ดร.บรรณวิชญ์ พิมพานุวัตร นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ช่วงคลื่นวิทยุ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NARIT ร่วมกับทีมนักวิจัยนานาชาติในโครงการ ATOMIUM ใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ALMA ส่องลึกถึงชั้นในสุดของแก๊สและฝุ่นรอบดาวฤกษ์วิวัฒน์ประเภท AGB ตรวจพบสัญญาณจากโมเลกุลซิลิกอนมอนอกไซด์ (SiO) ในสถานะพลังงานสูงสุดเป็นประวัติการณ์ เผยให้เห็นสภาพแวดล้อมสุดขั้วบริเวณจุดกำเนิดลมดาวฤกษ์ ช่วยพิสูจน์ทฤษฎีการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ ที่อาจไขความลับจุดกำเนิดสรรพสิ่งในเอกภพ งานวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society เมื่อวันที่ 9 พฤษภาคม 2569
ดาวฤกษ์ AGB (Asymptotic Giant Branch) คือดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยถึงปานกลาง ตั้งแต่ประมาณ 0.8-8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ที่เดินทางมาถึงช่วงท้ายของอายุขัย ในระยะนี้ ดาวจะขยายตัวใหญ่ขึ้นอย่างมหาศาล อุณหภูมิผิวลดลง และเกิดการยุบขยายตัวเป็นจังหวะรุนแรง จนสามารถยกมวลสารบริเวณผิวดาวออกสู่อวกาศ กลายเป็นชั้นแก๊สและฝุ่นหนาทึบที่โอบล้อมรอบตัวดาว (Circumstellar Envelope; CSE) ชั้นแก๊สและฝุ่นเหล่านี้เปรียบเสมือน “โรงงานรีไซเคิลของเอกภพ” เพราะสสารที่ถูกปลดปล่อยออกมาจะกระจายตัวกลับคืนสู่ห้วงอวกาศ กลายเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการสร้างดาวฤกษ์ดวงใหม่ ระบบสุริยะใหม่ รวมถึงธาตุสารเคมีพื้นฐานที่อาจนำไปสู่การก่อกำเนิดสิ่งมีชีวิต
สำหรับบริเวณชั้นในที่อยู่ใกล้ผิวดาวมากที่สุด เปรียบเสมือน “ห้องเครื่อง” ที่ขับเคลื่อนลมดาวฤกษ์ มีความหนาแน่นสูงและโครงสร้างซับซ้อน จึงเป็นพื้นที่ที่สังเกตการณ์ได้ยาก ทีมนักดาราศาสตร์จึงเลือกใช้โมเลกุลซิลิกอนมอนอกไซด์ (SiO) มาช่วยทำหน้าที่เสมือน “สายสืบ” สำหรับแกะรอยสภาพแวดล้อมบริเวณดังกล่าว เนื่องจาก SiO เป็นหนึ่งในโมเลกุลสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของฝุ่นซิลิเกต และสามารถปลดปล่อยสัญญาณสเปกตรัมในระดับพลังงานที่แตกต่างกันตามสภาพแวดล้อม ทำให้นักดาราศาสตร์ใช้สัญญาณเหล่านี้ตรวจสอบอุณหภูมิ ความหนาแน่น และการเคลื่อนที่ของแก๊สในจุดกำเนิดลมดาวฤกษ์ได้ละเอียดมากขึ้น
ดร.บรรณวิชญ์ พิมพานุวัตร กล่าวว่า โครงการ ATOMIUM (ALMA Tracing the Origins of Molecules In dUst-forming oxygen-rich M-type stars) เป็นโครงการวิจัยขนาดใหญ่ โดยใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ศึกษาองค์ประกอบและสัณฐานวิทยาของลมดาวฤกษ์จากดาวใกล้สิ้นอายุขัยที่อุดมด้วยออกซิเจน สำหรับงานวิจัยครั้งนี้ ได้สังเกตการณ์ดาวฤกษ์ AGB ประเภทดังกล่าวจำนวน 14 ดวง และตรวจพบเส้นสเปกตรัมของ SiO ในช่วงคลื่นความถี่ 214-270 GHz (เทียบเท่าช่วงความยาวคลื่นประมาณ 1 มิลลิเมตร) มากถึง 16 เส้น ครอบคลุมสถานะสั่นของโมเลกุล (vibrational state) ตั้งแต่ v = 0 ไปจนถึง v = 8 ซึ่งถือเป็น “สถานะพลังงานของ SiO สูงที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ” ในดาวฤกษ์ประเภท AGB ณ ปัจจุบัน โดยเส้นสเปกตรัมนี้มีค่าพลังงานระดับบนเทียบเป็นอุณหภูมิ (upper-state energy) สูงถึงประมาณ 13,700 เคลวิน ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิโดยทั่วไปของแก๊สในบริเวณชั้นในของ CSE รอบดาวฤกษ์ AGB เกือบ 10 เท่า
