ดาวฤกษ์ยุบตัวที่หมุน 707 ครั้งต่อวินาที ทำให้เป็นหนึ่งในดาวนิวตรอนที่หมุนเร็วที่สุดในดาราจักรทางช้างเผือก ได้ทำลายและกินมวลของดาวข้างเคียงเกือบทั้งหมด และในกระบวนการนี้ ได้เติบโตขึ้นเป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุด สังเกตจนถึงปัจจุบัน
การชั่งน้ำหนักดาวนิวตรอนที่สร้างสถิติได้ซึ่งทำสถิติสูงสุดที่ 2.35 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจสถานะควอนตัมแปลก ๆ ของสสารภายในวัตถุหนาแน่นเหล่านี้ ซึ่งหากหนักกว่านั้นมาก จะยุบตัวลงอย่างสิ้นเชิงและหายไปเป็น หลุมดำ
“เราทราบคร่าวๆ ว่าสสารมีพฤติกรรมอย่างไรที่ความหนาแน่นของนิวเคลียร์ เช่น ในนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม” Alex Filippenkoศาสตราจารย์พิเศษด้านดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าว “ดาวนิวตรอนก็เหมือนนิวเคลียสขนาดยักษ์ แต่เมื่อคุณมีมวลดวงอาทิตย์ครึ่งหนึ่งของสิ่งนี้ ซึ่งมีมวลประมาณ 500,000 มวลโลกของนิวเคลียสที่เกาะติดกัน มันไม่ชัดเจนว่าพวกมันจะมีพฤติกรรมอย่างไร”
Roger W. Romaniศาสตราจารย์วิชาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าวว่าดาวนิวตรอนมีความหนาแน่นมาก – 1 ลูกบาศก์นิ้วมีน้ำหนักมากกว่า 10 พันล้านตัน – แกนกลางของพวกมันเป็นสสารที่หนาแน่นที่สุดในจักรวาลซึ่งสั้นกว่าหลุมดำเพราะถูกซ่อนอยู่ด้านหลัง ขอบฟ้าเหตุการณ์ของพวกเขาเป็นไปไม่ได้ที่จะศึกษา ดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นพัลซาร์ที่กำหนด PSR J0952-0607 จึงเป็นวัตถุที่หนาแน่นที่สุดในสายตาของโลก
การวัดมวลของดาวนิวตรอนเป็นไปได้ด้วยความไวสูงของกล้องโทรทรรศน์ Keck I 10 เมตรบน Maunakea ใน Hawai’i ซึ่งสามารถบันทึกสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้จากดาวข้างเคียงที่เรืองแสงร้อนซึ่งตอนนี้ลดลงเหลือ ขนาดของดาวเคราะห์ก๊าซขนาดใหญ่ ดาวฤกษ์อยู่ห่างจากโลกประมาณ 3,000 ปีแสงในทิศทางของกลุ่มดาวเซ็กแทนส์
ค้นพบในปี 2560 PSR J0952-0607 ถูกเรียกว่าพัลซาร์ “แม่ม่ายดำ” – การเปรียบเทียบกับแนวโน้มของแมงมุมแม่ม่ายดำตัวเมียที่จะกินตัวผู้ที่มีขนาดเล็กกว่ามากหลังจากผสมพันธุ์ Filippenko และ Romani ได้ศึกษาระบบแม่ม่ายดำมานานกว่าทศวรรษ โดยหวังว่าจะสร้างขีดจำกัดบนว่าดาวนิวตรอน/พัลซาร์ขนาดใหญ่สามารถเติบโตได้อย่างไร
โรมานี ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ในโรงเรียนมนุษยศาสตร์และวิทยาศาสตร์ของสแตนฟอร์ดกล่าวว่า “การรวมการวัดนี้กับมวลของแม่ม่ายดำอื่นๆ หลายๆ ดวง เราแสดงให้เห็นว่าดาวนิวตรอนต้องมีมวลอย่างน้อยเท่ากับ 2.35 บวกหรือลบ 0.17 มวลดวงอาทิตย์” และสมาชิกของ Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology “ในทางกลับกัน สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อจำกัดที่แข็งแกร่งที่สุดบางประการเกี่ยวกับคุณสมบัติของสสาร หลายเท่าของความหนาแน่นที่เห็นในนิวเคลียสของอะตอม อันที่จริง ผลลัพธ์นี้ไม่รวมถึงแบบจำลองฟิสิกส์สสารหนาแน่นที่ได้รับความนิยมจำนวนมาก”
หากมวลดวงอาทิตย์ 2.35 ดวงอยู่ใกล้ขีดจำกัดบนของดาวนิวตรอน นักวิจัยกล่าวว่า ภายในน่าจะเป็นซุปของนิวตรอน เช่นเดียวกับควาร์กขึ้นและลง ซึ่งเป็นส่วนประกอบของโปรตอนและนิวตรอนปกติ แต่ไม่ใช่สสารแปลกใหม่ เช่น ควาร์ก “แปลก” หรือ kaons ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีควาร์กแปลก
“มวลสูงสุดของดาวนิวตรอนแสดงให้เห็นว่ามันเป็นส่วนผสมของนิวเคลียสและควาร์กขึ้นและลงที่ละลายไปจนสุดแกน” โรมานีกล่าว “สิ่งนี้ไม่รวมถึงสถานะของสสารที่เสนอจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีองค์ประกอบภายในที่แปลกใหม่”
Dinesh Kandel นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Romani, Filippenko และ Stanford เป็นผู้เขียนร่วมของบทความที่อธิบายผลลัพธ์ของทีมที่ได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์โดย The Astrophysical Journal Letters
พวกเขาสามารถเติบโตได้มากขนาดไหน?
