นักวิจัย สดร. ร่วมทีมนานาชาติพบโครงสร้างแขนเกลียว
รอบดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมาก G358–MM1
สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) (สดร.) ร่วมทีมนักวิจัยนานาชาติสังเกตการณ์ดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมาก G358-MM1 โดยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ด้วยเทคนิค Very Long Baseline Interferometry (VLBI) สร้างแผนที่จานดาวฤกษ์ก่อนกำเนิด เผยให้เห็นถึงโครงสร้างแขนเกลียวรอบดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดที่ศูนย์กลางจำนวนสี่แขนโดยรอบ ยืนยันทฤษฎีการก่อตัวของดาวฤกษ์ก่อนกำเนิด ในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Astronomy เมื่อวันที่ 27 กุมภาพันธ์ 2566 : https://www.nature.com/articles/s41550-023-01899-w
“ดาวฤกษ์มวลมาก” คือดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเราไม่ต่ำกว่า 8 เท่า ดาวเหล่านี้นั้นมีความสำคัญในการทำหน้าที่เป็นโรงงานปรมาณูที่สร้างส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับสิ่งมีชีวิตในเอกภพ และมีผลเป็นอย่างมากต่อรูปร่างและวิวัฒนาการของกาแล็กซี เมื่อดาวเหล่านี้สิ้นอายุขัยและยุบตัวลงเป็นหลุมดำ จะเกิดการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ ปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมาในรูปของ “ซูเปอร์โนวา” กระจายเศษดาวและธาตุหนักภายในออกไปเป็นวงกว้าง ซึ่งจะรวมตัวกันเป็นดาวฤกษ์ในรุ่นถัดไปในอนาคต อย่างไรก็ตาม กระบวนการก่อกำเนิดของดาวฤกษ์มวลมากนั้นยังคงเป็นปริศนามานานอยู่หลายทศวรรษ ปัจจุบันเราทราบแค่เพียงว่าพวกมันก่อตัวขึ้น ณ ภายในใจกลางของจานแก๊สและฝุ่นที่หมุนไปรอบๆ ที่เรียกว่า “จานก่อกำเนิด” (protostellar disk) ขนาดรัศมีประมาณ 1,000 หน่วยดาราศาสตร์ (AU: ระยะระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ หรือประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร)
ทฤษฎีการก่อกำเนิดดาวฤกษ์มวลมากที่ได้รับความนิยมที่สุดทฤษฎีหนึ่งในปัจจุบัน คือแนวคิดของ “การพอกพูนมวลเป็นช่วงๆ” (episodic accretion) ที่กล่าวว่ากลุ่มก้อนแก๊สจากจานก่อกำเนิดจะตกลงสู่ดาวฤกษ์ที่กำลังก่อตัวอยู่ หรือ “ดาวฤกษ์ก่อนกำเนิด” (protostar) โดยเฉียบพลันเป็นครั้งคราว ปลดปล่อยพลังงานออกมาในลักษณะที่เรียกว่า “growth burst” โดยดาวฤกษ์อาจจะพอกพูนมวลกว่าครึ่งหนึ่งของมันจากจานพอกพูนมวลนี้ในลักษณะนี้ อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์ growth burst นั้นเป็นปรากฏการณ์ที่อาจจะกินเวลาเพียงไม่กี่เดือนจนถึงปี ตลอดช่วงระยะเวลากว่าหลายร้อยถึงพันปี จึงเป็นปรากฏการณ์ที่หาดูได้ยาก จนถึงปัจจุบัน นักดาราศาสตร์พบเห็นการพอกพูนมวลโดยเฉียบพลันของดาวฤกษ์มวลมากไม่บ่อยนัก การค้นพบล่าสุดที่มีการศึกษาอย่างจริงจังเกิดขึ้นในดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมาก G358-MM1 ในปี พ.ศ. 2562
ทฤษฎีการพอกพูนมวลเป็นช่วงๆ นั้นเสนอว่าจานพอกพูนมวลของดาวฤกษ์ก่อกำเนิดนั้นควรที่จะมีลักษณะเป็นก้อนๆ และอาจจะเกิดโครงสร้างแขนเกลียวภายในจานขึ้นจากแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสารในจานด้วยกันเอง (เช่นเดียวกับที่มีแขนของกาแล็กซี) อย่างไรก็ตาม การสังเกตการณ์จานพอกพูนมวลของดาวฤกษ์ก่อกำเนิดโดยตรงนั้นเป็นเรื่องที่ทำได้ยาก โดยเฉพาะการสังเกตเห็นโครงสร้างของแขนเกลียว เนื่องจากจานพอกพูนมวลเหล่านี้นั้นจะถูกห้อมล้อมไปด้วยกลุ่มเมฆแก๊สและฝุ่นอันหนาทึบ ซึ่งปิดบังโครงสร้างส่วนมากเอาไว้จากกล้องโทรทรรศน์ที่ใช้แสงทั่วไป