การที่โมเลกุล SiO จะถูกกระตุ้นขึ้นไปอยู่ในระดับพลังงานสูงเช่นนี้ บ่งชี้ว่าสภาพแวดล้อมใกล้ผิวดาวต้องมีความสุดขั้วและซับซ้อนอย่างมาก ซึ่งอาจเป็นผลจากคลื่นกระแทก (shock waves) ที่เกิดจากการยุบและขยายตัวของดาว การกระตุ้นด้วยสนามรังสีอินฟราเรดที่เข้มข้น (radiative pumping) การชนกันของโมเลกุล (collisional excitation) หรือสภาวะไม่สมดุลทางอุณหพลศาสตร์เฉพาะที่ (non-local thermodynamic equilibrium; non-LTE)
นอกจากนี้ งานวิจัยยังพบว่าสัญญาณ SiO หลายเส้นมีลักษณะเป็น “เมเซอร์” (maser) หรือการขยายสัญญาณคลื่นวิทยุและไมโครเวฟตามธรรมชาติในอวกาศ ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับ “เลเซอร์” ที่เรารู้จักกันดีในช่วงคลื่นที่ตามองเห็น เมเซอร์เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลจำนวนมากถูกกระตุ้นให้อยู่ในสภาวะที่ระดับพลังงานสูงมีประชากรมากกว่าปกติ (population inversion) ทำให้สัญญาณเพิ่มความเข้มขึ้นอย่างมากผ่านการเปล่งแสงแบบถูกเร้า (stimulated emission) ด้วยความสว่างของเมเซอร์ ประกอบกับเมเซอร์มักกระจุกตัวอยู่ในบริเวณเล็ก ๆ นักดาราศาสตร์จึงตรวจจับได้ง่ายกว่าการแผ่รังสีเนื่องจากความร้อน (thermal emission) ที่จางและกระจายตัวกว้างกว่า อีกทั้งยังสามารถระบุตำแหน่งของกลุ่มแก๊สได้แม่นยำ ช่วยให้เราเห็นรายละเอียดเชิงมุมของบริเวณใกล้ผิวดาวฤกษ์ AGB ซึ่งเป็นบริเวณที่ลมดาวฤกษ์กำลังเริ่มก่อตัวได้ดีขึ้น
ภาพข้อมูลความละเอียดสูงจาก ALMA ยังเผยให้เห็นว่า แก๊สพลังงานสูงรอบดาวเหล่านี้อาจไม่ได้กระจายตัวเป็นวงแหวนรอบดาว (ring-like structures) อย่างเรียบง่าย แต่กลับมีโครงสร้างซับซ้อน เป็นก้อนแก๊ส (clumps) และส่วนโค้ง (arcs) พร้อมทั้งมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วตามตำแหน่ง (velocity gradients) สอดรับกับกระบวนการยุบและขยายตัวของดาวที่ส่งคลื่นกระแทกผลักดันแก๊สบางส่วนให้ออกจากดาว ในขณะที่แก๊สบางส่วนที่ยังมีพลังงานไม่พอจะหลุดพ้น ก็อาจตกกลับคืนสู่ดาวภายใต้แรงโน้มถ่วง
อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยพบประเด็นที่ต้องศึกษาเพิ่มเติมว่า แม้ดาวดวงนั้นจะมีอัตราการสูญเสียมวลมาก แต่ไม่ใช่สิ่งที่บ่งชี้ว่าจะตรวจพบเส้นสเปกตรัม SiO ในช่วงความยาวคลื่นมิลลิเมตรจำนวนมากในดาวดวงดังกล่าวเสมอไป ซึ่งหมายความว่า การก่อตัวของลมดาวฤกษ์อาจไม่ได้ถูกควบคุมด้วยปริมาณมวลสารเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับโครงสร้างสามมิติของกลุ่มแก๊ส จังหวะการยุบและขยายตัวของดาว คลื่นกระแทก และการก่อตัวของฝุ่น ซึ่งเป็นโจทย์ท้าทายให้นักดาราศาสตร์ต้องศึกษาต่อไป ผ่านแบบจำลองคอมพิวเตอร์และการสังเกตการณ์ระยะยาวในอนาคต
งานวิจัยชิ้นนี้นับเป็นก้าวสำคัญในการเชื่อมโยงข้อมูลสังเกตการณ์จริงเข้ากับทฤษฎีการสิ้นอายุขัยของดาวฤกษ์ที่คล้ายดวงอาทิตย์ และแสดงถึงการขับเคลื่อนดาราศาสตร์ยุคใหม่เพื่อตอบคำถามสำคัญว่า “การตายของดาวฤกษ์” นั้น แท้จริงแล้วเกี่ยวข้องกับจุดเริ่มต้นของการสร้างสรรค์สรรพสิ่งใหม่ในเอกภพอย่างไร
เรียบเรียง: ดร. บรรณวิชญ์ พิมพานุวัตร - นักวิจัย ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ช่วงคลื่นวิทยุ
ข่าวเด่น