กำเนิดดาวนิวตรอน --- ดาวควอนตัมประหลาด

20 ตุลาคม 2560

 

           ในวันที่ 16 ตุลาคม 2560 มีการประกาศการค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันของดาวนิวตรอนของทีมนักวิจัยจาก LIGO เจ้าเก่า วันนี้เลยอยากจะพาทุกท่านดำดิ่งลึกลงไป ณ ใจกลางของดาวมวลมาก เพื่อดื่มด่ำทำความเข้าใจเกี่ยวกับการกำเนิด "ดาวนิวตรอน"

 

            ดาวนิวตรอนนั้นเกิดจากปรากฏการณ์ควอนตัม เป็นตัวอย่างอันเห็นได้ชัดของการมีอยู่ของทฤษฎีควอนตัม ดังนั้นถ้าจะเรียกดาวนิวตรอนว่าเป็น "ดาวควอนตัม" ก็ไม่น่าจะผิดอะไร

 

             ดาวนิวตรอนถูกค้นพบครั้งแรกโดย Jocelyn Bell Burnell ในปี 1967 ในขณะที่เธอยังเป็นนักศึกษาที่มหาวิทยาลัย Cambridge โดยมี Antony Hewish เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา ในตอนนั้นเธอตรวจพบสัญญาณที่ถูกส่งออกมาเป็นช่วงๆ ที่มีลักษณะเป็น Pulse (พัลส์) ซึ่งสัญญาณถูกส่งออกมาถี่มาก ทุกๆมิลลิวินาที ตอนแรกเธอนึกว่าเป็นสัญญาณจากมนุษย์ต่างดาว เลยเรียกโปรเจ็คนี้ว่า "Little Green Man" หรือโปรเจ็ค "มนุษย์ตัวเขียว" แต่ก็ต้องประหลาดใจที่พบสัญญาณ Pulse นี้หลายๆจุดบนท้องฟ้าจนไม่น่าเชื่อว่าจะเป็นสัญญาณจากมนุษย์ตัวเขียว เมื่อทำการวิเคราะห์พบว่า สัญญาณดังกล่าวสอดคล้องกับทฤษฎีของดาวนิวตรอนอันเป็นจุดจบของดาวมวลมาก และเนื่องจากดาวนิวตรอนส่งสัญญาณออกมาเป็นช่วงๆหรือเป็น "Pulse" จึงเรียกดาวนิวตรอนว่า "Pulsar" (พัลซาร์)

 

              แม้ Jocelyn Bell จะเป็นคนแรกที่ค้นพบและวิเคราะห์เกี่ยวกับดาวนิวตรอน แต่คนที่ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1974 ซึ่งมอบให้สำหรับการค้นพบดาวนิวตรอนกลับเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาของเธอคือ Antony Hewish บางครั้งคณะกรรมการโนเบลก็ทำให้ผู้คนกังขาเกี่ยวกับการให้รางวัล อย่างไรก็ตามเมื่อพูดถึงผู้ค้นพบดาวนิวตรอนคนจะนึกถึง Jocelyn Bell Burnell มากกว่า Antony Hewish

 

             ดาวนิวตรอนนั้นเป็นจุดจบของดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่า 11 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ขึ้นไป ส่วนดาวที่มีมวลน้อยกว่านี้จะมีจุดจบเป็นดาวแคระขาว ซึ่งก็เป็นดาวควอนตัมเช่นเดียวกัน

 

             เมื่อดาวมวลมากใกล้ถึงจุดจบ เชื้อเพลิงสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันหมดไป แกนกลางในสุดของดาวจะเป็นธาตุเหล็กซึ่งเป็นผลผลิตสุดท้ายของปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ถัดมาจะเป็นซิลิกอน ออกซิเจน คาร์บอน ฮีเลียม และไฮโดรเจนหรือโปรตอน ซ้อนกันเป็นชั้นๆ นอกจากนี้ยังมีอิเล็กตรอนอีกด้วย ในตอนนี้ไม่มีนิวตรอนมากนัก เพราะโดยทั่วไปนิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร จะสลายตัวให้ โปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน ภายในเวลาเพียงแค่ 15 นาทีเท่านั้น

