ความอ่อน-แข็งของดาวนิวตรอน
โครงสร้างคร่าวๆ ของดาวนิวตรอน
โดยรวมแล้ว เราทราบเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของดาวนิวตรอนน้อยมากๆ วัตถุขนาดกะทัดรัดความหนาแน่นสูงก่อตัวขึ้นหลังจากการระเบิดจบชีวิตของดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง โดยมีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์หรืออาจจะสูงกว่า บีบอัดในทรงกลมที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางราว 20 กิโลเมตรเท่านั้น นับตั้งแต่ที่ถูกพบเป็นครั้งแรกเมื่อกว่า 60 ปีก่อน นักวิทยาศาสตร์ก็พยายามล้วงแคะโครงสร้างออกมา
ความท้าทายข้อใหญ่ที่สุดก็คือการจำลองสภาวะสุดขั้วภายในดาวนิวตรอนเอง ซึ่งยากที่จะสร้างขึ้นในห้องทดลองบนโลกได้ จึงมีแบบจำลองมากมายเพื่ออธิบายคุณสมบัติ ตั้งแต่ความหนาแน่นจนถึงอุณหภูมิ ด้วยความช่วยเหลือจากสิ่งที่เรียกว่า สมการแห่งสถานะ(equation of state) สมการเหล่านี้พยายามที่จะอธิบายโครงสร้างของดาวนิวตรอนตั้งแต่พื้นผิวไปจนถึงแกนกลางส่วนใน
ขณะนี้ นักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเกอเธ่ ฟรังค์เฟิร์ต ประสบความสำเร็จในการเติมชิ้นส่วนที่ขาดหายไปในกับปริศนานี้ กลุ่มทำงานที่นำโดยศาสตราจารย์ Luciano Rezzolla จากสถาบันฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ได้พัฒนาสมการแห่งสถานะที่แตกต่างกันมากกว่า 1 ล้านประการ เพื่อให้สอดคล้องกับสิ่งที่ได้จากข้อมูลจากฟิสิกส์นิวเคลียร์ในทางทฤษฎี และจากการสำรวจทางดาราศาสตร์ งานวิจัยนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters
เมื่อประเมินสมการแห่งสถานะ กลุ่มทำงานก็ได้ทำการค้นพบที่น่าประหลาดใจว่า ดาวนิวตรอนเบา(มวลต่ำกว่า 1.7 เท่ามวลดวงอาทิตย์) ดูจะมีเนื้อดาว(mantle) ที่นุ่มและแกนกลางที่แข็ง ในขณะที่ดาวนิวตรอนหนัก(มวลสูงกว่า 1.7 เท่า) กลับมีชั้นเนื้อดาวที่แข็ง และแกนกลางที่นุ่มแทน
การศึกษาความเร็วเสียงได้เผยให้เห็นว่าดาวนิวตรอนหนักมีชั้นเนื้อ(mantle) ที่แข็งและมีแกนกลางนุ่ม ในขณะที่ดาวนิวตรอนเบามีชั้นเนื้อที่อ่อนนุ่มและแกนกลางที่แข็ง ดูคล้ายกับชอคโกแลตพราลีน
ผลสรุปนี้น่าสนใจเป็นอย่างมากนเองจากมันช่วยให้เราได้ตรวจสอบได้โดยตรงว่าใจกลางของดาวนิวตรอนจะบีบอัดได้มากแค่ไหน Rezzolla กล่าว ดาวนิวตรอนดูจะมีพฤติกรรมคล้ายกับชอคโกแลตพราลีนอยู่ไม่น้อย ดาว(นิวตรอน) เบาดูคล้ายกับชอคโกแลตที่มีฮาเซลนัทอยู่ในใจกลาง ล้อมรอบด้วยชอคโกแลตนุ่ม ในขณะที่ดาว(นิวตรอน) หนักจะคล้ายกับชอคโกแลตทั้งก้อนที่มีไส้นุ่มๆ อยู่
สิ่งที่สำคัญในการตรวจสอบนี้ก็คือความเร็วของเสียง เป็นการศึกษาจากนักศึกษาปริญญาตรี Sinan Altiparmak การตรวจสอบความเร็วอธิบายว่าคลื่นเสียงคืบคลานภายในวัตถุเร็วแค่ไหน และจะขึ้นอยู่กับว่าสสารนั้นแข็งหรือนุ่มแค่ไหน
บนโลก คลื่นเสียงถูกใช้เพื่อศึกษาภายในโลกและค้นหาแหล่งน้ำมันดิบ ด้วยการจำลองสมการแห่งสถานะ นักฟิสิกส์ยังสามารถไขคุณสมบัติที่เคยไม่สามารถอธิบายได้มาก่อนของดาวนิวตรอนด้วย ยกตัวอย่างเช่น ไม่ว่าจะมีมวลแค่ไหน พวกมันมักจะมีรัศมีเพียง 12 กิโลเมตรเท่านั้น นี่มีขนาดพอๆ กับเมืองฟรังค์เฟิร์ต ที่เป็นที่ตั้งของมหาวิทยาลัยเกอเธ่
