สมาคมดาราศาสตร์ไทย

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยืนยันสาเหตุการเกิดแสงวาบรังสีแกมมาสั้น

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยืนยันสาเหตุการเกิดแสงวาบรังสีแกมมาสั้น

18 พ.ค. 2554
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
          การสร้างแบบจำลองเหตุการณ์ด้วยคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ ได้แสดงถึงช่วงเสี้ยววินาทีของการกำเนิดแสงวาบรังสีแกมมาสั้น ซึ่งเป็นการระเบิดที่รุนแรงที่สุดในเอกภพได้สำเร็จเป็นครั้งแรก
          แสงวาบรังสีแกมมา หรือจีอาร์บี (GRB--Gamma-Ray Burst) เป็นการปะทุที่สว่างและรุนแรงมากที่สุดในเอกภพ การเกิดแสงวาบแต่ละครั้งกินเวลาเพียงไม่กี่วินาทีแต่ให้พลังงานเทียบเท่ากับที่ดาราจักรทั้งดาราจักรแผ่ออกมาทั้งปี พลังงานส่วนใหญ่ที่แผ่ออกมาอยู่ในรูปของรังสีแกมมา ซึ่งเป็นย่านมีพลังงานสูงที่สุดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
          แสงวาบรังสีแกมมามีสองประเภท ส่วนใหญ่เป็นประเภทที่แผ่รังสียาวนานกว่า วินาที เรียกว่าแสงวาบรังสีแกมมายาว คาดว่าเกิดจากดาวฤกษ์ที่มีมวลสูงมากยุบไปเป็นหลุมดำ ขณะที่สสารถูกหลุมดำดูดเข้าไป สสารบางส่วนจะก่อรูปเป็นลำพุ่งออกจากหลุมดำในแนวขั้วทั้งสองด้านด้วยความเร็วสูงเกือบเท่าแสง ลำของสสารนี้เจาะทะลุดาวที่กำลังยุบตัวลงมาตามแกนหมุนของดาวและแผ่รังสีแกมมารุนแรงออกมาเมื่อผ่านพ้นผิวดาวออกมา
          ส่วนแสงวาบสั้น ซึ่งส่องสว่างเป็นเวลาสั้นกว่ามาก มีต้นกำเนิดที่เข้าใจยากกว่า อีกทั้งการสำรวจและค้นหาตำแหน่งก็ทำได้ยากกว่า
          ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ทฤษฎีที่อธิบายต้นกำเนิดแสงวาบสั้นส่วนใหญ่บอกว่า เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากดาวนิวตรอนชนกัน แต่ก็ไม่มีแบบจำลองใดที่อธิบายรายละเอียดของปรากฏการณ์ได้ถึงขนาดที่แสดงถึงกระบวนการที่ทำให้เกิดโครงสร้างสนามแม่เหล็กรุนแรงอันเป็นที่มาของแสงวาบได้ จนกระทั่งบัดนี้
          ด้วยการใช้ซอฟต์แวร์ที่ทันสมัย ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตามรอยการชนกันของดาวนิวตรอนได้ การจำลองเหตุการณ์พบว่า การชนทำให้เกิดโครงสร้างทางแม่เหล็กที่เร่งอนุภาคให้พุ่งออกมาด้วยความเร็วสูงตามที่สำรวจพบในแสงวาบรังสีแกมมาได้ เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นและสิ้นสุดภายในเวลา 35 มิลลิวินาที 
          "นับเป็นครั้งแรกที่เราสามารถจำลองเหตุการณ์ข้ามจังหวะเวลาที่ชนกันจนถึงการก่อตัวของหลุมดำ" คริสซา คูวีลีโอโท จากศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลของนาซาในฮันต์สวีลกล่าว
          ดาวนิวตรอนเป็นซากแกนของดาวฤกษ์จากการระเบิดเป็นซูเปอร์โนวาที่เกิดจากดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ไม่ถึง 30 เท่า ความหนาแน่นของดาวนิวตรอนสูงมากจนไม่อาจสร้างขึ้นบนโลกได้ เนื้อดาวนิวตรอนเพียงหนึ่งช้อนอาจหนักเท่ากับเทือกเขาหิมาลัยทั้งเทือก  
          การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ใช้เวลาวิ่งโปรแกรมเกือบ สัปดาห์ ด้วยระบบคอมพิวเตอร์แบบคลัสเตอร์ชื่อ ดาเมียนา ที่สถาบันแอลเบิร์ตไอน์สไตน์ในพอทสดัม เยอรมนี ระบบเริ่มต้นด้วยดาวนิวตรอนสองดวงโคจรรอบกันโดยมีระยะห่าง 17 กิโลเมตร แต่ะละดวงมีมวล 1.5 เท่าของดวงอาทิตย์ มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 27 กิโลเมตร มีสนามแม่เหล็กเข้มข้นกว่าดวงอาทิตย์ประมาณหนึ่งล้านล้านเท่า
          ภายในเวลา 15 มิลลินาที ดาวนิวตรอนทั้งสองก็ชนกัน และหลอมรวมกันเป็นหลุมดำมวล 2.9 เท่าของดวงอาทิตย์ที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง หลุมดำนี้มีขนาด (วัดจากขนาดของขอบฟ้าเหตุการณ์) น้อยกว่า 10 กิโลเมตร 
          บริเวณโดยรอบหลุมดำที่เกิดใหม่นี้เกิดความปั่นป่วนอลหม่านและอุณหภูมิพุ่งขึ้นสูงกว่าหนึ่งหมื่นล้านองศาเซลเซียส สนามแม่เหล็กก็ทวีความเข้มข้นจากการรวมกันของสนามแม่เหล็กเดิมและยุ่งเหยิงไร้ระเบียบอย่างยิ่ง
          ต่อมาอีก 11 มิลลิวินาที สนามแม่เหล็กในแก๊สที่หมุนวนด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสงยังคงทวีความเข้มข้นขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งรุนแรงกว่าความหนาแน่นของสนามแม่เหล็กเดิมของดาวนิวตรอนต้นกำเนิดถึงหนึ่งพันเท่า ในขณะเดียวกัน สนามแม่เหล็กก็ค่อย ๆ ปรับตัวเข้ารูปแบบเป็นลำสองลำที่พุ่งออกในทางตรงกันข้ามตามแนวแกนหมุนของหลุมดำ
          นี่คือสถานการณ์ที่ทำให้เกิดลำอนุภาคพลังงานสูงที่ทำให้เกิดแสงวาบสั้นอย่างชัดเจนที่สุด
          ส่วนการพิสูจน์แบบจำลองนี้ว่าถูกต้องหรือไม่ จะต้องมีสำรวจจากการตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งเป็นระลอกคลื่นบนปริภูมิเวลาที่เกิดขึ้นตามการคาดการณ์ของทฤษฎีสัมพัทธภาพ ขณะนี้มีหอสังเกตการณ์หลายแห่งที่กำลังตรวจหาคลื่นความโน้มถ่วงนี้อยู่ แต่ยังไม่ประสบความสำเร็จ เนื่องจากคลื่นความโน้มถ่วงนี้หากมีจริงก็จะอ่อนมาก




















ภาพจำลองการชนกันของดาวนิวตรอน สร้างขึ้นโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ สีแดงแสดงบริเวณความหนาแน่นต่ำ เส้นสีเขียวและขาวแสดงเส้นแรงแม่เหล็ก

ภาพจำลองการชนกันของดาวนิวตรอน สร้างขึ้นโดยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ สีแดงแสดงบริเวณความหนาแน่นต่ำ เส้นสีเขียวและขาวแสดงเส้นแรงแม่เหล็ก

ดาวนิวตรอนทั้งสองเสียพลังงานอย่างรวดเร็วจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วงจนกระทั่งเข้าชนกันภายในเวลา 8 มิลลิวินาที

ดาวนิวตรอนทั้งสองเสียพลังงานอย่างรวดเร็วจากการแผ่คลื่นความโน้มถ่วงจนกระทั่งเข้าชนกันภายในเวลา 8 มิลลิวินาที

หลุมดำเกิดขึ้นจากการชนกันที่เวลา 15.3 มิลลิวินาที

หลุมดำเกิดขึ้นจากการชนกันที่เวลา 15.3 มิลลิวินาที

สนามแม่เหล็กเริ่มจัดเรียงเป็นรูปแบบเมื่อเวลา 26.5 มิลลิวินาที จนในที่สุดเกิดเป็นโครงสร้างที่ให้กำเนิดลำสสารพุ่งออกมา อันเป็นที่มาของแสงวาบรังสีแกมมาสั้น

สนามแม่เหล็กเริ่มจัดเรียงเป็นรูปแบบเมื่อเวลา 26.5 มิลลิวินาที จนในที่สุดเกิดเป็นโครงสร้างที่ให้กำเนิดลำสสารพุ่งออกมา อันเป็นที่มาของแสงวาบรังสีแกมมาสั้น

ที่มา: