เนบิวลา “ปู” และพัลซาร์ “ปู”

เมื่อ 7,460 ปีก่อน ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งได้ถึงซึ่งวาระดับขันธ์ โดยการระเบิดอย่างรุนแรงเป็น supernova ปล่อยแสง อนุภาค และรังสีต่างๆ ซึ่งเดินทางถึงโลกในปี ค.ศ.1054 ทำให้นักดาราศาสตร์และโหราศาสตร์จีนเห็น และได้บันทึกว่าในวันที่ 4 กรกฎาคมของปีนั้นท้องฟ้าเหนือปักกิ่งมีดาวดวงหนึ่งที่สุกใสยิ่งกว่าดาวศุกร์ออกมาปรากฎให้เห็นในเวลากลางวันเป็นเวลานานถึง 23 วัน และดาวยังสุกสว่างในเวลากลางคืนเป็นเวลานานเกือบ 2 ปี ก่อนจะเลือนหายไป

อีกเกือบ 1,000 ปีต่อมา ดาวดวงนั้นได้กลายสภาพเป็นดาว pulsar (ดาวที่ส่งแสงเป็นลำ และหมุนรอบตัวเองทำให้เห็นแสงเป็นจังหวะๆ) อยู่ใจกลางเนบิวลาปู (Crab nebula) ซึ่งประกอบด้วยแก๊สร้อน และพลาสม่า ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงเรียกมันว่า พัลซาร์ปู (Crab pulsar) แม้มันจะอยู่ห่างจากโลกประมาณ 6,500 ปีแสง แต่ก็นับว่า “ใกล้” จนนักดาราศาสตร์สามารถเห็นรายละเอียดของทั้ง pulsar ปู และ nebula ปูได้ดี แม้นักดาราศาสตร์จะเห็นมันมานานนับพันปี แต่ตราบทุกวันนี้เราก็ยังมีความรู้เกี่ยวกับเนบิวลาปูและพัลซาร์ปูไม่สมบูรณ์ และในอนาคตอันไกลโพ้น เมื่อเนบิวลาปูขยายตัวออกไปเรื่อยๆ มันจะเจือจางลงๆ จนเลือนหายไปจากสายตา ส่วนพัลซาร์ปูนั้น ปัจจุบันมีชื่อทางการว่า SN 1054 (SN มาจากคำว่า supernova และตัวเลขแสดงปีที่พบ)

ประวัติดาราศาสตร์ได้บันทึกว่า ในปี 1731 John Bevis นักดาราศาสตร์อังกฤษคือบุคคลแรกที่เห็นเนบิวลาปู และอีก 27 ปีต่อมานักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Charles Messier ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญเรื่องดาวหาง ได้เขียนบันทึกในแคทตาล็อกของเนบิวลาที่เขาศึกษาอย่างเป็นทางการว่า เนบิวลาปูมีชื่อ M1 (M ตามชื่อ Messier และ 1 แสดงว่าเป็นเนบิวลาแรก) อีก 100 ปีต่อมาเมื่อ William Parsons ซึ่งเป็นนักดาราศาสตร์อังกฤษ ในตำแหน่ง Earl of Roses พยายามสเก็ตซ์ภาพของเนบิวลานี้ เขาได้พบว่า รูปร่างมันมีลักษณะคล้ายปู ดังนั้นทุกคนจึงเรียกเนบิวลาปูตั้งแต่นั้นมา

ณ เวลานั้น ทั้ง Messier และ Parsons ต่างก็ไม่รู้ว่า เนบิวลาปูนี้มีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับ supernova ที่แฝงอยู่ภายใน จนกระทั่งปี 1939 Nicholas U. Mayall แห่งหอดูดาว Lick ของมหาวิทยาลัย California ได้พบว่า มันเป็นเนบิวลาที่เกิดการระเบิดของ supernova ที่อยู่ภายใน

การศึกษาเนบิวลาปู ในเวลาต่อมาได้พบว่า มันปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาแทบทุกความยาวคลื่น ซึ่งแสงแต่ละความยาวคลื่นจะบอกธรรมชาติของ supernova ที่ให้กำเนิดมัน แต่เมื่อยิ่งศึกษา นักดาราศาสตร์ก็ยิ่งแปลกใจ เพราะในเบื้องต้น ทุกคนคิดว่ามันเป็นเพียงเนบิวลาที่เกิดหลังการระเบิดของดาวฤกษ์ดวงหนึ่งเท่านั้น แต่ในเวลาต่อมากลับพบว่า มันมีอะไรที่มากกว่าเนบิวลามาก

ในปี 1054 ที่นักดาราศาสตร์จีนเห็นพัลซาร์ปูที่ตำแหน่งกลุ่มดาววัว (Taurus) ว่าส่องสว่างจ้ามากอย่างทันทีทันใด และเมื่อเวลาผ่านไปๆ ดาวก็สว่างน้อยลงๆ จนสว่างเท่าดาวฤกษ์ทั่วไป อีกหลายศตวรรษต่อมา นักดาราศาสตร์ก็ได้พบว่า ความสว่างจ้านั้นเกิดจากการระเบิดของดาวฤกษ์ยามแตกดับ ดังในปี 1968 ที่นักดาราศาสตร์เห็นพัลซาร์ปูปรากฎอยู่ในเนบิวลาปูนั้นว่ามันประกอบด้วยอนุภาคนิวตรอนเท่านั้น และมีขนาดเล็กมาก คือมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวเพียง 20 กิโลเมตร อีกทั้งหมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วมาก จนสนามแม่เหล็กที่เกิดจากดาวพัลซาร์นี้ ทำให้อนุภาคที่พัลซาร์ปล่อยออกมีความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นกลายเป็นลำแสง (เหมือนลำแสงจากประภาคาร) ที่กวาดผ่านโลกวินาทีละ 30 ครั้งอย่างสม่ำเสมอ

แม้วันเวลาจะผ่านไปหลายพันปี แต่เมื่อถึงวันนี้ทั้งเนบิวลาปู และพัลซาร์ปูก็ยังครองความสนใจของนักดาราศาสตร์เสมอมา เพราะได้มีการพบว่า พัลซาร์ปูส่งเสียงคำรามเป็นระยะๆ ดังที่ Marco Tavani ได้รายงานไว้เมื่อ 7 ปีก่อนว่า

ในเดือนตุลาคม ค.ศ.2007 ขณะ Marco Tavani (ซึ่งเป็นนักวิจัยแห่งสถาบัน National Institute for Astrophysics) เดินทางด้วยรถไฟจาก Rome ไป Bologna ในอิตาลีเพื่อเข้าร่วมประชุมดาราศาสตร์ประจำปี ในฐานะหัวหน้าโครงการวิจัย AGILE ซึ่งควบคุมการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ที่รับเฉพาะรังสีแกมมา (gamma ray telescope) และกล้องถูกส่งขึ้นอวกาศในปี 2006 หลังจากที่เวลาผ่านไปเกือบปี Tavani ก็ต้องรายงานผลที่ได้จากโครงการในที่ประชุม เพื่อยืนยันให้ทุกคนรู้ว่า กล้องโทรทรรศน์ของโครงการกำลังทำงานอย่างได้ผล Tavani เล่าว่า เมื่อรถไฟใกล้จะถึง Bologna เขาได้นำ laptop ขึ้นมาตรวจสอบสไลด์ที่จะนำเสนอต่อที่ประชุม แล้วคิ้วของเขาก็เริ่มขมวด เพราะในสไลด์หลายรูปที่กล้องเพิ่งถ่ายได้ เมื่อเดือนกันยายนที่ผ่านมาต่างแสดงดาวพัลซาร์ที่เป็นต้นกำเนิดของรังสีแกมมา 3 แหล่ง โดยมีพัลซาร์ดวงแรกชื่อ Vela pulsar ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 1,000 ปีแสง ดวงที่สองคือ Geninga pulsar ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 500 ปีแสงและ Crab pulsar ซึ่งอยู่กลางเนบิวลา “ปู” และอยู่ห่างจากโลก 6,000 ปีแสง

พัลซาร์ทั้งสามดวงนี้ได้ปล่อยรังสีต่างๆ ออกมาเป็นจังหวะอย่างสม่ำเสมอ จนนักดาราศาสตร์นิยมใช้มันเป็นดาวมาตรฐานในการวัดระยะทางที่ดาวฤกษ์ต่างๆ อยู่ห่างจากโลก เพราะ Geninga pulsar อยู่ใกล้โลกยิ่งกว่า Crab pulsar ดังนั้นความเข้มแสงจาก Ganinga pulsar จึงควรมากกว่า แต่ในภาพที่ Tavani กำลังจ้องดูอยู่นั้น Crab pulsar กลับสว่างกว่า Geninga pulsar ซึ่งแสดงให้เห็นว่า กล้องโทรทรรศน์ที่ Tavani ใช้ศึกษาเอกภพในโครงการ AGILE ทำงานบกพร่อง Tavani รู้สึกอยากจะดึงสไลด์ที่ผิด “ปกติ” ออก แต่ไม่ทัน เพราะเขาต้องขึ้นบรรยายในที่ประชุมในอีกหนึ่งชั่วโมง

