ค้นพบวัตถุปริศนาที่อาจเป็นดาวนิวตรอนขนาดใหญ่ที่สุด หรือหลุมดำขนาดเล็กที่สุด

นักดาราศาสตร์ค้นพบวัตถุปริศนาที่อาจเป็นดาวนิวตรอนขนาดใหญ่ที่สุด หรือหลุมดำขนาดเล็กที่สุด

ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติ นำโดยนักดาราศาสตร์จาก Max Planck Institute for Radio Astronomy ใช้กล้องโทรทรรศน์วิทยุ MeerKAT ค้นพบพัลซาร์ในกระจุกดาวทรงกลม NGC 1851 ที่มีวัตถุปริศนาโคจรอยู่รอบพัลซาร์นี้ ซึ่งวัตถุดังกล่าวอาจจะเป็นดาวนิวตรอนที่ใหญ่ที่สุด หรือหลุมดำที่เล็กที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา หรือเคยคาดการณ์กันว่าจะสามารถพบได้ในธรรมชาติ บ่งชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นที่จะขยายขอบเขตความเข้าใจของมนุษย์อย่างไม่หยุดยั้งผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสาร Science ในวันนี้ (19 มกราคม 2024 ตามเวลาประเทศไทย) [1]

เมื่อดาวฤกษ์มวลมากสิ้นอายุขัยลง แรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของมันจะบีบอัดแกนกลางลงจนปลดปล่อยพลังงานออกมาเป็นซูเปอร์โนวา ซึ่งเป็นหนึ่งในการระเบิดที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในเอกภพ ส่วนแกนกลางที่หลงเหลืออยู่นั้น แรงระเบิดอันมหาศาลจะดันอะตอมทั้งหมดให้ไปอยู่รวมกัน เป็นนิวเคลียสขนาดมหึมาเท่ากับดาวทั้งดวง กลายเป็นวัตถุที่เราเรียกว่า “ดาวนิวตรอน”

บางครั้งดาวนิวตรอนจะแผ่คลื่นวิทยุออกมาจากบริเวณขั้วเหนือ-ขั้วใต้ ซึ่งเราจะสามารถตรวจพบสัญญาณของมันได้ดาวนิวตรอนที่หมุนอย่างรวดเร็วจะสาดสัญญาณวิทยุนี้แผ่ออกไปโดยรอบ สำหรับบนโลกของเราจะตรวจพบได้เพียงแต่สัญญาณวิทยุที่สว่างขึ้น และหรี่ลงอย่างเป็นจังหวะ เราเรียกสัญญาณในลักษณะนี้ว่า “พัลซาร์” ซึ่งมาจากดาวนิวตรอนนั่นเอง

ดาวนิวตรอนเป็นวัตถุหนึ่งในเอกภพที่มีแรงโน้มถ่วงมหาศาล โดยทฤษฎีแล้ว เราเชื่อว่าดาวนิวตรอนที่มีมวลมากเกินไป จะไม่สามารถทานแรงโน้มถ่วงอันมหาศาลของตัวมันเองได้ และจะยุบตัวลงกลายเป็นหลุมดำไปในที่สุด ตามความเข้าใจปัจจุบัน ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากพอที่จะยุบตัวลงเป็นหลุมดำได้ด้วยตัวเอง จะต้องกลายไปเป็นหลุมดำที่มีมวลตั้งแต่ 5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ขึ้นไป ในขณะเดียวกัน ขอบเขตของดาวนิวตรอนที่ใหญ่ที่สุดที่ยังคงสเถียรภาพเอาไว้ได้ เรียกว่า Tolman–Oppenheimer–Volkoff limit จะมีมวลเพียง 2.2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ด้วยเหตุนี้จึงทำให้มีช่องโหว่อยู่ระหว่าง 2.2 ถึง 5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ที่เราเชื่อว่าไม่ควรจะมีดาวนิวตรอน หรือหลุมดำที่พบในธรรมชาติได้

แต่การค้นพบล่าสุดโดยทีมนักวิจัยจาก Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) จากการสังเกตการณ์ด้วยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ MeerKAT ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในทวีปแอฟริกา เพื่อทำการสังเกตการณ์พัลซาร์ที่อยู่ภายในกระจุกดาวทรงกลม NGC 1851 มีอัตราการกระพริบมากกว่า 170 ครั้งในทุก ๆ วินาที จัดเป็นพัลซาร์ที่มีอัตราการกระพริบในระดับมิลลิวินาที (millisecond pulsar)

