ทำความรู้จักกับดาวแคระน้ำตาล เจ้าของสมญานาม “ดาวฤกษ์ที่ล้มเหลว”

          นักดาราศาสตร์มีความเข้าใจเรื่องการกำเนิดของดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ในระดับพื้นฐานมาสักระยะหนึ่งแล้ว โดยดาวฤกษ์จะกำเนิดจากกลุ่มแก๊สขนาดใหญ่ที่หมุนและยุบตัวลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของตัวมันเอง จนกระทั่งอุณหภูมิที่ศูนย์กลางของมวลมีมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันหลอมรวมอะตอมไฮโดรเจนให้กลายเป็นฮีเลียมปลดปล่อยพลังงานมาต้านทานการยุบตัวและสามารถส่องสว่างได้ด้วยพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันนี้ ในขณะที่ดาวเคราะห์นั้นเกิดจากการที่แก๊สและฝุ่นที่หลงเหลืออยู่จากการก่อตัวของดาวฤกษ์เกาะตัวกันเป็นจานหมุนรอบดาวฤกษ์ และภายหลังเกิดจับตัวกันเป็นกลุ่มก้อนกลายเป็นดาวเคราะห์บริวารโคจรรอบดาวฤกษ์นั้น 


          ลักษณะสำคัญอีกอย่างหนึ่งนอกจากจุดกำเนิดที่ใช้แบ่งแยกดาวเคราะห์ออกจากวัตถุอื่นก็คือ หากวัตถุนั้นสามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันขึ้นได้ ก็จะไม่ถือว่าวัตถุนั้นเป็นดาวเคราะห์ ปฏิกิริยาฟิวชันแบ่งย่อยเป็นสองแบบคือ ปฏิกิริยาฟิวชันของดิวเทอเรียมและปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจน ซึ่งจะเป็นแบบใดนั้นขึ้นอยู่กับมวล โดยมวลมากกว่า 13 เท่าของดาวพฤหัสบดีจะสามารถเกิดปฏิกิริยาฟิวชันของดิวเทอเรียมได้ ส่วนปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจนนั้นจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีมวลมากกว่า 75 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาฟิวชันของดิวเทอเรียมนั้นไม่สามารถทำให้วัตถุคงเสถียรอยู่ได้เป็นเวลานาน ดาวฤกษ์โดยทั่วไปจึงต้องมีปฏิกิริยาฟิวชันของไฮโดรเจน ซึ่งหมายความว่าดาวฤกษ์จะต้องมีมวลอย่างน้อยเป็น 75 เท่าของมวลของดาวพฤหัสบดี 


          จากความรู้นี้เองนักดาราศาสตร์จึงคิดกันต่อว่า จะเกิดอะไรขึ้นกับพวกกลุ่มแก๊สที่มีมวลน้อยกว่า 75 เท่าของมวลของดาวพฤหัสบดี แนวคิดหนึ่งก็คือกลุ่มแก๊สจะยุบตัวลงจับตัวกันเป็นกลุ่มก้อนและปล่อยพลังงานจากการยุบตัว (พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจากการชนกันระหว่างอนุภาคภายในกลุ่มแก๊ส) ออกมาเรื่อยๆ จนถึงจุดที่ไม่สามารถยุบตัวได้อีกแล้ว วัตถุนั้นก็จะค่อยๆ เย็นลงและดับไปในที่สุด ในปี 1963 นักดาราศาสตร์ตั้งสมมติฐานว่าจะต้องมีวัตถุเหล่านี้อยู่มากมายนับไม่ถ้วนในห้วงอวกาศที่รอการถูกค้นพบ วัตถุนี้จะปล่อยรังสีในย่านอินฟราเรดและมีแสงในย่านที่ตามองเห็นจางมาก เดิมทีนักดาราศาสตร์เรียกวัตถุประเภทนี้ว่า ดาวแคระดำหรือดาวอินฟราเรด ต่อมาในปี 1975 ได้ถูกเปลี่ยนชื่อเรียกเป็น ดาวแคระน้ำตาล (brown dwarf) การที่ดาวแคระน้ำตาลมีมวลที่ไม่มากพอจะกำเนิดเป็นดาวฤกษ์ได้นี้เอง เป็นที่มาของสมญานามว่าดาวฤกษ์ที่ล้มเหลว (failed star)


          ดาวแคระน้ำตาลเป็นวัตถุที่มีความแปลกประหลาด เป็นวัตถุที่มีมวลมากกว่าขีดจำกัดมวลของดาวเคราะห์ แต่ก็ไม่มากพอที่จะเป็นดาวฤกษ์ แม้ว่าจะมีลักษณะการกำเนิดคล้ายกับดาวฤกษ์ คือเกิดจากการยุบตัวของกลุ่มแก๊สเนื่องจากแรงโน้มถ่วง แต่เนื่องจากไม่มีปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันของไฮโดรเจน การแผ่พลังงานของดาวแคระน้ำตาลจึงเป็นไปในลักษณะเดียวกันกับดาวเคราะห์ชนิดแก๊สขนาดใหญ่ ซึ่งแผ่รังสีในย่านอินฟราเรด การค้นหาและตรวจพบดาวแคระน้ำตาลจึงมีความยากพอๆ กับการตรวจพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะเลยทีเดียว หลังจากความพยายามของนักดาราศาสตร์นับสิบปีการยืนยันการค้นพบดาวแคระน้ำตาลก็มาประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรกในปี 1995 โดยหลักฐานจากกล้องโทรทรรศน์ที่ตั้งอยู่บนภูเขา Mount Palomar และภาพถ่ายยืนยันจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิ้ลของนาซ่า โดยดาวแคระน้ำตาลนี้มีชื่อว่า Gliese 229B (GL229B) ซึ่งอยู่ในระบบดาวเดียวกันกับดาวฤกษ์ Gliese 229 อยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทาง 19 ปีแสง Gliese 229B ถูกคาดคะเนว่ามีมวลประมาณ 20-50 เท่าของดาวพฤหัสบดี หลังจากการค้นพบนี้นักดาราศาสตร์ก็ได้ค้นพบดาวแคระน้ำตาลอื่นๆ ตามมาอีกมากมาย

