ดาวนิวตรอน กับสสารประหลาดที่ใจกลางดาว

ดาวนิวตรอน กับสสารประหลาดในที่ประชุมของสมาคมฟิสิกส์อเมริกันเมื่อเดือนธันวาคม ค.ศ.1933 Fritz Zwicky และ Walter Baade ได้เสนอรายงานว่า เอกภพอาจจะมีดาวที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนล้วนๆ เพราะความดันที่ มากมหาศาลภายในดาวจะบีบอัดให้โปรตอน (p) และอิเล็กตรอน (e) ซึ่งเป็นองค์ประกอบของไฮโดรเจนที่มีมากในดาวรวมตัวกันเป็นนิวตรอน (n) ตามปฏิกิริยา p+e → n ซึ่ง n ไม่มีประจุ คือ เป็นกลางตามที่ James Chadwick พบก่อนหน้านี้เพียงปีเดียว แต่ไม่มีใครใส่ใจในความเห็นนี้ เพราะไม่มีใครรู้ว่าดาวนิวตรอนจะต้องมีสมบัติใดบ้างที่จะช่วยให้นักดาราศาสตร์เห็น

จนอีก 34 ปีต่อมา Joselyn Bell ซึ่งกำลังทำวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกสาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัย Cambridge ในประเทศอังกฤษได้รับสัญญาณคลื่นวิทยุที่ถูกส่งมาจากดาวในอวกาศ เป็นจังหวะสม่ำเสมอ คือ ดัง-เงียบ-ดัง-เงียบ … เหตุการณ์นี้ทำให้วงการดาราศาสตร์ตื่นเต้นมาก เพราะคิดกันว่า คงเป็นสัญญาณจากมนุษย์ต่างดาวที่พยายามติดต่อสื่อสารกับมนุษย์โลก

แต่ Antony Hewish ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาของ Bell ไม่เห็นด้วย เพราะ Bell ได้รับสัญญาณลักษณะเดียวกัน (แต่ความถี่ไม่เท่ากัน) จากอวกาศ ณ ตำแหน่งต่างๆ กันหลายแห่ง เหตุการณ์นี้ทำให้ Hewish ตระหนักว่า คงเป็นไปไม่ได้ที่มนุษย์จากหลายดาว จะติดต่อกับโลกในเวลาเดียวกัน

การวิเคราะห์ความสม่ำเสมอและรูปลักษณ์ของสัญญาณทำให้ Hewish รู้ว่า ดาวดวงที่ส่งสัญญาณมามีขนาดเล็กอยู่นอกระบบสุริยะและหมุนรอบตัวเองเร็วมาก

ผลงานนี้ทำให้ Hewish ได้รับครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1967 ส่วนอีกครึ่งหนึ่งเป็นของ Martin Ryle ผู้คิดวิธีเพิ่มประสิทธิภาพของกล้องโทรทรรศน์วิทยุโดยใช้เทคนิคการทำงานอย่างประสานกันของกล้องขนาดเล็กหลายกล้อง

ในส่วนของชื่อดาวนั้น เพราะสัญญาณถูกส่งมาเป็นจังหวะเหมือนชีพจร (pulse) ดาวจึงได้รับการตั้งชื่อว่า pulsar (จาก pulse+star)

การศึกษาดาวชนิดนี้ตลอดเวลาที่ผ่านมาร่วม 53 ปี ทำให้เรารู้ว่าดาวเกิดจากการยุบตัวที่แก่นกลางของดาวฤกษ์ซึ่งมีมวลไม่เกิน 30 เท่าของดวงอาทิตย์ หลังจากที่ดาวฤกษ์ดวงนั้นได้ ใช้เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ดาวมีไปจนหมด การยุบตัวจึงเกิดขึ้นโดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวนิวตรอนมีความหนาแน่นมากเป็นที่สองรองจากหลุมดำ ประเด็นนี้จึงทำให้การศึกษาดาวนิวตรอนเป็นเรื่องที่น่าสนใจ เพราะถ้าเราเข้าใจดาวนิวตรอนดี ขั้นต่อไปก็คือการเข้าใจหลุมดำดีด้วย

ดาวนิวตรอนอาจจะหมุนเร็วมากถึงวินาทีละพันรอบ

ความรู้เกี่ยวกับดาวนิวตรอนโดยสรุปที่เรามีคือ มีขนาดเล็ก เพราะเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 กิโลเมตร มีมวลตั้งแต่ 1.4-3 เท่าของดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิที่ผิวสูงมากระดับหลายแสนองศาสัมบูรณ์ การมีมวลมากและปริมาตรน้อย ทำให้มีความหนาแน่นมหาศาล คือ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรจะหนักเป็นล้านตัน สนามแม่เหล็กที่เกิดจากดาวก็มีความเข้มสูงกว่าสนามแม่เหล็กโลกตั้งแต่ 100 ล้าน-พันล้านล้านเท่า (มากหรือน้อยขึ้นกับมวลของดาว) ในขณะที่ดาวยุบตัวลง ความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาวจะเพิ่ม ซึ่งเป็นไปตามหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมของดาว (ในลักษณะเดียวกับการหมุนตัวของนักเล่นสเก็ตน้ำแข็งที่เวลาจะหมุนตัวเร็วก็จะหดแขนเข้าแนบตัว เพื่อลดโมเมนต์ความเฉื่อย) และอาจจะหมุนเร็วมากถึงวินาทีละพันรอบ ซึ่งความถี่ของสัญญาณที่โลกที่ได้รับนี้สอดคล้องกับความถี่ที่ดาวหมุนรอบตัวเอง และในการหมุนนี้ดาวจะส่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างๆ กันออกมาด้วยตั้งแต่รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ แสงที่ตาเห็น จนกระทั่งถึงคลื่นวิทยุโดยแสงจะออกมาเป็นลำทางขั้วแม่เหล็กของดาว เพราะแกนที่ดาวหมุนรอบตัวเองกับแกนแม่เหล็กไม่ซ้อนทับกัน ดังนั้นเวลาหมุน ลำแสงที่ออกจากดาวก็จะกวาดไปรอบๆ ในอวกาศ ถ้าโลกอยู่ในทิศของลำแสง คนบนโลกก็จะได้รับสัญญาณ แต่ถ้าไม่อยู่ในลำแสง การรับสัญญาณก็เป็นไปไม่ได้ เหตุการณ์นี้ทำให้ดาวมีลักษณะเหมือนประภาคารแสง การหมุนตัวด้วยความเร็วที่สูงมากนี้ทำให้ความเร็วที่ผิวดาวพัลซาร์บางดวงมีค่ามากระดับใกล้ความเร็วแสง

ในกาแล็กซี่ทางช้างเผือกมี pulsar หลายพันดวง นอกทางช้างเผือกก็มีหลายล้านดวง บางดวงอยู่โดดเดี่ยว บางดวงอยู่เป็นคู่ (binary pulsar) และหลายดวงชนกัน การศึกษาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในระบบ pulsar ได้ทำให้เราเข้าใจเอกภพดีขึ้นมาก เช่น ในปี 1974 Joseph Taylor และ Russell Hulse พบดาวพัลซาร์คู่ ชื่อ PSR B1913+16 ซึ่งประกอบด้วยดาวนิวตรอน 2 ดวง ที่โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบ และพบว่า วงโคจรของดาวทั้งสองจะลดขนาดลงตลอดเวลา เพราะดาวทั้งสองมีความเร่งเข้าสู่ศูนย์กลางและปล่อยคลื่นโน้มถ่วง (gravitational wave) ออกมาทำให้สูญเสียพลังงานตรงตามที่ Einstein ได้เคยพยากรณ์ไว้ทุกประการ ผลงานนี้ทำให้ Taylor และ Hulse ได้รับรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 1993

เมื่อเดือนสิงหาคม ปี 2017 ห้องปฏิบัติการ LIGO (Laser Interferometer Gravitional-Wave Observatory) ของอเมริกา กับห้องปฏิบัติ VIRGO ของอิตาลีสามารถรับคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจากการชนกันระหว่างดาวนิวตรอน 2 ดวงที่อยู่ห่างจากโลก 130 ล้านปีแสงได้ เพราะเวลาดาวทั้งสองใกล้จะถึงจุดจบ แรงโน้มถ่วงระหว่างกันจะทำให้ผิวดาวเสียรูปทรง และสูญเสียพลังงานในการโคจรไปในรูปของพลังงานคลื่นโน้มถ่วง ดาวจึงชนกันเร็วขึ้น การวิเคราะห์ลักษณะของคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น พบว่า ขึ้นกับโครงสร้างภายในของดาวคู่กรณี ดังนั้นวิธีนี้จึงเป็นวิธีที่นักฟิสิกส์ใช้ในการศึกษาโครงสร้างภายในของดาวนิวตรอน ซึ่งจะทำให้รู้ความหนาแน่น ความดัน และอุณหภูมิของดาว อันเป็นพารามิเตอร์ที่ใช้ในการคำนวณสมการสถานะของดาวนิวตรอนดวงนั้น และพบว่า ดาวทั้งสองดวงมีมวลประมาณ 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ และมีรัศมี 12 กิโลเมตร แม้การชนที่เกิดขึ้นจะใช้เวลาไม่ถึง 2 นาที แต่นักฟิสิกส์ก็สามารถรู้ข้อมูลของดาวนิวตรอนได้พอสมควร

