Pulsar : พัลซาร์ ลำแสงจากประภาคารจักรวาล

Pulsar : พัลซาร์ ลำแสงจากประภาคารจักรวาล

เดิมนั้นเราทราบว่า ดาวนิวตรอน (Neutron stars) เกิดจากการยุบตัวลงภายใต้แรง ดึงดูดของตน ด้วยการระเบิดขึ้น เรียกว่า Supernova explosion จากระบบเผาไหม้ ของเชื้อเพลิง ก๊าซพร่องลง จึงต้องเผาไหม้ทุกสิ่ง ทุกอย่างรวมถึงไส้แกนตัวเอง จนระเบิด ดวงอาทิตย์ในระบบสุริยะ ไม่สามารถพัฒนาการเป็น Neutron stars ได้ แต่เมื่อ หมดอายุขัย อีกราว 5,000 ล้านปีข้างหน้า จะพัฒนาการเป็น ดาวยักษ์สีแดง (Red Giant) หลังจากนั้นจะกลายเป็น ดาวแคระขาว (White dwarfs) ในลำดับถัดไป ทั้งนี้เพราะการเกิด ซูเปอร์โนวา (Supernova) เกิดขึ้นได้กับ ดาวที่มีขนาดยักษ์ มวลมากกว่าดวงอาทิตย์ (อย่างน้อย 2-3 เท่า) จึงสามารถเกิดการระเบิดแบบ Supernova explosion ส่งผลให้เกิด Neutron stars ตามมา แต่หากดาว มีขนาดใหญ่ยักษ์มากกว่านั้น จะยุบตัวเป็นหลุมดำ (Back holes) โดย เชื่อว่า Neutron stars มีความหนาแน่นสูงมาก หมุนปั่นรอบตัวเองรวดเร็ว ตนเอง มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเพียง 10 กิโลเมตร และรอบๆ มีสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่ (Large magnetic fields)

Neutron stars

Pulsar (ลำแสง Radio)

จาก Neutron stars สู่ Pulsar การมีสนามแม่เหล็ก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอนุภาค จากการเคลื่อนไหวเป็น ลำยาวของสนามแม่เหล็ก เกิดเป็นลำแสง จากรังสีที่เปล่งสะท้อนจากขั้วแม่เหล็ก (Magnetic poles) หมุนเวียนไปรอบๆ ดาวนิวตรอน ลำแสงนั้นส่องยาวไกลออกไปในอวกาศ บนโลกจึงสามารถตรวจจับลำแสงนั้นได้ ด้วย Radio telescope ลักษณะแสงดังกล่าว ยาวเป็นลำ คล้ายกับแสงที่หมุนส่อง เป็นลำยาวออกมาจากประภาคาร พร้อมกับหมุนไปรอบๆ (หรือเปรียบเหมือนไฟ ไซเรน บนหลังคารถพยาบาล แต่จะพลิกไปพลิกมาขณะหมุนด้วย) ด้วยความเร็ว มากกว่า 100 รอบต่อวินาที คำจำกัดความ ของ Pulsar Pulsar คือ อำนาจแม่เหล็กพลังสูง (Highly magnetised) ของ ดาวนิวตรอนซึ่ง เกิดจากการยุบตัวของดาว ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ มีรัศมีราว 1 ล้านกิโลเมตร เหลือขนาด มีรัศมีราว 10-15 กิโลเมตร (เป็นดาวนิวตรอน) แสดงการแผ่หรือเปล่งรังสี จากขั้วแม่เหล็ก (Magnetic poles) เป็นลำแสง (Beam) ทะแยงออกมาสู่โลก ลักษณะเหมือนกับไฟส่องพุ่งออกมา เช่นไฟจากประภาคาร (Lighthouse) แบบวูบวาบ โดยมีช่วงจังหวะรอบหมุนอย่างเที่ยงตรง แม่นยำมาก เรียกลำแสงนั้นว่า Pulsar (พัลซาร์)