สัญญาณอันสม่ำเสมอที่ถูกปล่อยออกมาจากพัลซาร์ เปรียบได้กับนาฬิกาที่เดินอย่างเที่ยงตรงไม่ผิดเพี้ยน เวลาที่ผิดเพี้ยนไปแม้เพียงเสี้ยวของหนึ่งในพันวินาที จึงบ่งบอกได้ถึงตำแหน่งและกาลอวกาศที่อาจเปลี่ยนไป สืบเนื่องมาจากอิทธิพลของวัตถุอันหนาแน่นอีกวัตถุหนึ่งที่โคจรอยู่รอบ ๆ พัลซาร์ จึงทำให้เราทราบได้ว่าวัตถุที่โคจรรอบพัลซาร์ที่พบนี้ มีมวลมากน้อยเพียงใด

นักดาราศาสตร์เชื่อว่าระบบดาวนี้ น่าจะเริ่มขึ้นจากดาวคู่ที่เป็นพัลซาร์โคจรไปรอบ ๆ ดาวแคระขาวธรรมดา จากนั้นด้วยตำแหน่งซึ่งอยู่กลางกระจุกดาวทรงกลมที่เต็มไปด้วยดาวเก่าแก่จำนวนมากอยู่กันอย่างหนาแน่น อาจทำให้วัตถุปริศนาบางอย่างเฉียดเข้ามาใกล้ และส่งอิทธิพลแรงดึงดูดระหว่างวัตถุทั้งสาม ก่อนที่จะดีดดาวแคระขาวออกไปในที่สุด จนกลายเป็นเพียงพัลซาร์ที่โคจรรอบวัตถุปริศนานี้

จากการสังเกตการสัญญาณของพัลซาร์ที่ผิดเพี้ยนไปโดยละเอียด ทำให้เราค้นพบว่าวัตถุปริศนานี้ มีมวลมากกว่าดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดที่ควรจะเป็นไปได้ และมีมวลน้อยกว่าหลุมดำที่มีมวลน้อยที่สุดที่เคยมีการค้นพบ จึงเท่ากับเป็นการค้นพบวัตถุที่อาจจะเป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุด หรือหลุมดำที่เบาที่สุด

หากวัตถุนี้เป็นหลุมดำ จะถือเป็นการค้นพบระบบพัลซาร์ที่โคจรรอบหลุมดำระบบแรก ซึ่งเป็นวัตถุหนึ่งที่นักดาราศาสตร์พยายามตามหามาตลอด เพราะการที่เรามีพัลซาร์โคจรรอบหลุมดำ ก็เท่ากับมีห้องปฏิบัติการที่สามารถส่งสัญญาณอย่างเที่ยงตรงราวกับนาฬิกา ที่จะช่วยให้เราเข้าใจหลุมดำ หรือทฤษฎีสัมพัทธภาพที่บ่งบอกถึงการบิดเบี้ยวของกาลอวกาศรอบหลุมดำได้ หรือหากเป็นเพียงดาวนิวตรอน ก็จะเป็นดาวนิวตรอนที่มีมวลมากที่สุด แหกกฎทั้งปวงที่เราเข้าใจเกี่ยวกับดาวนิวตรอน ซึ่งอาจจะบ่งชี้ให้เห็นถึงความบกพร่องในทฤษฎีที่เรามีอยู่เกี่ยวกับดาวนิวตรอนหรือแม้กระทั่งสถานะใหม่ของสสารภายใต้ความหนาแน่นสูงที่เรายังไม่รู้จัก

ไม่ว่าจะอย่างไรก็ตาม เป็นที่แน่ชัดว่าการค้นพบนี้จะนำไปสู่ความเข้าใจใหม่ ๆ อีกมาก และยังบ่งชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นของการพัฒนาระบบโครงสร้างที่จะสามารถศึกษาสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ในช่วงคลื่นวิทยุ เช่นเดียวกับที่ประเทศไทยเพิ่งจะเริ่มมีกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาด 40 เมตร ณ หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์วิทยุแห่งชาติ ตั้งอยู่ภายในศูนย์ศึกษาการพัฒนาห้วยฮ่องไคร้ อันเนื่องมาจากพระราชดำริ อ. ดอยสะเก็ด จ. เชียงใหม่ เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่ใหญ่ที่สุดในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ เพื่อที่จะช่วยให้เราเข้าใจเกี่ยวกับเอกภพที่เราอาศัยอยู่มากขึ้นไปอีกได้

เรียบเรียง: ดร. มติพล ตั้งมติธรรม - นักวิชาการดาราศาสตร์

อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3005

[2] https://www.mpifr-bonn.mpg.de/pressreleases/2024/2

ที่มา: NARIT สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