Supernovas & Supernova Remnants

ฤทธิ์เดช Supernovas เป็นความยิ่งใหญ่จากการระเบิด การสังเกตการณ์ในทาง
ดาราศาสตร์ถือว่ามีความสวยงาม ด้วยสีสรรของก๊าซ ที่เปล่งรังสีอย่างโชติช่วง
น่าตื่นตาตื่นใจ แต่เบื้องหลังนับว่า เป็นช่วงกลียุคแห่งดาวไร้เสถียรภาพ มีแต่ความ
เจ็บปวดแสนสาหัส ด้วยการระเบิดตนเอง อย่างรุนแรงสุดขั้วกว่าระเบิดนิวเคลียร์
นับหลายล้านเท่า

รู้จัก Supernovas ตามหลักเกณฑ์

Supernova type-I เป็นการระเบิดออก (แตกกระจาย) ของ ดาวที่หมดอายุขัย (Death of a star) ด้วยจากการผลักดันกันเพิ่มขึ้นของก๊าซ ในระบบดาวคู่ (Binary
system) หรือการรวมกันกับ ดาวแคระขาว (White dwarf) ดวงอื่นๆ โดยดาวแคระ
ขาวนั้น มีมวลมากกว่า Chandrasekhar limit (หน่วยวัดมวลของดาวแคระขาวหรือ
เท่ากับ 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์) อุณหภูมิความร้อนไส้ในแกน จึงแสดงผลเกิดจุด
ชนวนระเบิด Nuclear fusion reactions (การหลอมละลายของ นิวเคลียสอะตอม
ธาตุ) ปลดเปลื้องพลังงานมหาศาลทั้งหมดออกมา

ขณะดาวระเบิดแตกกระจายออกมาในราว 10 วินาที อย่างไม่หลงหลือเศษซาก (Remnant) การแผ่ขยายตัวตลบฟุ้งของเฆมหมอก มีรัศมีความสว่างหลายสัปดาห์
ลักษณะการแผ่รังสี (Radioactive) ของ Nickel หมดสภาพเป็น Cobalt และ Iron

Supernova type-II เป็นการระเบิดออก (แตกกระจาย) ของดาวที่หมดอายุขัย
(Death of a star) เป็นแปรขบวน ดาวมวลขนาดยักษ์ต่อการยุบตัวภายไส้ในแกน
ของดาวอย่างกะทันหันอัดระเบิดจากข้างใน ทำลายล้างสู่ภายนอกรอบๆดาวนั้น

ขบวนการปรากฎขึ้นของ Supernova type-Ia

1.ดาว 2 ดวงโคจรเป็นตุ้มถ่วงกัน ในระบบดาวคู่ (Binary system) ตามปกติ

2.ปรากฎว่าดาวดวงหนึ่ง มีมวลมากกว่า ขยายตัวขึ้นเป็น ดาวยักษ์ (Giant star)

3.ต้นเหตุเกิดเศษก๊าซขยายตัวจากดาวดวงใหญ่ ไปห้อมล้อมดาวอีกดวง ขณะหมุนโคจรตามกัน

4.ต่อมา ดาวยักษ์เล็กลงเหลือแต่ไส้แกน (Core)
ดาวทั้งสองยังหมุนโคจร ท่ามกลางก๊าซห่อหุ้ม ซึ่งไหลท่วมวงโคจร

5.ก๊าซถูกขับไล่ห่างออกไป ระยะห่างของดาวทั้งสอง ใกล้เข้ากันมากขึ้น

6.เศษซากของไส้แกนจากดาวดวงใหญ่ ทับถมมากเข้าทำให้เกิด ดาวแคระขาวขึ้น (White dwarf)

7.ต่อมา ดาวขยายตัวอีก เศษก็าซไปห้อมล้อมดาวแคระขาว

8.ดาวแคระขาว มีอุณหภูมิความร้อนไส้ในแกนร้อนสุดขั้ว จึงแสดงผลเกิดจุด ชนวนระเบิด

9.ดาวเดิมที่อยู่ใกล้เคียง ถูกแรงดีดออกไปไกลจากตำแหน่งเดิม

การทับถมของก็าซ สู่ใจกลาง White dwarf ของ Cat's Eye (Planetary nebula)
เรัยกประเภทนี้ว่า White Dwarfs & Planetary Nebulas มีระยะห่างจากโลก 3,000 ปีแสง

ขบวนการปรากฎขึ้นของ Supernova type-II

1.แหล่งพลังงานนิวเคลียส (Nuclear power) หมดกำลังลง ไส้แกนจึงยุบตัว
2.ปลดเปลื้องพลังงานทั้งหมดอย่างมหาศาล จากการก่อตัวเป็นดาวนิวตรอน (Neutron star) ด้านใน
3.คลื่นสะท้าน ปฎิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนสูง ด้วยกระไหลความเชี่ยวรุนแรง ดาวจึงพังทะลายลง

Neutron star ปลดปล่อยพลังงานสูง คล้ายดาวหาง มีความร้อนนับล้่านองศา C
ใน IC 443 ประเภท Supernova remnant บริเวณ Milky Way มีระยะห่างจากโลก 5,000 ปีแสง

อธิบายเพิ่มเติมถึงการแยกประเภทย่อย

กาแล็คซี่ทางช้างเผือก ราวๆทุก 50 ปี ดาวมวลยักษ์ (Massive star) อย่างน้อย
จำนวน 1 ดวง จะระเบิดตัวเอง แต่หากทั้งจักรวาลคงมีจำนวนน่าตกใจ และแผ่พลัง
งานระเบิด เป็นรังสีเป็นแสงส่องวาว (Flash of radiation) เกิด Shock waves
(คลื่นสะท้าน) คล้ายกับ Sonic booms (คลื่นที่เกิดจากวัตถุวิ่งด้วยความเร็วเหนือ
เสียง)

Supernova type-II จะปรากฎชัดเจนของ Hydrogen แผ่ขยายทับถมเป่าออกมา
จากการระเบิดแตกกระจาย มักเกิดบริเวณที่มีแสงมาก บริเวณที่มีดาวรุ่นใหม่ เช่น
บริเวณขด-วงแขน (Spiral arms) ของกาแล็คซี่ ยังไม่พบในกาแล็คซี่ประเภท
รูปทรงไข่ (Elliptical galaxies) โดยมีมวลลดลงและอายุเก่าแก่เป็นส่วนสำคัญ

สำหรับ Type II การระเบิดคล้ายกับ Type Ib และ Type Ic ซึ่งเกิดความหายะ
จากการยุบตัวไส้แกนภายใน ของดาวยักษ์ทั้งสิ้น

ส่วน Supernova type-Ia ไม่เป็นเช่นนั้น การวิเคราะห์อย่างละเอียดประเภทดัง
กล่าว ต้องมีความเกียวพันกับประเภทดาว ที่จะก่อให้เกิด Supernovas

และ Type Ia ระเบิดขึ้นด้วย Thermonuclear (ปฎิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนสูง)
แบบกะทันหันมีลักษณะแตกต่างกว่าทุกประเภท และเกิดจากดาวแคระขาว ด้วย
การอัดเคี่ยวข้นเกาะกันของเศษซาก กลมเหมือนดวงอาทิตย์และดาวแคระขาว
มีความหนาแน่น เป็นก้อนจากปฐมภูมิของ Carbon และ Oxygen atoms อย่าง
มั่นคงมีเสถียรภาพของดาว จนกว่ามวลจะลดต่ำกว่า Chandrasekhar (หน่วยวัด
มวลของดาวแคระขาวหรือเท่ากับ 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ ) จึงทำให้ดาวแคระ
ขาว ระเบิดแตกออกเป็นชิ้นส่วน

บางกรณี Supernova type-I แสดงลักษณะพิเศษหลายอย่างคล้าย Supernova
type-II ดังนั้นจึงกำหนดประเภทให้แตกต่างกัน เป็น Type Ia -Type Ib - Type Ic

