ดาวฤกษ์ที่ยุบตัวหนาแน่นหมุน 707 ครั้งต่อวินาที ซึ่งทำให้เป็นหนึ่งในดาวนิวตรอนที่หมุนเร็วที่สุดในกาแลคซีทางช้างเผือก ได้ทำลายและกินมวลของดาวข้างเคียงเกือบทั้งหมด และในกระบวนการนี้ ได้เติบโตขึ้นเป็นดาวนิวตรอนที่หนักที่สุด สังเกตจนถึงปัจจุบัน
การชั่งน้ำหนักดาวนิวตรอนที่สร้างสถิติสูงสุดนี้ ซึ่งอยู่เหนือแผนภูมิที่ 2.35 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจสถานะควอนตัมที่แปลกประหลาดของสสารภายในวัตถุหนาแน่นเหล่านี้ ซึ่งหากหนักกว่านั้นมาก จะยุบตัวลงอย่างสิ้นเชิงและหายไปเป็น หลุมดำ
“เราทราบคร่าวๆ ว่าสสารมีพฤติกรรมอย่างไรที่ความหนาแน่นของนิวเคลียร์ เช่น ในนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม” Alex Filippenkoศาสตราจารย์พิเศษด้านดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ กล่าว “ดาวนิวตรอนเปรียบเสมือนนิวเคลียสยักษ์ แต่เมื่อคุณมีมวลดวงอาทิตย์ครึ่งหนึ่งของสิ่งนี้ ซึ่งมีมวลประมาณ 500,000 มวลโลกของนิวเคลียสที่เกาะติดกัน มันไม่ชัดเจนว่าพวกมันจะมีพฤติกรรมอย่างไร”
Roger W. Romani ศาสตราจารย์วิชา ฟิสิกส์ ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าวว่าดาวนิวตรอนมีความหนาแน่นมาก – 1 ลูกบาศก์นิ้วมีน้ำหนักมากกว่า 10 พันล้านตัน – แกนกลางของพวกมันเป็นสสารที่หนาแน่นที่สุดในจักรวาลซึ่งไม่มีหลุมดำเพราะพวกมันซ่อนอยู่ด้านหลัง ขอบฟ้าเหตุการณ์ของพวกเขาเป็นไปไม่ได้ที่จะศึกษา ดาวนิวตรอน ซึ่งเป็นพัลซาร์ที่กำหนด PSR J0952-0607 จึงเป็นวัตถุที่หนาแน่นที่สุดในสายตาของโลก
การวัดมวลของดาวนิวตรอนเป็นไปได้ด้วยความไวสูงของกล้องโทรทรรศน์ Keck I 10 เมตรบน Maunakea ใน Hawai’i ซึ่งสามารถบันทึกสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้จากดาวข้างเคียงที่เร่าร้อนซึ่งตอนนี้ลดลงเหลือ ขนาดของดาวเคราะห์ก๊าซขนาดใหญ่ ดาวฤกษ์อยู่ห่างจากโลกประมาณ 3,000 ปีแสงในทิศทางของกลุ่มดาวเซ็กแทนส์
ค้นพบในปี 2560 PSR J0952-0607 ถูกเรียกว่าพัลซาร์ “แม่ม่ายดำ” – การเปรียบเทียบกับแนวโน้มของแมงมุมแม่ม่ายดำตัวเมียที่จะกินตัวผู้ที่มีขนาดเล็กกว่ามากหลังจากผสมพันธุ์ Filippenko และ Romani ได้ศึกษาระบบแม่ม่ายดำมานานกว่าทศวรรษ โดยหวังว่าจะสร้างขีดจำกัดบนว่าดาวนิวตรอน/พัลซาร์ขนาดใหญ่สามารถเติบโตได้อย่างไร
