วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

วิวัฒนาการของดาวฤกษ์
          ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดจากการยุบรวมตัวของ เนบิวลา หรือกล่าวอีกอย่างว่าเนบิวลาเป็นแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ทุกประเภท   แต่จุดจบของดาวฤกษ์จะต่างกันขึ้นอยู่กับมวลของดาว ดังภาพ 5.1
           ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย ตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์มีแสงสว่างไม่มากจะใช้เชื้อเพลิงในอันตรายที่น้อย   จึงมีช่วงชีวิตยาว   และจบชีวิตลงด้วยการไม่ระเบิด   แต่จะกลายเป็นดาวแคระขาว   สำหรับดาวฤกษ์ที่มีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์   จะมีช่วงชีวิตและการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกับดวงอาทิตย์
          ดาวกฤษ์ที่มีขนาดใหญ่ มีมวลมาก สว่างมาก จะใช้เชื้อเพลิงอย่างสิ้นเปลืองในอัตราที่สูงมาก   จึงมีช่วงชีวิตที่สั้นกว่า   และจบชีวิตด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง
 

ภาพ 5.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลสารต่างๆ กัน
วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มากๆ จะเป็นหลุมดำ (บน)
ดาวกฤษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มาก จะกลายเป็นดาวนิวตรอน (กลาง)
และวาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ จะกลายเป็นดาวแคระ (กลาง)

- จากภาพ 5.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ดวงอาทิตย์ของเราจะมีชีวิตในวาระสุดท้ายอย่างไร

          จุดจบของดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก คือการะเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (supernova)  แรงโน้มถ่วงจะทำให้ดาวยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอน หรือ หลุมดำ ในขณะเดียวกันก็มี แรงสะท้อนที่ทำให้ส่วนภายนอกของดาวระเบิดเกิดธาตุหนักต่างๆ เช่น ยูเรเนียม ทองคำ ฯลฯ ซึ่งถูกสาดกระจายออกสู่อวกาศกลายเป็นส่วนประกอบของเนบิวลารุ่นใหม่ และเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์รุ่นต่อไป เช่น ระบบสุริยะก็กำเนิดจากเนบิวลารุ่นหลัง   ดวงอาทิตย์และบริวารจึงมีธาตุต่างๆ ทุกชนิด เป็นองค์ประกอบ ดังนั้น เนบิวลา ดาวฤกษ์ การระเบิดของดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ โลกของเรา สารต่างๆ และชีวิตบนโลก จึงมีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้ง

กำเนิดและวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์
         ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยถึงปานกลางและอยู่ใกล้โลกที่สุด   จึงเป็นดาวฤกษ์ที่นักดาราศาสตร์ศึกษามากที่สุดเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ดวงอาทิตย์เกิดจากยุบรวมตัวของเนบิวลา   เมื่อประมาณ 5,000 ล้านปีมาแล้ว  และจะฉายแสงสว่างอยู่ในสภาพสมดุลเช่นทุกวันนี้ต่อไปอีกประมาณ 5,000 ล้านปี ดังภาพ 5.2

 
ภาพ 5.2 วิวัฒนาการของดวงอาทิตย์จากเนบิวลาจนกลายเป็นดาวแคระขาว

          การยุบตัวของเนบิวลา   เกิดจากแรงโน้มถ่วงของเนบิวลาเอง   เมื่อแก๊สยุบตัวลง ความดันของแก๊สจะสูงขึ้น   ผลที่ตามมาคืออุณหภูมิของแก๊สจะสูงขึ้นด้วย   นี่คือธรรมชาติของแก๊สในทุกสถานที่   ที่แก่นกลางของเนบิวลาที่ยุบตัวลงนี้   จะมีอุณหภูมิสูงกว่าที่ขอบนอก   เมื่ออุณหภูมิแกนกลางสูงมากขึ้นเป็นหลายแสนองค์ศาเซลเซียส เรียกช่วงนี้ว่า “ดาวฤกษ์ก่อนเกิด” (protostar) เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงให้แก๊สยุบตัวลงไปอีก   ความดัน ณ แก่นกลางสูงขึ้น   และอุณหภูมิก็สูงขึ้นเป็น 15 ล้านเคลวิน   ซึ่งมีอุณหภูมิสูงมากพอที่จะเกิด ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear reaction) หลอมนิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสฮีเลียม   เมื่อเกิดความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงดันของแก๊สร้อนทำให้ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่สมบูรณ์

แสดงความสมดุลระหว่างแรงดันกับแรงโน้มถ่วง

          พลังงานของดวงอาทิตย์เกิดที่แก่นกลาง   ซึ่งเป็นชั้นในสุดของดวงอาทิตย์   เป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิและความดันสูงมาก   ทำให้เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่แก่นกลางดวงอาทิตย์   ซึ่งเกิดจากโปรตอนหรือนิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน 4  นิวเคลียส หลอมไปเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม 1 นิวเคลียส พร้อมกับเกิดพลังงานจำนวนมหาศาล
          จากปฏิกิริยาพบว่ามีมวลส่วนหนึ่งหายไปมวลที่หายไปนั้นเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน   ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตรความสัมพันธ์ระหว่างมวล (m) และพลังงาน (E) ของไอนส์ ไตน์

 E = mc²

          เมื่อ c คืออัตราเร็วของแสงในอวกาศเท่ากับ 30,000 กิโลเมตร/วินาที
          นักวิทยาศาสตร์คาดคะเนว่า   ในอนาคตเมื่อธาตุไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลือน้อยแรงโน้มถ่วง   เนื่องจากมวลของดาวโลกสูงกว่าความดัน   ทำให้ดาวยุบตัวลง   ส่งผลให้แก่นกลางของดาวฤกษ์มีอุณหภูมิสูงขึ้นมากกว่าเดิมเป็น 100 ล้านเคลวิน จนเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียสหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมเป็นนิวเคลียสของคาร์บอน   ในขณะเดียวกันไฮโดรเจนที่เป็นเปลือกอยู่รอบนอกแก่นฮีเลียม   จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามไปด้วย   เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน   จะเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียสหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมครั้งใหม่   ผลก็คือได้พลังงานออกมาอย่างมหาศาลทำให้ดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นเป็น 100 เท่าของขนาดปัจจุบัน   เมื่อผิวด้านนอกขยายตัว   อุณหภูมิมีผวจะลดลง   สีจะเปลี่ยนจากเหลืองเป็นแดง   ดวงอาทิตย์จึงกลายเป็นดาวฤกษ์สีแดงขนาดใหญ่มาก   เรียกว่า ดาวยักษ์แดง (red giant) เป็นช่วงที่พลังงานถูกปล่อยออกจากดวงอาทิตย์ในอัตราสูงมาก   ดวงอาทิตย์ช่วงชีวิตเป็นดาวยักษ์แดงค่อนข้างสั้น
 

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ Albert Einstein (พ.ศ. 2422-2498)

          ทุกวินาทีดวงอาทิตย์จะหลอมมวลของไฮโดรเจนประมาณ 600 ล้านตัน ไปเป็นฮีเลียม 596 ล้านตัน มวลจำนวนประมาณ 4 ล้านตันถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน โดยมวล 1 กิโลกรัมจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน 9x10¹⁶ จูล ทำให้ดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานได้  3.85 x 10²⁶  จูลต่อวินาที หรือ 3.85 x 10²⁶ วัตต์

กิจกรรม 5.1 ดาวยักษ์แดง
          เมื่อดวงอาทิตย์เป็นดาวยักษ์แดง   จะมีอะไรเกิดขึ้นบนโลกของเรา   จงเขียนข้อความและวาดภาพตามจินตนาการของนักเรียน แล้วนำเสนอผลงาน
          ที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์ซึ่งอยู่ในสภาพของดาวยักษ์แดงในช่วงท้ายของชีวิตจะไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่หลอมคาร์บอนเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่กว่าคาร์บอน เพราะอุณหภูมิภายในไม่สูงมาก ความดันจึงลด ดังนั้นในเวลาต่อมาแรงโน้มถ่วงจะทำให้แก่นกลางของดาวยักษ์แดงยุบตัวลง กลายเป็น ดาวแคระขาว (white dwarf) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 13,000 กิโลเมตร หรือประมาณ 1 ใน 100 ของดวงอาทิตย์ในปัจจุบัน   แต่ขณะเดียวกันกับที่แก่นกลางเกิดการยุบตัว   มวลของผิวดาวรอบนอกไม่ได้ยุบเข้ามารวมด้วย   จึงมีชั้นของแก๊สหุ้มอยู่รอบ   เกิดเป็น เนบิวลาดาวเคราะห์ (planetary   nebula)   ซึ่งจะเคลื่อนห่างออกไปจากดาวแคระขาว   กระจายออกไปในอวกาศ
          ดวงอาทิตย์ในสภาพของดาวแคระขาวจะส่องแสงสว่างไปได้อีกนานนับล้านปี   โดยผลิตพลังงานจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หลอมรวมนิวเคลียสของฮีเลียมครั้งใหม่   ณ ใจกลางซึ่งอุณหภูมิสูงขึ้นเพราะการยุบตัวลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง   และจากปฏกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์และจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หลอมรวมนิวเคลียสธาตุไฮโดรเจนที่เกิดในชั้นรอบแก่นของดาวแคระขาวจะมีความสว่างน้อยลงเป็นลำดับ   เพราะอุณหภูมิภายในจะเริ่มลดต่ำลงจนไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์   ในที่สุดก็หยุดสิ่งแสงสว่างเป็น ดาวแคระดำ (black   dwaef)   เป็นก้อนมวลสารที่ไร้ชีวิต   แต่กว่าจะถึงช่วงเวลานั้น   คงไม่มีมนุษย์คนใดมีโอกาสอยู่เฝ้าดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับดวงอาทิตย์