<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
|
๑ ดาวยักษ์แดง
เมื่อดาวเผาผลาญไปนานๆเข้าแม้มันจะมีมวลมากมายมหาศาล หากเอาแต่ผลาญลูกเดียวราวกับได้รับสมบัติมาจากมรดกเจ้าคุณปู่ เชื้อเพลิงนั้นก็มีวันหมดสิ้นไปได้เหมือนกัน เมื่อไฮโดรเจนเริ่มหมดสิ้นลงไปจากแกนกลาง อันเป็นส่วนเดียวในดวงดาวที่ร้อนพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้นั้น ก็เป็นสัญญาณเตือนว่าอายุขัยวัยฉกรรจ์ของดวงดาวได้สิ้นสุดลงแล้ว เป็นช่วงชีวิตที่ดาวจะผละตัวออกจากแกนวิถีหลักในผังเฮิร์ตสปรัง-รัสเซิล แล้วก้าวเข้าสู่วัยชราที่มักจะเรียกว่า Off-main sequence stars วิวัฒนาการของดาวหลังจากนี้ก็เริ่มจะสลับซับซ้อนขึ้น แต่ชะตากรรมต่างๆนั้นถูกกำหนดไว้อย่างแน่นอนแล้ว โดยมวลเมื่อเริ่มต้นชีวิตของมัน ดวงดาวก็เช่นเดียวกับมวลสารทั้งหลายในจักรวาล ที่จะประพฤติตัวตามกฎทางฟิสิกส์ หากเราเข้าใจพื้นฐานทางธรรมชาติเช่นนั้น ก็ช่วยให้เราเข้าใจ วัฏจักรชีวิตของดวงดาว เหล่านี้ได้ดีขึ้น
(ภาพที่ ๔๑) เมื่อไฮโดรเจนในแกนกลางของดวงดาวถูกเผาผลาญหมดสิ้นไปแล้ว ดาวจะเปลี่ยนลักษณะทางกายภาพอย่างเป็นระบบเหมือนกันหมด
ไม่ว่าจะเป็นดาวเล็กหรือดาวใหญ่ คืออุณหภูมิพื้นผิวจะลดลง และความสุกสว่างจะมีมากขึ้น
วิวิฒนาการตามผังเฮิร์ตสปรัง-รัสเซิ่ลก็คือ ดาวจะผละตัวออกจากแกนหลัก ภาพโดย Profs
Snow & Brownsberger สงวนลิขสิทธิ์ โดยสำนักพิมพ์ Brooks/Cole
ในชั่วเวลานับล้านๆหรือพันๆล้านปีที่ดวงดาวเฝ้าแต่เผาผลาญไฮโดรเจนในแกนกลางนั้น ผลลัพท์ที่ได้คือฮีเลียมที่เกิดขึ้นมาก็ไม่ไปไหน หากจะทับถมเพิ่มพูนขึ้นมาเรื่อย อยู่ภายในใจกลางแกนของดวงดาวนั่นเอง แต่เพราะนิวเคลียสของฮีเลียม ใหญ่กว่าไฮโดรเจนถึงสี่เท่า คือมีโปรตอนสี่ตัว แทนที่จะมีตัวเดียวอย่างไฮโดรเจน แรงผลักจากประจุไฟฟ้าบวกของแต่ละอนุภาค ก็มีเพิ่มมากขึ้นไปสี่เท่าตามส่วน การที่จะให้ฮีเลียมหลอมรวมตัวเข้า เป็นเชื้อเพลิงปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้นั้น ก็ต้องอาศัยพลังงานมากกว่ามากมาฝ่า กำแพงคูลอมบ์ คือต้องใช้พลังงานมากขึ้นไปสี่เท่า มาเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าระหว่างฮีเลียม เพื่อให้มันรวมตัวกัน
การที่จะให้นิวเคลียสของฮีเลียมมีแรงเอาชนะแรงผลักไฟฟ้าให้มาหลอมรวมตัวกันได้
ต้องอาศัยพลังงานสูงๆ เช่นจากสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงมาก มาจุดปฏิกิริยาเผาฮีเลียม
โดยอุณหภูมิต้องขึ้นถึง ๑๐๐ ล้านองศา จึงจะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ที่หลอมฮีเลียมให้เป็นธาตุหนักขึ้นไปได้
แต่ดาวในระยะนี้ยังร้อนไม่พอ อะตอมของฮีเลียมในแกนกลางจึงไม่ทำอะไร ไม่ได้เกิดปฏิกิริยาเปลี่ยนแปลงอะไรขึ้น
นักดาราศาสตร์จึงเรียกฮีเลียมในสภาพที่ไม่ทำอะไรนี้ ว่าเป็นเถ้าถ่านของเตาพลังงานที่มีไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิง
เถ้าฮีเลียมนี้ก็ถูกสะสมกันภายในแกนกลางของดวงดาวไปเรื่อยๆ มาตั้งแต่เริ่มเกิดมีปฏิกิริยาลูกโซโปรตอน-โปรตอนขึ้นมา

(ภาพที่ ๔๒) แสดงแกนกลางที่เผาผลาญไฮโดรเจนจนหมดสิ้นลง และกำลังยวบตัวเข้ามาด้วยแรงดึงดูด
และเนื้อในไฮโดรเจนของดาวส่วนที่ติดกับแกน(สีเหลือง) เมื่อแกนในหมดสิ้นไฮโดรเจน
ฮีเลียมซึ่งเป็นเถ้าถ่านของการเผาผลาญไฮโดรเจน ก็จะหดตัวลงเพราะไม่มีพลังงานมาต้านแรงดึงดูด
การหดตัวทำให้อุณภูมิสูงขึ้นไป ไฮโดรเจนในเปลือกส่วนที่ติดกับแกนกลาง เมื่อได้รับอุณหภูมิสูงพอ
ก็ติดไฟเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขึ้นมา แล้วเนื้อนอกที่ได้รับความร้อนมากขึ้นก็พองตัวออกมา
ภาพโดย ศ.ดร. James Schombert
ดังที่กล่าวมาแต่แรกว่าแรงยุบยวบตัวจากแรงดึงดูดภายในของดาวได้ยื้อแย่งความเป็นจ้าวครองดวงดาวกันกับ
แรงดันออกด้วยพลังงานนิวเคลียร์อย่างไม่ลดละมาตลอดชีวิตของดาว เมื่อไฮโดรเจนในแกนกลางหมดสิ้นลง
ฮีเลียมในแกนในที่ไม่ได้ทำอะไรให้เกิดพลังงานขึ้นมา ก็ไร้แรงต้านการยุบตัวลงจากแรงดึงดูด
จึงหดตัวอัดกันลงมาเรื่อยๆ เมื่อก๊าซถูกอัดอุณหภูมิภายในก็สูงขึ้น ทำให้ส่วนนอกที่ติดกับแกนกลางร้อนตามขึ้นไปด้วย
จนกระทั่งในที่สุดจึงร้อนพอที่จะทำให้ไฮโดรเจนที่อยู่นอกๆ ติดกับแกนกลาง เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขึ้นได้
ในขณะที่ปฏิกิริยานิวเคลียร์ในใจกลางก็ดับลงหมดแล้ว เหลือแต่เถ้าฮีเลียมสะสมกันอยู่
ช่วงชีวิตระยะนี้บางครั้งก็เรียกว่า ช่วงการเผาไฮโดรเจนที่เปลือกแกน
(Hydrogen-shell Burning) พลังงานที่ได้มาจากการเผาเปลือกแกนนี้ จะหยุดยั้งการทลายตัวลง
และมาต่ออายุให้ดวงดาว เพราะทำให้ได้ก่อเกิดพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ขึ้นอีก พอที่จะมายันไม่ให้ดาวยุบตัวลงมา
แม้ว่าฮีเลียมในแกนกลางจะยังหดตัวต่อไปอีก ในขณะที่ส่วนเปลือกของแกน ที่ได้พลังงานมาจาก
การเผาไฮโดรเจน ก็พองตัวขึ้นด้วยอุณหภูมิสูง จากความหนาแน่นที่เพิ่มมากขึ้น รัศมีของดวงดาวก็ขยายออกไปทำให้มันใหญ่ขึ้น
จึงเรียกดาวในช่วงชีวิตตอนนี้ว่า ดาวยักษ์แดง
(ภาพที่ ๔๓) การเผาไฮโดรเจนที่เปลือกแกน (สีเหลืองในภาพ) ที่ทำให้เนื้อดาวได้รับความร้อนเพิ่มขึ้น
จึงขยายตัวใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ส่วนเถ้าฮีเลียมอยู่ในแกนกลางที่ไม่ก่อพลังงานใดๆก็หดตัวลง
ภาพโดย Ted Snow และ Kenneth Brownsberger ด้วยความเอื้อเฟื้อจาก สำนักพิมพ์ Brooks/Cole
เจ้าของลิขสิทธิ์
ดวงดาวขนาดประมาณดวงอาทิตย์จะใช้เวลาเป็นดาวยักษ์แดงอยู่ ๒-๓ ล้านปี โดยที่เปลือกนอกก็จะขยายตัวออกไปเรื่อยๆ ในขณะที่แกนกลางที่เป็นเถ้าฮีเลียมก็หดตัวลงเรื่อยๆ
เมื่อดาวมาถึงจุดนี้แล้วหากมีบริวารโคจรใกล้เคียงดาวที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆก็จะกลืนกินดาวบริวารที่อยู่ใกล้ๆไปหมด
หากดวงอาทิตย์ของเราวิวัฒนามาถึงจุดนี้ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ก็จะไม่เหลือซาก เพราะจะถูกดึงไปรวมเป็นเนื้อดาวหมด
โลกของเราก็ฉิวเฉียดเต็มที แม้ไม่ได้ถูกดูดไปรวมเป็นเนื้อเดียวกับดวงอาทิตย์ อุณหภูมิบนโลกก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมากมายมหาศาล
น้ำและบรรยากาศบนโลก ก็จะระเหยหายไปในอวกาศจนหมดสิ้น ไม่มีสิ่งมีชีวิตใดๆจะเหลือรอดอยู่ได้
แต่กว่าดวงอาทิตย์จะมีสภาพเช่นนี้ก็คงจะยังอีกนาน จึงขออย่าได้ตกใจกลัว เพราะเรายังมีเวลาคิดแก้ปัญหากันอยู่อีกมากพอสมควร
(ห้าพันล้านปี
)

(ภาพที่ ๔๔) เมื่อดาวยักษ์แดงกลืนลูกตัวเอง
ผลจากการศึกษาวิจัยโดย Dr. Mario Livio และ ดุษฎีบัณฑิตฝึกงาน Dr. Lionel Siess
ประเมินว่าหากดาวบริวารที่มีขนาดเท่าดาวพฤหัสของดาวฤกษ์ที่กลายเป็นดาวยักษ์แดง
โคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์จนถูกกลืนไปเมื่อดาวกลายเป็นยักษ์แดงนั้น มวลที่ถูกกลืนเข้าไปจะทำให้ดาวฤกษ์เปล่งรังสีอินฟราเรดออกมาให้วัดได้
จึงสามารถนำมาเป็นตัวชี้ว่า ดาวยักษ์แดงดวงใดได้กลืนกินดาวบริวารขนาดใหญ่ของตัวเองไปแล้ว
ภาพโดย Space Telescope Science Institute (STScI)
เมื่อดวงดาวมาถึงจุดนี้ของชีวิตมันจะมีขนาดใหญ่มาก ดาวขนาดดวงอาทิตย์จะขยายขึ้นถึง ๗๐ เท่าของขนาดเดิม แต่แกนเถ้าฮีเลียมภายในนั้นจะเล็กมาก โดยมีขนาดเพียง ๑ ในพันเท่าของดาวทั้งดวงเท่านั้น แกนในที่หดลงเรื่อยๆดังที่กล่าวมา จะมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นมาก แม้จะมีขนาดเล็ก แต่จะมีมวลมาก ปริมาตร ๑ ลูกบาศก์เมตรของแกนในจะหนักถึง ๑๐๐ ล้านกิโลกรัม ในทางกลับกัน ขณะที่เนื้อดาวนอกแกนที่ขยายพองออกไปนั้น จะกลับบางเบาลงไปกว่าแกนมาก โดยจะหนักเพียง ๑ กรัม ต่อปริมาตรเนื้อดาว ๑ ลูกบาศก์เมตรเท่านั้นเอง (ในปริมาตรเดียวกัน โลกของเราจะมีน้ำหนักเฉลี่ย ๕๐๐๐ กิโลกรัม) ดังนั้น ๒๕ เปอร์เซ็นต์ของมวลสารทั้งหมดของดาวยักษ์แดง จะมาอัดแน่นกันอยู่ในแกนกลาง ที่มีขนาดใหญ่กว่าโลก ไม่กี่เท่าเท่านั้นเอง
ดาวยักษ์แดง ที่เป็นที่รู้จักกันดี คือ ดาวบีเติ้ลจุ๊ยส์
(Betelgeuse) ในกลุ่มดาวนายพราน ซึ่งนับเป็นดาวที่สว่างมากดวงหนึ่ง แม้จะอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางร่วม
๕๐๐ ปีแสง เราก็ยังมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า เพราะดาวดวงนี้ มีความสว่างกว่าดวงอาทิตย์ของเราถึง
หนึ่งหมื่นเท่า

(ภาพที่ ๔๕) ดาว Betelgeuse ซึ่งเป็นดาวยักษ์แดงอยู่บนไหล่ขวาในกลุ่มดาวนายพราน
ถ่ายด้วยกล้องรังสีอุลตร้าไวโอเล็ตบนยานฮับเบิลมีขนาดใหญ่มาก หากเทียบกับระบบสุริยะจักรวาลของเราแล้วบรรยากาศชั้นนอกจะเกินเลยวงจรของดาวพฤหัสไปอีก
ภาพโดย Andrea Dupree (Harvard-Smithsonian CfA), Ronald Gilliland (STScI), NASA
and ESA
๒ ช่วงที่แกนก่อไฟให้เกิดพลังงานอีกครั้งหนึ่ง
ถ้าแกนของดาวยักษ์แดงยังคงหดตัวต่อไปเรื่อยๆ มันก็คงจะหดยุบยวบ ทลายตัวลงจนไม่เหลืออะไร ในขณะที่เปลือกนอกยังคงขยายตัวออกไปเรื่อยๆ จนค่อยๆเลือนหายไปในอวกาศ แต่ในความเป็นจริงแล้วจะไม่เป็นไปดังนั้น เพราะเมื่อแกนกลางหดตัวจนความหนาแน่นขึ้นถึง ๑๐๐ ล้านกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตรแล้ว อุณหภูมิก็จะขึ้นถึง ๑๐๐ ล้านองศาไปด้วย ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่าในอุณหภูมิที่สูงเช่นนี้ จะเกิดพลังงานมากพอที่จะก่อให้ ฮีเลียมหลอมตัวรวมกันเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นขึ้นมาอีก คือนิวเคลียสของฮีเลียม (ซึ่งถูกเรียกว่าอนุภาคอัลฟ่าในสมัยก่อน) สามตัวมารวมกัน จนเกิดเป็นคาร์บอน และพลังงานคือรังสีแกมม่าร์ขึ้นมาดังภาพข้างล่าง จึงเรียกปฏิกิริยานี้ว่ากระบวนการสามอัลฟ่า (Triple-alpha Process)
![]() |
| (ภาพที่ ๔๖) กระบวนการสามอัลฟ่าซึ่งเกิดขึ้นในภาวะอุณหภูมิ 100 ล้านองศา ที่หลอมฮีเลียมสามตัวให้เป็นคาร์บอน เกิดพลังงานในรูปโฟตอนคือรังสีแกมม่า ภาพโดย Prof. James Schombert |
ช่วงชีวิตนี้ก็เรียกว่าเป็นช่วงเผาฮีเลียมที่แกนใน (Core helium burning)
![]() |
| (ภาพที่ ๔๗) ปฏิกิริยานิวเคลียร์ภายในของดาวยักษ์แดงช่วงเผาฮีเลียมในแกน ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะมีสองชั้น คือ ในแกนกลางเป็นการเผาฮีเลียมให้เป็นคาร์บอน ส่วนเปลือกแกนยังคงเผาไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียมอยู่ ภาพโดย NASA's Observatorium |
เมื่อดาวกลายเป็นดาวยักษ์แดงจะมีความสว่างมากขึ้น แม้ว่าอุณหภูมิพื้นผิวจะลดลง (แต่อุณหภูมิในแกนจะสูงขึ้น) เพราะโฟตอนทะลุทะลวงผ่านเนื้อดาวที่เบาบางลงออกมาได้มากขึ้น ความสุกสว่างก็มีมากขึ้น แต่เพราะพื้นที่ผิวเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากดาวขยายตัวออก ทำให้พลังงานต้องเฉลี่ยตัวกระจายออกไปมาก จึงทำให้อุณหภูมิพื้นผิวลดลง สีจึงออกแดงขึ้นเหมือนไฟที่ลดกำลังเริ่มราตัวลง ก็เปลี่ยนจากสีเหลืองเป็นสีแดงขึ้นเรื่อยๆนั่นเอง หากเอาไปพล็อตใส่ในผังเฮิร์ตสปรัง-รัสเซิ่ล จะเห็นว่าดวงดาวผละออกจากแนววิถีหลัก แล้วไต่ขึ้นด้านบนขวาของผัง โปรดสังเกตค่าอุณหภูมิบนแกนนอน ที่ค่าต่ำจะอยู่ด้านขวาค่าสูงจะอยู่ด้านซ้าย ส่วนแกนยืนจะเป็นค่าความสว่างสัมบูรณ์ ที่มีหน่วยเป็นแมกนิจูด (absolute magnitude) และโปรดสังเกตเช่นกันว่า ดาวที่สว่างมากๆจะมีค่าลบมากๆ ที่สว่างน้อยจะเป็นค่าบวกมากๆ ซึ่งกลับกับความเคยชินโดยทั่วไป ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะตัวเลขค่าความสว่างนี้ กำหนดมาตั้งแต่สมัยชาวกรีกรุ่งเรืองด้านดาราศาสตร์ จึงเปลี่ยนกันไม่ได้ มาภายหลังเมื่อรวมดาวบางดวงที่สว่างมากกว่าระบบเดิม ก็จำต้องกำหนดเลขไปทางลบ
![]() |
| (ภาพที่ ๔๘) เมื่อดาวขนาดดวงอาทิตย์พัฒนามากลายเป็นดาวยักษ์แดง ก็จะออกจากวิถีหลักไป กิ่งที่แยกตัวออกจากผังนี้แรกเริ่มจะเรียกว่า กิ่งยักษ์น้อย (Subgiant branch) แล้วค่อยๆขยายตัวขึ้นไปสู่การกลายเป็น ดาวยักษ์แดง(Red giant) เรื่อยๆ ภาพโดย Professors Ted Snow and Kenneth Brownsberger สงวนลิขสิทธิ์ |


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