ครบรอบ 100 ปี H-R Diagram

  • พิมพ์

มนุษย์เราเห็นดาวเป็นเพียงจุดสว่างเล็กๆบนท้องฟ้าที่ไม่ได้มีความแตกต่างกันสักเท่าไร ทว่าในเวลาต่อมาหลังจากเทคนิคทางดาราศาสตร์ถูกพัฒนาขึ้น นักดาราศาสตร์เริ่มวัดปริมาณต่างๆเกี่ยวกับดวงดาวได้อย่างละเอียด เช่น สีสัน, ระยะห่างจากโลก ขนาด ความเร็วการเคลื่อนที่และความสว่างปรากฏ

        นักดาราศาสตร์เริ่มตระหนักว่าดาวบนท้องฟ้านั้นมีความหลากหลายมาก พวกเขาจึงคิดจะจัดหมวดหมู่พวกมันเพื่อศึกษา แต่คำถามคือท่ามกลางความหลากหลายเหล่านี้ เราจะจัดกลุ่มมันอย่างไร

        นักดาราศาสตร์พบว่าดาวฤกษ์นั้นมีสมบัติที่หลากหลายมาก 

          - พวกมันมีมวลตั้งแต่หนึ่งในสิบเท่าของดวงอาทิตย์จนถึงหกสิบเท่าของดวงอาทิตย์ (มวลมากกว่านั้นก็มีแต่มีน้อย

          - ความสว่างก็มีตั้งแต่หนึ่งในล้านเท่าของดวงอาทิตย์จนถึงเป็นล้านเท่าของดวงอาทิตย์ 

          - อุณหภูมิที่พื้นผิวมีตั้งแต่หนึ่งในสามเท่าของอุณหภูมิที่ผิวดวงอาทิตย์จนถึงมากเป็นสิบเท่า

          - ขนาดก็แตกต่างกันมากเพราะเส้นผ่านศูนย์กลางมีตั้งแต่หนึ่งในร้อยเท่าจนถึงร้อยเท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางดวงอาทิตย์

          สิ่งแรกๆที่นักดาราศาสตร์พยายามทำก็คือการมองหาว่าปริมาณเหล่านี้มีความสัมพันธ์กันอย่างไร วิถีทาง

หนึ่งที่ถูกยึดเป็นหลักจนทุกวันนี้เกิดขึ้นราว 100 ปีก่อน โดยนักดาราศาสตร์ชาวดัชต์  เอจนาร์ แฮร์ทสชปรุง( Ejnar Hertzsprung) และนักดาราศาสตร์อเมริกัน เฮนรี นอร์ริส รัสเซลล์ (Henry Norris Russell) ซึ่งทั้งคู่ทำการศึกษาหาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆของดวงดาวโดยไม่ได้นัดแนะปรึกษากันแต่อย่างใด

          พวกเขาเก็บข้อมูลของดาวดวงบนท้องฟ้าอย่างแม่นยำมาแผนภาพนี้(รูป 1)

 

1

 

          แผนภาพในรูป 1 ถูกตีพิมพ์ในปี 1914 โดย รัสเซลล์ แกนตั้งคือ ความสว่างสัมบูรณ์ของดวงดาว ส่วนแกนนอนเป็นสีของดาว(ความยาวคลื่นที่ดาวดวงนั้นปล่อยออกมามากที่สุด)

        เราจะเห็นว่าดาวส่วนมากเรียงรายอยู่เป็นแถบแทยงจากซ้ายบนลงมายังแนวขวาล่าง

 

ทำไมดาวฤกษ์ส่วนมากจึงอยู่ในแนวทแยงเช่นนี้?

        ก่อนจะตอบคำถามนี้ ลองดูแผนภาพแบบที่มักปรากฏอยู่ในหนังสือดาราศาสตร์ในปัจจุบันเสียก่อน (รูป2) เผื่อท่านที่สนใจไปศึกษาเพิ่มเติมจะได้เข้าใจ

 

2

 

        แผนภาพที่เห็นนี้ไม่ใช่แบบดั้งเดิม แต่เป็นแบบทำขึ้นใหม่อย่างสวยงามและแสดงแนวคิดสำคัญของแผนภาพดั้งเดิมที่นักดาราศาสตร์ทั้งสองคนได้ทำไว้อย่างครบถ้วน มันจึงถูกเรียกว่า แผนภาพแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์( Hertzsprung-Russell Diagram) 