ขณะใกล้จะจบการบรรยาย Tavani ตัดสินใจนำสไลด์ที่มี “ปัญหา” เสนอในที่ประชุม ซึ่งได้ทำให้ทุกคนรู้สึกประหลาดใจ หลังจากนั้น Tavani ก็มิได้ศึกษาเรื่องนี้ต่อ เพราะเขามีงานอื่นอีกมากที่ต้องทำ

ตามปกตินักดาราศาสตร์ฟิสิกส์มักโปรดปรานการศึกษาพัลซาร์ปู เพราะทุกคนรู้ต้นกำเนิดของมัน ทำให้สามารถติดตามวิวัฒนาการของมันได้โดยตลอด Tavani เองได้เคยเห็นภาพพัลซาร์ปูในหนังสือดาราศาสตร์ตั้งแต่สมัยที่ยังเป็นเด็ก และขณะทำปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัย Columbia ในสหรัฐอเมริกาเขาก็วิจัยเรื่องพัลซาร์ปู เมื่อสำเร็จการศึกษา และเดินทางกลับบ้านเกิดที่อิตาลี เขาก็ยังวิจัยเรื่องนี้ต่อ เพื่อให้เข้าใจว่าอนุภาคที่มีประจุและกำลังพุ่งทะลักออกจากพัลซาร์ปูนั้นทำปฏิกิริยากับแก๊สและพลาสม่าที่ล้อมรอบพัลซาร์ปูอย่างไร

ในปี 2007 องค์การอวกาศของอิตาลีได้รับโครงการวิจัยของ Tavani ว่าเขาต้องการถ่ายภาพของดาวฤกษ์ต่างๆ ที่เปล่งรังสีเอ็กซ์ และรังสีแกมมา โดยใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ AGILE ที่องค์การอวกาศของอิตาลีเพิ่งส่งขึ้นสำรวจดาวในอวกาศ

ณ เวลาที่ Tavani เสนอโครงการวิจัยนั้น เขาไม่คิดจะศึกษาพัลซาร์ปู เพราะรู้สึกว่า มันเป็นดาวที่ใครๆ ก็รู้จัก และไม่มีอะไรให้รู้เพิ่มเติมอีก

แต่หลังจากที่กลับจากการประชุมที่ Bologna ได้หนึ่งปี Carlotta Pittori ซึ่งเป็นนักวิจัยคนหนึ่งในทีมวิจัยของ Tavani ได้นำภาพของดาวฤกษ์ต่างๆ ที่เปล่งรังสีแกมมามาให้ Tavani ดู จากภาพร่วม 50 ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ AGILE ในช่วงเดือนกรกฎาคม 2007 ถึงเดือนมิถุนายน 2008 Pittori ได้คำนวณปริมาณรังสีแกมมาโดยเฉลี่ยที่ดาวแต่ละดวงปล่อยออกมาในหนึ่งปี และรู้สึกว่ามีอะไรที่ผิดปกติที่พัลซาร์ปู เพราะตัวเลขที่ได้ “สูง” กว่าค่าที่เคยได้เมื่อ 10 ปีก่อนซึ่งถ่ายด้วยกล้องโทรทรรศน์ Compton Gamma Ray Observatory ของ NASA ถึง 30%

เมื่อตรวจรายละเอียด Tavani ก็พบว่า ค่าที่ต้องสงสัยนี้เกิดขึ้นเฉพาะในเดือนกันยายนปี 2007 ที่ พัลซาร์ปูปล่อยรังสีแกมมาออกมาในหนึ่งเดือนมากเท่ากับปริมาณที่เคยปล่อยในหนึ่งปี จึงเปรยๆ ว่า ตัวเลขที่ผิดปกตินี้คงเกิดจากการที่กล้องโทรทรรศน์ทำงานผิดปกติ แต่ Pittori ยังไม่ยอมรับความคิดเห็นของอาจารย์ เธอเสนออาจารย์ให้รายงานตัวเลขที่วัดได้อย่างตรงไปตรงมา แต่ให้ข้อสังเกตในตอนท้ายของบทความวิจัยว่า ประเด็นค่าผิดปกตินี้กำลังอยู่ในขั้นตอนของการวิเคราะห์

