กำเนิดดาวแคระขาว

กำเนิดดาวแคระขาว

ในจักรวาล ดาวแคระขาว ทั้งหมดจัดว่าเป็นดาวมีแสงน้อย หมองพร่า (Dimmest stars) สำรวจพบครั้งแรก กลางศตวรรษที่ 19 มีความน่าทึ่งของมวลสสารที่มาก กว่าดาวทั่วไป แต่มีขนาดเล็ก ระบบเผาไหม้ด้านนอก (Burnt-out) และยุบตัวลง โอกาสก่อกำเนิดเริ่มจาก วิกฤตของดาวยักษ์ โดยพื้นฐานเบื้องต้น พลังงานของดาวที่เข้าสู่วิกฤต ด้วยการยุบตัวของไส้แกน (Core collapses) จะไม่สามารถฟื้นฟูแหล่งพลังงานนั้นได้ใหม่ เพราะเชื้อเพลิง (Hydrogen) ชั้นภายในพร่องลง เปลือกของ Hydrogen บริเวณขอบได้รับความ กดอัด (Compressed) และความร้อน จึงยุบตัวลงในพื้นที่ไส้แกน การหลอมละลายบริเวณเปลือก ทำให้เกิดกระแสคลื่นพลังงาน (Surge of power) ขึ้นใหม่เป็นละลอก เป็นต้นเหตุการขยายตัวแผ่กว้างชั้นเปลือนอก (Outer layers) ของดาวออกไปมีขนาดใหญ่เป็นพันเท่า (จากจุดศูนย์กลางขนาดเดิม) เรียกว่า Red giant (ดาวยักษ์สีแดง) ทั้งนี้บริเวณผิวเปลือก เป็นบริเวณที่ก๊าซลอยตัวอยู่ จำนวนมาก ต่อมาราว 1,000 ล้านปี หลังจากดาวขยายตัวเป็น Red giant การเผาไหม้แหล่ง พลังงานใช้ไปหมดสิ้น Red giant จึงหยุดการขยายตัวสู่ชั้นนอก แต่ยัง มีความร้อน สะสมอยู่บริเวณ Hot core (ไส้แกนร้อน) เรียกดาวประเภทนี้ว่า Wolf-Rayet Star

Red giant

Wolf-Rayet Star

ประดิษฐกรรมใหม่แห่งดวงดาว พื้นผิวดาว ความร้อนสูง 50,000 องศา C มีความโหดร้าย ยังมีกระแสลมพุ่งพล่าน บนชั้นเปลือกนอกที่หมดไปแล้ว ด้วยความเร็วสูง 6 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง หลัง จากนั้นรังสีความร้อน เริ่มเคลื่อนตัวช้าลงตามลำดับ Red giant เริ่มการเปลี่ยนแปลงบรรยากาศ เป็นประดิษฐกรรมใหม่ขึ้น ด้วยความ งดงาม ลักษณะเหมือนมีใยเล็กๆ คล้ายเส้นลวดลากโยงใยภายในเปลือก มีสีสรร แปลกจากก๊าซ ภายใน เรียกว่า Planetary nebula (นิวบูลาคล้ายดาวเคราะห์) นิวบูลาคล้ายดาวเคราะห์ ไม่ใช่ดาวเคราะห์ นักดาราศาสตร์สมัยโบราณ ใช้กล้อง ขนาดเล็กสำรวจเห็น ว่าคล้ายดาวเคราะห์ จึงเรียกว่า Planetary nebula แท้จริงแล้วภายใน มีความร้อนสูงของก๊าซนับล้านองศา (Ultra - hot gas) มีความ กดดันและความร้อน จาก Stellar wind (ลมพายุแห่งดวงดาว) ในท้ายที่สุดรวมตัว ไปถมทับจุดศูนย์กลาง เกิดเป็นสันฐานของ ดาวแคระขาว (White dwarf star) เมื่ออยู่ในสถานะ ดาวแคระขาว วัถตุดิบที่บรรจุอยู่ภายใน ไม่เห็นเป็นสีน้ำตาลจาก Red giant เพราะถูกอัดยัดเยียด เล็กลง 1 ในล้านเท่าจากเดิม (คล้ายเอารถยนต์ ทั้งคันย่อส่วนอัดลงเหลือเท่าโทรศัพท์มือถือ โดยมีมวลเท่าเดิม) การดำเนินแบบนั้น ต่อเนื่องกันนับพันล้านปี จนกระทั้งดาวแคระขาว มีสีขาวเพราะ มีความร้อนจากพื้นผิว ราวๆ 20,000 องศา C

