วิทยาศาสตร์ ดาราศาสตร์ ฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา >>

ไขปริศนาฮีเลียมที่หายไป

        เป็นเวลาหลายปีที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์พยายามไขปริศนาระดับเอกภพที่ว่า “เอกภพมี He 3 (ฮีเลียมเลขมวล 3 อันประกอบไปด้วยโปรตอน 2 และ นิวตรอน 1) น้อยกว่าปริมาณ He 3 ที่ควรจะมีตามทฤษฎีวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ แต่ด้วยแบบจำลองใหม่โดยคณะนักวิทยาศาสตร์นำโดย Peter Eggleton นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จาก Lawrence Livermore National Laboratory ทำให้ พวกเขาทราบว่า He 3 หายไปในดาวฤกษ์ซึ่งควรเป็นโรงงานผลิต He-3 แล้วส่งไอโซโทปธาตุนี้ออกสู่อวกาศนั่นเอง

ลึกเข้าไปในดาวยักษ์แดง มีเมฆไฮโดรเจน(แดง)
ลอยอยู่เหนือเปลือกไฮโดรเจนที่กำลังถูกเผา(น้ำเงิน)
Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

หลังจากการกำเนิดเอกภพด้วยการระเบิดครั้งใหญ่ (Big Bang) ก๊าซที่ถูกสร้างขึ้นมากที่สุดภายในเอกภพคือก๊าซไฮโดรเจน นอกจากนี้ยังมี He-4(โปรตอน 2 และ นิวตรอน 2) อีกร้อยละ 10 และ He-3 ร้อยละ 0.001

จากทฤษฎีวิวัฒนาการของดาวฤกษ์เดิม อธิบายว่า ดาวฤกษ์มวลน้อยประมาณ 1 ถึง 2 เท่าของดวงอาทิตย์ ควรจะผลิต He-3 จำนวนมหาศาลแล้วเพิ่มจำนวน He-3 ในเอกภพเป็นร้อยละ 0.01 ทว่าผลจากการสังเกตการณ์กลับวัดปริมาณฮีเลียม 3 (He-3) ในอวกาศได้เพียงร้อยละ 0.001 เท่านั้น

กระจุกของคาร์บอน 13 (สีแดง) ในดาวฤกษ์มวลน้อย
ซึ่งกำลังถูกยกออกไปหาชั้นบรรยากาศที่มีก๊าซไฮโดรเจน(เขียว)
 Credit: Lawrence Livermore National Laboratory

แนวคิดของ Eggleton ที่ได้ชื่อว่า “flimsy ideas” เพื่ออธิบายความไม่ลงรอยระหว่างทฤษฎีกับข้อมูลจากการสังเกตการณ์ การค้นพบครั้งนี้ดูเหมือนจะเป็นเรื่องของโชค เมื่อลูกทีมคนหนึ่งพบคำตอบของ He-3 ที่หายไปขณะกำลังศึกษาทฤษฎี “near explosion” หรือ helium flash ซึ่งเกิดเมื่อดาวฤกษ์เปลี่ยนจากการหลอมนิวเคลียสธาตุไฮโดรเจนไปสู่การหลอมนิวเคลียสธาตุฮีเลียม

 

พวกเขาอธิบายว่าเมื่อดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ใช้ปฏิกิริยาอุณหปรมณู(thermonuclear reaction) หลอมนิวเคลียสไฮโดรเจนภายในแกนกลางเป็นเวลา 10,000 ล้านปี จนใกล้หมดอายุขัย ดาวดังกล่าวจะขยายตัวเป็นดาวยักษ์แดง(red giant) แล้วเริ่มต้นการหลอมฮีเลียม ดาวฤกษ์ก็จะสูญเสียมวลที่ผิวซึ่งก็คือธาตุเบาที่อยู่บรรยากาศชั้นนอกสุดของตนออกไปในรูปของ “ลมดาวฤกษ์” ซึ่งมวลสารที่ถูกปลดปล่อยออกไปเหล่านั้นก็เต็มไปด้วย He-3 ซึ่งธาตุหนักอย่างคาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน ก็ถูกเติมเข้าไปในอวกาศระหว่างดาวด้วยกลไกเดียวกันนี้

ชั้นบรรยากาศของดาวยักษ์แดง แกนกลางคือคาร์บอนและออกซิเจน
ส่วนธาตุเบาอย่างไฮโดรเจนหรือฮีเลียมจะอยู่ถัดออกมา Credit: www.espace-dc.net

ขณะที่คณะนักวิจัยกำลังพัฒนาแบบจำลองนี้ สมาชิกคนหนึ่งพบความไม่เสถียรภายในดาวฤกษ์ ซึ่งดูเหมือนกว่าจะเป็นคำตอบของปัญหาที่ค้างใจนักดาราศาสตร์มานานปี ความไม่เสถียรดังกล่าวทำให้ He-3 ถูกผสมเข้าไปในบรรยากาศชั้นนอกของดาวฤกษ์ ซึ่งเป็นบริเวณที่ร้อนมากพอที่จะหลอมไอโซโทป He-3 ให้กลายเป็นธาตุหนัก และนี่คือสาเหตุที่ He-3 จำนวนมากหายไป นอกจากนี้ความไม่เสถียรยังสามารถอธิบายว่าเหตุใดดาวฤกษ์เก่าแก่จึงมีปริมาณไอโซโทปคาร์บอน 13 ( C-13) และไนโตรเจน (N-14) มากกว่าที่คาด เช่นเดียวกับ He-3 C-12 และ N-13 ซึ่งอยู่ในผิวดาวก็จะถูกผสมลึกลงไปในดาวฤกษ์ซึ่งเป็นบริเวณที่จะเปลี่ยนพวกมันให้กลายเป็น C-13 และ N-14

ข้อมูล :
Missing Helium Mystery Solved : Big Stars Ate It
by g4836379@student.mahidol.ac.th , w_norkaew@hotmail.com