นักดาราศาสตร์มักเห็นด้วยว่าเมื่อดาวฤกษ์ที่มีแกนกลางใหญ่กว่ามวลสุริยะประมาณ 1.4 เท่ามวลดวงอาทิตย์ยุบตัวลงเมื่อสิ้นอายุขัย ดาวดวงนั้นจะก่อตัวเป็นวัตถุหนาแน่นและอัดแน่นโดยมีภายในอยู่ภายใต้ความกดอากาศสูงจนอะตอมทั้งหมดถูกชนเข้าด้วยกันจนเกิดเป็นทะเลนิวตรอน และองค์ประกอบย่อยของพวกมันคือควาร์ก ดาวนิวตรอนเหล่านี้เกิดการหมุนวน และถึงแม้จะสลัวเกินกว่าจะมองเห็นในแสงที่มองเห็นได้ แต่ก็เผยให้เห็นตัวเองเป็นพัลซาร์ ลำแสงที่เปล่งออกมา ไม่ว่าจะเป็นคลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ หรือแม้แต่รังสีแกมมา ที่ส่องประกายโลกในขณะที่มันหมุน เหมือนกับการหมุนรอบตัว ลำแสงของประภาคาร
วิดีโอของ NASA ปี 2014 นี้อธิบายพัลซาร์แม่ม่ายดำและวิธีที่นักดาราศาสตร์ค้นพบ PSR J1311−3430 ซึ่งเป็นชนิดแรกที่ค้นพบผ่านการสังเกตรังสีแกมมาเพียงอย่างเดียว (วิดีโอได้รับความอนุเคราะห์จาก Goddard Space Flight Center ของ NASA)
พัลซาร์ “ธรรมดา” หมุนและกะพริบประมาณหนึ่งครั้งต่อวินาที โดยเฉลี่ย ความเร็วที่สามารถอธิบายได้ง่ายเมื่อพิจารณาจากการหมุนตามปกติของดาวฤกษ์ก่อนที่มันจะยุบตัว แต่พัลซาร์บางตัวเกิดซ้ำหลายร้อยหรือสูงถึง 1,000 ครั้งต่อวินาที ซึ่งอธิบายได้ยาก เว้นแต่สสารจะตกลงบนดาวนิวตรอนและหมุนมันขึ้น แต่สำหรับพัลซาร์มิลลิวินาทีบางพัลซาร์ จะมองไม่เห็นสหาย
คำอธิบายที่เป็นไปได้ประการหนึ่งสำหรับพัลซาร์มิลลิวินาทีที่แยกได้คือแต่ละพัลซาร์เคยมีคู่หูอยู่ด้วย แต่ก็ไม่ได้ทำให้มันหายไป
“เส้นทางวิวัฒนาการนั้นน่าทึ่งมาก เครื่องหมายอัศเจรีย์สองเท่า” Filippenko กล่าว “ในขณะที่ดาวข้างเคียงวิวัฒนาการและเริ่มกลายเป็นดาวยักษ์แดง สสารก็ทะลักไปยังดาวนิวตรอน และนั่นก็หมุนดาวนิวตรอนขึ้น เมื่อหมุนขึ้น ตอนนี้จะมีพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างเหลือเชื่อ และลมของอนุภาคก็เริ่มออกมาจากดาวนิวตรอน ลมนั้นกระทบดาวผู้บริจาคและเริ่มลอกวัสดุออก และเมื่อเวลาผ่านไป มวลของดาวผู้บริจาคจะลดลงเหลือเท่าดาวเคราะห์ และหากเวลาผ่านไปนานขึ้น มันก็หายไปโดยสิ้นเชิง นั่นคือวิธีสร้างพัลซาร์มิลลิวินาทีเดียว พวกเขาไม่ได้อยู่คนเดียวตั้งแต่แรก — พวกเขาต้องอยู่ในคู่เลขฐานสอง — แต่พวกเขาค่อยๆ ระเหยเพื่อนของพวกเขาออกไป และตอนนี้พวกเขาก็โดดเดี่ยว”
พัลซาร์ PSR J0952-0607 และดาวข้างเคียงที่เลือนลางสนับสนุนเรื่องราวต้นกำเนิดนี้สำหรับพัลซาร์มิลลิวินาที
“วัตถุคล้ายดาวเคราะห์เหล่านี้เป็นเศษซากของดาวฤกษ์ปกติซึ่งมีส่วนทำให้เกิดมวลและโมเมนตัมเชิงมุม หมุนคู่พัลซาร์ของพวกมันให้มีช่วงมิลลิวินาทีและเพิ่มมวลในกระบวนการนี้” นายโรมานีกล่าว
“ในกรณีของความอกตัญญูในจักรวาล พัลซาร์แม่ม่ายดำซึ่งกินส่วนใหญ่ของคู่ครองของมัน ตอนนี้ร้อนและระเหยสหายลงไปที่มวลดาวเคราะห์และอาจทำลายล้างอย่างสมบูรณ์” Filippenko กล่าว
