ซากดาวที่ 'ไม่ตาย': จันทราพบซูเปอร์โนวาครึ่งหนึ่งในกาแล็กซี M83 สว่างวาบไม่หยุด ท้าทายตำราดาราศาสตร์

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่ตำราดาราศาสตร์สอนว่า 'ซากของดาวที่ระเบิดแล้ว' หรือ ซากซูเปอร์โนวา จะค่อยๆ เย็นตัวลงและจางหายไปอย่างช้าๆ และคาดเดาได้ในช่วงเวลาหลายพันปี แต่งานวิจัยที่ใช้ข้อมูลย้อนหลังจากหอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา (Chandra X-ray Observatory) ของ NASA ซึ่งใช้เวลาวิเคราะห์อย่างละเอียดยาวนานถึง 14 ปี ได้เผยให้เห็นความจริงที่แสนจะอลหม่านกว่านั้นมาก ในกาแล็กซีชนิดก้นหอยที่อยู่ใกล้เคียงอย่าง Messier 83 (M83) นั้น ประชากรของซากซูเปอร์โนวากำลังปฏิเสธที่จะจางหายไปเงียบๆ แต่กลับมีอาการ 'กระพริบ' เปลี่ยนแปลงความสว่างในย่านรังสีเอกซ์อย่างรุนแรงในช่วงเวลาเพียงไม่กี่ปี

ดอกไม้ไฟใต้ทะเลลึกใน M83

เพื่อสร้างเส้นฐานวิวัฒนาการของซากซูเปอร์โนวา นักดาราศาสตร์ได้หันกล้องจันทราไปยัง M83 กาแล็กซีรูปก้นหอยที่หันด้านตรงเข้าหาเรา ซึ่งสวยงามตระการตาและอยู่ห่างออกไปประมาณ 15 ล้านปีแสง ตลอดการสังเกตการณ์ต่อเนื่องตั้งแต่ปี 2000 ถึงปี 2014 ทีมวิจัยได้ติดตามแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ 22 แห่ง ที่ก่อนหน้านี้ถูกระบุว่าเป็นซากซูเปอร์โนวา และพวกเขาได้ค้นพบสิ่งที่น่าตกใจว่า ประมาณครึ่งหนึ่งของแหล่งกำเนิดเหล่านั้นแสดงการเปลี่ยนแปลงความสว่างของรังสีเอกซ์อย่างมีนัยสำคัญและคาดไม่ถึง

"เรารู้ว่าแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์แต่ละแหล่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างรุนแรง แต่การที่เราพบว่ามีซากซูเปอร์โนวาจำนวนมากขนาดนี้เป็นแบบนั้น มันทำให้เราประหลาดใจจริงๆ" Andrea Prestwich นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคาทอลิกแห่งอเมริกา (Catholic University of America) และผู้ร่วมเขียนงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน The Astrophysical Journal กล่าว

สัดส่วนที่สูงนี้—ประมาณ 11 ใน 22—คือสิ่งที่ทำให้การค้นพบนี้สร้างความปั่นป่วนให้กับวงการ มันไม่ใช่แค่วัตถุประหลาดเพียงชิ้นเดียวที่ทำผิดกฎ แต่เป็นพฤติกรรมที่แพร่หลายซึ่งบีบบังคับให้ต้องทบทวนแบบจำลองวิวัฒนาการมาตรฐานของซากดาวฤกษ์ใหม่ทั้งหมด

ทำไมดาวที่ 'ตายแล้ว' ถึงยังคงลุกวาบได้อีก?

ทีมวิจัยได้ระบุกลไกหลักสองอย่างซึ่งอาจเกิดขึ้นพร้อมกัน เพื่ออธิบายการกระพริบที่ดูเอาแน่นอนไม่ได้ของรังสีเอกซ์นี้

1. ดาวฤกษ์คู่หูผู้รอดชีวิต

คำอธิบายที่ได้รับการสนับสนุนมากที่สุดคือ ซากซูเปอร์โนวาเหล่านี้หลายแห่งมี 'ผู้รอดชีวิต' อาศัยอยู่ด้วย ดาวฤกษ์มวลมากส่วนใหญ่ดำรงอยู่ในระบบดาวคู่ เมื่อดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าระเบิดเป็นซูเปอร์โนวา มันอาจทิ้งหลุมดำหรือดาวนิวตรอนไว้เบื้องหลัง หากดาวคู่หูของมันรอดชีวิตจากหายนะครั้งนั้นมาได้ มันอาจถูกขังอยู่ในวงโคจรที่ใกล้ชิดกับวัตถุอัดแน่นดวงใหม่ แรงโน้มถ่วงมหาศาลของหลุมดำหรือดาวนิวตรอนก็จะเริ่มดึงสสารจากพื้นผิวของดาวคู่หู กระบวนการนี้เรียกว่า 'การพอกพูนมวล' (accretion) ซึ่งจะทำให้แก๊สที่ตกลงไปถูกทำให้ร้อนจนมีอุณหภูมิหลายล้านองศา ก่อให้เกิดการแผ่รังสีเอกซ์ที่ทรงพลังและแปรผันได้ โดยขึ้นอยู่กับอัตราการพอกพูนมวลเป็นหลัก

