ดาวนิวตรอน (Neutron Star)

ดาวนิวตรอนมีความแปลกเหนือดาวอื่นๆ เกือบทุกดวงก่อนหน้า (เท่าที่จำแนกได้) ทั้งสภาพพื้นผิว ความโน้มถ่วง ความเข้มสนามแม่เหล็ก ความหนาแน่นของดาว และอุณหภูมิ

เราอาจจะเคยได้ยินว่า หลุมดำมีความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งก็จริงส่วนหนึ่ง แต่แท้จริงแล้วเราก็ไม่มีทางรู้ได้ว่าภายในโครงสร้างของหลุมดำนั้นเป็นอย่างไร เพราะเป็นบริเวณที่ถูกซ่อนอยู่หลัง “ขอบฟ้าเหตุการณ์” (event Horizon) ที่ไม่อาจจะสำรวจได้ด้วยเครื่องไม้เครื่องมือในปัจจุบัน

ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นที่สุดเท่าที่เราสำรวจได้ (ไม่นับหลุมดำ เพราะอย่างที่บอกเราไม่รู้ว่าข้างในหลุมดำมีอะไร เลยสรุปไม่ได้ เนื่องจากสังเกตไม่ได้) ชั้นเปลือกของดาวนิวตรอนเป็นของแข็งทั้งหมดไม่ว่าจะเป็นมหาสมุทร หรือชั้นบรรยากาศก็ตาม (ถ้าหากมี) และถ้าหยิบส่วนหนึ่งของเนื้อสารดาวนิวตรอนมาเท่าทรายหนึ่งกำมือมันจะหนักพอๆกับ “เรือที่มีขนาดใหญ่ที่สุด” เท่าที่โลกเคยมี หรือมากกว่า 500,000 ตัน

ดาวนิวตรอนถือเป็นขุมทรัพย์ของนักดาราศาสตร์ เพราะมันยังมีแง่มุมต่างๆที่เหลือเชื่อให้ได้ค้นคว้าอยู่ตลอดเวลา แม้ว่าคนทั่วไปจะจินตนาการไม่ออกเกี่ยวกับวัตถุในอวกาศเหล่านี้ แม้กระทั่งหลุมดำก็ตาม

ต้นกำเนิดดาวนิวตรอน

ดาวนิวตรอนเป็นสิ่งที่ก่อตัวขึ้นหลังจากการระเบิดซุปเปอร์โนวา (Supernova explosion) ซึ่งเป็นวาระสุดท้ายในช่วงชีวิตของดาวฤกษ์ขนาดกลาง หรือประมาณ 20 เท่าของดวงอาทิตย์ของเรา เมื่อเชื้อเพลิงที่ใช้ในปฏิกิริยานิวเคลียร์หมดลง (เช่น แก๊สไฮโดรเจน หรือฮีเลียม) ดาวจะระเบิด ทำให้มวลส่วนใหญ่สูญเสียออกไปในอวกาศ

จนกระทั่งกลายเป็นวัตถุขนาดเล็ก (เล็กในแง่ทางดาราศาสตร์) โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 22 กิโลเมตร หรือใหญ่พอๆกับเมืองๆหนึ่ง แต่ยังคงมีมวลครึ่งของครึ่ง ของดวงอาทิตย์ของเรา

เปลือกดาวนิวตรอนส่วนใหญ่ประกอบไปด้วยผลึกของเหล็ก ซึ่งเป็นอะตอมของสสารที่ไม่สามารถจมตัวลงไปในเนื้อดาวได้ และเนื้อของสสารมีความแปลกประหลาด เรียกว่า “พาสต้านิวเคลียร์ Nuclear Pasta” (บริเวณ A ในรูปภาพด้านล่าง) และภายในแก่นของดาวจะมีกระแสการไหลของอนุภาคนิวตรอน (บริเวณ B และ C)

ภายใต้สภาวะความหนาแน่นสูงเช่นนี้ แก่นของดาวจะเป็นสสารที่ไม่สามารถสร้างขึ้นได้จากการทดลองใดๆบนโลกของเรา และก็มีความไม่แน่นอนเกี่ยวกับบริเวณต่างๆที่กล่าวไปก่อนหน้านี้ – บางครั้งก็มีอนุภาค Hyperons ซึ่งเป็นอนุภาคควาร์ก แปลกๆ เกิดขึ้น ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจในการศึกษาสิ่งเหล่านี้ให้แก่นักดาราศาสตร์