Pulsar PSR B0531+21 (The Crab Pulsar) ในบริเวณ Supernova remnants

ระบบทั่วไปของ Pulsar ทั้งนี้การสำรวจพบ Neutron stars ราวจำนวน 1,800 ดวง แต่ละดวงเต็มไปด้วย ความแปลกประหลาด เหมือน Cosmic zoo เกิดจากการยุบตัวของดาว ขนาดใหญ่ กว่าดวงอาทิตย์ เหลือสัดส่วนเท่าเมืองเล็กๆ บนโลก 1 เมือง (ราว 10 กิโลเมตร) ทั้งหมดเกิด Pulsars เพราะมีลำแสง แบบประภาคารส่องยาวออกมา ในประเภท Radio waves หรือ X rays แต่ก็มีจำนวนมากเกิดขึ้น แต่มองไม่เห็นจากบนโลก ในทางทฤษฎี Pulsars ที่มีลำแสงแบบ Gamma-ray จากมีความกว้างและไกลกว่า (แบบลำแสง Radio waves หรือ X rays ) ซึ่งจะเหมือนลำแสงที่เกิดบนโลก โดย ลำแสง Gamma-ray ต้องใช้ เครื่องมือที่มีความละเอียดตรวจจับ การกล่าวถึง Pulsars จากการสำรวจ ประการแรกต้องมีรายละเอียดของ Neutron stars เป็นส่วนประกอบ ประการที่สอง ส่วนใหญ่มักคล้ายคลึงกัน ของลำแสง Pulsars เกิดขึ้นมีจังหวะ มีช่วงห่างเป็นระยะ เปล่งสะท้อนจากการหมุนรอบตัวเอง ของ Neutron stars ระหว่างช่วงจังหวะลำแสงของ Pulsars ใช้เวลาหมุนแต่ละครั้ง ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน Pulsars อายุน้อยมักพบในบริเวณ Supernova remnants (เศษซากการระเบิด ของซูเปอร์โนวา) เป็นบริเวณที่เกิด Neutron stars อย่างแน่นอน โดย Pulsars หมุนปั่นรอบๆ Neutron stars มีลักษณะพลิกกลับไปมาและเปล่งสะท้อน Radio waves ตามแนวแกนของสนามแม่เหล็ก (Magnetic axis) อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถสืบค้นการเกิดของ Pulsarsได้ทั้งหมด เพราะลำแสง จาก Neutron stars บางดวงมาไม่ถึงโลกให้ตรวจจับได้ แต่ไม่มีใครทราบแน่ชัดว่า การเกิดขึ้นของ Pulsarขึ้นมาแล้วมีอายุยาวนานเท่าใด จึงยุติ อย่างน้อยเชื่อว่าหลายพันล้านปี ลำแสงของรังสีจึงหมดสภาพลง เพราะมี ความเป็นได้ จากสนามแม่เหล็กหมดกำลัง ทำให้ลำแสงอ่อนแอ และอ่อนแอลง โดยไม่มีสิ่งใดขัดขวาง

Vela Pulsar (ลำแสง Radio, Optical, X-ray , Gamma ray) ในบริเวณ Vela Supernova Remnant

Pulsar (ลำแสง X-ray) ในระบบ Binary star system

สำรวจ Radio Pulsar การสำรวจครั้งแรก เมื่อ ค.ศ. 1967 ใช้วิธีสำรวจแหล่งคลื่นวิทยุ (Radio sources) แต่ปัจจุบันใช้หลายวิธีเช่น Optical, X-ray และ Gamma-ray telescopes การสำรวจโดยใช้ Radio telescope (กล้องวิทยุโทรทรรศน์) ไปยังตำแหน่งคาด หมายอาจใช้เวลาไม่กี่นาทีจนถึง 20 ชั่วโมงให้ระบบคอมพิวเตอร์ของกล้องบันทึก สัญญานไปเรื่อยๆ เสียง สัญญาน (Signal) มีลักษณะ ดังแบบ ตึกๆๆๆๆ หรือวีด เป็นช่วงๆ บางประเภทคล้ายเสียงปืนกลรัวถี่ -------------------------------------------------------------------------------------- {{ฟังเสียงสัญญาน Pulses}} PSR B0329+54 ประเภท Normal pulsar Rotating period ราว 0.714519 ครั้งต่อวินาที PSR B0833-45 (The Vela Pulsar) มีตำแหน่งใกล้ใจกลางของ Vela supernova remnant ซึ่งเป็นเศษซากจาก การระเบิด มาแล้วราว 10,000 ปี แล้วยุบตัวลงเป็น Neutron stars Rotating period ราว 89 ครั้งต่อมิลลิวินาที (11 ครั้งต่อวินาที) PSR B0531+21 (The Crab Pulsar) จัดอยู่ในกลุ่ม Youngest pulsar มีตำแหน่งอยู่บริเวณใจกลาง Crab Nebula (นิวบูล่าปู) ประเภท Supernova remnant Rotating period ราว 30 ครั้งต่อวินาที PSR J0437-4715 เดิมจัดในประเภท Millisecond pulsar มีอายุเก่าแก่ เกิดจาก Binary companion star(ดาวคู่มิตรที่โคจรร่วมกัน โดยการแผ่ขยายเชื่อมจาก Red giant) มีเส้นทาง โคจร แบบ Angular momentum กับ Neutron stars ปัจจุบัน Rotating period ราว 174 ครั้งต่อวินาที PSR B1937+21 เป็น Pulsar มีความถี่ของรอบรวดเร็วมาก พื้นผิวดาว 1 ใน 7 มีความเคลื่อนไหว ของแสง จากพลังงานแรงโน้มถ่วงอย่างมหาศาล ซึ่งเป็นการขัดขวางกันอย่าง สุดขีดกับแรงเหวี่ยงจากศูนย์กลาง (Centrifugal forces) Rotating period ราว 174ครั้งต่อวินาที -------------------------------------------------------------------------------------- ช่องความถี่ที่แตกต่าง ของ Pulses เรียกว่า Pulsar's period (ช่วงเวลารอบเดิน ของพัลซาร์) โดยมีช่วงน้อยกว่า 1 วินาที จนถึง 8 วินาที เป็นส่วนใหญ่ ช่วงเวลาถี่ ห่างของสัญญาน จะแสดงอย่างสม่ำเสมอ และมีจังหวะที่แม่นยำมาก ตัวอย่างการสำรวจ PSR J1603-7202 พบการส่งสัญญาน ระยะห่าง 0.0000005 วินาที ตลอดเวลามา 1 ล้านปี โดย มี 2 ประเภทของ Pulsar คือ ประเภทช่วงสัญญาน 1 ในพันวินาที เรียกว่า Millisecond pulsars (พัลซาร์ มิลลิวินาที) เป็นประเภทมีโอกาสเปลี่ยนแปลง ช่วงเวลาช้า โดยมักคงสถานะแบบนั้นอยู่นาน นอกนั้นที่เหลือของประเภท Pulsar ที่ไม่อยู่ในประเภทนี้ทั้งหมดเรียกว่า Ordinary pulsars (พัลซาร์ สามัญ) หลังจากนั้น ข้อมูลทั้งหมดจะบอกได้ว่า แต่ละคลื่นความถี่มีความแตกต่างกัน (Different frequencies) จากสเปกตัมของสี (Colours of the spectrum) แต่ทั้งหมดตำแหน่ง Pulsar มักอยู่บริเวณ Interstellar medium (ช่องว่างระหว่าง ดวงดาว) ความถี่ของสัญญานจะบ่งบอกความเร็วจังหวะี่ของ Free electrons ใน Interstellar medium จำนวนมากของ Pulsars มักกระจัดกระจาย มากกว่าที่จะ อยู่ใกล้กัน ทำให้ค่าความหน่วงสัญญานต่างกัน จึงนำมาใช้หาค่าระยะห่างจากโลก ข้อมูล Pulsars ในกาแล็คซี่พื่อนบ้านและแถบ Magellanic Clouds ยังรู้จักน้อย มักสำรวจในบริเวณด้านนอกระบบสุริยะ ซึ่งอยู่ในทางช้างเผือกเป็นส่วนใหญ่ สำหรับ การเรียกชื่อ Pulsars มีหลักเกณฑ์ เรียกดังนี้ Youngest pulsars (แสดง ว่ามีอายุน้อย) ส่วนเรียกว่า Pulsars (แสดงว่ามีอายุหลายพันปีขึ้นไป) ในแถบทาง ช้างเผือกมักพบประเภท Youngest pulsars ในบริเวณ Supernova remnants

Pulsar (ลำแสง Gamma ray)