พัลซาร์แมงมุม ได้แก่ เร้ดแบ็คและไทดาร์เรน
การค้นหาพัลซาร์แม่ม่ายดำซึ่งดาวข้างเคียงมีขนาดเล็กแต่ไม่เล็กเกินไปที่จะตรวจจับได้ เป็นหนึ่งในวิธีสองสามวิธีในการชั่งน้ำหนักดาวนิวตรอน ในกรณีของระบบดาวคู่นี้ ดาวข้างเคียง ซึ่งขณะนี้มีมวลเพียง 20 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี ถูกบิดเบือนโดยมวลของดาวนิวตรอนและถูกล็อคด้วยกระแสน้ำ คล้ายกับที่ดวงจันทร์ของเราถูกล็อกอยู่ในวงโคจรเพื่อให้เราเห็นเพียงดวงเดียว ด้านข้าง. ด้านที่หันเข้าหาดาวนิวตรอนถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 6,200 เคลวิน หรือ 10,700 องศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งร้อนกว่าดวงอาทิตย์เล็กน้อย และสว่างพอที่จะมองเห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่
Filippenko และ Romani ได้เปลี่ยนกล้องโทรทรรศน์ Keck I บน PSR J0952-0607 หกครั้งในช่วงสี่ปีที่ผ่านมา โดยแต่ละครั้งสังเกตด้วย Low Resolution Imaging Spectrometer ในช่วงเวลา 15 นาทีเพื่อจับสหายที่จาง ๆ ณ จุดเฉพาะในวงโคจร 6.4 ชั่วโมง ของพัลซาร์ เมื่อเปรียบเทียบสเปกตรัมกับสเปกตรัมของดาวคล้ายดวงอาทิตย์ พวกมันสามารถวัดความเร็วการโคจรของดาวข้างเคียงและคำนวณมวลของดาวนิวตรอนได้
Filippenko และ Romani ได้ตรวจสอบระบบแม่ม่ายดำสิบกว่าระบบแล้ว แม้ว่าจะมีเพียง 6 ดวงที่มีดาวข้างเคียงที่สว่างพอที่จะทำให้พวกมันคำนวณมวลได้ ดาวนิวตรอนที่เกี่ยวข้องทั้งหมดมีมวลน้อยกว่าพัลซาร์ PSR J0952-060 พวกเขาหวังว่าจะศึกษาพัลซาร์แม่ม่ายดำเพิ่มเติม รวมทั้งลูกพี่ลูกน้องของพวกเขา: เร้ดแบ็ค ซึ่งตั้งชื่อตามพัลซาร์แม่ม่ายดำของออสเตรเลีย ซึ่งมีมวลใกล้เคียงหนึ่งในสิบของมวลดวงอาทิตย์ และสิ่งที่ Romani ขนานนามว่า tidarrens – ซึ่งเพื่อนมีมวลประมาณหนึ่งในร้อยของมวลสุริยะ – หลังจากญาติของแมงมุมแม่ม่ายดำ ตัวผู้ของสายพันธุ์นี้ Tidarren sisyphoides มีขนาดประมาณ 1% ของขนาดตัวเมีย
“เราสามารถมองหาแม่ม่ายดำและดาวนิวตรอนที่คล้ายกันซึ่งเล่นสเก็ตได้ใกล้ขอบหลุมดำมากขึ้น แต่ถ้าเราไม่พบสิ่งใด มันกระชับข้อโต้แย้งว่า 2.3 มวลดวงอาทิตย์เป็นขีดจำกัดที่แท้จริง ซึ่งเกินกว่าที่พวกมันจะกลายเป็นหลุมดำ” Filippenko กล่าว
“สิ่งนี้อยู่ในขอบเขตของสิ่งที่กล้องดูดาว Keck ทำได้ ดังนั้นยกเว้นเงื่อนไขการสังเกตที่ยอดเยี่ยม การวัด PSR J0952-0607 ที่เข้มงวดน่าจะรอยุคกล้องโทรทรรศน์ 30 เมตร” Romani กล่าวเสริม
ผู้ร่วมเขียนบทความ ApJ Letters คนอื่นๆ ได้แก่ นักวิจัยของ UC Berkeley Thomas Brink และ WeiKang Zheng งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก National Aeronautics and Space Administration (80NSSC17K0024, 80NSSC17K0502), Christopher R. Redlich Fund, TABASGO Foundation และ UC Berkeley’s Miller Institute for Basic Research in Science