จนกระทั่งเมื่อวันที่ 27 กุมภาพันธ์ 2566 วารสาร Nature Astronomy เผยผลการศึกษาเมเซอร์ นำโดย Ross A. Burns และทีม สามารถสร้างแผนที่จานพอกพูนมวลของดาวฤกษ์มวลมากได้ละเอียดที่สุดเท่าที่เคยมีมา สังเกตการณ์ด้วยเทคนิคเครือข่ายแทรกสอดระยะไกล (Very Long Baseline Interferometry : VLBI) โดยเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุกว่า 24 ตัว จากทั่วโลก ได้แก่ โอเชียเนีย เอเชีย ยุโรป และอเมริกา มีหน่วยงานร่วมวิจัยกว่า 34 หน่วยงาน จาก 21 ประเทศ ข้อมูลทั้งหมดถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างภาพของดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมาก G358-MM1 ที่มีความละเอียดเชิงมุมเชิงพื้นที่ระดับมิลลิอาร์ควินาที (1/3600000 องศา) ทีมนักดาราศาสตร์ได้ศึกษาในช่วงความถี่ 6.7 GHz ที่อยู่ในช่วงคลื่นไมโครเวฟ ซึ่งสามารถทะลุผ่านกลุ่มเมฆของดาวฤกษ์ก่อกำเนิดได้ และตรงกับการปล่อยพลังงานของโมเลกุลของเมทานอลที่สามารถพบได้ทั่วไปในเอกภพ โดยแสงที่ปล่อยออกมาจาก growth burst นั้นจะไปกระตุ้นให้โมเลกุลของเมทานอลภายในเมฆของดาวฤกษ์ก่อกำเนิดนั้นปลดปล่อยพลังงานออกมาพร้อมๆ กัน ในลักษณะเดียวกันกับเลเซอร์ในช่วงความยาวคลื่นแสงที่เราคุ้นเคย เป็นที่มาของชื่อ “เมเซอร์” (เลเซอร์ในความยาวคลื่นไมโครเวฟ) และเมื่อนักดาราศาสตร์ได้ทำแผนที่พื้นผิวของการปล่อยรังสีเมเซอร์จากโมเลกุลของเมทานอลเหล่านี้ ในรูปแบบของ heat-wave mapping ซึ่งจึงเผยให้เห็นโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่ชัดเจนของแขนเกลียว จำนวน 4 แขน เชื่อมต่อกับดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดที่ศูนย์กลาง ในบริเวณดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมาก G358-MM1 โดยโครงสร้างแขนเกลียวเหล่านี้นั้นจะเป็นส่วนสำคัญที่มวลจากจานพอกพูนมวลจะถูกนำไปเพิ่มให้กับดาวฤกษ์ก่อนกำเนิด ณ ใจกลาง
การค้นพบนี้ได้ยืนยันหลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีการพอกพูนมวลเป็นช่วง ๆ (episodic accretion) หลายประการ ได้แก่ การมีจานหมุน การเกิด growth bursts และโครงสร้างเกลียวของดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมาก ในอนาคตทีมนักดาราศาสตร์จะยังคงค้นหา growth bursts ภายในดาวฤกษ์ก่อกำเนิดมวลมากต่อไปภายใต้ความร่วมมือระดับโลกของกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่เรียกว่า Maser Monitoring Organisation (M2O: https://www.masermonitoring.com/) เพื่อค้นพบหลักฐานใหม่ ๆ ทำความเข้าใจเกี่ยวกับวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ก่อนกำเนิดมวลมากยิ่งขึ้น
ดร. โนบุยูคิ ซาคาอิ นักวิจัย สดร. หนึ่งในนักวิจัยหลัก ร่วมกับ ดร. โคอิชิโร่ ซุกิยามะ นักวิจัย สดร. และทีม กล่าวว่า ข้อมูลจากการสังเกตการณ์ในช่วงคลื่นวิทยุด้วยวิธีการดังกล่าว และการใช้เทคนิคที่แตกต่างกันในการวิเคราะห์ข้อมูลอย่างละเอียดของทีมนักวิจัย จึงได้มาซึ่งข้อมูลที่ไม่เคยค้นพบมาก่อน นั่นคือแขนเกลียวโดยรอบดาวฤกษ์ก่อนกำเนิด การค้นพบนี้ช่วยให้เราเข้าใจได้ชัดเจนมากขึ้นว่าดาวฤกษ์มวลมากกำเนิดขึ้นได้อย่างไร และหากค้นพบข้อมูลลักษณะนี้มากขึ้น จะช่วยไขปริศนาเกี่ยวกับกระบวนการเกิดและวิวัฒนาการของดาวฤกษ์มวลมากในอนาคต
การพัฒนาองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์นั้นจำเป็นจะต้องอาศัยการพัฒนาทั้งบุคคลากร และเครื่องมือที่จะช่วยให้เราสามารถสังเกตและทำความเข้าใจในเอกภพของเราได้อย่างต่อเนื่อง การศึกษาเมเซอร์ในห้วงอวกาศนี้นับเป็นหนึ่งในภารกิจสำคัญของโครงการกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ โดยเฉพาะในยุคปัจจุบันที่มีการพัฒนาเทคนิคในการใช้ interferometry ที่นำข้อมูลจากเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่อยู่ทั่วทุกมุมโลกนั้นมารวมกันเป็นกล้องเสมือนขนาดใกล้เคียงกับโลกของเรา เพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีรายละเอียดชัดเจนยิ่งขึ้นจากห้วงอวกาศ การพัฒนากล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติขนาด 40 เมตร ณ ศูนย์ศึกษาการพัฒนาห้วยฮ่องไคร้อันเนื่องมาจากพระราชดำริ รวมทั้งทีมวิศวกร และนักวิทยาศาสตร์ โดย สดร. จึงเป็นสิ่งที่สำคัญยิ่งที่จะปูพรมไปสู่การค้นพบที่สำคัญทางวิทยาศาสตร์อีกมาก ที่ยังรอคอยการค้นพบอยู่อีกในอนาคต