 

            เมื่อไม่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่คอยให้พลังงานเพื่อค้ำจุนการยุบตัวของดาว ดาวก็จะยุบตัวด้วยแรงโน้มถ่วง สสารและอนุภาคทั้งหลายอัดแน่นกันมากขึ้น พฤติกรรมของอนุภาคทั้งหลายจะเริ่มประหลาด โดยเปลี่ยนจากพฤติกรรมแบบธรรมดาหรือคลาสสิกไปเป็นพฤติกรรมแบบควอนตัม อนุภาคแรกที่เปลี่ยนพฤติกรรมคืออนุภาคที่มีมวลน้อยที่สุด นั่นก็คือ "อิเล็กตรอน"

 

             พฤติกรรมประหลาดแบบควอนตัมของอิเล็กตรอนอย่างแรกคือ มันจะไม่อยู่ใกล้กันเกิน "de Broglie Wavelength" หรือความยาวคลื่นเดอบรอยล์ (ตั้งชื่อเป็นเกียรติให้ Louis de Broglie ผู้อธิบายความเป็นคลื่นของอนุภาค) ความยาวคลื่นเดอบรอยล์นี้จะแปรผกผันตามมวลของอนุภาค อนุภาคที่มี "มวลน้อย" เช่นอิเล็กตรอนจึงมีความยาวคลื่นเดอบรอยล์ "ยาวกว่า" โปรตอน และนิวตรอน โปรตอนและนิวตรอนจะมีพฤติกรรมแบบควอนตัมทีหลังเมื่อใจกลางของดาวอัดตัวแน่นมากขึ้น และอนุภาคเข้าใกล้กันมากขึ้น

 

             พฤติกรรมประหลาดของควอนตัมยังบังคับให้ อิเล็กตรอนไม่สามารถมีสถานะทางควอนตัมเหมือนกัน ซึ่งเป็นไปตามหลักการกีดกันของเพาลี หรือ "Pauli Exclusion Principle" ในระดับพลังงานหนึ่ง จะมีอิเล็กตรอนได้เพียง 2 ตัว โดยอิเล็กตรอนตัวหนึ่งจะมีสปินชี้ขึ้น อีกตัวจะมีสปินชี้ลง อิเล็กตรอนจะเติมเต็มสถานะที่มีระดับพลังงานต่ำที่สุดไปหาระดับพลังงานที่สูงขึ้นไปเรื่อยๆเท่านั้น โดยไม่สามารถมีสถานะทางควอนตัมเดียวกันหรือซ้อนทับกันได้

 

              เราเรียกอิเล็กตรอนที่ประพฤติตัวประหลาดแบบควอนตัมนี้เรียกว่า "Degenerate Electron" และการที่อิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าใกล้กันเกินความยาวคลื่นเดอบรอยล์ประหนึ่งเกลียดกันนี้ได้สร้างความดันค้ำจุนดาวให้หยุดยุบตัวได้ขณะหนึ่ง ความดันนี้เรียกว่า "Electron Degeneracy Pressure" เป็นความดันอันเป็นผลจากพฤติกรรมแบบควอนตัมของอิเล็กตรอน

 

               แต่อิเล็กตรอน ณ แกนกลางนั้นร้อนมาก มีพลังงานสูงมากหรือเรียกว่าเป็นอนุภาคแบบ Ultra Relativistic ในสภาวะนี้อิเล็กตรอนจะรักษาเสถียรภาพลำบากมาก ขีดจำกัดที่อิเล็กตรอนจะรักษาเสถียรภาพได้คือแกนกลางต้องมีมวลไม่เกิน 1.4 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่า Chandrasekhar Limit แน่นอนว่าดาวมวลมากย่อมมีมวล ณ แกนกลางมากกว่านั้น "Electron Degeneracy Pressure" จึงไม่สามารถค้ำจุนดาวได้อีกต่อไป

 