การยุบตัวของไส้แกน (Core-collapse) ของ Supernovas พบว่ามี Shock wave ในสนามแม่เหล็ก

การยุบตัวของไส้แกนภายใน Supernova

ทั่วไปภาพถ่ายที่เห็นเป็นขณะ Supernova ยุบตัวของไส้แกน (Core-collapse)
โดยเกิดจากจุดศูนย์กลางภายใน เป็นแหล่งพลังงานนิวเคลียส (Nuclear power)
หมดกำลังลง ไส้แกนจึงยุบตัว

ในเวลาเสี้ยววินาที เกิดการก่อสันฐานเป็น Neutron star (ดาวนิวตรอน) หรืออาจ
เป็นหลุมดำ (ถ้ามีมวลมาก) การก่อตัวเป็น ดาวนิวตรอน จะปลดเปลื้องพลังงานทั้ง
หมดอย่างมหาศาล จากอนุภาค Neutrinos (อนุภาคที่มองไม่เห็น) และความร้อน
อัดออกมาจากด้านใน

การแปรขบวนด้านใน จุดศูนย์กลางดาวนิวตรอนความเร็วเกินกว่า 50 ล้านกิโลเมตร
ต่อชั่วโมง จึงเกิด Thermonuclear shock wave (คลื่นสะท้าน ปฎิกิริยานิวเคลียร์
ความร้อนสูง) ด้วยกระไหลความเชี่ยวรุนแรง ดาวจึงพังทะลายลง

เกิดหลอมละลายธาตุเบาและไปสู่ธาตุหนัก แต่ละครั้งเกิดแสงวาว เท่าแสงดวง
อาทิตย์ 1,000 ล้านดวง การวิเคราะห์พบว่า สิ่งที่เกิดเช่นนี้น่ากลัว เพราะเป็นไปได้
ต่อการเร่งเพิ่มสนามพลังงานลึกลับ เรียกว่า Dark energy (สำรวจพบใน New Model of the Early Universe)

Pair-Instability (จับคู่-ไร้เสถียรภาพ)

Pair-Instability (จับคู่-ไร้เสถียรภาพ)

Supernovas จากดาวมีมวลขนาดยักษ์ และจากกรณีอื่นๆ ของในแต่ละประเภท Supernova ที่ทำลายล้างระเบิดแตกกระจาย ถือเป็นการวิวัฒน์ของดาวในจักรวาล (Stellar evolution theory) โดยความร้อนผุดขึ้นนับพันล้านองศา จากบริเวณจุด
ศูนย์กลาง มีมวลหนาแน่น 140-260 เท่าของดวงอาทิตย์

อุณหภูมิระดับดังกล่าว มักจะดำเนินการเปลี่ยนแปลง มวลไปสู่พลังงาน (E = mc2)
โดย Nuclear reactions และในทางตรงกันข้าม พลังงานเปลี่ยนกลับมาเป็นมวล
จากการจับคู่ของ Electrons และ Antielectrons หรือ Positrons

การจับคู่ของ Electron-positron เป็นการดูดพลังงานจากไส้แกนดาว เท่ากับเกิด
ก่อกวนดุลยภาพระบบดำรงชีพดาว ระหว่างความกดผลักออก (Pressure ) และ
แรงโน้มถ่วงผลักเข้า (Gravity) อันปกติให้เกิดไร้เสถียรภาพ ดังนั้นการก่อให้ผล
เช่นนี้เรียกว่า Pair-instability (จับคู่-ไร้เสถียรภาพ) เป็นต้นแห่งความรุนแรงให้
ระเบิดตัวจากชิ้นส่วนใหญ่ภายในออกสู่ภายนอก ท้ายที่สุดก็จะแตกกระจายอย่าง
สมบูรณ์ ในสถานะคลื่นสะท้าน ด้วยปฎิกิริยานิวเคลียร์ความร้อนสูง