IC 418 ประเภท White dwarf star และ Planetary nebula

ทำไมจึงเรียกดาวแคระขาวว่า Degenerate star การสำรวจพบดาวแคระขาวครั้งแรก แสดงสิ่งที่ขัดแย้งกัน (Paradox) คือถ้าดาว แคระขาว ไม่สามารถผลิตพลังงาน จากการหลอมละลาย แล้วความกดดันจาก สิ่งใดที่คอยรักษาประคองสถานะของตน ซึ่งไม่น่าเป็นไปได้ กระนั้นความโชติช่วง น้อยลงจนพร่ามัว ไม่น่าเป็นความบ่งพร่องของดาว แต่น่าจะเป็นปัญหาด้านทฤษฎี ที่เข้าใจแต่เดิม จนกระทั้ง Quantum theory of matter ได้ถูกพัฒนาขึ้นในปี 1920 แสดงสิ่งที่ เรียกว่า สถานะ Degenerate (ลำดับชั้นทางพลังงาน) แสดงความหนาแน่นอย่าง สุดขั้ว เกิดความกดดันประเภทใหม่ (ไม่สามารถพบได้บนโลก) ตัวอย่างเช่น คิดถึงลานจอดรถ(ใหญ่ที่ว่างอยู่) มีรถจอดเพียงคันเดียว จึงมีพื้นที่ ว่างเหลือ รถทุกคนที่เข้าไปจะไม่รีบร้อน (ไม่ต้องแย่งจอด) จนบางครั้งจอดจนเต็ม แต่เมื่อรถจอดเต็ม ภาพรวมจะเปลี่ยนไป รถทุกคันเมื่อวิ่งเข้าไปลานจอดจะมุ่งหา ช่องว่างเพื่อจอดรถ โดยขับวนเวียนไปมาหลายรอบ ในลานจอดนั้น เริ่มสร้างความกดดันว่าตรงไหนจะว่าง เป็นลักษณะเช่นเดียวกับ ความหนาแน่น ของสสาร ที่จะต้องหาช่องว่างที่อยู่ตน เพื่อผ่อนคลายพลังงาน (Low energy) ในช่องจอด (Parking spaces) มิฉะนั้น Electrons จะมีพลังงาน อยู่ในสถานะ ขีดสูงสุด (Higher energy) ไม่ใช่เพราะเกิดความร้อน แต่เพราะไม่รู้จะไปอยู่ตรง ไหน ทำให้เกิดความกดดันของ Electrons เป็นอาการ Degenerate Degenerate ไม่ใช่เป็นความประพฤติของ Eectrons แต่เกิดจากข้อเท็จจริงจาก สถานะ Low energy ความกดดันนี้ เป็นสิ่งป้องกันดาวแคระขาวต่อการยุบตัวลง ภายใต้น้ำหนักของตนเอง

Degenerate (ซ้ายลานจอดรถว่าง ขวาลานจอดรถแน่นจึงจะมุ่งแย่งกัน)

พื้นผิว White dwarf star

มวลดาวแคระขาว Chandrasekhar Limit การใช้กฎของ Relativity theory และ Quantum mechanics แสดง Degenerate electron เป็นสิ่งที่ทำได้ยาก ถ้ามวล ดาวแคระขาว มีจำนวนมากกว่า 1.4 เท่าของ ดวงอาทิตย์ เรียกว่า Chandrasekhar Limit (โดยการยุบทับถม) ในระบบดาวคู่ (Binary star system) สามารถเกิดขึ้นได้ หากโคจรอยู่ใกล้ชิดกัน มีความเพียงพอ จะผองถ่ายวัตถุดิบต่อกัน สู่สถานะดาวแคระขาวได้มากกว่าระดับ Chandrasekhar Limit พัฒนาจนระเบิดแตกออก ลักษณะดังกล่าวเชื่อว่า เป็นตอบสนองประเภท Supernovas Type Ia การสำรวจ ดาวแคระขาวเป็นสิ่งที่ยาก เหตุเพราะลดระดับอุณหภูมิเร็ว (Cool quickly) ส่งผล ให้ดาวมืดสลัว แต่ขณะยังมีอายุน้อย พื้นผิวมีความร้อน จึงผลิตรังสี X สามารถสำรวจโดย X-ray telescopes เพราะฉะนั้นจึงมีข้อมูล ดาวแคระขาวรุ่นใหม่ หรือดาวแคระขาวที่เริ่ม ก่อตัวเท่านั้น

Companion star (ดาวคู่มิตร) ซึ่งจะโคจรใกล้ชิดกัน

โครงสร้างภายในที่ทราบขณะนี้

กฎเกณฑ์ กำเนิดและจุดจบ ดาวแคระขาว เกิดขึ้นด้วยการได้รับมวลสสาร จากดาวที่โคจรร่วมอยู่ใกล้กัน เรียกว่า ดาวคู่มิตร (Companion star) โดยสสารไหลท่วมจากดาวอีกดวง ลงสู่พื้นผิวตน หากเกิดขึ้นแบบเร่งเวลาและแบบก้าวกระโดดของพลังงาน พลังงานนั้นจะสร้าง ความร้อนสู่ก๊าซ บนพื้นผิวมีอุณหภูมิสู่ 1 ล้านองศา ก๊าซจะเรืองโรจน์เป็น รังสี X การวิเคราะห์อย่างละเอียด มวลดาวแคระขาว เผยให้เห็นอัตราเร่งของการหมุน รอบตัวเองและการล้นท่วมของมวล ซึ่งเป็นเรื่องปกติ มวลเป็นตัวเร่งบนพื้นผิวให้ ร้อนและหนาแน่นจนเกิดหลอมละลาย ซึ่งเมื่อเกิดขึ้นทันทีทันใดนั้น ดาวแคระขาวจะมีความสว่างขึ้น 10,000 เท่าจากเดิม และผิวชั้นนอกแตกเกิดระเบิด เรียกว่า Nova outburst หลังจากนั้นนับเดือน ก่อให้เกิดกระตุ้นวงจรขึ้นใหม่อีกครั้ง จากปรากฎการณ์ของ ดาวแคระขาวเช่นนั้น เลยต้องทำให้คิดว่าเพียงถูกเผา (Burned out) ให้ระเบิด หรือเป็นการสิ้นชีพแล้ว (Dead) หรือเราเข้าใจผิดทั้งสองแบบ ทั้งนี้ต้องสำรวจ หาดาวแคระขาวเก่าแก่ เพื่อพิสูจน์วาระสุดท้ายว่าจริงแล้วยังมี หนทางต่ออายุ ไปแบบไหนอีกหรือไม่ ทั้งนี้ยังมีทฤษฎีต่อเนื่องไปอีกว่า หลังจาก ก้าวสู่พัฒนาการ Black dwarfs (ดาวแคระดำ) ขณะนี้ยังไม่เคยสำรวจพบ จึงเป็นเรื่องน่าสงสัยว่าระยะเวลาที่ยาวนานนั้น เพียงพอ ที่จะเกิดปรากฎการณ์ Black dwarfs ในจักรวาลที่เราอาศัยอยู่หรือไม่ การยังหา ไม่พบ คงไม่สามารถด่วนสรุปว่า ไม่มี เพราะจักรวาลกว้างใหญ่เกินจินตนาการ

Nova outburst

ดาวแคระขาว Sirius-B มีระยะห่างจากโลก 8.6 ปีแสง ขนาดเส้นผ่าศุนย์กลาง 7,000 ไมล์ มีวงโคจรรอบดาว Sirius-A รอบละ 50 ปี ความร้อนพื้นผิว 44,900 องศา F มีมวลเป็น 98% ของดวงอาทิตย์ (โดยมีขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์ ราว 1.3 ล้านเท่า)

ดาวแคระขาว ยุคโบราณ ใน Milky Way Galaxy

ดาวแคระขาว Lucy (BPM 37093) สำรวจพบเมื่อ ค.ศ. 2004 ห่างจากโลก 50 ปีแสง มีแกนเป็น Crystallized carbon (เพชร) เส้นผ่าศูนย์กลางราว 4,000 กม. คิดเป็นน้ำหนักเพชร 10000000000 000000000000 000000000000 กะรัต (????)

References : Chandra X-ray Observatory The Johns Hopkins University Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics University of California, Berkeley Department of Physics & Astronomy in the University of Leicester