<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/115" type="text/javascript"></script> |
|
วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ ตอนที่ ๓
เมื่อดาวบนฟ้าใกล้ถึงคราวดับสูญ อธิบายกลไกการดับสลายของดวงดาว
post ครั้งแรก: Tue 15 January 2002, 10:43 pm ปรับปรุงล่าสุด: Tue 15 January 2002, 10:43 pm
|
มาดูว่ามีอะไรในดวงดาว
ตลอดชีวิตของดวงดาว จะเต็มไปด้วยการต่อสู้ดิ้นรนระหว่าง การยุบยวบตัวจากแรงดึงดูด และ การระเบิดตัวเองด้วยแรงดัน อันเนื่องมาจากพลังงานที่ได้จากปฏิกิริยานิวเคลียร์ ซึ่งเป็นสิ่งหล่อเลี้ยงชีวิตของดวงดาว ฝ่ายไหนเพลี่ยงพล้ำอ่อนแรงลงเมื่อไร อีกฝ่ายก็ไม่รีรอที่จะใช้อิทธิพลครอบงำสภาวะของดวงดาวในทันที ภาวะทางกายภาพต่างๆ ที่เอื้ออำนวยให้ดวงดาวรักษาสภาพสมดุลย์นี้ไว้ และคงสถานภาพของความเป็นดาวอยู่ได้ ก็คือ
ก ความสมดุลย์ของแรงภายใน
จากตอนที่แล้วได้กล่าวถึงการก่อกำเนิดของดวงดาวที่ได้ผ่านมรสุมชีวิตกว่าจะได้เกิด จนเมื่อเป็นดาวเข้าวัยฉกรรจ์ที่คงเสถียรภาพภายใน เป็นดาวในวิถีชีวิตหลัก หรือ Main Sequence Star สภาพที่แรงภายในของดวงดาวสมดุลย์กัน เพราะแรงหดเข้าเท่ากับแรงดันออกพอดิบพอดี ไม่มีใครเพลี่ยงพล้ำนี้ เรียกว่า Hydrostatic Equilibrium ผลก็คือ ขนาดของดวงดาวไม่มีการเปลี่ยนแปลง ไม่มีการหดตัวเล็กลงด้วยแรงดึงดูดภายใน หรือไม่มีการพองตัวออกจากแรงดันของพลังงานนิวเคลียร์
(ภาพที่ ๓๒) ภาวะสมดุลย์ภายในดวงดาว ทำให้ดวงดาวคงขนาดอยู่ได้ ตราบใดที่ยังมีเชื้อเพลิงให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เผาผลาญตัวเอง
เกิดพลังงานต้านแรงยุบตัวอย่างต่อเนื่องกัน ตราบนั้นดวงดาวก็ยังคงตัวเป็นดาวอยู่ได้
ภาพจากตำราเรื่อง Universe: Origin and Evolution โดย Professors Ted Snow
และ Ken Brownsberger แห่ง University of Colorado สงวนลิขสิทธิ์ โดย สำนักพิมพ์
Brooks/Cole โปรดดูที่ *
ชีวิตในช่วงหลักของดวงดาว อาศัยพลังงานจากการหลอมรวมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม ด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ที่เรียกว่า ลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน ในแกนกลางที่มีมวลประมาณ สิบเปอร์เซ็นต์ ของดวงดาว เนื้อในนอกแกนของดาวนั้น อุณหภูมิไม่สูงพอ จึงไม่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้นได้
![]() |
(ภาพที่ ๓๓) ภาพตัดแสดงภายในของดวงดาวในวิถีหลัก ซึ่งเผาผลาญไดรเจนเป็นฮีเลียมในแกนกลางเท่านั้น ภาพโดย NASA's Observatorium |
พลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่น คือพลังงานความร้อนที่ก่อให้เกิดแรงดันของก๊าซ อันเป็นส่วนประกอบของดวงดาว เป็นความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเผาผลาญพลังงานอย่างต่อเนื่อง หากสะสมกันมากๆเข้า ก็จะเพิ่มแรงดันให้มากขึ้น จนดวงดาวระเบิดตัวเองออก หากดาวจะดำรงตัวอยูได้ ก็จำเป็นต้องมีวิธีการระบายพลังงานนี้ออก เพียงเหลือไว้ให้เท่ากันไว้ยันให้พอดี กับแรงดึงดูดที่พยายามจะยุบตัวเองลงมา ดวงดาวจึงรักษาสมดุลย์ได้
ข ความทึบแสงของเนื้อดาว
อัตราความเร็วในการระบายความร้อนจากภายใน จะถูกกำหนดด้วยปริมาณความทึบแสงของเนื้อดาว จากสมการลูกโซ่โปรตอน-โปรตอนที่กล่าวมาแล้ว จะเห็นได้ว่าเกิดพลังงานในรูปโฟตอน คือ รังสีแกมม่า ออกมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ โฟตอนที่แผ่พาพลังงานกระจายออกมา จะกระจายออกไปได้เร็วเท่าไรนั้น ก็ขึ้นอยู่กับว่าดวงดาวมีความทึบแสงแค่ไหน ถ้าไม่ทึบมากพลังงานก็แผ่กระจายออกไปได้เร็ว ทำให้ดวงดาวเย็นตัวลงเร็ว ถ้าทึบมากก็แผ่พลังงานออกไปได้ช้า ทำให้ความร้อนสะสม ก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากดวงดาวประกอบด้วยก๊าซเป็นหลัก ขนาดของดาวเป็นส่วนสำคัญที่จะกำหนดความทึบแสงของดาว เพราะหากมีมวลมากแรงดึงดูดก็มากไปตามตัว ทำให้เนื้อในของดาวมีความหนาแน่นมาก จึงมีความทึบมากกว่าดาวที่มีมวลน้อย และความหนาแน่นต่างๆกัน จะมีผลต่อการจัดตัวของโครงสร้างภายใน ว่าจะใช้วิธีอะไรมาถ่ายเทพลังงานออกจากแกนกลางของดาว สู่อวกาศจากพื้นผิวเบื้องนอก
มวลสารของดวงดาวจากด้านนอกของแกนกลางจนถึงผิวนอก คือเนื้อในนอกแกนของดวงดาวนั้น ก็ประกอบด้วยไฮโดรเจนเป็นหลักเหมือนกับแกนกลาง ที่ถูกอัดด้วยกำลังจากสนามแรงดึงดูดมากน้อยไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่ว่าจะอยู่ห่างจากแกนกลางเท่าไหร่ ส่วนที่อยู่ข้างในมากก็โดนอัดมาก ส่วนที่อยู่ไกลใจกลางออกมาหน่อย ใกล้พื้นผิวส่วนนอกๆก็มีแรงอัดน้อย สภาพของก๊าซที่มีแรงดัน และความร้อน ไม่เท่ากันนี้ ทำให้มีลักษณะทางกายภาพต่างกัน เช่น ความทึบแสงไม่เท่ากัน วิธีการระบายถ่ายเทพลังงาน ก็จะต่างกันไปด้วย

(ภาพที่ ๓๔) เนื้อสารที่มีความหนาแน่นน้อยทำให้มีความทึบแสงน้อย พลังงานโฟตอนก็เล็ดรอดออกไปได้มาก
หากมีความหนาแน่นมากก็ทึบมากขึ้น โฟตอนสะท้อนกลับไปบางส่วน ทำให้ความร้อนสะสมภายในเนื้อสารที่ทึบแสงมากกว่า
ภาพโดย Prof.
James Schombert, U. Oregon
ค การถ่ายเทพลังงาน
วิธีการถ่ายเทพลังงาน ซึ่งมีส่วนกำหนดด้วยขนาดของดวงดาว จะกำหนดว่า อุณหภูมิพื้นผิวของดวงดาวจะเป็นเท่าไร ผลสุดท้ายก็คือ จะกำหนดว่า ดวงดาวจะเป็นสีอะไร
พลังงานถ่ายเทได้สามวิธี คือด้วย การนำ (conduction) การพา
(convection) หรือการแผ่รังสี (radiation) การนำความร้อนจะเกิดได้ก็แต่ในของแข็งและของเหลวแต่ดวงดาวคือกลุ่มก๊าซ
จึงถ่ายเทพลังงานได้ก็แต่ด้วย การพา หรือการแผ่รังสีเท่านั้น

(ภาพที่ ๓๕) การพาความร้อนในเนื้อสารที่เป็นก๊าซและของเหลวก็เช่นเดียวกับ
การไหลวนของน้ำในกาตั้งเตา พลังงานจะเคลื่อนตัวระหว่างบริเวณที่มีอุณหภูมิต่างกัน
กลุ่มก๊าซร้อนๆจากแกนกลางของดวงดาวด้านล่าง จะลอยตัวผ่านเนื้อดาวมายังพื้นผิว
แล้วพลังงานความร้อนจะถูกถ่ายเทออกที่พื้นผิว กลุ่มก๊าซก็จะเย็นตัวลง ทำให้จมกลับลงไปยังแกนกลางใหม่
เกิดการไหลวนของมวลสารภายใน (convection) ภาพโดย Prof. Richard Pogge

(ภาพที่ ๓๖) การแผ่รังสีของโฟตอน ก็จะพาความร้อนออกจากแกนกลางมายังพื้นผิว
ภาพโดย Prof James Schombert
กว่าพลังงานโฟตอนคือรังสีแกมม่าที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น
จะหลุดรอดออกมายังพื้นผิวด้วยการแผ่รังสีได้ ก็ต้องผ่านก๊าซอันหนาแน่นภายในที่เป็นเนื้อดาว
เมื่อโฟตอนเดินทางไปได้หน่อย ก็หนีไม่พ้นที่จะชนกับมวลสารเหล่านี้ อันมี
โปรตอน และ อีเลคตรอน เป็นหลัก ชนกับใครครั้งหนึ่ง ก็จะสูญเสียพลังงานไปหน่อยหนึ่ง
ล้มลุกคลุกคลานใช้เวลานานมาก กว่าจะหลุดออกมาที่พื้นผิวดาวได้เหมือนกลาสีขี้เมา
เดินฝ่าฝูงชนไปได้ไม่เท่าไหร่ก็โดนชนจนล้มลงล้มๆลุกๆอยู่อย่างนี้ กว่าจะไปถึงไหนๆก็ใช้เวลานานโข
ประมาณว่าโฟตอนรังสีแกมม่าของดาวขนาดดวงอาทิตย์ต้องใช้เวลาเป็นล้านปี กว่าจะเดินทางจากแกนกลางออกมายังพื้นผิว
แล้วแผ่รังสีออกมาเป็นโฟตอน หรือแสงที่เห็นได้ด้วยตาเปล่า เพราะไปถ่ายพลังงานให้มวลสารที่ไปชนเอา

(ภาพที่ ๓๗) กว่าโฟตอนจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ในแกนกลางจะหลุดรอดออกมาได้
ก็ล้มลุกคลุกคลานทรมานเหลือแสน จึงจะหลุดออกมายังพื้นผิวของดวงดาวได้ ภาพโดย
Prof. Richard Pogge
ง การผลิตพลังงานภายใน
ปฏิกิริยาอันเป็นปัจจัยหลักในการสร้างพลังงานของดวงดาวคือ ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน ดังที่กล่าวมาแล้ว เพราะเงื่อนไขอำนวยคือไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบหลักของดาว และอุณหภูมิในแกนดาวทั่วๆไปที่มีมวลไม่มากนัก เช่น ดาวขนาดเท่าดวงอาทิตย์ ก็ไม่อำนวยให้ปฏิกิริยาในรูปแบบอื่นเกิดขึ้นได้
