มวลของดาวฤกษ์

ภาพที่ 1 วงโคจรของระบบดาว 70 Ophiuchi 

ตัวอย่างที่ 1: ระบบดาวคู่ 70 Ophiuchi ในกลุ่มดาวคนแบกงู  มีขนาดเส้นผ่านครึ่งวงโคจรตามแกนยาว (Semimajor axis) 22.3 AU มีคาบวงโคจร 87.7 ปี ตามภาพที่ 1  จะมีมวลเท่าไร 

         M1 + M2 = a3 / p2 

                   = (22.3 AU)3 / (87.7 ปี)2 

                   = 1.44 เท่าของดวงอาทิตย์

 ทั้งนี้นักดาราศาสตร์ใช้วิธีการศึกษาวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ด้วยวิธีการศึกษาวัตถุท้องฟ้าจำนวนมาก       และวิเคราะห์ด้วยเหตุและผลตามกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ จากนั้นก็นำข้อมูลมาปะติดปะต่อกันเป็นเรื่องราววิวัฒนาการของดาวฤกษ์ตั้งแต่เกิดจนสิ้นอายุขัย ซึ่งดาวแต่ละดวงก็จะมีชีวิตยืนยาวเพียงใดนั้นจะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักคือ  “ระดับมวลเริ่มต้นของดาว” ที่จะเป็นตัวลิขิตชีวิตของดาว ดังนั้นพฤติกรรม อายุขัยและลักษณะการตายของดาวจะถูกกำหนดเอาไว้แล้วทั้งสิ้น นักดาราศาสตร์จะแบ่งมวลของดาวฤกษ์เป็นสามระดับโดยคิดเป็นจำนวนเท่าเทียบกับมวลของดวงอาทิตย์ ดังนี้

ดาวฤกษ์มวลน้อย (Low Mass Star)  มีมวลตั้่งแต่ 2 เท่าของดวงอทิตย์ลงมา

ดาวฤกษ์มวลปานกลาง (Intermediate Mass Star) มีมวลตั้งแต่ 2-8 เท่าของดวงอาทิตย์

ดาวฤกษ์มวลมาก (High Mass Star) มีมวลตั้งแต่ 8 เท่าของดวงอาทิตย์

ดาวฤกษ์มวลมากจะแรงดันและอุณหภูมิที่บริเวณใจกลางของดาวสูงมาก ทำให้ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ณ แกนกลางดำเนินไปอย่างรวดเร็ว  ดาวจะมีค่าความสว่างมากแต่ความสว่างที่ได้มานั้นก็ต้องแลกกับอายุที่สั้นลง ต่างกับดาวมวลน้อยที่แรงดันและอุณหภูมิต่ำกว่ามาก ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ณ แกนกลางดำเนินไปอย่างช้าๆ ซึ่งดาวอาจจะไม่สว่างมากแต่อายุมันก็จะยืนยาวขึ้น ยกตัวอย่างเช่นภาพต่อไปนี้

ภาพที่ 1 ภาพเนบิวลา เอสกิโม (Eskimo Nebula : NGC 2392) เป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ที่ถูกบันทึกในช่าวความยาวคลื่นสั้น อย่างรังสีเอ็กซ์ (บริเวณที่เป็นสีม่วง) ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา (Chandra Space Telescope) ทำให้เราทราบว่าที่บริเวณใจกลางของเนบิวลานีมีอุณหภูมิสูงมาก จากภาพแสดงให้เห็นบั้นปลายชีวิตของดาวมาลน้อย ภาพโดย : X-ray: NASA/CXC/IAA-CSIC/N. Ruiz et al; Optical: NASA/STScI

ภาพข้างต้นคือภาพเนบิวลา NGC 2392 แต่ด้วยลักษณะที่คล้ายกับหน้าของชาวเอสกิโมที่กำลังสวมเสื้อขนสัตว์อยู่ นักดาราศาสตร์เลยเรียกมันว่า เนบิวลาเอสกิโม (Eskimo Nebula) ซึ่งมีระยะจากโลกประมาณ 4,200  ปีแสง ภาพเนบิวลาเอสกิโมเป็นตัวอย่างลักษณะบั้นปลายชีวิตของดาวมวลน้อย

เป็นเช่นนี้เพราะหลังจากการเผาไหม้ไฮโดรเจนที่แกนกลางของดาวหยุดลง  ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ณ แกนกลางของดาวฤกษ์มวลน้อยก็จะหยุดลงดาวจะเสียเสถียรภาพ แรงโน้มถ่วงภายในจะดึงให้ผิวของดาวเกิดการยุบตัวเข้าหาแกนกลาง ขณะที่เกิดการยุบตัวจะมีความดันเกิดขึ้นทำให้ผิวของดาวมีอุณหภูมิสูงขึ้นและมากพอที่จะจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเผาผลาญไฮโดรเจนที่บริเวณผิวของดาว ดาวจะมีอุณหภูมิสูงมากและจะคงสถาพเช่นนี้ไประยะหนึ่ง จนกระทั่งแกนกลางของดาวซึ่งเป็นฮีเลียมมีอุณหภูมิสูงมากพอจนสามารถจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่แกนกลางขึ้นอีกครั้ง ปฏิกิริยาขั้นนี้จะหลอมฮีเลียมให้เป็นธาตุลำดับถัดไป (เทียบจากตารางธาตุ) ที่มีมวลอะตอมสูงขึ้นนั่นคือคาร์บอน ในช่วงนี้ดาวจะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไปพร้อมๆกันสองบริเวณได้แก่ฟิวชันเปลือกไฮโดรเจนหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม และฟิวชันฮีเลียมที่แกนกลางหลอมฮีเลียมเป็นคาร์บอน ทำให้ดาวมีอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความดันที่แกนกลางสูงขึ้นส่งผลให้เปลือกของดาวขยายหรือพองออก สีของดาวก็จะมีการเปลี่ยนแปลงจากสีแดงไปเป็นสีน้ำเงินขาว

จนกระทั่งแกนของดาวกลายเป็นก้อนคาร์บอนฟิวชันที่แกนกลางจะหยุดลงอีกครั้ง แกนกลางจะมีอุณหภูมิลดลงจากเดิม ความดันก็ลดลงด้วยทำให้ดาวเกิดการยุบตัวกระบวนการเดิมก็จะเกิดขึ้นอีกครั้ง นั่นคือการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่เปลือกจะหลอมฮีเลียมเป็นคาร์บอนเช่นเดียวกับที่แกนกลางปฏิกิริยาจะดำเนินต่อไปเรื่อยๆ ดาวจะพองตัวออกอีกครั้งซึ่งขนาดของดาวจะใหญ่กว่าเดิมหลายเท่า เรียกดาวที่มีลักษณะเช่นนี้ว่าดาวยักษ์แดง และดาวจะคงสภาพเช่นนี้จนแกนคาร์บอนของดาวก็จะถูกอัดแน่นขึ้นเรื่อยๆ ทำให้แกนกลางของดาวมีขนาดเล็กลงแต่ความหนาแน่นสูงมาก อุณหภูมิที่แกนกลางก็จะสูงขึ้นจากผลของการบีบอัดหรือการยุบตัว จนถึงขั้นที่ดาวไม่สามารถยุบตัวต่อไปได้อีกทั้งนี้เป็นผลมาจากมวลของดาวที่มีน้อยไม่สามารถที่จะเกิดปฏิกิริยาต่อไปได้อีก ดาวไม่สามารถจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันได้อีกแล้ว ความดันที่แกนกลางของดาวมากขึ้นและไม่สามารถยุบตัวได้อีก