        แผนภาพนี้แสดงข้อมูลสองอย่างของดาวฤกษ์โดยแกนตั้งเป็นความสว่างสัมบูรณ์ของดาวไม่ต่างจากแผนภาพดั้งเดิมซึ่งความสว่างสัมบูรณ์สามารถหาได้จากได้จากการวัดความสว่างดาวที่ปรากฏและการวัดระยะทางระหว่างโลกถึงดาวดวงนั้นด้วยวิธีที่เรียกว่าพารัลแลกซ์ (parallax) จากนั้นจึงนำปริมาณสองอย่างที่ได้มาคำนวณหาความสว่างสัมบูรณ์ ส่วนแกนนอนต่างออกไปเล็กน้อยเพราะเป็นอุณหภูมิที่พื้นผิวดาวซึ่งมีความสัมพันธ์โดยตรงกับสีของดาว 

        แกนนอนของแผนภาพสมัยใหม่จะบอกด้วยว่าดาวฤกษ์อยู่ในหมวดหมู่สเปกตรัม(spectral class)แบบใด ซึ่งดาวจะเรียงลำดับตามอุณหภูมิดังนี้

 

 

        ดาวที่อุณหภูมิสูงจัดจะมีสีน้ำเงินจัดอยู่ในกลุ่ม O และเมื่อลดหลั่นลงไปก็จะเป็นกลุ่ม B , A,F,G,K และกลุ่ม M ซึ่งเป็นดาวสีแดงขนาดเล็ก

        ลำดับของสเปคตรัมนี้เรียกว่า การจัดประเภทแบบฮาร์วาร์ด (Harvard spectral classification) ซึ่งถูกพัฒนาขึ้นโดยห้องวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยฮาวาร์ดในปี 1924 

        ในตอนเริ่มต้นมีการสร้างเรียงอักษรตามปกติตั้งแต่ A ถึง Q โดยเรียงตามความชัดของเส้นไฮโดรเจนที่ปรากฏในแถบสเปคตรัม แต่ในเวลาต่อมามีการพบว่ามีการซ้ำกันระหว่างประเภททำให้อักษรถูกตัดออกไปจนสุดท้ายก็ใช้การเรียงตามอุณหภูมิอย่างในปัจจุบัน

        การสร้างแผนภาพแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์สามารถทำได้โดยนำข้อมูลของดาวที่เราวัดค่าได้ใส่ลงไปในแผนภาพทีละจุด

        ยกตัวอย่าง สมมติว่า เราสนใจดาวซิริอุส เอ 

        สิ่งที่ต้องทำมีสองอย่างคือ วัดอุณหภูมิที่ผิวดาว ซึ่งจากการสังเกตสีพบว่าผิวดาวซิริอุสเอมีอุณหภูมิเกือบ 10,000 K และวัดความสว่างสัมบูรณ์ของมันซึ่งมีค่าประมาณ สิบเท่าของดวงอาทิตย์ จากนั้นเราก็พล็อตตำแหน่งของมันลงในแผนภาพเป็นอันเสร็จไปหนึ่งดวง

        ถ้าเราสนใจดาวอัลฟา เซนจูรี่บี สิ่งที่ต้องทำคือวัดอุณหภูมิที่ผิวของมันซึ่งมีค่าประมาณ5000 K และวัดความสว่างสัมบูรณ์ซึ่งมีค่าราวหนึ่งในสิบของความสว่างดวงอาทิตย์ จากนั้นก็พล็อตตำแหน่งลงไปในแผนภาพ

        ทำแบบนี้ไปเรื่อยๆจนเราได้แผนภาพที่แสดงทั้งอุณหภูมิและความสว่างสัมบูรณ์ของดาวจำนวนมากมายอย่างที่เห็น

        คำถามคือแผนภาพนี้บอกอะไรกับเรา?

        สิ่งที่แผนภาพนี้บอกเราคือธรรมชาติบางอย่างเกี่ยวกับดาวฤกษ์

        อย่างแรกคือ เราจะพบว่าดาวฤกษ์ประมาณ 90% ของดาวที่พบล้วนเรียงรายเป็นแนวทแยงจากด้านบนซ้ายของแผนภาพลงมายังด้านล่างขวา  เราเรียกดาวฤกษ์ที่อยู่ในเส้นแทยงนี้ว่า ดาวฤกษ์ในลำดับหลัก(Main sequence) ซึ่งพฤติกรรมของพวกมันคือ ยิ่งสว่างมากก็ยิ่งมีอุณหภูมิสูง , ยิ่งสว่างน้อยก็ยิ่งมีอุณหภูมิต่ำ อย่างมีแบบแผนชัดเจนแน่นอน มีดาวเพียงส่วนน้อยที่อยู่นอกเส้นทแยงและผิดแผกออกไป

อะไรทำให้ดาวฤกษ์ส่วนมากอยู่ในลำดับหลักและอยู่ในแนวทแยงแบบนี้?

 

ดาวในลำดับหลัก

        แบบแผนของดาวในลำดับหลักเป็นคำถามที่ไม่มีใครทราบคำตอบในยุคนั้นเนื่องจากในสมัยนั้นทฤษฎีควอนตัมเพิ่งถูกค้นพบ ยิ่งไปกว่านั้นคือยังไม่มีใครรู้จักปฏิกิริยาฟิวชันของดาวฤกษ์ด้วย 

         ในช่วงปี 1926 เซอร์อาเธอร์ เอ็ดดิงตัน  นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษเสนอทฤษฎีว่ามวลของดาวฤกษ์ในลำดับหลักจะมีเสถียรภาพดังนั้นมันจะมีขนาดคงที่ค่าหนึ่ง

        -ถ้าจู่ๆมันเกิดการขยายตัว ก๊าซจะเย็นลงส่งผลให้แรงดันออกมีค่าน้อยลง และแรงโน้มถ่วงจะดึงให้มันกลับมามีขนาดเท่าเดิม

        -ถ้าจู่ๆมันเกิดหดตัว ก๊าซจะร้อนขึ้นส่งผลให้แรงดันออกมีค่ามากขึ้นและผลักให้ดาวมีขนาดใหญ่ขึ้นตามเดิม

        นอกจากนี้เขายังพิสูจน์ด้วยทฤษฎีว่าดาวที่มีมวลมากจะยิ่งสว่างมากและยิ่งมีอุณหภูมิสูงมากอีกด้วย

        ตัวอย่างเช่น ดาวที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ จะมีความสว่างมากกว่าดวงอาทิตย์และมีอุณหภูมิมากกว่าด้วย ดังนั้นมันจะอยู่เหนือดวงอาทิตย์ขึ้นไปทางซ้ายของแผนภาพ HR 

        แน่นอน ดาวที่มีมวลน้อยกว่าดวงอาทิตย์ก็จะสว่างน้อยกว่าและมีอุณหภูมิต่ำกว่าดวงอาทิตย์ด้วย

        สาเหตุสามารถอธิบายได้ดังนี้

        ดาวที่มีมวลมากย่อมมีแรงโน้มถ่วงบีบอัดมาก ก๊าซที่ถูกอัดจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงมันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาด้วยอัตราที่สูงมาก เมื่อมันมีมวลมาก มันย่อมีขนาดใหญ่มากตามไปด้วยเพราะถึงแม้ว่าก๊าซปริมาณมากเหล่านี้จะถูกบีบอัดโดยแรงโน้มถ่วงมากก็ไม่ได้ถูกบีบอัดมากเกินไปได้ (ลองนึกถึงการอัดลูกสูบรถจักรยานครับ จะพบว่าเราไม่สามารถอัดให้อากาศในลูกสูบลดปริมาตรลงอย่างไร้ขีดจำกัดได้ พออัดไปถึงจุดๆหนึ่งมันจะแน่นจนอัดยากมาก ดังนั้นก๊าซมวลมากย่อมกินเนื้อที่มากไปด้วย) การที่มันมีขนาดใหญ่ย่อมส่งผลให้มันมีพื้นผิวที่เปล่งแสงสว่างออกมามากตามไปด้วย

        สรุปสั้นๆว่า มวลมาก อุณหภูมิสูงมาก  มีขนาดใหญ่มาก และสว่างมาก

        ส่วนคำถามที่ว่าทำไมเส้นลำดับหลักจึงมีลักษณะเช่นนี้ เป็นคำถามที่ต้องใช้การคำนวณอย่างละเอียดและค่อนข้างยุ่งยากเพราะลักษณะดาวในลำดับหลักในรายละเอียดไม่ได้ถูกอธิบายด้วยกฎชุดเดียวกันทั้งหมด

        พูดง่ายๆคือ ดาวฤกษ์ในลำดับหลักที่มีมวลน้อยๆมีพฤติกรรมที่ถูกอธิบายด้วยกฎฟิสิกส์ชุดหนึ่ง กล่าวให้ละเอียดได้ว่ามันอยู่ในสมดุลเนื่องจากแรงโน้มถ่วงดันเข้าและแรงดันจากการเคลื่อนไหวของก๊าซดันออก”  