แต่ในดาวทั่วไปก็ยังมีสารประกอบอย่างอื่นนอกเหนือไปจากไฮโดรเจน แม้จะมีเป็นจำนวนน้อย เช่น คาร์บอน ไนโตรเจน และอ็อกซิเจน ในดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ สามารถดึงตัวยุบเข้ามาได้มากกว่าดาวขนาดเล็ก ทำให้เกิดความร้อนในแกนกลางมากขึ้น จนทำให้อะตอมขนาดใหญ่ขึ้นนี้ เอาชนะแรงผลักทางไฟฟ้า (หรือ กำแพงคูลอมบ์ ) จนมาหลอมรวมกันได้ เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นอีกรูปแบบหนึ่ง ที่เปลี่ยนไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมเช่นเดียวกับ ลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน แต่ใช้คาร์บอนเป็นตัว catalyst คือมาทำให้ปฏิกิริยาดำเนินไปได้ แต่ตัวเองไม่ได้เปลี่ยนแปลงอะไรไปกับเขา ปฏิกิริยานี้เรียกว่า วงจร CNO (CNO cycle) ที่สรุปแล้วได้ผล ดังนี้
![]() |
| (ภาพที่ ๓๘) ขั้นตอนของ วงจร CNO ภาพโดย Prof. Terry Herter แห่งมหาวิทยาลัย Cornell |
1. 12C + 1H -> 13N + พลังงานรังสีแกมม่า
2. 13N -> 13C + โพสิตรอน + นิวทรีโน
3. 13C + 1H -> 14N + พลังงานรังสีแกมม่า
4. 14N + 1H -> 15O + พลังงานรังสีแกมม่า
5. 15O -> 15N + โพสิตรอน + นิวทรีโน
6. 15N + 1H -> 12C + 4He
ผลรวมคือ
12C + 4(1H) -> 12C + 4He
โดยได้คาร์บอนกลับมาตามเดิม จึงนับว่าคาร์บอนเป็นเพียงแค้ตตาลิสต์เท่านั้น
จากภาพข้างล่างจะเห็นว่าเมื่ออุณหภูมิเกิน ๑๖ ล้านองศาวงจร CNO ก็จะเป็นปฏิกิริยาหลักที่ทำให้ไฮโดรเจนรวมกับฮีเลียม และได้พลังงานมากกว่าลูกโซ่โปรตอน-โปรตอนมาก ดาวที่ขนาดไม่ใหญ่พอ ไม่สามารถเกิดอุณหภูมิสูงขนาดนั้น เช่นดวงอาทิตย์ หลังจากก่อตัวเริ่มมาจากอุณหภูมิ ๑๐ ล้านองศาตอนแรกเกิด อุณหภูมิในแกนกลางก็ค่อยไต่ขึ้นขึ้นสูงไปถึง ๑๕ ล้านองศา เมื่อเข้าสู่เสถียรภาพของดาวในวิถีหลักแล้ว แต่แม้จะร้อนหนักหนาปานนั้น มันก็ยังสูงไม่พอ จึงอาศัยแต่ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอน เป็นหลักในการเผาผลาญพลังงาน
ในดาวขนาดใหญ่จะมีแรงดึงเข้าหากันสูงกว่าด้วยมวลที่มากกว่า อุณหภูมิในแกนกลางจึงสามารถขึ้นสูงไปได้เกิน ๑๖ ล้านองศา ที่พอจะก่อให้ปฏิกิริยาวงจร CNO เกิดขึ้นมาได้นั้น จากพล็อตข้างล่างจะเห็นได้ว่า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น แบบที่ใช้คาร์บอนมาเป็นแค้ตตาลิสต์ ให้ไฮโดรเจนรวมกันเป็นฮีเลียมนั้น จะได้พลังงานมากกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน-โปรตอนมาก จึงเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่า หากมีเงื่อนไขพอเพียง คืออุณหภูมิสูงพอ
แต่ไม่ว่าจะเป็นปฏิกิริยาแบบไหน ที่สำคัญก็คือ ดวงดาวในวิถีหลักทำการเผา
ไฮโดรเจน ให้เป็น ฮีเลียม ในแกนกลางของมัน เพื่อเป็นปัจจัยในการดำรงชีวิตของดวงดาว

(ภาพที่ ๓๙) ความสัมพันธ์ระหว่าง อุณหภูมิ และ ชนิดของปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น
ว่าจะเป็นแบบ โปรตอน-โปรตอน หรือแบบ วงจร CNO ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า