โรมานี ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ในโรงเรียนมนุษยศาสตร์และวิทยาศาสตร์ของสแตนฟอร์ดกล่าวว่า “การรวมการวัดนี้กับมวลของแม่ม่ายดำอื่นๆ อีกหลายๆ ดวง เราแสดงให้เห็นว่าดาวนิวตรอนต้องมีมวลอย่างน้อยเท่ากับ 2.35 บวกหรือลบ 0.17 เท่าของมวลดวงอาทิตย์” และสมาชิกของ Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology “ในทางกลับกัน สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อจำกัดที่แข็งแกร่งที่สุดบางประการเกี่ยวกับคุณสมบัติของสสาร หลายเท่าของความหนาแน่นที่เห็นในนิวเคลียสของอะตอม อันที่จริง ผลลัพธ์นี้ไม่รวมถึงแบบจำลองฟิสิกส์สสารหนาแน่นที่ได้รับความนิยมจำนวนมาก”
หากมวลดวงอาทิตย์ 2.35 ดวงอยู่ใกล้ขีดจำกัดบนของดาวนิวตรอน นักวิจัยกล่าวว่า ภายในน่าจะเป็นซุปของนิวตรอน เช่นเดียวกับควาร์กขึ้นและลง ซึ่งเป็นส่วนประกอบของโปรตอนและนิวตรอนปกติ แต่ไม่ใช่สสารแปลกใหม่ เช่น ควาร์ก “แปลก” หรือ kaons ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีควาร์กแปลก
“มวลสูงสุดของดาวนิวตรอนแสดงให้เห็นว่ามันเป็นส่วนผสมของนิวเคลียสและควาร์กขึ้นและลงที่ละลายไปจนสุดแกน” โรมานีกล่าว “สิ่งนี้ไม่รวมถึงสถานะของสสารที่เสนอจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่มีองค์ประกอบภายในที่แปลกใหม่”
Dinesh Kandel นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Romani, Filippenko และ Stanford เป็นผู้เขียนร่วมของบทความที่อธิบายผลลัพธ์ของทีมที่ได้รับการยอมรับให้ตีพิมพ์โดย The Astrophysical Journal Letters
พวกเขาสามารถเติบโตได้มากขนาดไหน?
นักดาราศาสตร์มักเห็นด้วยว่าเมื่อดาวฤกษ์ที่มีแกนกลางใหญ่กว่ามวลสุริยะประมาณ 1.4 เท่ามวลดวงอาทิตย์ยุบตัวลงเมื่อสิ้นอายุขัย ดาวดวงนั้นจะก่อตัวเป็นวัตถุหนาแน่นและอัดแน่นโดยมีภายในอยู่ภายใต้ความกดอากาศสูงจนอะตอมทั้งหมดถูกชนเข้าด้วยกันจนเกิดเป็นทะเลนิวตรอน และองค์ประกอบย่อยของพวกมันคือควาร์ก ดาวนิวตรอนเหล่านี้เกิดการหมุนวน และถึงแม้จะสลัวเกินกว่าจะมองเห็นในแสงที่มองเห็นได้ แต่ก็เผยให้เห็นตัวเองเป็นพัลซาร์ ลำแสงที่เปล่งออกมา ไม่ว่าจะเป็นคลื่นวิทยุ รังสีเอกซ์ หรือแม้แต่รังสีแกมมา ที่ส่องประกายโลกในขณะที่มันหมุน เหมือนกับการหมุนรอบตัว ลำแสงของประภาคาร
พัลซาร์ “ธรรมดา” หมุนและกะพริบประมาณหนึ่งครั้งต่อวินาที โดยเฉลี่ย ความเร็วที่สามารถอธิบายได้ง่ายเมื่อพิจารณาจากการหมุนตามปกติของดาวฤกษ์ก่อนที่มันจะยุบตัว แต่พัลซาร์บางตัวเกิดซ้ำหลายร้อยหรือสูงถึง 1,000 ครั้งต่อวินาที ซึ่งอธิบายได้ยาก เว้นแต่สสารจะตกลงบนดาวนิวตรอนและหมุนมันขึ้น แต่สำหรับพัลซาร์มิลลิวินาทีบางพัลซาร์ จะมองไม่เห็นสหาย
คำอธิบายที่เป็นไปได้ประการหนึ่งสำหรับพัลซาร์มิลลิวินาทีที่แยกได้คือแต่ละพัลซาร์เคยมีคู่หูอยู่ด้วย แต่ก็ไม่ได้ทำให้มันหายไป
