ในดวงอาทิตย์ของเราซึ่งถือว่าเป็นดาวฤกษ์ขนาดกลาง การเปลี่ยนแปลงอาจจะน้อยมากจนตรวจจับได้ยาก แต่ในดาวยักษ์แดงที่มีขนาดใหญ่กว่าการเปลี่ยนแปลงอาจมากถึง 100 เท่า
การสั่นในดวงอาทิตย์ถูกตรวจพบเมื่อปี 1960 หลังจากนั้นก็ตามมาด้วยการสั่นแบบเดียวกันในดาวอีกหลายพันดวงซึ่งถูกค้นพบโดยกล้องโทรทรรศน์ CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits), กล้อง Kepler และภารกิจ K2 ซึ่งพบเพิ่มอีกกว่าหลายหมื่นดวง ตามมาด้วย TESS ซึ่งสานต่อจาก Kepler และพบเพิ่มอีกกว่าแสนดวง
อย่างที่ได้บอกไปว่าการสั่นเหล่านี้มาพร้อมกับคลื่นเสียง และคลื่นเสียงเหล่านี้ก็แตกต่างกันไปเป็นเอกลักษณ์ของดาวแต่ละดวง คล้ายกับการที่เสียงของ Cello และ Violin ต่างกัน เพราะมันใช้ Bow และ String ด้วยขนาด ความยาว และชนิดที่แตกต่างกัน
ในดาวฤกษ์ การสั่นเหล่านี้ก็ขึ้นอยู่กับโครงสร้างภายในของดาว เช่น มวล ส่วนประกอบ และขนาดของดาว หมายความว่าการศึกษาการสั่นเหล่านี้จะช่วยให้เรารู้ค่าตัวแปรเหล่านี้ของดาวแต่ละดวงได้นั่นเอง
ในดาวยักษ์แดงที่มีขนาดใหญ่มากและอยู่ในช่วงชีวิตสุดท้ายของมัน เนื้อดาวส่วนนอกของมันจะขยายตัวถึง 10 เท่าของขนาดเดิมของมัน เมื่อดาวขยายตัว ความสว่างของมันจะลดลงเนื่องจากการกระจายเนื้อดาว แต่ในขณะเดียวกันด้วยขนาดที่ใหญ่ขึ้น การเคลื่อนตัวของแก๊สก็มากขึ้นนำไปสู่คลื่นเสียงที่มี Amplitude สูงขึ้นและนานขึ้น เมื่อประกอบกับความสว่างของดาวที่ลดลงจึงทำให้การเกิด Pulsation สามารถเห็นได้ง่ายในดาวที่มีความสว่างน้อยอย่างดาวยักษ์แดงนั่นเอง
และนี่คือดาวยักษ์แดงที่มีคุณสมบัติ Oscillation หรือเต้นกว่า 100,000 ดวง ซึ่งค้นพบในช่วง 2 ปีแรกของภารกิจ โดยแต่ละดวงมีระยะห่างแตกต่างกันไปในหน่วย Kiloparsec และยื่นออกไปไกลถึง 20,000 ปีแสงจากดวงอาทิตย์
และนี่คือส่วนหนึ่งของเสียงแห่งดวงดาวแต่ละดวงบนท้องฟ้าของเรา เมื่อนำการเปลี่ยนแปลงในแสงสว่างที่วัดได้จาก TESS มาแปลงเป็นการเปลี่ยนช่วงคลื่นเสียง (Oscillation Frequency) เป็นจังหวะ โดยดาวยักษ์แดงเหล่านี้อยู่ในกลุ่มดาวมังกร (Draco Constellation)
กล้อง TESS นั้นสำรวจพื้นที่ท้องฟ้าที่กว้างมากด้วยกล้องทั้ง 4 ตัวของมัน ซึ่งครอบคลุม 75% ของพื้นที่ท้องฟ้าทั้งหมด โดยแต่ละกล่องจะถ่ายรูปครอบคลุมมุม 24 องศา ทั้งแนวราบและแนวนอนทุก ๆ 30 นาที ในปี 2020 นี้ กล้อง TESS ถ่ายรูปด้วยเรทที่เร็วขึ้นกว่าเดิมมากที่ 10 นาทีต่อรูป
โดยรูปพวกนี้ถูกเอามาทำเป็นกราฟสำหรับเปรียบเทียบความเปลี่ยนแปลงของความสว่างดาวกว่า 24 ล้านดวงในช่วงระยะเวลา 27 วัน ซึ่งเป็นช่วงที่ TESS เก็บข้อมูลในแต่ละ Sector ของท้องฟ้า แน่นอนว่ามนุษย์ไม่สามารถมานั่งดูกราฟความสว่างดาวเป็นล้าน ๆ ดวงเพื่อแยกดาวที่มีการเปลี่ยนแปลงความสว่างเป็นจังหวะได้แน่นอน ทีมนักวิจัยจึงใช้ Machine Learning ในการแยกดาวเต้นพวกนี้ออกแทน ด้วยการสอน (Train) ให้มันรู้ว่ากราฟไหนคือกราฟของดาวที่มีการเต้นเป็นจังหวะและกราฟไหนไม่ใช่
ข้อมูลที่ใช้ทำ Model คือ ข้อมูลจาก Kepler ที่มีกราฟของดาวมากกว่า 150,000 ดวง และใน 150,000 ดวงนี้มี 20,000 ดวงที่เป็นดาวยักษ์แดงที่มีการสั่นหรือเต้น (Oscillating Red Giant) จากนั้นจึงนำ Neural Network ที่ Train เสร็จแล้วมาแยกกราฟของ TESS แทน พบดาวยักษ์แดงที่มีการสั่นหรือเต้นกว่า 158,505 ดวง
เป็นที่มาของการสร้างแผนที่ดาวเหล่านี้ออกมานั่นเอง โดยคลื่นเสียงที่แต่ละดาวปล่อยออกมาเป็นคลื่นเสียงที่เป็นเอกลักษณ์และไม่สามารถเลียนแบบได้โดยดาวดวงอื่น ๆ นับเป็นศิลปะอย่างหนึ่งของเอกภพแห่งนี้เลยทีเดียว
การสำรวจลักษณะนี้ไม่ได้มีครั้งแรกกับยาน TEST แต่มีมาตั้งแต่ยุค Voyager แล้ว อย่างเช่นเสียงในอวกาศที่ Voyager 1 ได้ยินขณะกำลังเดินทางออกสู่ Interstellar Space ก็เกิดจาก Plasma Oscillation หรือการสั่นของพลาสม่าในอวกาศ – อ่าน Plasma Oscillation เสียงที่ Voyager 1 ได้ยิน บ่งบอกถึงความหนาแน่นของอวกาศใน Interstellar Space
เรียบเรียงโดย ทีมงาน SPACETH.CO
อ้างอิง
NASA’s TESS Tunes into an All-sky ‘Symphony’ of Red Giant Stars