เมื่อรายงานวิจัยนี้ปรากฏในวารสาร Astronomy Astrophysics ฉบับเดือนกันยายน 2009 ออนไลน์ ในรายงานนั้นมีภาพที่แสดงว่า พัลซาร์ปูสุกสว่างยิ่งกว่าพัลซาร์ Geninga นี่เป็นภาพเดียวกับที่ Tavani เคยนำเสนอในการบรรยายในที่ประชุมปี 2007

สังคมวิชาการยังไม่มีปฏิกิริยาใดๆ เพราะทุกคนรู้ดีว่า ถ้าอุปกรณ์ทำงานผิดปกติ ตัวเลขที่ได้ก็จะผิดปกติไปด้วย

ในช่วงเวลานั้น โครงการ AGILE ได้รับการพัฒนาให้สามารถนำเสนอภาพของดาวฤกษ์ต่างๆ ที่เปล่งรังสีแกมมาได้ทุก 2 ชั่วโมงเพื่อรายงานบน website เมื่อถึงเวลาเที่ยงคืนของวันที่ 20 กันยายน ปี 2010 ก่อน Tavani จะเข้านอน เขาได้เปิด website เพื่อดูเนบิวลาปูอีกครั้ง และเห็นจุดสว่างสีเหลืองปรากฏบนจอ เขารู้ทันทีว่า พัลซาร์ปูกำลังคำรามอีกแล้ว

ในวันรุ่งขึ้น ก่อนจะเข้าประชุมกับทีมวิจัย Tavani ได้ขอให้นิสิตปริญญาเอกชื่อ Edoardo Striani ซึ่งเป็นผู้รับผิดชอบเรื่องข้อมูลในโครงการ AGILE ตรวจดูข้อมูลของพัลซาร์ปูอีกครั้ง เพื่อดูว่าพัลซาร์ปูมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรหรือไม่ ในช่วง 2-3 วันที่ผ่านมา

แล้วอาจารย์กับลูกศิษย์ทุกคนก็ได้เห็นความจริงว่า พัลซาร์ปูกำลังปล่อยรังสีแกมมามากผิดปกติจริง แม้ในวันต่อมาปริมาณรังสีจะลดลง แต่ก็ยังสูงกว่าปกติอยู่ดี

คณะวิจัยจึงส่งโทรเลขรายงานการพบแสงจ้า (flare) ในพัลซาร์ปูต่อวงการดาราศาสตร์

ในวันต่อมาคณะวิจัยของ NASA ที่อเมริกาซึ่งใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Fermi ก็ยืนยันความถูกต้องในการสังเกตของ Tavani

Tavani กับคณะจึงเขียนรายงานการพบปรากฏการณ์นี้ลงในวารสาร Science ฉบับวันที่ 11 กุมภาพันธ์ ค.ศ.2011

นับตั้งแต่ปี 2010 เป็นต้นมา นักวิจัยในโครงการ AGILE และ Fermi ได้เห็นการเปล่งแสงจ้า (flare) ของพัลซาร์ปูปีละ 1-2 ครั้ง แต่ละครั้งนาน 2-3 วัน

ถึงเดือนมกราคม ค.ศ.2013 คณะวิจัยของ Tavani แห่งโครงการ AGILE ได้รับรางวัล Bruno Rossi จาก American Astronomical Society ของอเมริกาในฐานะผู้พบองค์ความรู้ที่สำคัญในวิชาฟิสิกส์ดาราศาสตร์พลังงานสูง

คำถามต่อไป คือ อะไรทำให้ พัลซาร์ปูเปล่งแสงจ้าอย่างผิดปรกติ

Tavani คิดว่า อนุภาคที่มีประจุซึ่งถูกขับออกมาจากพัลซาร์ปูเมื่อพุ่งกระทบพลาสมาที่ไม่เสถียรที่ล้อมรอบมันอยู่ ทำให้อนุภาคถูกขับเคลื่อนจนมีความเร็วสูงมาก จึงปล่อยรังสีแกมมาออกมาให้เห็นเป็นแสงจ้า

นี่เป็นเพียงความเห็น มิใช่ทฤษฎี ดังนั้น เรื่องนี้จึงต้องมีการติดตามต่อไป

อ่านเพิ่มเติมจาก Pulsar Astronomy – 2000 and Beyond โดย A.G. Lyne และ F. Graham-Smith จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 1998

เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์








****************************



****************************