ถ้าเกิด Pair-instability ของ Supernovas ขึ้นในจักรวาล จากดาวมวลใหญ่กว่า
260 เท่าของดวงอาทิตย์ จะเกิดการเต้นเป็นจังหวะรุนแรงของแรงโน้มถ่วงและดาว
ยุบตัวเป็นหลุมดำ โดยไม่มีการระเบิด

สำหรับดาว ที่มีมวลราว 200 เท่าของดวงอาทิตย์ หากเกิด Pair-instability ของ
Supernovas จะเกิดกัมมันตภาพรังสี (Radioactive) ของ Nickel อย่างมากมาย
ไปทั่ว แหล่งกัมมันตภาพรังสีขนาดใหญ่ ถูกเก็บรักษาเช่นนั้นในจักรวาลนับเดือน และเปลี่ยนแปลงเป็น Ultra-bright supernova (ซูเปอร์โนวา แสงเจิดจ้า)

Neutron star ก่อสันฐานขึ้นในเลี้ยววินาที

Shock Waves ในประเภท Supernova Remnants

N81 ประเภท Ultra-bright supernova (มีมวลอยู่ระหว่าง 120-200 เท่าของดวงอาทิตย์)
บริเวณ Small Magellanic Cloud A มีระยะห่างจากโลก 200,000 ปีแสง

การแผ่รังสีนับพันปี จาก Supernovas Remnant

การแผ่รังสีของ Supernova ยังมีต่อไปนับเดือนหรือนับปี หลังจากนั้นเลือนหายไป
ในระหว่างนั้น มีการขยายตัวอย่างรวดเร็วของการแผ่รังสี ราว 1 ล้านไมล์ต่อชั่วโมง

สสารจากการระเบิด ที่ผ่านมาวิ่งไปชนกับ วงก๊าซของดาว (Circumstellar gas)
การชนปะทะจึงเกิดเศษซากเล็กซากน้อย จึงเกิด Supernova remnant (เศษซาก
ระเบิดของดาว)

โดยมีเงื่อนไข ของก๊าซร้อนและพลังงานสูงของอนุภาค ท่วมล้นเป็นรัศมี ตั้งแต่ ระดับคลื่น Radio จนถึง X-ray มีอายุคงอยู่นับพันปี

การดำเนินก่อตัวจากเศษซาก (Remnant) ดังกล่าว เป็นได้อย่างสุดขั้วเกิดคล้าย
Sonic booms เมื่อผายตัวออกเกิด Shock wave เป็นละลอกขึ้นล้ำหน้าเศษซาก

การล้ำไปข้างหน้า ของคลื่นแบบทันที่ทันใด จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่
ในความกดดันและอุณหภูมิ ที่อยู่ด้านหลัง Shock wave เหตุจาก Shock wave
เคลื่อนตัวไปข้างหน้าและด้านหลังตามติดมาอีก ยิ่งเป็นการเร่งปฎิริยาของอนุภาค
Electrons และอนุภาคอื่นๆมีพลังงานอย่างสุดขั้ว

Electrons หมุนติ้วรอบสนามแม่เหล็ก ด้านหลัง Shock wave ก่อการแผ่คลื่นรังสี
เป็นแถบกว้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Supernova remnants จึงเป็นเป้าเด่นของ
Radio wavelengths จากสำรวจด้วยกล้อง Radio telescopes

Cassiopeia A (เรียกย่อๆว่า Cas A) ประเภท Supernovas & Supernova Remnants
บริเวณ Milky Way มีระยะห่างจากโลก 10,000 ปีแสง

Kepler's ประเภท Supernovas & Supernova Remnants
บริเวณ Milky Way มีระยะห่างจากโลก 13,000 ปีแสง

Tycho's ประเภท Supernovas & Supernova Remnants
บริเวณ Milky Way มีระยะห่างจากโลก 7,500 ปีแสง

N132D ประเภท Supernovas & Supernova Remnants
บริเวณ Large Magellanic Cloud (กาแล็คซี่ขนาดเล็ก) มีระยะห่างจากโลก 160,000 ปีแสง

References :

Chandra X-ray Observatory
The Johns Hopkins University
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics