ชีวิตความลับของดวงดาว ตอน : The End of Stars [หน้า 1/4]

ชีวิตความลับของดวงดาว ตอน : The End of Stars [หน้า 1/4]

สิ่งมีชีวิต เช่น มนุษย์ เมือถือกำเนิดขึ้นมามีความต้องการแหล่งอาหาร น้ำ อากาศ เพื่อสร้างเซลล์ เม็ดเลือด สร้างไขมัน สร้างกระดูกสำหรับร่างกาย เป็นขบวนการที่ ปกติของสิ่งมีชีวิต ดาวก็เช่นเดียวกัน มีความต้องการ สิ่งที่ไปหล่อเลี้ยงชีวิต โดยเฉพาะ Heavier elements (ธาตุหนัก) เช่น Hydrogen และ Helium เพื่อสร้างวงจรชีวิตของตนเอง Heavier elements เกิดขึ้นด้วยประดิษฐ์กรรมผสมผสานของธาตุเก่าแก่ จากการ ระเบิดตัว Big Bang อันเป็นการกระทำของ ดาวรุ่นแรกครั้นดึกดำบรรพ์ ได้เหลือทิ้ง ไว้เป็นเมล็ดพันธ์ เป็นอาหารหล่อเลี้ยง สำหรับดาวรุ่นหลังๆสืบมา มนุษย์มี Calcium ในกระดูก Sodium Potassium และ Ions ในระบบสื่อสาร เส้นประสาทของร่างกาย วัตถุดิบทั้งหมดได้มาจากแหล่งเดียวกันจากสสารขบวน การให้กำเนิดดาว  ระบบจักรวาลที่เราเรียนรู้ ในความจริงคือ ต้นทางที่ให้การเกิด ของระบบชีววิทยาทั้งหลายเป็น สสารจากธรรมชาติ   ที่จักรวาลมอบให้เรามา วันนี้เรามี้คำตอบ อย่างชัดเจนแล้วว่า ชีวิตมีส่วนเกิดจากประดิษฐ์กรรมจากดาว ด้วยเศษเล็กเศษน้อยของธาตุต่างๆล่องลอยไปทั่ว ในระหว่างช่องว่างของอวกาศ เกิดการผสมผสาน ร่วมกันของธาตุต่างๆมากขึ้น อาจเรียกว่าเป็นโรงานคอยผลิต อัญมณีจากอวกาศ จนในที่สุดเป็นธาตุใหม่ เช่น Carbon - Nitrogen - Oxygen เป็นต้น มาสู่องค์ประกอบของชีวิตมนุษย์

การสำรวจ ดาวดึกดำบรรพ์ใจกลาง Globular star cluster M4 พบวงโคจรของ Helium white dwarf star อายุ 13 พันล้านปี หนาแน่นไปด้วย Heavier elements

พลังงานอำนาจแรงดึงดูด และพลังงานอำนาจความกดดัน เป็น 2 สิ่งสำคัญ ต่อระบบชีวิตของดวงดาว โดยมีการทำงาน ตรงข้ามกัน