เพราะดาวนิวตรอนเป็น “ซาก” ที่หลงเหลืออยู่หลังจากที่ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ระเบิดตัวเองเป็น supernova แรงดันมหาศาลที่เกิดขึ้นได้อัดแก่นกลางของดาวฤกษ์ให้เป็นดาวที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนเป็นส่วนใหญ่

ดาวนิวตรอนอาจจะเป็นดาวที่กลมที่สุดในเอกภพ

การคำนวณของนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แสดงให้เห็นว่า ดาวนิวตรอนอาจจะเป็นดาวที่กลมที่สุดในเอกภพ คือ ไม่มี “ภูเขา” หรือ “หุบเหว” บนดาวเลยแม้แต่น้อย เพราะการหมุนรอบตัวเอง อาจทำให้บริเวณศูนย์สูตรของดาวนิวตรอนป่องออกเหมือนโลก รูปทรงที่บิดเบี้ยวจะกระทบกระเทือนลักษณะของคลื่นโน้มถ่วงด้วย

การวิเคราะห์คลื่นโน้มถ่วงที่เกิดขึ้น ไม่พบว่าดาวนิวตรอนดวงใดที่อยู่ภายในระยะทาง 30,000 ปีแสงจากโลกบิดเบี้ยวไปจากความกลมเลย เช่น ถ้าดาวมีรัศมี 10 กิโลเมตร ความสูงของภูเขาบนดาวก็จะไม่เกิน 1 เซนติเมตร

ข้อมูลทั้งหลายที่กล่าวมานี้ เป็นข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะภายนอกของดาวนิวตรอน แม้กระทั่งปัจจุบันก็ยังไม่มีใครรู้อะไรเกี่ยวกับสิ่งที่อยู่ภายในดาวเลยว่ามีอะไรบ้าง และสิ่งเหล่านั้นอยู่กันอย่างไร เป็นสสารรูปแบบใด แต่ถึงวันนี้ คำถามนี้จะมีคำตอบแล้ว

เพราะ NASA มีโครงการ Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) ที่จะสำรวจองค์ประกอบภายในของดาวนิวตรอน โดยใช้อุปกรณ์วัดมวลและรัศมีของดาวอย่างละเอียดที่สุด รวมทั้งความเข้มสนามแม่เหล็กของดาวด้วย และใช้ข้อมูลที่ได้จากการวัด ร่วมกับข้อมูลที่ได้จากเหตุการณ์ดาวนิวตรอนชนกันในการตอบให้ชัดว่า ในดาวนิวตรอนมีสสารประหลาด (strange matter) รูปแบบใด

โครงการ NICER ได้เริ่มดำเนินการในปี 2017 เมื่อกล้องโทรทรรศน์มูลค่า 2,000 ล้านบาทได้ถูกนำไปติดตั้งในจรวด Space X Falcon 9 เพื่อยิงขึ้นไปยังสถานีอวกาศลอยฟ้าให้ทำหน้าที่รับรังสีเอ็กซ์ที่ดาวนิวตรอนส่งออกมา พร้อมอนุภาคอิเล็กตรอนเป็นลำแสง การสังเกตรังสีที่เบี่ยงเบนไปจากแนวเส้นตรงจะทำให้นักฟิสิกส์รู้อัตราส่วนระหว่างมวลของดาว/รัศมีของมันได้ โดยใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein

ความรู้ที่เรามีเกี่ยวกับดาวนิวตรอน

ณ วันนี้ ความรู้ที่เรามีเกี่ยวกับดาวนิวตรอน คือ มันมีโครงสร้างภายในเป็นชั้นๆ เหมือนหัวหอม คือ เป็นชั้นๆ มิได้เป็นเนื้อเดียวโดยตลอด

ชั้นที่อยู่เหนือผิวดาวมีบรรยากาศซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียม

ต่อมาคือชั้นผิวเปลือกภายนอก (outer crust) มีนิวเคลียสของธาตุต่างๆ เช่น ไฮโดรเจน ฮีเลียม คาร์บอน และอิเล็กตรอนอิสระ

ชั้นผิวเปลือกภายใน (inner crust) มีนิวตรอนอิสระ อิเล็กตรอน และนิวเคลียสของธาตุหนัก เช่น เบอริลเลียม ซิลิกอน เหล็ก

ต่อไปคือชั้นแก่นนอก (outer core) เป็นของเหลวควอนตัมที่ประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนอิสระเป็นส่วนใหญ่

และชั้นแก่นใน (inner core) ซึ่งยังเป็นปริศนาว่าเป็นสสารชนิดใดกันแน่ เพราะในบริเวณนี้สสารมีความหนาแน่นสุดสูง (ultra-dense matter) ซึ่งอาจจะเป็นไปได้ 3 รูปแบบ คือ

(1) ประกอบด้วยอนุภาค quark ล้วนๆ เพราะ quark เป็นองค์ประกอบย่อยของนิวตรอน และโปรตอน โดยที่โปรตอนมีประกอบด้วย quark ชนิด up 2 ตัว และชนิด down 1 ตัว ส่วนนิวตรอนประกอบด้วย quark ชนิด down 2 ตัวกับชนิด up 1 ตัว แต่ภายใต้ความดันที่มากมโหฬาร quark เหล่านี้จะอยู่ในสภาพอิสระ นั่นคือเป็นทะเล quark ดังนั้น แก่นในอาจจะถือได้ว่าเป็นดาว quark

(2) ประกอบด้วยสสารควบแน่นแบบ Bose-Einstein (Bose-Einstein Condensate, BEC) ซึ่งอาจจะเป็นอนุภาค pion ที่ประกอบด้วย quark ชนิด up 1 ตัวกับชนิด anti-down 1 ตัว และ quark ทั้ง 2 ตัวนี้อยู่กันในสภาพอนุภาคควอนตัมคู่

(3) ประกอบด้วยอนุภาค hyperon ซึ่งประกอบด้วย quark 3 ตัว แต่มีทั้งชนิด up, down และ strange

การรู้องค์ประกอบเป็นเรื่องไม่เพียงพอเหมือนกับการรู้ส่วนประกอบของเครื่องแกง แต่ไม่เห็นแกง ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงพยายามหาหนทางจะรู้เรื่องนี้โดยใช้เทคนิคหลายรูปแบบ เช่น ใช้เครื่องเร่งอนุภาค LHC (Large Hadron Collider) ที่ CERN เร่งนิวเคลียสของตะกั่วและทองคำให้ชนกันด้วยความเร็วสูงมาก เพื่อสร้างซุปควาร์กที่ประกอบด้วย quark และ gluon ซึ่งเป็นอนุภาคที่ quark ใช้ในการมีอันตรกริยากัน

เพราะความเป็นไปได้ของสสารในนิวตรอนมี 3 รูปแบบ ดังนั้นรูปลักษณะภายนอกของดาวนิวตรอนก็จะแตกต่างกัน ดาวที่มี BEC จะมีรัศมีที่สั้นกว่าดาวที่มีนิวตรอนล้วนๆ และดาวที่มี hyperon ที่แก่นกลางจะมีรัศมีสั้นที่สุด

เมื่อเป็นเช่นนี้การรู้รัศมี และมวลอย่างถูกต้องที่สุดจึงเป็นเรื่องสำคัญ

ตามปกตินักดาราศาสตร์จะรู้ค่าของมวลจากการศึกษาดาวนิวตรอนคู่ โดยการวัดคาบโคจรของดาว และระยะห่างระหว่างดาว แต่ความผิดพลาดของเทคโนโลยีอยู่ในระดับ 2-3 กิโลเมตร ดังนั้นถ้ารัศมีของดาวนิวตรอนมีค่า 10 กิโลเมตร ความผิดพลาดจะมากไป จนทำให้ข้อสรุปผิดตามไปด้วย

เพราะ NICER สามารถวัดเรื่องนี้ได้ดีกว่า คือ ผิดพลาดไม่เกิน 0.5 กิโลเมตร ดังนั้น นี่จึงเป็นเทคนิคที่สามารถตัดสินได้ว่ารูปแบบใดดีกว่ากัน แต่ก็ยังไม่ดีทีเดียวนัก และต้องอาศัยการวัดสมบัติของดาวนิวตรอนคู่ ดาวนิวตรอนที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่น และศึกษาคลื่นโน้มถ่วงที่เกิดจากการชนกันระหว่างดาวนิวตรอน โดยใช้ห้องทดลองอื่น นอกจาก LIGO, VIRGO เช่น ใช้ข้อมูลจากห้องปฏิบัติการ Kamioka Gravitational Wave Detector ของญี่ปุ่น และของอินเดียที่เมือง Aundha Naganath ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการ Indian Initiative in Gravitational-Wave Observations ที่จะเริ่มทำงานในปี 2021 ข้อมูลทั้งหมดนี้จะช่วยกันค้นหาความจริงเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารที่อยู่ในดาวนิวตรอนให้ได้ภายในปี 2040

อ่านเพิ่มเติมจาก Space Oddity โดย Anil Ananthaswamy ใน New Scientist ฉบับ 7 December 2013 และบทความของ Riley, T.E. et al ใน Journal of Astrophysics Letters ฉบับที่ 887, L21 ปี 2019