               ดาวจะยุบต่อไป แต่เป็นการยุบตัวแบบพิเศษมาก ก่อนหน้านี้ขณะที่ดาวยุบตัว ดาวจะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วง โดยพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เปลี่ยนไปจะถูกนำไปใช้เพิ่มความเร็วให้กับอนุภาค อนุภาคทั้งหลายร้อนขึ้น วิ่งเร็วขึ้น เกิดเป็นแรงดันต้านทานการยุบตัว

 

               แต่ตอนนี้ดาวจะไม่ยุบตัวแบบมีแรงต้านแบบนั้นอีกต่อไป ดาวจะยุบตัวรุนแรงและรวดเร็ว เป็นการยุบตัวแบบ "Free Fall" หรือยุบตัวอย่างอิสระแบบไม่มีแรงต้าน สาเหตุที่ไม่มีแรงต้านเพราะพลังงานศักย์โน้มถ่วงที่เปลี่ยนไปจะถูกนำเอาไปใช้ทำอย่างอื่นที่ไม่ใช่การเพิ่มความเร็วให้อนุภาค หากแต่เอาไปใช้ในการแยกนิวเคลียสด้วยแสง (Photodisintegration) และใช้ในการจับอิเล็กตรอน (Electron Capture) จึงไม่เหลือพลังงานที่จะเอาไปสร้างแรงดันเพื่อต้านทานการยุบตัว จึงเกิดการยุบตัวแบบ Free Fall โดยการยุบตัวแบบ Free Fall นี้ เกิดขึ้นในเวลาเพียงแค่มิลลิวินาทีเท่านั้น

 

                ขณะที่เกิดการยุบตัวแบบ Free Fall ก็ได้เกิดเหตุการณ์พิเศษขึ้น นั่นคือ อิเล็กตรอนรวมกับโปรตอน กลายเป็นนิวตรอน โดยปกติแล้วนิวตรอนจะสลายตัวให้อิเล็กตรอนและโปรตอนในเวลาอันสั้น จึงไม่ควรมีดาวนิวตรอนเกิดขึ้น เพราะนิวตรอนจะสลายตัวในเวลาเพียง 15 นาที แล้วมีนิวตรอนเหลือกลายเป็นดาวนิวตรอนได้อย่างไร? ความประหลาดนี้อธิบายได้ด้วยทฤษฎีควอนตัม!

 

                 พฤติกรรมแบบควอนตัมนั้นได้กีดกันการสลายตัวของนิวตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนและโปรตอนต่างก็อยู่ในสภาวะควอนตัม ซึ่งเติมเต็มพลังงานที่ระดับต่ำๆไปจนหมดแล้ว การที่จะเกิดการสลายตัวของนิวตรอนเพื่อเกิดเป็นอิเล็กตรอนและโปรตอนนั้น จะต้องมีระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนและโปรตอนว่างอยู่สำหรับให้อิเล็กตรอนและโปรตอนไปเติมเต็ม พูดง่ายๆว่าอิเล็กตรอนกับโปรตอนตัวใหม่ต้องมีที่อยู่จึงจะเกิดขึ้นได้ แต่โปรตอนและอิเล็กตรอนที่เกิดจากการสลายตัวของนิวตรอนนั้นมีพลังงานไม่มากนัก และระดับชั้นพลังงานต่ำๆถูกเติมเต็มไปหมดแล้ว โปรตอนและอิเล็กตรอนที่จะเกิดขึ้นใหม่จึงไม่มีที่ไป การสลายตัวของนิวตรอนจึงแทบไม่เกิดขึ้น แต่การสร้างนิวตรอนจากอิเล็กตรอนและโปรตอนยังเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง เพราะก่อนหน้านี้ไม่มีนิวตรอน จึงมีระดับพลังงานมากมายที่เป็นไปได้สำหรับนิวตรอนตัวใหม่ที่จะเกิดขึ้น

 