Christian Ecker ผู้เขียนการศึกษานี้ อธิบายว่า การศึกษาไม่เพียงช่วยให้เราได้ทำนายรัศมีและมวลสูงสุดของดาวนิวตรอน แต่ยังขีดเส้นจำกัดความสามารถในการแปรสภาพในระบบดาวคู่ด้วย ซึ่งบอกว่าพวกมันจะรบกวนกันและกันได้รุนแรงแค่ไหนผ่านสนามแรงโน้มถ่วงของพวกมัน แง่มุมเหล่านี้จะมีความสำคัญเป็นพิเศษที่จะระบุสมการแห่งสถานะที่ยังไม่ทราบที่มาที่จะพบในการสำรวจทางดาราศาสตร์ และการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนควบรวมกันในอนาคต
typer of neutron stars
งานวิจัยอีกชิ้นเกี่ยวกับดาวนิวตรอนชนิดย่อยที่มีสนามแม่เหล็กรุนแรงที่สุด ซึ่งเรียกว่า magnetars ไม่เพียงแต่จะมีความเป็นแม่เหล็กรุนแรงกว่าดาวนิวตรอนทั่วไป แต่พวกมันยังหมุนรอบตัวช้ากว่ามากด้วย ในขณะที่มักนีตาร์อาจจะหมุนรอบตัวหนึ่งหรือสองรอบในทุกๆ 10 วินาที แต่ดาวนิวตรอนสามารถหมุนรอบตัวได้หลายสิบรอบในหนึ่งวินาที
นอกจากสนามเหล็กที่รุนแรงมากที่สุดเท่าที่เคยพบในเอกภพแล้ว มักนีตาร์ยังเปล่งรังสีเอกซ์สว่างและแสดงคาบกิจกรรมที่คาดเดาไม่ได้ โดยมีการปะทุและการลุกจ้าซึ่งปลดปล่อยพลังงานเพียง 1 วินาทีเป็นหลายล้านเท่าของที่ดวงอาทิตย์สร้างในหนึ่งปี
การศึกษาที่เผยแพร่ในวารสาร Science นำทีมโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยปาโดวา ใช้ข้อมุลจากดาวเทียม IXPE(Imaging X-ray Polarimetry Explorer) ซึ่งเป็นความร่วมมือของนาซาและองค์กรอวกาศอิตาลี ที่ส่งออกสู่อวกาศเมื่อเดือนธันวาคมปีที่แล้ว ได้ให้หนทางใหม่ในการตรวจสอบรังสีเอกซ์ในอวกาศโดยตรวจสอบการเกิดโพลาไรซ์(polarization) ซึ่งเป็นคลื่นแสงที่วิ่งออกมาด้วยทิศทางหนึ่งทิศทางเดียว
แสงเกือบทั้งหมดที่เราได้พบไม่เกิดโพลาไรซ์ นั้นหมายความว่าแสงเดินหรือสั่นในหลายระนาบ และเดินทางออกในหลายทิศทาง แสงอาทิตย์, แสงจากหลอดไฟ และแสงเทียน ทั้งหมดต่างก็เปล่งแสงที่ไม่เกิดโพลาไรซ์ แต่แสงที่เกิดโพลาไรซ์จะสั่นในระนาบเดียวเท่านั้น คุณอาจจะเคยสวมแว่นกันแดดโพลาไรซ์ แว่นนี้จะลดแสงจ้าโดยกรองแสงที่สั่นในระนาบอื่นๆ ออกไปและยอมให้แสงระนาบเดียวมาถึงตาเรา
ภาพจากศิลปินแสดงดาวแม่เหล็ก(magnetar) ซึ่งเป็นดาวนิวตรอนที่มีความเป็นแม่เหล็กสูงสุดขั้วและหมุนรอบตัวช้า
ทีมตรวจสอบการสำรวจมักนีตาร์ 4U 0142+61 ซึ่งอยู่ในกลุ่มดาวคาสสิโอเปีย
(Cassiopeia) ไกลออกไปราว 13,000 ปีแสงจากโลก เป็นครั้งแรกที่มีการสำรวจการเกิดโพลาไรซ์ในรังสีเอกซ์จากมักนีตาร์ ทีมวิจัยพบแสงโพลาไรซ์ในสัดส่วนที่ต่ำกว่าที่ควรจะเป็น
ถ้ารังสีเอกซ์นี้วิ่งผ่านชั้นบรรยากาศมา มันจะมีระนาบเดียว ทีมยังพบว่า สำหรับโฟตอนที่ระดับพลังงานสูงขึ้น องศาการเกิดโพลาไรซ์จะหมุนไปเกือบ 90 องศาเมื่อเทียบกับแสงที่ระดับพลังงานต่ำกว่า เป็นไปตามที่แบบจำลองทางทฤษฎีได้ทำนายว่าถ้าดาวนิวตรอนมีเปลือกที่แข็ง ล้อมรอบด้วยมักนีโตสเฟียร์ที่เต็มไปด้วยกระแสไฟฟ้า
Silvia Zane ผู้เขียนนำร่วม จากห้องทดลองวิทยาศาสตร์อวกาศมัลลาร์ด UCL สมาชิกทีมวิทยาศาสตร์ IXPE กล่าวว่า นี่เป็นเรื่องที่คาดไม่ถึงโดยสิ้นเชิง ฉันเคยมั่นใจว่าน่าจะมีชั้นบรรยากาศอยู่ ก๊าซบนดาวแม่เหล็กไปถึงจุดเปลี่ยนและกลายเป็นของแข็ง ในแบบเดียวกับที่น้ำเปลี่ยนเป็นน้ำแข็ง นั้นเป็นผลที่เกิดจากสนามแม่เหล็กที่รุนแรงอย่างไม่น่าเชื่อของดาวแม่เหล็ก แต่ก็เหมือนกับน้ำ ซึ่งอุณหภูมิก็เป็นปัจจัยหนึ่ง ก๊าซที่ร้อนกว่าจะต้องการสนามแม่เหล็กที่รุนแรงกว่าในการกลายเป็นของแข็ง
ก้าวต่อไปก็คือสำรวจดาวแม่เหล็กที่ร้อนขึ้นที่มีสนามแม่เหล็กคล้ายๆ กัน เพื่อตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับสนามแม่เหล็กจะส่งผลต่อคุณสมบัติพื้นผิวของดาวนิวตรอนอย่างไร Roberto Taverna ผู้เขียนนำจากมหาวิทยาลัยปาโดวา กล่าวว่า รายละเอียดที่น่าตื่นเต้นที่สุดที่เราสำรวจพบก็คือ การเปลี่ยนแปลงทิศทางการเกิดโพลาไรซ์ด้วยพลังงาน โดยมุมการเกิดโพลาไรซ์เหวี่ยงไปเกือบ 90 องศา นี่สอดคล้องกับแบบจำลองที่ได้ทำนายไว้และยืนยันว่าดาวแม่เหล็ก-มักนีตาร์ แท้จริงแล้วมีสนามแม่เหล็กที่รุนแรงอย่างสุดขั้ว
polatization
ทฤษฎีควอนตัมได้ทำนายว่าแสงที่เดินทางในสภาพแวดล้อมที่เป็นแม่เหล็กอย่างรุนแรง จะเกิดโพลาไรซ์ในสองทิศทาง คือ ขนาน และตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ปริมาณและทิศทางการเกิดโพลาไรซ์ที่สำรวจพบเก็บงำร่องรอยโครงสร้างสนามแม่เหล็กและคุณสมบัติทางกายภาพของสสารในละแวกใกล้เคียงดาว ให้ข้อมูลที่ก่อนหน้านี้ไม่เคยเข้าถึงได้
ที่ระดับพลังงานที่สูง โฟตอนจะเกิดโพลาไรซ์ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก เป็นผลให้สำรวจพบการเหวี่ยงทิศโพลาไรซ์ไป 90 องศา Roberto Turolla จากมหาวิทยาลัยปาโดวาเช่นกัน และเป็นศาสตราจารย์เกียรติคุณที่ห้องทดลองวิทยาศาสตร์อวกาศมัลลาร์ด UCL กล่าวว่า การเกิดโพลาไรซ์ที่ระดับพลังงานต่ำกำลังบอกเราว่าสนามแม่เหล็กน่าจะรุนแรงมากจนเปลี่ยนชั้นบรรยากาศรอบๆ ดาวให้กลายเป็นของแข็งหรือของเหลว ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า การควบแน่นเชิงแม่เหล็ก(magnetic condensation)
คิดกันว่าเปลือกแข็งของดาวแม่เหล็ก ประกอบด้วยโครงผลึกไอออนที่ยีดเกาะกันด้วยสนามแม่เหล็ก อะตอมไอออนไนซ์ไม่น่าจะมีรูปร่างทรงกลมได้แต่จะรียาวในทิศทางของสนามแม่เหล็ก
ก็ยังคงเป็นหัวข้อถกเถียงว่าดาวแม่เหล็กและดาวนิวตรอนอื่นๆ จะมีชั้นบรรยากาศหรือไม่ อย่างไรก็ตาม รายงานฉบับใหม่เป็นการสำรวจดาวนิวตรอน(ชนิดมักนีตาร์) งานแรกที่ให้คำอธิบายที่น่าเชื่อถือว่ามันมีเปลือกแข็ง Jeremy Heyl จากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย กล่าวเสริมว่า น่าจะคุ้มที่จะลองใส่ quantum electrodynamics อย่างที่เราทำไว้แบบจำลองทางทฤษฎี ได้ให้ผลที่ใกล้เคียงกับการสำรวจของ IXPE อย่างไรก็ตาม เรายังตรวจสอบแบบจำลองอื่นเพื่ออธิบายข้อมูลของ IXPE ด้วย
แหล่งข่าว phys.org : cosmic chocolate pralines? General neutron star structure revealed
sciencedaily.com : magnetized dead star likely has solid surface
universetoday.com : new observations confirm that a magnetar has a solid surface and no atmosphere
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