เมื่อดาวไม่สามารถจุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันระดับต่อไปได้ จึงถือว่าเข้าสู่ช่วงสุดท้ายของชีวิต ดาวดวงนั้นจึงรอเพียงวันที่จะมืดหายไปในอวกาศ แกนของดาวจะเริ่มเย็นลงและดันผิวและเนื้อสารที่เปลือกของดาวออกคล้ายฟองขนาดใหญ่ฟุ้งกระจายรอบๆ แกนคาร์บอน เรียกว่าเนบิวลาดาวเคราะห์ (Planetary Nebula) จากนั้นก็จะเย็นตัวลงเหลือเพียงแกนคาร์บอนเปลือยเปล่า และมีอุณหภูมิสูงส่องแสงอยู่ในช่วงอัลตราไวโอเลต เรียกว่าดาวแคระขาว แต่เมื่อเวลาผ่านไปดาวแคระขาวก็จะเย็นตัวลงและมืดหายไปชั่วนิรันดร์ดังภาพ

ภาพที่ 2 แผนภาพแสดงเส้นประวัติชีวิตของดาวฤกษ์ในช่วงวาระสุดท้าย หลังจากดาวฤกษ์มวลน้อยเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ขั้นสุดท้าย แกนกลางเป็นคาร์บอนทั้งหมดแล้ว ดาวจะจบชีวิตลงโดยดันผิวและเนื้อสารออกมาเป็นฝุ่นก๊าซฟุ้งกระจายเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ เมื่อเวลาผ่านไปฝุ่นเหล่านี้จะเย็นตัวลงมืดดับไปเหลือแต่แกนของดาวที่เป็นคาร์บอนขนาดเล็กมีอุณหภูมิสูงแผ่รังสีในช่วงคลื่นอัลตราไวโอเลต นั่นคือดาวแคระขาว จากนั้นอุณหภูมิก็จะเริ่มเย็นลงเรื่อยๆ จนมืดดับไปเช่นเดียวกัน

ภาพโดย: http://www.proprofs.com/flashcards/cardshowall.php?title=astro-previous

ข้อมูลเบื้องต้นเป็นรายละเอียดการสิ้นอายุขัยของดาวมวลน้อย นักดาราศาสตร์กล่าวว่าอีกประมาณห้าพันล้านปีดวงอาทิตย์ก็จะมีจุดจบคล้าย ๆ กัน บั้นปลายชีวิตก็จะมีลักษณะเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์เช่นกัน นักดาราศาสตร์พยายามศึกษาข้อมูลการสิ้นอายุขัยของดาวด้วยบันทึกภาพถ่ายในหลายช่วงความยาวคลื่น เพื่อศึกษาองค์ประกอบทางกายภาพและทางเคมีของวัตถุดังกล่าว ภาพสวยงามทั้งหลายที่ถูกเผยแพร่ทางอินเตอร์เน็ตนั้นสามารถอธิบายได้ด้วยหลักการทางฟิสิกส์ สีแต่ละสีในภาพจะบ่งบอกถึงคุณสมบัติที่ต่างกัน เช่นสีม่วงในภาพของเนบิวลาดาวเคราะห์เหล่านี้เป็นข้อมมูลภาพที่ได้จากการบันทึกภาพในช่วงรังสีเอ็กซ์ จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา จะบ่งบอกถึงอุณหภูมิที่สูงมาก ณ แกนกลางของเนบิวลาดาวเคราะห์ ส่วนสีเขียว สีแดงและสีฟ้าเป็นข้อมมูลที่ได้จากการบันทึกภาพของกล้องโทรทรรศน์ฮับเบิลที่ช่วงความยาวคลื่นต่างกัน เป็นต้น

ภาพที่ 3 เป็นภาพของเนบิวลาดาวเคราะห์ที่ถูกบันทึกไว้ในแกลอรี่ภาพถ่ายขององค์การนาซา ในปี ค.ศ. 2012 โดยวัตถุท้องฟ้าทั้งหมดในภาพนั้นอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางไม่เกิน 5,000  ปีแสง ซึ่งถูกบันทึกด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา และนำข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศทั้งสองมารวมกัน ได้เป็นภาพที่มีสีสันสวยงามดังภาพ