16 ล้านองศา ปฏิกิริยาหลักจะเป็น แบบ โปรตอน-โปรตอน แต่สูงกว่า 16 ล้านองศาขึ้นไป
ปฏิกิริยาหลักคือ แบบวงจร CNO ภาพจาก Physics Dept, University of Tennessee
สภาวะทั้ง ๕ นี้ เป็นปัจจัยที่กำหนดลักษณะทางกายภาพทั้งหมดของดวงดาว
เช่น อุณหภูมิพื้นผิว ทำให้เราเห็นดวงดาวมีสีต่างๆกัน ทั้งอัตราการเผาผลาญพลังงาน
และโครงสร้างการถ่ายเทพลังงาน ที่ทำให้ดวงดาวมีความสุกสว่างมากน้อยต่างกัน
เป็นตัวกำหนดอายุขัยว่า ดาวจะตายเร็วหรือตายช้า และยังเป็นตัวกำหนดชะตาชีวิตของดวงดาวด้วยว่า
จะตายอย่างสงบเงียบๆ หรือด้วยการระเบิด หากตายแบบโด่งดังด้วยการระเบิดก็จะกำหนดด้วยว่า
จะเป็นความดังธรรมดาๆ หรือดังแบบสะเทือนเลื่อนลั่นสั่นสะท้านไปทั่วจักรวาลหรือไม่
ดังจะกล่าวถึงการตาย โดยรายละเอียดในตอนต่อไป วิถีชีวิตของดวงดาวทั้งหมดนี้
เป็นผลมาจากมวลของดวงดาวเท่านั้น

(ภาพที่ ๔๐) โครงสร้างการถ่ายเทพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ จากภายในมาสู่พื้นผิวของดวงดาวที่ต่างกันไปตามขนาด
ดาวขนาดดวงอาทิตย์ จะใช้การแผ่รังสีในส่วนที่ติดกับแกนใน และใช้การพาในส่วนที่อยู่ใกล้กับพื้นผิว
ในขณะที่ดาวที่มีมวลมาก จะมีโครงสร้างการถ่ายเทพลังงานตรงกันข้ามกับ ดาวขนาดดวงอาทิตย์
คือด้วยการพาในส่วนติดแกน และการแผ่รังสีในส่วนที่เหลือ จนมาถึงพื้นผิวดาว
*ภาพนี้และภาพอื่นๆจากผู้เขียนสองท่านนี้ตีพิมพ์โดยได้รับอนุญาติอย่างเป็นทางการจากจาก สำนักพิมพ์ Brooks/Cole เจ้าของลิขสิทธิ์ ทางสำนักพิมพ์ดังกล่าว ไม่อนุญาติให้คัดลอก ตีพิมพ์ สแกน ก๊อปปี้ ดัดแปลง หรือ ตกแต่งภาพแต่ประการใด หากมิได้รับอนุญาติอย่างเป็นทางการจากสำนักพิมพ์ ทางวิชาการได้รับอนุญาติให้นำมาตีพิมพ์ได้ในครั้งนี้เพียงครั้งเดียว เพื่อการศึกษาที่ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องใดๆในทางพานิชย์ทั้งสิ้น ผู้ใดต้องการใช้ภาพเหล่านี้ โปรดติดต่อสำนักพิมพ์ด้วยตัวท่านเอง ที่ http://www.thomsonrights.com ตัวแทนทางกฏหมายของทางสำนักพิมพ์โดยตรง คือ Thomson Learning Global Rights Group ที่อยู่คือ thomsonrights@thomsonlearning.com
This material is to be used in conjunction with, published by Brooks/Cole, an imprint of the Wadsworth Group, a division of the Thomson Learning. All images withthe Thomson Learning log are used with the permission of Thomson Learning. They may not be copied, scanned, cut, pasted, altered, revised, modified, or adapted in any way without the prior written permission of Thomson Learning.)


Copyright© 2000-2007, Vcharkarn.Com. All rights reserved.
|
คลิ๊กเพื่อดูสถิติ รับรองและสนับสนุนโดย |
![]() สสวท. |
![]() มูลนิธิ พสวท. |
![]() พสวท. |