        แต่เมื่อมวลเริ่มโตมาจนถึงจุดหนึ่งมันอยู่ในสมดุลเนื่องจากแรงโน้มถ่วงดันเข้าและแรงดันจากการแผ่รังสีเนื่องจากดาวฤกษ์มวลมากจะมีอุณหภูมิสูงทำให้มีอัตราการแผ่รังสีสูงมากไปด้วย ดังนั้นเมื่อมวลมากถึงจุดหนึ่งแรงดันจากการแผ่รังสีจะส่งผลต่อรูปร่างของดาวมากกว่าแรงดันของจากก๊าซที่ดันต้านแรงโน้มถ่วง  

        คำถามต่อมาคือ ทำไมดาวฤกษ์ส่วนมากจึงอยู่ในลำดับหลัก

        คำตอบซุกซ่อนอยู่ที่วิวัฒนาการของดวงดาวและเอกภพ

 

วิวัฒนาการของดาว

        ดาวในลำดับหลักเป็นดาวที่เพิ่งเกิดขึ้นมาใหม่ๆจนถึงช่วงวัยกลางคน มันจะอยู่ตำแหน่งใดในแผนภาพHR ขึ้นกับว่าตอนที่มันเกิดมันเริ่มต้นจากมวลมากแค่ไหน

        ถ้ามวลมาก มันจะสว่างมากและมีอุณหภูมิสูง มันจะมีสีฟ้าและอยู่บริเวณด้านบนซ้ายของแผนภาพ HR 

        ถ้ามวลน้อย มันจะสว่างน้อยและมีอุณหภูมิต่ำ มันจะมีสีแดงและอยู่บริเวณด้านล่างขวาของแผนภาพ HR

        ดาวมวลขนาดกลางจะมีสีเหลืองหรือขาว และอยู่กลางๆของแผนภาพ

        แต่ดาวฤกษ์ไม่ได้อยู่ในแถบลำดับหลักตลอดเวลา พอมันเริ่มเข้าสู่วัยชราพูดง่ายๆว่าพอเชื้อเพลิงของดาวเริ่มหมดลง ดาวในลำดับหลักจะเกิดการเปลี่ยนแปลงโดยเลื่อนตัวเองออกจากแถบลำดับหลักในแผนภาพ HR ออกไปยังตำแหน่งอื่นๆขึ้นกับมวลสารเริ่มต้นของดาวฤกษ์

        ดาวที่มีมวลมาก แม้ว่าจะมีเชื้อเพลิงไว้เผาผลาญในปริมาณมากก็จริง แต่อัตราการเผาผลาญเชื้อเพลิงจะมีค่าดังนั้นมันจะมีอายุสั้น ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยแม้ว่าจะมีมวลน้อยแต่อัตราการเผาเชื้อเพลิงก็จะน้อยลงมากจนกระทั่งมันมีอายุยืน แต่ไม่ว่ามันจะมีอายุเท่าใดก็ตามมันก็ยังอยู่ในช่วงลำดับหลักยาวนานมากๆเมื่อเทียบกับดาวด้านนอก

        ดังนั้นเหตุที่เราพบดาวฤกษ์ส่วนมากอยู่ในแถบลำดับหลักมีสองอย่าง คือ 1.ดาวในลำดับเป็นดาวฤกษ์ใช้ช่วงเวลาส่วนมากของชีวิตอยู่ในแถบลำดับหลัก ทำให้เรามีโอกาสเจอมันมากกว่าดาวอื่นๆ 2.มนุษย์เราอยู่ในช่วงที่เอกภพสร้างดาวฤกษ์ ถ้ามนุษย์เราเกิดขึ้นมาในเอกภพก่อนหน้านี้ดาวฤกษ์จะยังไม่เกิดขึ้นมา แต่ถ้ามนุษย์เราเกิดมาในช่วงเวลาหลังจากนี้นานมากๆ ดาวฤกษ์ในลำดับหลักจะลดปริมาณน้อยลงเรื่อยๆจนเราเห็นมันน้อยกว่าทุกวันนี้นั่นเอง

 

 

เขียนโดย 

อาจวรงค์ จันทมาศ

 

รูป 1

http://www.aal.lu/img/specialtopic/6/7.jpg

รูป

Sky and telescope

รูป 3

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dwarf_Stars.png