สู่ชีวิตใหม่ที่สมดุลย Lives in the Balance เรื่องราวอันซับซ้อนของดาว ตั้งแต่กำเนิดจนสิ้นชีวิต มีกลไกประกอบด้วย 2 สิ่ง สำคัญที่ทำงานตรงข้ามกัน คือ ภายใต้เงื่อนไข (Gravity) พลังอำนาจแรงดึงดูด และพลังงานอำนาจความกดดัน (Pressure) ร่วมสร้างรักษาสมดุลยอย่างเข้มแข็ง ถ้าเราเปรียบถึงกลไกนั้นกับมนุษย์ คือ การหายใจเข้า-ออก ของชีวิตน่าเป็นสิ่งที่ ใกล้เคียงกัน หากด้วยหนึ่งด้านใดไม่สมดุลย์กัน ร่างกายก็จะมีปฎิกิริยาตอบสนอง ถึงความเจ็บป่วย ดาวก็เช่นกัน มีวิถีการดำรงชีวิต รักษาตนเหมือนเราด้วยระบบ ด้วยความกดดันออก แรงดึงดูดเข้า จึงจะมีศักยภาพต่อความอยู่รอด แต่การที่จะสร้างสมดุลย ตามที่กล่าวมา ดาวต้องใช้เวลาระหว่าง 1 -1,000 ล้านปี ด้วยก๊าซจากโมเลกุลฝุ่นหมอก ตั้งแต่เริ่มต้นก่อตัว กำเนิดดาวใหม่ Protostars เกิดการระบบหลอมละลาย (Fusion) ไส้ภายในแกนกลาง ต่อมาเกิดการเผาไหม้ ของ Hydrogen หรือ วัตถุดิบต่างๆที่อยู่ภายใน สร้างพลังงานขึ้น แล้วเกิดการแผ่ รังสีออกสู่อวกาศ ถ้าพลังงานมีความสมดุลยกัน ภายในดาวก็มีความกดดันและแรงดึงดูด มีเสถียร ภาพ ชีวิตของดาว ก็จะดำเนินต่อไปตราบที่มีอาหาร คือ วัตถุดิบที่เป็นเชื้อเพลิง สะสมไว้ในตนเอง อย่างยาวนานเหนือจิตนาการ อย่างไรก็ตาม ชีวิตดาวไม่ได้เดินบนเส้นทางที่ปลอดภัย ดาวต้องผจญภัย ต่อสู้ เพื่อรักษาสถานะภาพของตนเองอย่างสุดขั้ว การรักษาสมดุลยจึงเป็นเรื่องที่บอก บอกได้ว่า อนาคตของดาวจะเกิดเช่นใด ดาวก็เหมือนเผ่าพันธ์ของมนุษย์ มีความแข็งแรง มีความอ่อนแอ เป็นองค์ประกอบ เราต้องทราบขนาดของมวลดาว แต่ละประเภทว่าจัดอยู่ระดับชั้นใดก่อน โดยทั้งนี้ ระดับชั้นของมวลดาว เป็นกฎเกณฑ์พัฒนารูปแบบตาม Main Sequence Stars (ดาวสามัญ) เป็นหลักเกณฑ์แรก แต่หลังจากพ้นระยะ พัฒนาตามดาวสามัญไป แล้ว ดาวแต่ละดวง มีทิศทางเฉพาะตัว ด้วยขนาดมวล และเงื่อนไขที่ต่างกันไปอีก นอกจากนั้น ยังมีองค์ประกอบหลากหลายกรณี เป็นตัวบ่งชี้ทิศทางที่จะเป็นไปอีก โดยแท้จริง ดาวแต่ละประเภทอาจคล้ายกัน แต่ไม่เคยเหมือนกันแม้แต่ดวงเดียว เพียงปริมาตรและขนาดก็ไม่เท่ากันแล้ว เพราะฉะนั้นสิ่งที่เกิดภายภาคหน้าสู่จุดจบ ย่อมต่างกันแน่นอน ไม่มากก็น้อย บางกรณีอาจมีข้อโต้แย้งว่า เราก็มีการจัดกลุ่มแยกประเภทกันไว้อย่างถูกต้อง แต่อย่าลืมว่า สิ่งที่เราสืบค้น เรื่องของดาวในจักรวาล ทั้งหมด มีข้อมูลเพียงไม่ถึง 00.0000000000001% เสียด้วยซ้ำ คงจะต้องมีการเปลี่ยนแปลงข้อมูลอีกต่อไป ตราบเท่าที่ยังมีการค้นหาในอนาคต ด้วยเครื่องมือที่ทันสมัยยิ่งขึ้น เมื่อดาวมีขนาดมวลเหมาะสม ก็มีค่าพลังงานเหมาะสมตาม หมายความว่า ดาวที่ มีการพัฒนาการรูปแบบอย่างสมดุลยกัน ด้วยพลังอำนาจแรงดึงดูด และพลังงาน อำนาจความกดดัน เป็นไปตามวิถีที่ควรเป็นตามอายุขัยนั้นๆ แต่ก็มีดาวเป็นจำนวนมากเกิดมาอย่างสมบูรณ์ เมื่อถึงระยะเวลาหนึ่ง Hydrogen ได้หมดไปก่อน การหลอมละลาย หยุดชะงัก เกิดการเผาไหม้จนถึงไส้แกนกลาง ทำลายระบบเผาไหม้สิ่งอื่นๆแทน ทำให้จบชีวิตของการเป็นดาว เพราะฉะนั้นเราจึงต้องพิจารณา ถึงองค์ประกอบขนาดมวล (Masses) ว่ามีจำนวน เท่าใด เปรียบเสมือน ต้นทุนของวัตถุดิบ และต้องทราบถึงชนิด ชั้นต่างๆที่บรรจุ วัตถุดิบเหล่านั้น รวมถึงการทำงานภายในของดาว เพราะเป็นส่วนสำคัญมีผลต่อ ระบบทั้งปวง