Pulsar CTA 1

ข้อมูลการสำรวจ Pulsar CTA 1 สำรวจพบในบริเวณ เศษซากระเบิดของ Supernova ซึ่งระเบิดมา แล้ว 10,000 ปี ตำแหน่งกลุ่มดาว Cepheus (เซเฟอุส) ห่างจากโลก 4,600 ปีแสง การเปล่งรังสี เป็นพลังงานออกมา มากกว่าดวงอาทิตย์ 1,000 เท่า สามารถตรวจ จับค่า Photons พลังงานในระดับ 20-300 ล้านเท่า ของพลังงาน Visible light โดยทราบว่า เป็นวัตถุที่เปล่งรังสีในประเภท Gamma-ray

Pulsar PSR J0108-1431

Pulsar PSR J0108-1431 ชื่อย่อว่า J0108 เป็นประเภท Pulsar อยู่โดดเดี่ยวเป็น เอกภาพ ไม่ได้หมุนตนเอง เช่นระบบตุ้มถ่วง (Binary system) และมีอายุมากกว่า 10 เท่าของ Pulsar ที่เคยสำรวจพบ คือ มีอายุ 200 ล้านปี มีตำแหน่งห่างจากโลก 770 ปีแสง นับว่าใกล้โลกมากเท่าที่เคยสำรวจพบ การสำรวจโดย Radio observations แสดงให้เห็นทิศทางการหมุนของ Pulsars จากพลังงาน ที่แผ่รังสี (Radiate energy) แบบค่อยๆ แผ่ออกมาน้อยลงตาม ลำดับ เป็นการแสดงถึงอายุเก่าแก่ และสถาพมัวหมอง กว่า Pulsar อื่นๆที่เคยพบ มีความเร็วการหมุน 1 รอบต่อ 1 วินาที แต่มีความสว่าง รังสีพลังงานสูงมีประสิทธิ ภาพ ทั้งๆที่แสงจืดจางลง ปรากฎการณ์นี้แสดงว่า พลังงานของ J0108 ได้สาบสูญ จึงหมุนช้าลงตามอายุ การเปลี่ยนแปลงของ รังสี X จากการสูบโยก พลังงานรังสีสูง (High-energy radiation) ของ Pulsar ออกไป มักเกิดตั้งแต่ลำดับชั้น Pulsar ที่อายุน้อย และ ค่อยๆเลือนหายไปเรื่อยตามอายุ จนยุติเมื่อลำดับอายุมากขึ้น การเปล่งของ J0108 Pulsar มี 2 รูปแบบคือ การเปล่งรังสี X ออกมา เป็นการเปล่ง จากอนุภาค ที่หมุนเวียนรอบๆสนามแม่เหล็ก และการเปล่งความร้อน จากบริเวณขั้ว สนามแม่เหล็กของ Neutron stars การวัดอุณหภูมิความร้อนและขนาดของพื้นที่ความร้อน สามารถทำให้ทราบถึง ศักยภาพและความผิดปกติ ของพื้นผิว Neutron stars และพัฒนาการเปลี่ยน แปลงอัตราเร่ง ของอนุภาค ที่เกิดจาก Pulsar Pulsar อายุน้อยส่วนใหญ่สว่าง สำรวจได้โดยวิธี Radio และ X-ray telescopes แต่ไม่สามารถตอบสนอง เรื่องที่บรรจุไว้ทั้งหมดของวัตถุนั้น จำเป็นต้องใช้ในหลาย วิธีเพื่อหาข้อสรุป โดยเฉพาะเรื่อง อายุของ J0108 เป็น Pulsarใกล้จบสิ้นอายุขัย ที่จะเรียกว่า Pulsar death line (เส้นตายของพัลซาร์) ได้หรือไม่ เพราะการแผ่รังสีกำลังอยู่ในสถานการณ์ใกล้ยุติลงแล้ว อย่างน้อยคุณสมบัติของ Pulsar ที่ไม่เหมือนกับ Pulsar อื่นทำให้เข้าใจได้ว่า เป็นลักษณะ Dying pulsars (พัลซาร์จวนใกล้ดับ)

Pulsar PSR J0108-1431

References : Chandra X-ray Observatory Australia Telescope Outreach and Education NASA’s Fermi Gamma Ray Space Telescope High Energy Astrophysics Division at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysic The Radio Pulsar Group The University of Manchester