“เส้นทางวิวัฒนาการนั้นน่าทึ่งมาก เครื่องหมายอัศเจรีย์สองเท่า” Filippenko กล่าว “ในขณะที่ดาวข้างเคียงวิวัฒนาการและเริ่มกลายเป็นดาวยักษ์แดง สสารก็ทะลักไปยังดาวนิวตรอน และนั่นก็หมุนดาวนิวตรอนขึ้น เมื่อหมุนขึ้น ตอนนี้จะมีพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างเหลือเชื่อ และลมของอนุภาคก็เริ่มออกมาจากดาวนิวตรอน ลมนั้นกระทบดาวผู้บริจาคและเริ่มลอกวัสดุออก และเมื่อเวลาผ่านไป มวลของดาวผู้บริจาคจะลดลงเหลือเท่าดาวเคราะห์ และหากเวลาผ่านไปนานขึ้น มันก็หายไปโดยสิ้นเชิง นั่นคือวิธีสร้างพัลซาร์มิลลิวินาทีเดียว พวกเขาไม่ได้อยู่คนเดียวตั้งแต่แรก — พวกเขาต้องอยู่ในคู่เลขฐานสอง — แต่พวกเขาค่อยๆ ระเหยเพื่อนของพวกเขาออกไป และตอนนี้พวกเขาก็โดดเดี่ยว”
พัลซาร์ PSR J0952-0607 และดาวข้างเคียงที่เลือนลางสนับสนุนเรื่องราวต้นกำเนิดนี้สำหรับพัลซาร์มิลลิวินาที
“วัตถุคล้ายดาวเคราะห์เหล่านี้เป็นเศษซากของดาวฤกษ์ปกติซึ่งมีส่วนทำให้เกิดมวลและโมเมนตัมเชิงมุม หมุนคู่พัลซาร์ของพวกมันให้มีช่วงมิลลิวินาทีและเพิ่มมวลในกระบวนการนี้” นายโรมานีกล่าว
“ในกรณีของความอกตัญญูในจักรวาล พัลซาร์แม่ม่ายดำซึ่งกินส่วนใหญ่ของคู่ครองของมัน ตอนนี้ร้อนและระเหยสหายลงไปที่มวลดาวเคราะห์และอาจทำลายล้างอย่างสมบูรณ์” Filippenko กล่าว
พัลซาร์แมงมุม ได้แก่ เร้ดแบ็คและไทดาร์เรน
การค้นหาพัลซาร์แม่ม่ายดำซึ่งดาวข้างเคียงมีขนาดเล็กแต่ไม่เล็กเกินไปที่จะตรวจจับได้ เป็นหนึ่งในวิธีสองสามวิธีในการชั่งน้ำหนักดาวนิวตรอน ในกรณีของระบบดาวคู่นี้ ดาวข้างเคียง ซึ่งขณะนี้มีมวลเพียง 20 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี ถูกบิดเบือนโดยมวลของดาวนิวตรอนและถูกล็อคด้วยกระแสน้ำ คล้ายกับที่ดวงจันทร์ของเราถูกล็อกอยู่ในวงโคจรเพื่อให้เราเห็นเพียงดวงเดียว ด้านข้าง. ด้านที่หันเข้าหาดาวนิวตรอนถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 6,200 เคลวิน หรือ 10,700 องศาฟาเรนไฮต์ ซึ่งร้อนกว่าดวงอาทิตย์เล็กน้อย และสว่างพอที่จะมองเห็นด้วยกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่
Filippenko และ Romani ได้เปลี่ยนกล้องโทรทรรศน์ Keck I บน PSR J0952-0607 หกครั้งในช่วงสี่ปีที่ผ่านมา โดยแต่ละครั้งสังเกตด้วย Low Resolution Imaging Spectrometer ในช่วงเวลา 15 นาทีเพื่อจับสหายที่จาง ๆ ณ จุดเฉพาะในวงโคจร 6.4 ชั่วโมง ของพัลซาร์ เมื่อเปรียบเทียบสเปกตรัมกับสเปกตรัมของดาวคล้ายดวงอาทิตย์ พวกมันสามารถวัดความเร็วการโคจรของดาวข้างเคียงและคำนวณมวลของดาวนิวตรอนได้
