การศึกษาเนบิวลาปูจากฐานข้อมูลเมสสิเยร์ในหลายช่วงคลื่น

 

1. บทนำ

เมื่อปี พ.ศ.2301ชาร์ล เมสสิเยร์นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ได้ค้นพบวัตถุท้องฟ้าที่ไม่ใช่ดาว ได้ค้นพบจำนวน 45วัตถุ และค้นพบเพิ่มเติมเป็น 103 วัตถุ ในปี พ.ศ.2524 นักดาราศาสตร์ยุคต่อมา ได้ค้นพบเพิ่มเติมเป็น 110วัตถุ และได้ตั้งชื่อให้เกียรติแก่ ชาร์ล ว่า วัตถุเมสสิเยร์ ซึ่งแบ่งได้เป็น 9ประเภท ได้แก่ ซากซูเปอร์โนวา เนบิวลาดาวเคราะห์ เนบิวลาสว่าง กระจุกดาวเปิด กระจุกดาวทรงกลม ดาราจักรกังหัน
ดาราจักรทรงรี ดาวคู่ และวัตถุไร้จำพวกซึ่งในงานวิจัยนี้ได้ศึกษาเรื่อง ซากซูเปอร์โนวา (Supernova Remnant) ได้แก่ เนบิวลาปู (Carb Nabula) หรือ M1โดยศึกษาในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้จากกล้องโทรทรรศน์ROTSE และในช่วงคลื่นอื่น ได้แก่ ช่วงรังสีเอ็กซ์จากกล้องโทรทรรศน์ Chandra ช่วงรังสีอัลตราไวโอเล็ตจากกล้องโทรทรรศน์ ASTRO-1 ช่วงคลื่นอินฟราเรดจากกล้องโทรทรรศน์ Spitzer และช่วงคลื่นวิทยุ จากกล้องโทรทรรศน์ Very Large Array (VLA)

2.ความสัมพันธ์ระหว่างซูเปอร์โนวา ดาวนิวตรอน และพัลซาร์

ดาวฤกษ์เกิดจากกลุ่มก๊าซที่รวมตัวอยู่ในอวกาศซึ่งเรียกว่า"เนบิวลา” องค์ประกอบของเนบิวลา คือ ก๊าซไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ บริเวณที่มีความหนาแน่นกว่าบริเวณอื่นๆ จะทำให้บริเวณนั้น มีแรงโน้มถ่วงสูงกว่าบริเวณรอบข้าง และทำให้กลุ่มก๊าซรวมตัวกันที่อุณหภูมิเหมาะสม ประมาณ10 - 30 เคลวิน กระบวนการรวมตัวจะใช้เวลานานนับสิบล้านปี เมื่อกลุ่มก๊าซเริ่มหนาแน่น อุณหภูมิภายในจะสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ทั้งพลังงานและความร้อนจะเพิ่มขึ้น ทำให้กลุ่มก๊าซร้อนส่องสว่าง เห็นเนบิวลารอบข้าง เรียกว่า โปรโตสตาร์ เมื่อโปรโตสตาร์ยุบตัวลง จะหมุนรอบตัวเองเร็วขึ้น การหมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็ว ทำให้กลุ่มก๊าซเปลี่ยนรูปร่างไปจากเดิม มีรูปร่างแบน เป็นแผ่นในระนาบ เรียกว่า จานรวมมวล และจะยุบตัวต่อไปเรื่อยๆจนกระทั่ง แกนกลางของโปรโตสตร์ มีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ทำหน้าที่ให้พลังงานความร้อนแก่ดาวต่อไป ดาวจะเข้าสู่ลำดับหลัก การรวมตัวตั้งแต่เป็นเนบิวลา จนเข้าสู่ช่วงลำดับหลัก ใช้เวลาประมาณ 50 ล้านปี ส่วนใหญ่ดาวจะใช้ชีวิตอยู่ในช่วงลำดับหลัก11,000 ล้านปีก่อนเข้าสู่วัยชรา เมื่อไฮโดรเจนในแกนกลาง ที่เคยเป็นแหล่งพลังงานได้ถูกเผาผลาญกลายเป็นฮีเลียม ดาวจะเข้าสู่ช่วงสิ้นอายุขัย ซึ่งขึ้นอยู่กับระดับของมวล สามารถแยกลักษณะการสิ้นอายุขัยของดาวเป็น3 ลักษณะ ดังนี้

ดาวฤกษ์มวลน้อย (มวลของดาวน้อยกว่า 2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์)

·แกนกลางของดาวสามารถเกิดฟิวชันได้ถึงฮีเลียม

·ธาตุที่หนักที่สุดคือ คาร์บอน

·ความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอนทำให้ดาวไม่สามารถยุบตัวต่อได้