ดวงอาทิตย์ จัดอยู่ในระดับ Low-mass stars

แม้ว่าตามที่กล่าวว่า ดาวไม่เหมือนไปทั้งหมด แต่เราได้กำหนดหลักเกณฑ์เบื้องต้น โดยแบ่งออกเป็น 3 ระดับ เทียบกับขนาด ดวงอาทิตย์ กำหนดด้วยปริมาตรมวล Low-mass stars (ดาวมวลน้อย) เกิดขึ้นด้วยมีขนาดมวลเล็กกว่าเป็น 2 เท่า (Sun=1) Intermediate-mass Stars (ดาวมวลปานกลาง) เกิดขึ้นด้วยมีขนาดมวลระหว่าง 2-8 เท่า (Sun=1) High-mass Stars (ดาวมวลมาก) เกิดขึ้นด้วยมีขนาดมวลใหญ่กว่า 8 เท่า (Sun=1) ขึ้นไป ขนาดมวลเป็นกลไก กำหนดทิศทางชีวิตของดาว ที่จะก้าวเข้าสู่แต่ละวัยในแต่ละ ลำดับต่อไป มีข้อแตกต่างกัน และข้อคล้ายกัน ระหว่างดาวทั้ง 3 กลุ่ม เราทราบ ข้อมูลได้ เกิดจากการสำรวจ ด้วยกฎเกณฑ์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ กฎเกณฑ์ทางเคมี กฎเกณฑ์ทางกลศาสตร์ ร่วมถึงกฎเกณฑ์ทางชีวอวกาศด้วย การทราบถึงรายละเอียดโครงสร้าง ตำแหน่งที่ตั้งระบบภายในของดาว เปรียบว่า เราเป็นแพทย์ ที่ได้ X-ray ดูร่างกายดาว เพื่อวิเคราะห์ คำนวณถึงระยะเวลา และ แนวโน้ม ความเป็นไปได้ จากไส้ภายในแท้จริงของดาว (Stars stuff) จึงบอกได้ ถึงอนาคตเส้นทางชีวิตของดาวแต่ละดวง เพราะสิ่งที่เกิดภายในจะแสดงผลสู่ภาย นอกในเวลาต่อมา สำหรับวิถีชีวิตของดาว ที่บอกเราได้ด้วยขนาดมวล จะกล่าวในรายละเอียดเพียง 2 ระดับชั้น คือ Low-mass stars และ High-mass Stars เพราะมีข้อแตกกันพอ เห็นได้ชัด ส่วน Intermediate-mass Stars เป็นขนาดที่คาบเกี่ยวกันทั้ง 2 ระดับ ชั้น จึงมีวิถีชีวิตที่คาบกันไปด้วยแต่มักจะคล้ายกับ Low-mass stars

Hertzsprung-Russell diagram of normal stars ( Main-sequence stars)

Life as a Low-mass stars วิถีชีวิตของ ดาวที่มีขนาดมวลน้อย ระดับชั้นของดาว ดวงอาทิตย์ จัดว่าเป็นลำดับชั้นสามัญธรรมดามาก เมื่อเทียบกับ Low-mass stars ด้วยกัน หากว่าดวงอาทิตย์ เกิดเป็น High-mass stars ชีวิตบน โลกต้องเกิดขึ้นช้ากว่านี้ อย่างน้อยนับหลายล้านปี สำหรับ Low-mass stars อื่นๆ ก็เป็นเช่นทำนองเดียวกับ ดวงอาทิตย์ของเรา เพราะฉะนั้นวิธีการสืบค้นสิ่งมีชีวิตใน ระบบสุริยะอื่น ที่เป็น โลกใหม่ จึงเน้นไปที่กลุ่ม Low-mass stars เป็นหลัก ระยะเวลา 10 พันล้านปีคือ เส้นทางอายุของดวงอาทิตย์ มีการเผาไหม้ Hydrogen ตามช่วงของ Main-sequence star เมื่อหมดเกลี้ยง คือการเริ่มของจุดจบ ที่จะสู่ เส้นทาง Red giant star ต่อไปถึง Planetary nebula สุดท้ายคือ White dwarf ขบวนการนี้ใช้เวลาอีกประมาณ 1 พันล้านปี โดยมีรายละเอียดดังนี้