ดาวนิวตรอนสามารถส่งแสงที่ตามองเห็นได้ออกมาเพียงเล็กน้อย ทำให้มันค่อนข้างจะสังเกตได้ยากในการค้นหา ส่วนใหญ่ในไม่กี่พันของตัวอย่างดาวนิวตรอนที่เคยถูกค้นพบนั้น พวกมันจะถูกตรวจพบจากคลื่นวิทยุที่ส่งออกมาเป็นช่วงๆจากตัวของดาว มากกว่าที่เราจะสังเกตจากแสงที่ตามองเห็นที่มันเปล่งออกมา

โดยคลื่นวิทยุที่ส่งออกมาจะส่งเป็นช่วงๆ คล้ายประภาคาร ที่ส่องแสงให้กับเรือเดินสมุทร ซึ่งคลื่นวิทยุนี้จะเคลื่อนที่ข้ามอวกาศ หรือแม้กระทั่งผ่านโลกของเรา และจะถูกตรวจพบด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน เช่น the Dish ที่ Parks รัฐนิวเซาท์เวลส์ โดยล่าสุดได้ตรวจพบพัลซาร์ที่อยู่ใกล้ที่สุด คือ PSR J0437-4715 ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 500 ปีแสง

แน่นอนว่ามีดาวนิวตรอนอีกหลายดวงที่ส่งคลื่นวิทยุออกมา แต่ไม่ผ่านโลกของเรา ดังนั้นตัวอย่างดาวนิวตรอนที่สังเกตได้เป็นแค่ส่วนหนึ่งของประชากรดาวนิวตรอนทั้งหมดในกาแล็กซีของเรา อีกทั้งดาวนิวตรอนพวกนี้ต่างก็มีชื่อเล่นให้เรียกหลายแบบต่างกันไปตามคุณสมบัติของดาวนิวตรอนนั้นๆ อีกด้วย เช่น

1. Rotating RAdio Tansients (RRATs) ซึ่งเป็นพัลซาร์ที่สังเกตได้ชัดเจนที่สุด เพราะแสงที่มองเห็นจะมีการกระพริบอย่างเห็นได้ชัด
2. ดาวแม่เหล็ก (Magnetars) ซึ่งเป็นพัลซาร์ที่มีสนามแม่เหล็กสุดเข้ม!
3. ไมโครควอซาร์ (microquasars) เป็นพัลซาร์ที่มีการปลดปล่อยสสารออกมาที่มีความเร็วสูงมาก

เรื่องน่าทึ่งเกี่ยวกับการหมุนของดาวนิวตรอน

ดาวนิวตรอนมีรอบการหมุนที่ 1 รอบต่อ 1 วินาที! ซึ่งเป็นเรื่องน่าทึ่งสำหรับวัตถุที่มีมวลและความหนาแน่นมากมายมหาศาล (ลองทดลองหมุนลูกปิงปอง กับลูกบาส เราจะรู้สึกว่าต้องใช้แรงหรือพลังงานในการหมุนลูกบาสเยอะกว่าลูกปิงปอง)

ปกติดาวนิวตรอนมักจะไม่อยู่โดดเดี่ยว แต่จะมีดาวสหาย (ดาวที่อยู่ใกล้ๆกัน มีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า Companion star) ดังรูปด้านบน ดาวสหายจะมีการขยายขนาดมากขึ้นๆเรื่อย อันเนื่องมาจากถูกดึงดูดโดยดาวนิวตรอน ทำให้ดาวนิวตรอนหมุนรอบตัวเองเร็วขึ้นมากถึง 10 เท่า กระบวนการเหล่านี้เรียกว่า Accretion แปลว่า การเพิ่ม ที่เป็นเช่นนั้น เพราะแก๊สจากดาว Companion star จะไหลไปยังดาวนิวตรอน หากเปรียบเทียบก็เหมือนกับเราเอาน้ำฉีดไปที่ผิวของล้อจักรยานที่กำลังหมุนอยู่อย่างอิสระ สายยางก็คือดาว companion star ดาวนิวตรอนก็คือ ล้อจักรยาน ส่วนน้ำก็คือ แก๊สที่ไหลจากดาว companion star ไปยังดาวนิวตรอน เมื่อน้ำสัมผัสกับผิวล้อจักรยาน ก็จะทำให้ล้อจักรยานหมุนเร็วขึ้น ดาวนิวตรอนก็เช่นกัน

แปลและเรียบเรียงโดย thaiphysicsteacher.com

Read the full article on The Conversation
“What is a neutron star?.“. [Online]. via : Author: Duncan Galloway, PhD; Senior Lecturer in Astrophysics, Monash University the conversation 2015.