โปรโตสตาร์

วันที่เผยแพร่:

Wed 14 March 2018

เนบิวลาเป็นกลุ่มแก๊สที่มีความหนาแน่นและอุณหภูมิต่างๆ กัน ภาพที่ 1 แสดงส่วนขยายของเนบิวลานกอินทรี (M 16 Eagle Nebula) จากภาพซ้ายมือด้านบนเรียงลำดับจากซ้ายไปขวา และจากบนลงล่าง จนถึงภาพขวามือด้านล่าง บริเวณที่ปรากฏให้เห็นเป็นจะงอยสีดำ คือ กลุ่มแก๊สความหนาแน่นสูงที่กำลังจะยุบตัวกำเนิดเป็นดาวฤกษ์

ภาพที่ 1 เนบิวลานกอินทรีย์ (M 16 Eagle Nebula)

เมื่อกลุ่มแก๊สในเนบิวลาสะสมตัวกันมากขึ้น จนกระทั่งแรงโน้มถ่วงสามารถเอาชนะแรงดันซึ่งเกิดจากการขยายตัวของแก๊ส กลุ่มแก๊สจะยุบตัวลงอย่างต่อเนื่องและหมุนรอบตัวตามกฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม (Angular Momentum) เป็นจานรวมมวล แกนกลางของกลุ่มแก๊สเรียกว่า “โปรโตสตาร์”(Protostar) เมื่อโปรโตสตาร์มีอุณหภูมิสูงถึงระดับล้านเคลวิน จะปล่อยอนุภาคพลังงานสูงที่มีลักษณะคล้ายลมสุริยะเรียกว่า “Protostellar Wind” ออกมา เมื่อโปรโตสตาร์ยุบตัวต่อไป กระแสอนุภาคพลังงานสูงจะมีความรุนแรงมาก จนปรากฏเป็นลำพุ่งขึ้นจากขั้วของดาวตามแกนหมุนรอบตัวเองของโปรโตสตาร์ (ภาพที่ 2)

ภาพที่ 2 โปรโตสตาร์

การยุบตัวของโปรโตสตาร์ดำเนินต่อไป จนกระทั่งแกนของโปรโตสตาร์มีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (Nuclear Fusion) ทำให้อะตอมไฮโดรเจนหลอมรวมกันกลายเป็นธาตุที่หนักกว่าคือฮีเลียม ขณะนั้นแก๊สที่แก่นกลางจะมีอุณหภูมิสูงมากและมีความดันสูงพอที่จะต้านทานแรงโน้มถ่วงของดาว การยุบตัวของดาวจึงยุติลง สมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงดันของแก๊สร้อนรักษาขนาดของดาวให้คงที่เป็นรูปทรงกลม ณ จุดนี้ถือว่า ดาวฤกษ์ได้ถือกำเนิดขี้นแล้ว (The star is born) ตลอดช่วงชีวิตของดาวจะมีกลไกอัตโนมัติควบคุมปฏิกิริยาฟิวชันภายในแก่นดาว หากอัตราการเกิดปฏิกิริยาฟิวชันสูงเกินไป แก๊สร้อนที่แก่นกลางจะดันดาวให้ขยายตัวออก ทำให้อุณภูมิลดลงและอัตราการเกิดฟิวชันก็จะลดลงด้วย ในทางกลับกันหากอัตราการเกิดฟิวชันต่ำเกินไป แก๊สที่แกนกลางเย็นตัวลง เนื้อสารของดาวจะยุบตัวกดทับทำให้อุณหภูมิกลับสูงขึ้น เพิ่มอัตราการเกิดฟิวชันคืนสู่ระดับปกติ อย่างไรก็ตามขนาดของดาวฤกษ์จะยุบพองเล็กน้อยตลอดเวลา ตามกลไกการควบคุมโดยธรรมชาติ

ภาพที่ 3 แผนภาพ H-R แสดงวิวัฒนาการของกำเนิดดาว

เนื่องจากเนบิวลามีขนาดใหญ่และมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน เนบิวลาจึงสามารถก่อกำเนิดดาวฤกษ์จำนวนหลายพันดวง โดยที่ดาวเกิดใหม่แต่ละดวงมีมวลและขนาดแตกต่างกัน โปรโตสตาร์ที่มวลตั้งต้นเท่ากับดวงอาทิตย์ เมื่อจุดนิวเคลียร์ฟิวชันจะเกิดเป็นดาวสเปกตรัม G สีเหลือง โปรโตสตาร์ที่มีมวลมากกว่าสองเท่าของดวงอาทิตย์ขึ้นไป จะเกิดเป็นดาวสเปกตรัม O, B หรือ A สีขาวอมน้ำเงิน ส่วนโปรโตสตาร์ที่มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์จะเกิดเป็นดาวสเปกตรัม K หรือ M สีส้มแดง

แผนภาพ H-R ในภาพที่ 4 แสดงให้เห็นถึงมวลตั้งต้นของโปรโตสตาร์ซึ่งทำให้เกิดดาวฤกษ์ในลำดับหลักซึ่งมีสเปกตรัมประเภทต่างๆ จะเห็นได้ว่า โปรโตสตาร์ที่มีมวลตั้งต้นมากกว่าดวงอาทิตย์ 15 เท่า จะพัฒนาเป็นดาวฤกษ์สีน้ำเงินโดยใช้เวลา 10,000 ปี โปรโตสตาร์ที่มีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์จะพัฒนาเป็นดาวฤกษ์สีเหลืองโดยใช้เวลา 100,000 ปี ส่วนโปรโตสตาร์ที่มีมวลตั้งต้นเพียง 0.5 เท่าของดวงอาทิตย์ จะพัฒนาเป็นดาวฤกษ์สีแดง เช่น Gliese 581 ในภาพท่ี 4 โดยใช้เวลา 1,000,000 ปี ทั้งนี้เป็นเพราะมวลตั้งต้นสูงทำให้เกิดนิวเคลียร์ฟิวชันรุนแรงกว่ามวลตั้งต้นต่ำ อัตราการเผาไหม้ที่รุนแรงทำให้อุณหภูมิสูง ดาวฤกษ์มวลมากจึงมีขนาดใหญ่และแผ่รังสีคลื่นสั้นกว่า ดาวฤกษ์มวลน้อยซึ่งมีขนาดเล็กอุณหภูมิต่ำและแผ่รังสีคลื่นยาว

ภาพที่ 4 ขนาดของดวงอาทิตย์ (ซ้ายมือ) เปรียบเทียบกับดาวแคระแดง Gliese 581 (ขวามือ)

อย่างไรก็ตามโปรโตสตาร์ทุกดวงไม่จำเป็นต้องประสบความสำเร็จในการพัฒนาเป็นดาวฤกษ์เสมอไป หากกลุ่มแก๊สมีมวลตั้งต้นน้อยกว่าดวงอาทิตย์ 0.08 เท่า มวลไม่มากพอที่จะสร้างแรงกดดันให้เกิดอุณหภูมิสูงพอที่จะจุดนิวเคลียร์ฟิวชัน โปรโตสตาร์จึงยุบตัวลงกลายเป็นดาวแคระน้ำตาล (Brown Dwarf) เช่น ดาวพฤหัสบดีในระบบสุริยะของเรา ซึ่งถ้าหากดาวพฤหัสบดีมีมวลตั้งต้นมากกว่านี้ 80 เท่า ความกดดันที่ใจกลางจะทำให้อุณหภูมิสูงจนเกิดนิวเคลียร์ฟิวชันและพัฒนาเป็นดวงอาทิตย์ดวงที่สอง ระบบสุริยะของเราก็จะเป็นระบบดาวคู่ (Binary Stars) เช่นเดียวกับระบบดาวฤกษ์ส่วนใหญ่บนท้องฟ้า

ในทางกลับกันกลุ่มแก๊สที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 100 เท่า แรงกดดันของแก๊สจะมีอุณหภูมิสูงมากเกินไป ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันสูงเกินกว่าจะรักษาสมดุลไว้ได้ ดาวจะระเบิดในทันที ดังนั้นดาวฤกษ์ทุกดวงจึงมีมวลอยู่ระหว่าง 0.08 ถึง 100 เท่า ของดวงอาทิตย์