·ผิวและมวลสารของดาวหลุดแยกออกมา กลายเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์

กลายเป็นดาวแคระขาว

 

 

ดาวฤกษ์มวลปานกลาง (มวลของดาวอยู่ระหว่าง 2 - 8 เท่า ของมวลดวงอาทิตย์)

·แกนกลางของดาวสามารถเกิดฟิวชันได้ถึงคาร์บอน

·ธาตุที่หนักที่สุดคือ ออกซิเจน

·ความดันดีเจนเนอเรซีของอิเล็กตรอนทำให้ดาวไม่สามารถยุบตัวต่อได้

·ผิวและมวลสารของดาวหลุดแยกออกมา กลายเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์

·กลายเป็นดาวแคระขาวออกซิเจน

ดาวฤกษ์มวลมาก (มวลของดาวมากกว่า 8 เท่าของดวงอาทิตย์)

·เกิดฟิวชันเปลือกหลายชั้นที่แกนของดาว

·ธาตุที่หนักที่สุดคือเหล็ก

·แกนของดาวสามารถคงรูปอยู่ได้ เพราะ ความดันดีเจนเนอเรซีของสมดุลกับแรงโน้มถ่วง

·เมื่อแกนเหล็กมีมวลมาก อิเล็กตรอนรวมตัวกับโปรตอน ความดันดีเจนเนอเรซีจะหมดไป

·แกนของดาวจะยุบตัวเป็นดาวนิวตรอน และจะระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาพร้อมกับปลดปล่อยพลังงานออกมา

·หลงเหลือซากซูเปอร์โนวาและดาวนิวตรอนภายในที่มีความหนาแน่นสูง

 

ภาพที่ 1 M1 ซากซูเปอร์โนวา (เนบิวลาปู)

 

ซูเปอร์โนวา (Supernova) คือ การระเบิดของดาวฤกษ์ที่มีมวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์ 8 เท่าขึ้นไป การระเบิดจะรุนแรงมาก ความสว่างจะเพิ่มขึ้นอย่างเฉียบพลัน จนบางครั้งสามารถมองเห็นได้จากพื้นโลกแม้เป็นเวลากลางวันมวลสารของดาวจะถูกสาดกระจายไปสู่ห้วงอวกาศด้วยความเร็วสูง ต่อมาไม่นานแสงสว่างก็จะลดลงและจางหายไป คงเหลือแต่ฝุ่นก๊าซหลงเหลือตกค้างไว้เรียกว่า"ซากซูเปอร์โนวา” (Supernova Remnants) ดังภาพที่ 1

ขณะที่เกิดซูเปอร์โนวาซึ่งผิวและเนื้อสารของดาวถูกระเบิดกระจายไปในอวกาศนั้น แกนของดาวกลับยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว ปริมาตรลดลงทำให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นอย่างยิ่งยวด จนกระทั่งไม่มีที่ว่างเหลืออยู่ในอะตอม โปรตรอน (ประจุบวก) และอิเล็กตรอน (ประจุลบ) ถูกบีบให้รวมกันจนเป็นนิวตรอน (ไม่มีประจุ) แกนของดาวที่ยุบตัวนี้เรียกว่า "ดาวนิวตรอน” (Neutron Star) ดาวนิวตรอนมีขนาดเล็กมาก มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 10 – 20 กิโลเมตรเท่านั้น เนื้อสารของดาวเพียงหนึ่งช้อนชากลับมีมวลมากกว่า5 ตัน

เนื่องจากดาวนิวตรอนมีขนาดเล็กมากและเกิดจากการยุบตัวอย่างฉับพลันของแกนเหล็กขนาดใหญ่ มันจึงหมุนรอบตัวเองอย่างเร็วมาก เกิดสนามแม่เหล็กและปล่อยรังสีออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อคลื่นกระทบกับโลก เราก็จะได้รับสัญญาณที่แผ่ออกมาจากดาวเป็นคาบเวลาที่แน่นอนเรียกว่า "พัลซาร์” (Pulsar ย่อมาจาก Pulsating Star หมายถึงดาวที่แผ่รังสีออกมาเป็นช่วงๆ) ดังภาพที่ 2

 