ตัวอย่าง Low-mass stars ทีมีขนาด เท่ากับดวงอาทิตย์ (Sun=1) มีอายุตาม Main-sequence star : 10 พันล้านปี หลังจากนั้นมีโอกาส ที่จะอยู่รอดได้ อีกราว 1 พันล้านปี

แสดงตนอย่างช้าๆและมั่นคง Main Sequence -Slow and Steady การหลอมละลาย Hydrogen สู่ Helium แกนภายใน เป็นขบวนการลูกโซ่ของ Proton-Proton chain การส่องแสงมีความเสถียรด้วยรูปแบบตัวเองอย่างต่อเนื่อง เรียกว่า Thermostat (บังคับความร้อนให้คงที่) ด้วยแรงดึงดูดที่มีดุลยภาพและมี ความสมดุลยระหว่าง Core energy production (อัตราผลิตพลังงานในแกน) กับ Energy escapes (อัตราหลุดพ้นสู่อวกาศ) ทั้งหมดเป็นรักษาสถานะภาพของดาว แสดงออกด้วย การหลอมละลาย ไฟลุกโชติช่วง ดังที่เกิดกับดวงอาทิตย์ในวันนี้ ที่ได้แสดงตนอย่างช้าๆและมั่นคง รูปแบบดังกล่าวคล้ายกับว่าค่อยเป็น ค่อยไปการแสดงตนเช่นนี้ ย่อมมีความมั่นคง ของพลังงาน เปรียบเช่น หายใจ กินอาหาร ออกกำลังกาย ขับถ่าย อย่างปกติด้วย ความพอเหมาะ พอดี สุขภาพทั้งหมดของร่างกายของดาวจึงสมบูรณ์ ระบบดังกล่าว ก็เกิดขึ้นกับ Low-mass stars อื่นๆที่คล้ายกัน แสดงเป็นการบอก เล่าถึงโครงสร้างแบบเดียวกันกับดวงอาทิตย์ อาจมีส่วนน้อยมากที่ต่างกันออกไป เช่น มีการหลุดรอดของพลังงาน ภายในแกนออกสู่พื้นผิว โดยต้องใช้เวลานานต่อ เนื่องจาก 100 -1,000 ปี จึงจะเห็นแสงที่โชติช่วงเป็นพิเศษแสดงผล ออกมาสู่ อวกาศได้ชัด เพราะฉะนั้นเราต้องมีการเฝ้าระวังผล ดังกล่าวของดวงอาทิตย์ตลอด 24 ชั่วโมง ด้วยเกรงว่าการหลุดรอดของพลังงานเช่นนี้ จากการเกิด พายุสุริยะ มี ความเข้มข้นของรังสีที่มีอันตรายต่อโลกและสิ่งมีชีวิต หรือการตรวจสอบเฝ้ามอง ถึง การแผ่รังสีของจักรวาล มาสู่โลก ทำให้พบบางสิ่งที่เรายังไม่เข้าใจ เช่น เรื่อง อีเล็คตรอนกลายพันธ์ เหล่านี้คือ สัญญานสำคัญของดาวที่ได้แสดงออกมา หากบางครั้ง มีการฝ่าฝืนกฎเกณฑ์ของ พลังงานไหลออกนอกเส้นทางจากภาย ในแกน ด้วยการเผาไหม้กัน โดยไม่คำนึงถึงตามลำดับชั้น (Combination) ที่เป็น ปกติเช่นเดิม เกิดการกระจายตัวของความร้อนไปตามยถากรรม มีการกระโดด กระเด้งจับกันของ Photons และ Electron แบบเดาสุ่มต่อเนื่องกัน ก็จะเกิด Hot plasma ท่วมล้นขึ้น หลังจากนั้นจมดิ่งลงเป็น Cool plasma กรณีเช่นนี้ ถ้าเกิดกับดวงอาทิตย์ไม่มีปัญหา ดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิสูงมากจึงยอม ให้ความร้อนที่แพร่ออกมา นำพลังงานย้อนกลับเข้าสู่ระบบของการหลอมละลาย สู่แกนภายในอีกได้ ส่วนดาวอื่นๆ ขึ้นอยู่กับมวลของดาวแต่ละดวง และอุณหภูมิใน ด้านลึกของ ชั้นภายในของตำแน่งพื้นที่ Convection Zone แต่ละดวง ดาวที่มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์เล็กน้อย ก็จะมีโครงสร้างภายในที่เย็นตัวกว่าโดย Convection Zone ก็จะอยู่ต่ำลงไปติดกับแกนในลงไป Very Low-mass stars (ดาวที่มีมวลน้อยมากๆ) Convection Zone มีตำแหน่งติดกับแกนในต่ำมากยิ่งขึ้น Convection Zone หรือ ชั้นพาพลังงานความร้อน คือ ตัวละครสำคัญที่จะแสดง บทบาท กิจกรรมความเป็นไปของดาวเช่น การเกิด Sunspot cycle (จุดดับ) หรือ การเกิดของสนามแม่เหล็ก เป็นเรื่องที่เกิดง่ายมากกับ Very Low-mass stars (Spectral-M) ทำให้ปรากฏส่งผลต่อ อัตราการหมุนรอบตัวเองที่เร็วขึ้นมาก เพราะ Convection Zone มีตำแหน่งติดกับไส้แกนภายในต่ำมากนั่นเอง

