" Boomerang nebula " วัตถุที่เย็นที่สุดของเอกภพ

กระทู้คำถาม

ดาราศาสตร์ อวกาศ ภาพถ่ายขั้นสูง เทคโนโลยี

เนบิวลาบูมเมอแรง (Boomerang nebula) เป็นวัตถุที่ถูกเรียกว่า เนบิวลาดาวเคราะห์ก่อนเกิด (Protoplanetary nebula) ซึ่งเป็นระยะแรกของเนบิวลาดาวเคราะห์ (Planetary nebula) ที่ผิวนอกของดาวฤกษ์กำลังขยายตัวเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์

เนบิวลาบูมเมอแรงถูกสำรวจเป็นครั้งแรกในปี 1995 นักดาราศาสตร์บอกว่ามันกำลังดูดซับแสงจากไมโครเวฟพื้นหลังของเอกภพซึ่งเป็นซากแสงที่เหลืออยู่จากบิ๊กแบง การแผ่รังสีทำให้อวกาศมีอุณหภูมิพื้นหลังเพียง 2.725 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ แต่สำหรับเนบิวลาบูมเมอแรง มันกลับเย็นกว่าอุณหภูมินั้นซึ่งเย็นตัวลงอย่างต่อเนื่องตลอดกว่า 13 พันล้านปี

เนบิวลาบูมเมอแรงนั้นอยู่ห่างออกไปประมาณ 5000 ปีแสงในกลุ่มดาวคนครึ่งม้า(Centaurus) คาดว่าดาวยักษ์แดงที่ใจกลางเนบิวลานี้จะหดตัวและร้อนขึ้น สุดท้ายก็ทำให้ก๊าซรอบๆ มันแตกตัวเป็นไอออนสร้างเนบิวลาดาวเคราะห์(planetary nebula) ขึ้น เนบิวลาชนิดนี้เป็นวัตถุที่สวยงามซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์กำลังเปลี่ยนผ่านโดยทิ้งชั้นก๊าซส่วนนอกออกมาเป็นเปลือกที่ขยายตัวในช่วงใกล้จบชีวิตที่ได้รับพลังจากการหลอมนิวเคลียส เนบิวลาบูมเมอแรงเป็นตัวอย่างของสถานะแรกๆ สุดในช่วงรอยต่อกระบวนการนี้ซึ่งเรียกว่า ช่วงก่อนเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์

" เนบิวลาดาวเคราะห์ " คือซากของดาวฤกษ์มวลน้อยที่มีมวลไม่เกิน 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ เมื่อดาวฤกษ์มวลน้อยมีการวิวัฒนาการกลายเป็นดาวยักษ์แดง และก๊าซไฮโดรเจนที่จะถูกใช้ในปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ของดาวฤกษ์ได้หมดลง บริเวณผิวนอกของดาวฤกษ์จะแผ่ขยายออกมา ในขณะที่ใจกลางของซากดาวฤกษ์นั้นจะเกิดการยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาว ซึ่งจะมีการปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตอย่างเข้มออกมา ทำให้สามารถสังเกตเห็นก๊าซภายในเนบิวลามีการเรืองแสง เนบิวลาดาวเคราะห์ก่อนเกิดนั้นเป็นวัตถุที่เย็นที่สุดของจักรวาล มีอุณหภูมิเพียง 1 เคลวิน ซึ่งต่ำกว่าอุณหภูมิของรังสีไมโครเวฟพื้นหลัง

(พื้นที่สีน้ำเงินของเนบิวลาบูมเมอแรงนั้นหนาวที่สุด) (เครดิต: NASA / SPL)

ที่มาของชื่อ "เนบิวลาบูมเมอแรง" เกิดจากลักษณะรูปร่างที่ไม่สมดุลของเนบิวลา คล้ายกับบูมเมอแรง แต่จากการศึกษาด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล แสดงให้เห็นว่ารูปร่างของเนบิวลาดังกล่าวคล้ายกับโบว์ เมื่อนักดาราศาสตร์ได้ทำการสังเกตการณ์เนบิวลาด้วยช่วงคลื่นวิทยุ ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุอัลมา (ALMA: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ที่ประเทศชิลี เพื่อศึกษารูปร่างของเนบิวลาโดยอาศัยลักษณะโครงสร้างของก๊าซคาร์บอนมอนออกไซค์ของเนบิวลา (สีแดงในภาพ) ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถสังเกตเห็นกลุ่มแก๊สที่พุ่งออกมาจากดาวฤกษ์ คาดว่ากลุ่มแก๊สที่พุ่งออกมาเป็นลำทั้งสองข้างนั้นเกิดจากการปฏิกิริยาระหว่างดาวสองดวงที่เคยเป็นระบบดาวคู่โคจรซึ่งกันและกัน โครงสร้างกลุ่มแก๊สดังกล่าวอาจใช้อธิบายที่มาของอุณหภูมิที่ต่ำของเนบิวลาดาวเคราะห์ก่อนเกิดได้

เมื่อพบเนบิวลานี้เป็นครั้งแรกโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินนักวิทยาศาสตร์หรือนักวิจัยพบว่ารูปร่างของเนบิวลาดูผิดเพี้ยนไปเล็กน้อย อย่างไรก็ตามกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้หมุนกล้องไปทางเนบิวลาในปี 2003 และพบว่าเนบิวลาดูเหมือนนาฬิกาทรายมากขึ้นเมื่อมองในความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ จากนั้นฮับเบิลก็ดูเนบิวลาหลายครั้งและกล้องโทรทรรศน์อื่น ๆ ก็เช่นกัน ความลึกลับใหม่เกิดขึ้นและจากนั้นก็คลี่คลาย ความจริงก็คือเนบิวลาดาวเคราะห์มีรูปร่างเหมือนหูกระต่ายหรือนาฬิกาทรายโดยทั่วไป แต่จะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อก๊าซจากดาวฤกษ์ใจกลางเมืองถูกขับออกมาด้วยความเร็วสูง

รูปร่างที่แท้จริงในภาพนี้จากกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA ขนาดยักษ์ โครงสร้างสีฟ้าพื้นหลังดังที่เห็นในแสงที่มองเห็นได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลแสดงให้เห็นรูปทรงกลีบดอกสองชั้นแบบคลาสสิกที่มีภาคกลางที่แคบมาก ภาพเผยแพร่เมื่อวันที่ 24 ตุลาคม 2013
(Cr.ภาพ © Bill Saxton; NRAO / AUI / NSF; NASA / Hubble; Raghvendra Sahai)

อุณหภูมิที่ต่ำของเนบิวลาดาวเคราะห์ก่อนเกิดนั้น นักดาราศาสตร์คาดว่าเกิดจากแก๊สบริเวณผิวของดาวฤกษ์มีการขยายตัวอย่างรวดเร็ว เมื่อแก๊สมีการขยายตัวอย่างรวดเร็วจะทำให้อุณหภูมิของวัตถุลดลง แก๊สดังกล่าวจะมีการรวมตัวเป็นโมเลกุลและฝุ่นในภายหลัง โมเลกุลและฝุ่นดังกล่าวสามารถสังเกตการณ์ได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์วิทยุอัลมา จากการศึกษาความเร็วและระยะทางการเคลื่อนที่ของแก๊สของเนบิวลาบูมเมอแรงนั้น พบว่ากลุ่มแก๊สนั้นได้มีการเริ่มแผ่แก๊สออกมาเมื่อประมาณ 1,500 ปีก่อน

การสำรวจของ ALMA ได้ช่วยให้นักวิจัยได้เผยปริศนานี้โดยการคำนวณการแผ่ขยาย, อายุ, มวลและพลังงานจลน์ของเนบิวลาได้อย่างแม่นยำเป็นครั้งแรก Raghvendra Sahai นักดาราศาสตร์ที่ห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซา ผู้เขียนนำรายงานใน Astrophysical Journal กล่าวว่า

" ข้อมูลใหม่เหล่านี้แสดงให้เราเห็นว่าเปลือกก๊าซเกือบทั้งหมดจากดาวยักษ์แดงดวงใหญ่ถูกระเบิดออกสู่อวกาศด้วยความเร็วที่เกินกว่าความสามารถของดาวยักษ์แดงเดี่ยวๆ จะทำได้ หนทางเดียวที่จะผลักมวลมากมายเช่นนี้ออกด้วยความเร็วที่สูงมากๆ ก็คือจากพลังงานแรงโน้มถ่วงของดาวสองดวงที่มีปฏิสัมพันธ์กัน ซึ่งน่าจะอธิบายคุณสมบัติอันน่าพิศวงของกระแสไหลออกที่เย็นจัดได้ ดาวข้างเคียงที่ใกล้ชิดลักษณะนี้อาจจะเป็นตัวการในการทำลายดาวยุคต้นเกือบทั้งหมดในเอกภพ "

ในอนาคตนักดาราศาสตร์จะทำการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับชนิดโมเลกุลที่เกิดขึ้นจากการรวมตัวของกลุ่มแก๊สที่แผ่ขยายออกมา ซึ่งชนิดของโมเลกุลนั้นมีความน่าสนใจมาก เนื่องจากโมเลกุลดังกล่าวเกิดขึ้นภายใต้สภาพแวดล้อมที่รุนแรง นอกจากนี้นักดาราศาสตร์ยังพยายามที่จะศึกษาเนบิวลาดาวเคราะห์ก่อนเกิดอื่นๆเพิ่มเติม เพื่อใช้อธิบายรูปร่างที่แตกต่างกันของเนบิวลาดาวเคราะห์แต่ละระบบ

การสำรวจใหม่จาก ALMA ยังให้ภาพของเนบิวลานี้ มีกระแสไหลออกรูปนาฬิกาทรายภายในกระแสไหลรูปค่อนข้างกลมที่เย็นจัด กระแสรูปนาฬิกาทรายแผ่ออกจากปลายด้านหนึ่งถึงอีกด้านมากกว่า 3 ล้านล้านกม. และเป็นผลจากไอพ่นที่ถูกยิงออกจากดาวที่ใจกลาง กวาดพื้นที่ในกระแสเย็นจัดส่วนในคล้ายกับคราดหิมะ แต่กระแสเย็นจัดนี้มีขนาดใหญ่กว่า 10 เท่า เดินทางด้วยความเร็วมากกว่า 150 กม.ต่อวินาที ใช้เวลา 3500 ปีที่จะนำวัสดุสารในเปลือกส่วนนอกออกไปจนถึงระยะไกลสุดกู่ขนาดนั้นหลังจากที่ถูกผลักออกจากดาว

อย่างไรก็ตาม สภาวะเหล่านี้ไม่ได้ดำรงอยู่นานนัก เนบิวลาบูมเมอแรงจะค่อยๆ อุ่นขึ้นอย่างช้าๆ Lars-Åke Nyman นักดาราศาสตร์ที่หอสังเกตการณ์ร่วม ALMA ในกรุงซานดีอาโก ชิลี และผู้เขียนร่วมรายงาน บอกว่า " เราได้เห็นวัตถุที่น่าสนใจนี้ในช่วงเวลาที่พิเศษและมีอายุสั้นมากๆ ในชีวิตของมัน เป็นไปได้ที่ตู้แช่ในอวกาศเหล่านี้พบได้ทั่วไปในเอกภพ แค่เพียงว่าพวกมันรักษาอุณหภูมิที่เย็นสุดขั้วนี้ไว้ในเวลาค่อนข้างสั้นเท่านั้น"

ดวงอาทิตย์ของเราเองก็จะดำเนินรอยตามกระบวนการนี้ในอีกไม่กี่พันล้านปีข้างหน้าเมื่อมันหมดเชื้อเพลิงไฮโดรเจนลง ดวงอาทิตย์จะพองตัวกลายเป็นดาวยักษ์แดง และเข้าสู่สภาวะเปลี่ยนผ่านนี้ในอีกไม่เกินหนึ่งหมื่นปี จากนั้นจะเริ่มทิ้งเปลือกก๊าซส่วนนอกออกมาเพื่อก่อตัวเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์ แกนกลางของดวงอาทิตย์ที่เผยโฉมออกมาจะเย็นตัวและหดตัวลงกลายเป็นดาวแคระขาว(white dwarf) ซึ่งเป็นซากดาวที่ไม่มีเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เหลือแล้ว หลังจากหลายพันล้านปีผ่านไป ดาวแคระขาวจะสูญเสียความร้อนที่เหลืออยู่ทั้งหมดและกลายเป็นดาวเย็นมืด(ดาวแคระดำ)

อย่างไรก็ตาม มนุษย์จะไม่มีโอกาสได้เห็นวาระสุดท้ายของดวงอาทิตย์ เพราะยิ่งมีอายุมากขึ้น ดวงอาทิตย์ก็จะยิ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้น จนในอีกราว 2,000 ล้านปีข้างหน้าดวงอาทิตย์จะร้อนจนถึงขั้นทำให้น้ำในมหาสมุทรเดือดได้

และเมื่อวันที่ 3 กันยายน 2020 ที่ผ่านมา Nasa ได้เปิดตัวคอลเลกชันภาพถ่ายที่น่าทึ่งของดวงดาวที่กำลังระเบิด และ'เนบิวลาดาวเคราะห์' ที่แสนงดงาม
ที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ทรงพลังที่สุด จากสถานีสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทรา (Chandra X-Ray Observatory) เป็นเวลาหลายสิบปี ซึ่งถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศ ในวันที่ 8 เมษายน 1999 และโคจรรอบโลกด้วยวงโคจรที่รีมากและสูงมาก ด้วยระยะทางสูงสุด 65,000 ไมล์ (105,000 กม.)

ทั้งนี้ เนบิวลาดาวเคราะห์ คือส่วนที่เคยเป็นแก๊สและฝุ่นผงชั้นผิวนอกของดาวฤกษ์ ถูกจัดให้เป็นวัตถุท้องฟ้าที่จางมาก มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า และเนบิวลาดาวเคราะห์จะกลายเป็นวัตถุดิบในการสร้างดาวฤกษ์ และระบบสุริยะรุ่นถัดไป ดังนั้นเนบิวลาดาวเคราะห์จึงเป็นเครื่องจักรสังเคราะห์ธาตุที่สำคัญในจักรวาลนั่นเอง

(ภาพ 'เนบิวลาดาวเคราะห์' นี้แสดงให้เห็นว่าดาวมีลักษณะอย่างไรเมื่อเชื้อเพลิงหมด Cr.Nasa)