            เนื่องจากดาวแคระน้ำตาลนั้นมีความคล้ายคลึงกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะหลายด้าน อาทิการโคจรอยู่รอบดาวฤกษ์ อุณหภูมิพื้นผิวและการส่องสว่าง รวมไปถึงมวล การศึกษาแคระน้ำตาลจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดต่อการแยกดาวแคระน้ำตาลออกจากดาวเคราะห์ ซึ่งจะนำไปสู่ความเข้าใจเกี่ยวกับการกำเนิดและวิวัฒนาการของดาวแคระน้ำตาลรวมไปถึงดาวเคราะห์ได้ ในปัจจุบันได้มีการใช้หลักในการแบ่งแยกดาวแคระน้ำตาลออกจากดาวเคราะห์อยู่สามอย่างคือ ⁽¹⁾ จุดกำเนิด ซึ่งอาจสันนิษฐานได้จากลักษณะการโคจร โดยหากเป็นดาวเคราะห์จะโคจรอยู่รอบดาวฤกษ์เป็นระนาบเดียวกันทั้งหมด เนื่องจากกำเนิดมาจากกลุ่มแก๊สที่มีลักษณะเป็นจานหมุนดังที่กล่าวไปข้างต้นแล้ว ดังนั้นหากพบวัตถุที่ไม่ได้โคจรในระนาบนี้ก็สามารถคาดคะเนได้ว่าวัตถุนั้นอาจเป็นดาวแคระน้ำตาล ⁽²⁾ มวล ดังที่กล่าวไปแล้วว่า ค่ามวลที่ใช้แบ่งแยกคือที่ประมาณ 13 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี ซึ่งการวัดค่ามวลนั้นสามารถทำได้จากการสังเกตวงโคจร ⁽³⁾ อุณหภูมิและองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศ ซึ่งสามารถสังเกตได้จากสเปกตรัมของแสงที่วัตถุนั้นปล่อยออกมา อย่างไรก็ตามในบางครั้งคุณสมบัติเหล่านี้ก็คาบเกี่ยวกันหรือขัดแย้งกันเองระหว่างดาวแคระน้ำตาลและดาวเคราะห์ และการวัดวงโคจรและมวลของดาวเคราะห์และดาวแคระน้ำตาลก็ยังมีความยากลำบาก รวมทั้งความเข้าใจในคุณสมบัติของดาวแคระน้ำตาลก็ยังมีไม่มากพอ ทำให้การแบ่งแยกวัตถุสองชนิดนี้จึงยังเป็นความท้าทายทางด้านดาราศาสตร์ในปัจจุบัน 


          ด้วยเหตุผลนี้เองจึงไม่น่าแปลกใจเลยที่โครงการทางด้านดาราศาสตร์ในปัจจุบันและในอนาคต จะมีการศึกษาดาวแคระน้ำตาลเป็นเป้าหมายสำคัญรวมอยู่ด้วยเสมอ ตัวอย่างเช่นเมื่อเดือนตุลาคมปีที่ผ่านมา ยาน TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ของนาซ่า ที่เริ่มต้นภารกิจมาตั้งแต่ปี 2018 (ภารกิจหลักคือการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ) ก็ได้คนพบดาวแคระน้ำตาลได้เป็นครั้งแรกของภารกิจ โดยดาวแคระน้ำตาลที่ค้นพบใหม่นี้ชื่อว่า TOI-503b มีมวล 53.7 เท่าของมวลของดาวพฤหัสบดีและมีขนาด 1.34 เท่าของขนาดของดาวพฤหัสบดี นอกจากนี้กล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb (James Webb Space Telescope) ที่มีแผนจะถูกส่งขึ้นสู่อวกาศในปี 2021 ก็ได้เตรียมที่จะทำภารกิจเพื่อสำรวจดาวแคระน้ำตาลที่มีมวลน้อยมากๆ โดยหวังว่าการศึกษานี้จะทำให้เกิดความเข้าใจในกระบวนการกำเนิดของดาวแคระน้ำตาล ดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ได้ดียิ่งขึ้น

 

แหล่งอ้างอิง

• [1] https://hubblesite.org/contents/news-releases/1995/news-1995-48.html
• [2] http://w.astro.berkeley.edu/~basri/bdwarfs/SciAm-book.pdf
• [3] https://arxiv.org/abs/1909.07984
• [4] https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-webb-telescope-to-search-for-young-brown-dwarfs-and-rogue-planets