                ต่อไปนิวตรอนจะแสดงพฤติกรรมแบบควอนตัมบ้าง --- เมื่อดาวยุบตัวแบบ Free Fall ไปจนนิวตรอนทั้งหลายอยู่ใกล้กันเท่ากับความยาวคลื่นเดอบรอยล์ของมัน มันจะเริ่มแสดงพฤติกรรมแบบควอนตัม และสร้างความดัน "Neutron Degeneracy Pressure" ขึ้นมา หยุดยั้งการยุบตัวที่รุนแรงของดาวอย่างทันทีทันใด เกิดเป็นคลื่นกระแทกหรือ Shock Wave ที่รุนแรงกว่าระเบิดนิวเคลียร์ใดๆ เกิดการปลดปล่อยมวล อนุภาค และพลังงานมหาศาลรอบแกนกลาง กระจัดกระจายไปทั่วทั้งอวกาศ เกิดเป็น Supernova อันเจิดจรัส สุกสกาวไปทั่วบริเวณ แต่ยังคงเหลือแกนกลางเป็นดาวนิวตรอนเล็กจิ๋ว ขนาดประมาณ 10 กิโลเมตร โดยมีมวลราวๆดวงอาทิตย์ เลยมีความหนาแน่นประมาณนิวเคลียส ว่ากันว่าถ้าตักมวลของดาวนิวตรอนมา 1 ช้อนชา จะมีมวลราวๆ ล้านล้านกิโลกรัม!!

 

                 เรื่องราวของดาวนิวตรอนยังไม่จบแค่นั้น การเกิดดาวนิวตรอนและซุปเปอร์โนวายังมีส่วนสำคัญอย่างมากในการสร้างธาตุหนักต่างๆในเอกภพ ธาตุที่หนักกว่าเหล็กนั้นไม่สามารถสร้างได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ แต่สร้างได้จากกระบวนการจับนิวตรอน หรือ Neutron Capture ขณะที่เกิดซุปเปอร์โนวา

 

                 ผู้อ่านควรตระหนักว่าการสร้างธาตุใหม่คือการเพิ่มจำนวนโปรตอน อยากได้ธาตุหนักขึ้นก็ต้องเพิ่มโปรตอนเข้าไปในธาตุเบาๆ แต่ปัญหาคือการเพิ่มโปรตอนนั้นยากมากๆเพราะโปรตอนที่มีอยู่เดิมในนิวเคลียสจะผลักโปรตอนที่เพิ่มเข้าไปด้วยแรงคูลอมป์เพราะมีประจุเดียวกัน แต่การเพิ่มนิวตรอนนั้นสะดวกกว่า เพราะนิวตรอนไม่มีประจุ ขณะที่เกิดการระเบิดของซุปเปอร์โนวา มีนิวตรอนพลังงานสูงมากมายหลุดออกไป จึงเกิดการจับนิวตรอนโดยธาตุต่างๆ เมื่อนิวตรอนถูกจับได้ไม่นานมันจะสลายตัวไปเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน เกิดเป็นธาตุใหม่ขึ้นมา!!

 

                  ขณะเดียวกันในดาวนิวตรอนยังเกิดการสร้างนิวตริโนพลังงานสูงขึ้นมามากมายจากกระบวนการหลากหลาย นิวตริโนที่ถูกสร้างขึ้นจะยังอยู่ในดาวนิวตรอนชั่วขณะ ทำให้ดาวนิวตรอนพองตัวในช่วงแรก ก่อนจะยุบตัวลงเมื่อนิวตริโนเริ่มหลุดออกมาจากดาว และพาเอาพลังงานมากมายออกไปด้วย ดังนั้นขณะที่เกิดซุปเปอร์โนวาจึงสามารถตรวจวัดนิวตริโนได้ แม้จะมีนิวตริโนหลุดออกมามากมายมหาศาล แต่นิวตริโนนั้นแทบไม่ค่อยมีอันตรกิริยากับอะไรเลย จึงวัดได้แค่ประมาณ 10 กว่าตัวเท่านั้น --- ซึ่งถือว่าก็มากโขอยู่

 

                 ดาวนิวตรอนนั้นเป็นแหล่งตรวจวัดคลื่นความโน้มถ่วงที่ดี เพราะมีมวลอัดแน่นในรัศมีประมาณแค่ 10 กิโลเมตร กาล-อวกาศบริเวณดาวนิวตรอนจึงเกิดความโค้งตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เวลาบนดาวนิวตรอนนั้นเดินช้ากว่าบนโลกมากอันเป็นผลจากแรงโน้มถ่วงที่มากเป็นพิเศษ และเมื่อเกิดการชนกันของดาวนิวตรอนจึงมีการกระเพื่อมของคลื่นความโน้มถ่วงที่รุนแรงจนสามารถตรวจวัดได้

 

                ดาวนิวตรอนนั้นไม่ได้มีเพียงแค่นิวตรอน แต่ยังคงมีแกนกลางเป็นควาร์กกลูออนพลาสมา โดยมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นนิวตรอน และยังคงมีโปรตอน อิเล็กตรอน ที่อยู่ในรูปพลาสมาที่ร้อนจัดด้วย

 

                 เนื่องจากก่อนหน้าที่จะเป็นดาวนิวตรอน ดาวเคยมีขนาดใหญ่ แต่กลับก็มีขนาดเล็กลงมากเมื่อกลายเป็นดาวนิวตรอน จึงทำให้หมุนเร็วขึ้นมาก ตามกฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม (เหมือนเวลากางแขนเล่นเสก็ตแล้วอยู่ๆก็หุบแขนลง เราจะหมุนตัวเร็วขึ้นมาก) อัตราการหมุนรอบตัวเองของดาวนิวตรอนนั้นประมาณมิลลิวินาทีเท่านั้น ---คงจะเวียนหัวน่าดูถ้าไปอยู่บนดาวนิวตรอน

 

                สนามแม่เหล็กที่ขั้วของดาวนิวตรอนนั้นมีความแรงมาก เนื่องจากดาวขนาดใหญ่ที่มีสนามแม่เหล็กถูกเปลี่ยนขนาดเป็นดาวนิวตรอน เส้นสนามแม่เหล็กเลยอัดแน่นมากขึ้น เมื่อมีอนุภาคเคลื่อนที่เข้าไปใกล้ก็จะแผ่รังสี ส่งสัญญาณออกจากขั้วแม่เหล็ก ทำให้ผู้สังเกตเช่น Jocelyn Bell Burnell ตรวจพบสัญญาณเป็น Pulse กลายเป็นที่มาของคำว่า "Pulsar"

 

                              

 

รูปที่ 1  "เนบิวลาปู" หรือ "Crab Nebula" ในปัจจุบัน ซึ่งเป็นเศษซากการระเบิดของซุปเปอร์โนวาในปี ค.ศ.1054 ที่บันทึกไว้โดยชาวจีน มีดาวนิวตรอนอยู่ตรงกลาง ไม่สามารถมองเห็นได้ในภาพถ่าย แต่วัดสัญญาณได้ (ที่มารูป:  NASA's Hubble Space Telescope (https://en.m.wikipedia.org/wiki/Crab_Nebula#))

 

                             

 

รูปที่ 2 ภาพวาดดาวนิวตรอน ที่แสดงให้เห็นถึงสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงบริเวณขั้ว ทำให้เกิดการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงบริเวณขั้ว เมื่อดาวนิวตรอนหมุนและหันขั้วมาทางผู้สังเกตพอดีจะทำให้ผู้สังเกตตรวจวัดได้เป็นสัญญาณ Pulse (พัลซ์) จึงเรียกดาวนิวตรอนว่า Pulsar (พัลซาร์)  (ที่มารูป: Roy Smits (https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar#/media/File:Pulsar_schematic.svg))

 

                               

 

รูปที่ 3 แบบจำลององค์ประกอบของดาวนิวตรอนอันประกอบไปด้วยอนุภาคนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่ และยังมีอนุภาคอิเล็กตรอน, โปรตอน และไอออนต่างๆ โดยมีแกนกลางเป็นควาร์กกลูออนพลาสมา 

(ที่มารูป: Robert Schulze ( https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star#/media/File:Neutron_star_cross_section.svg))

 

รายงานโดย

ดร. มณีเนตร เวชกามา

ภาควิชาฟิสิกส์  คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์

E-mail: mwechakama@gmail.com