2. การรีไซเคิลแห่งจักรวาล: การพอกพูนมวลแบบย้อนกลับ

อีกสถานการณ์หนึ่งกลับด้านที่มาของสสาร แทนที่จะไปขโมยก๊าซจากดาวฤกษ์คู่หู วัตถุอัดแน่นที่ใจกลางอาจกำลัง 'รีไซเคิล' เศษซากของตัวเอง Roy Kilgard นักดาราศาสตร์ผู้ร่วมเขียนงานวิจัย ได้อธิบายถึงความเป็นไปได้นี้ว่า เป็นเศษซากจากการระเบิดที่ตกลงกลับไปยังวัตถุที่การระเบิดซูเปอร์โนวาได้สร้างขึ้นมา 'การพอกพูนมวลย้อนกลับ' (fallback accretion) นี้ยังสามารถผลิตปรากฏการณ์สว่างขึ้นและหรี่ลงตามที่สังเกตได้ เมื่อสสารถูกแรงโน้มถ่วงของหลุมดำหรือดาวนิวตรอนดึงกลับมา และถูกทำให้ร้อนจนมีอุณหภูมิที่แผ่รังสีเอกซ์ออกมา

อย่างน้อยก็มีซากหนึ่งในกลุ่มตัวอย่างคือ SN 1957D ที่มีคำอธิบายที่เรียบง่ายกว่า มันถูกพบเห็นครั้งแรกเมื่อเกือบ 70 ปีที่แล้ว การสว่างขึ้นของรังสีเอกซ์ของมันน่าจะเกิดจากเศษซากที่ถูกดีดออกมาด้วยความเร็วสูง พุ่งเข้าชนสสารระหว่างดวงดาวที่อยู่โดยรอบ และเปลี่ยนพลังงานจลน์ให้กลายเป็นความร้อน

ปรากฏการณ์การแปรผันของซากดาวในระยะยาวนี้อาจไม่ได้จำกัดอยู่แค่ M83 การสำรวจติดตามผลเบื้องต้นของกาแล็กซีน้ำวน (Whirlpool Galaxy หรือ M51) ได้เผยให้เห็นประชากรของซากที่แปรผันในลักษณะเดียวกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าพฤติกรรมนี้ อาจเป็นลักษณะทั่วไปที่ถูกมองข้ามมาก่อนหน้านี้ของกาแล็กซีที่มีการก่อตัวของดาวฤกษ์

ประทัดดอกใหม่ใกล้หลุมดำใจกลางทางช้างเผือก

ในการสืบสวนอีกกรณีหนึ่งที่แยกออกมา ทีมนักดาราศาสตร์อีกทีมได้เล็งกล้องทั้งจันทราและดาวเทียม XMM-Newton ขององค์การอวกาศยุโรป (ESA) ไปยังใจกลางอันปั่นป่วนของกาแล็กซีเราเอง เป้าหมายของพวกเขาคือ ย่านดาวเกิด แซจิทาเรียส ซี (Sagittarius C หรือ Sgr C) ซึ่งเป็นบริเวณก่อตัวของดาวฤกษ์ที่หนาแน่น และอยู่ห่างจากโลกเพียง 26,000 ปีแสง — ในเชิงจักรวาลวิทยาถือว่าเป็นเพื่อนบ้านใกล้ชิดของหลุมดำมวลมหาศาล แซจิทาเรียส เอ* (Sagittarius A*)

ภายใน Sgr C พวกเขาได้ระบุ 'ก้อน' (blob) ของการแผ่รังสีเอกซ์ที่ชัดเจน ซึ่งฝังตัวอยู่ภายในฟองก๊าซไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนขนาดใหญ่กว่า ที่ล้อมรอบดาวฤกษ์อายุน้อยมวลมากดวงหนึ่ง หากได้รับการยืนยันว่าเป็นซากซูเปอร์โนวา มันจะเป็น หนึ่งในวัตถุประเภทนี้ที่อยู่ใกล้หลุมดำใจกลางทางช้างเผือกมากที่สุดเท่าที่เคยพบ ข้อมูลบ่งชี้ว่าเศษซากของดาวฤกษ์ที่ถูกดีดออกมา กำลังขยายตัวด้วยความเร็วประมาณ สองล้านไมล์ต่อชั่วโมง (ราว 3.2 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง) และการระเบิดครั้งแรกนั้นเกิดขึ้นเมื่อประมาณ 1,700 ปีที่แล้วเท่านั้น

การค้นพบนี้เกิดขึ้นได้ด้วยการผสมผสานมุมมองรังสีเอกซ์ความละเอียดสูงของจันทราและ XMM-Newton เข้ากับข้อมูลคลื่นวิทยุเสริมจากกล้องโทรทรรศน์อาร์เรย์ MeerKAT ในแอฟริกาใต้ และข้อมูลเชิงแสงจากการสำรวจ Pan-STARRS การค้นพบนี้มอบโอกาสที่หาได้ยาก ในการศึกษาวัฏจักรชีวิตของดาวฤกษ์ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงที่สุดของกาแล็กซี