Main sequence stars Hight-mass stars นำพาความร้อนจากแกนภายใน (Convective cores) โดยไม่มี Convection zone Low-mass stars (ดวงอาทิตย์) มี Convection zone อยู่ในตำแหน่งที่แผ่กว้างด้านบน และห่างจากไส้แกนใน Very Low-mass stars มี Convection zone อยู่ในตำแหน่งต่ำใกล้กับไส้แกนมาก

ระบบโครงสร้างภายในของดาวที่หมุนปั่นเร็วขึ้น อย่างไม่ละลด มีความยุ่งเหยิงมาก เกิดการบิดเบี้ยวเป็นปุ่มปม ของเส้นสนามแม่เหล็ก (Magnetic field lines) โดยมัก เกิดแบบทันที่ทันใด ด้วยการปลดปล่อยจากสนามแม่เหล็กของตน ยังให้เกิดเปลว เพลิงที่โชติช่วงอย่างแรงชั่วขณะ (Flares) ไม่กี่นาทีจนถึงชั่วโมง การเกิด Flares ทำให้สามารถแผ่กระจายรังสี X-ray รังสี Infrared และแสงจะมี ส่วนสัมพันธ์กับการเหลืออยู่ อายุที่ยาวนานของ Low-mass stars เพราะเป็นการ ปลดปล่อยพลังงานออกมา เกินความจำเป็น การหลอมละลายต่อเนื่องของ Hydrogen ภายในแกน จะแสดงถึงจำนวนอนุภาค ลดลงเรื่อยๆ แกนในจะหดตัวแต่จะมีความร้อนเพิ่ม เพื่อต้องการรักษาความกดดัน และแรงดึงดูดให้สมดุลยกัน เป็นการเกิดที่ละน้อยเรื่อยไปของอุณหภูมิภายในแกน ปรากฏการณ์เช่นนี้ทำให้ดาวความสว่างเพิ่มมากขึ้น กำลังหมายความว่าเข้าสู่วัยชรา ก่อนวัยอันควร เพราะการหมดไปของ Hydrogen ภายในที่ไม่เพียงพอต่อการเผา ไหม้ตามปกติ

Magnetic field lines

ดาว OGLE-TR- 122b ระดับ Very Low-mass stars (Spectral-M) อยู่ใกล้ระบบสุริยะรัศมี 32 ปีแสง มีความมืด ขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์ เป็นประเภทที่สำรวจพบแล้ว คล้ายคลึงกัน 236 ดวง