3. การค้นพบเนบิวลาปู

เมื่อประมาณหนึ่งพันปีก่อน โหราจารย์แห่งราชสำนักจีนได้บันทึกการปรากฏของดาวดวงหนึ่ง ซึ่งอยู่ในกลุ่มดาววัว (Taurus) เมื่อประมาณเดือนกรกฎาคมปี พ.ศ.1597 มีความสว่างประมาณ 6เท่าของดาวศุกร์ มีรัศมีสีแดงขาวแผ่ไปทั้ง 4 ทิศ สามารถมองเห็นได้ในเวลากลางวันอยู่นานเกือบเดือน และมองเห็นในเวลากลางคืนอยู่นานเกือบปี ซึ่งหากเทียบกับดวงอาทิตย์ เนบิวลาปูสว่างเป็น400 ล้านเท่าของดวงอาทิตย์ ต่อมาแสงของดาวจางลง เมื่อมองผ่านกล้องโทรทรรศน์เห็นเป็นฝ้าจางๆ มีการส่งคลื่นวิทยุออกมาเป็นจังหวะ ปัจจุบันเห็นเป็นกลุ่มก๊าซในเนบิวลาปู รับพลังงานจากดาวนิวตรอนในแกนกลาง ที่เรียกว่า พัลซาร์ ต่อมาในปี พ.ศ. 2456 มีการค้นพบว่า ก๊าซในเนบิวลาปูกำลังขยายตัวออกด้วยความเร็ว1,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง และในปี พ.ศ. 2485 ได้มีการวิเคราะห์ ถึงการเคลื่อนที่ของเนบิวลาปู พบว่ามีดวงดาว 2 ดวง อยู่ที่ศูนย์กลางการขยายตัวของเนบิวลา หลังจากวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของดาวแต่ละดวง สรุปได้ว่าดาวดวงขวามือที่อยู่ในกรอบในภาพที่ 3เป็นพัลซาร์หมุนวนด้วยความเร็วถึง 30 ครั้งต่อวินาที พัลซาร์นี้คือดาวนิวตรอนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ20 กิโลเมตร แต่มีมวลมากเป็น 2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ มีแรงโน้มถ่วงสูงกว่าโลกถึงหนึ่งล้านล้านเท่า เนบิวลาปูอยู่ที่พิกัด RA 05h 34m 30s, Dec +22° 01’ ความสว่างปรากฏ8.4 ขนาดเชิงมุม 6 x 4 อาร์คนาที ระยะห่างจากโลก 6.3 ล้านปีแสง มองดูด้วยกล้องโทรทรรศน์มองเห็นเป็นฝ้าจางๆ ในกลุ่มดาววัว

4.การวิเคราะห์ภาพถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์ ROTSE

ในการวิเคราะห์ข้อมูลภาพถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์ROTSEได้นำภาพถ่ายขาวดำ (True Color) ขนาดเชิงมุม 1.85 x 1.85 องศา กำลังขยาย 1 เท่า สเกล Linear 98% (ภาพที่ 4 ก) มาปรับเป็นภาพสีเทียม (False Color) ด้วยซอฟแวร์ ds9 คือ ภาพที่ 4 ข โหมด a color, ภาพที่ 4 ค โหมด cool color และภาพที่ 4 ค โหมด i8 color

 

 

เมื่อนำภาพทั้งสี่มาเปรียบเทียบกันภาพที่ 4 ก เป็นภาพ True color สังเกตเห็นเนบิวลาและแกนกลางไม่ชัดเจน เมื่อนำมาเทียบกับภาพที่ 4 ข ซึ่งเป็นภาพ False color a สังเกตบริเวณก๊าซที่แผ่รังสี ได้ชัดเจน และตรงแกนกลางของเนบิวลา จะเห็นได้ว่าเป็นบริเวณที่มีความหนาแน่น ภาพที่ 4 ค False color cool ทำให้เห็นบริเวณแกนกลาง แกนกลางของเนบิวลา ซึ่งแผ่รังสีออกมาได้ชัดเจนขึ้น และภาพที่4 ง False color i8 แสดงความหนาแน่นของเนบิวลาเป็นชั้นๆ

5. การศึกษาด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นต่างๆ

แสงที่ตามองเห็น (Visible light) เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงที่ประสาทตาของมนุษย์สามารถสัมผัสได้ ซึ่งมีความยาวคลื่นอยู่ระหว่าง 400 – 700 นาโนเมตร นอกจากแสงที่ตามองเห็นแล้วยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดอื่นๆ และเรียงตามระดับความยาวของช่วงคลื่น ที่เรียกว่า "สเปคตรัม” (Spectrum) ในช่วงแสงที่ตามองเห็น (ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดง) แต่ละสีมีความยาวคลื่นแตกต่างกัน สีม่วงมีความยาวคลื่นน้อยที่สุด สีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุด แต่ถ้ากล่าวถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดแล้ว สามารถเรียง จากช่วงความคลื่นสั้นที่สุดไปคลื่นยาวที่สุด ได้แก่ รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ รังสีอุลตราไวโอเล็ต แสงที่ตามองเห็น รังสีอินฟราเรด คลื่นไมโคเวฟ และคลื่นวิทยุ ดังภาพที่ 5