6.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

6.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

ดาวฤกษ์ทุกดวงเกิดจากการยุบตัวของเนบิวลา การที่เนบิวลายุบตัวเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วงของเนบิวลา เอง ทำให้ความดันและอุณหภูมิภายในเนบิวลาสูงมาก โดยเฉพาะบริเวณแก่นกลางที่ยุบตัวจะมีอุณหภูมิสูงกว่า ที่ขอบนอก สูงเป็นหลายแสนองศาเซลเซียส เรียกการยุบตัวของเนบิวลาช่วงนี้ว่า ดาวฤกษ์ก่อนเกิด (pro- tostar) แรงโน้มถ่วงจะทำให้เนบิวลาเกิดการยุบตัวลงไปอีก ความดันของแก่นกลางจะสูงขึ้น อุณหภูมิจะสูงถึง 15 ล้านเคลวิน สูงมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ เกิดพลังงานมหาศาล เมื่อเกิดความสมดุลระหว่าง แรงโน้มถ่วงกับแรงดันของแก๊สร้อนภายในเนบิวลา จะทำให้เกิดดาวฤกษ์อย่างสมบูรณ์ พลังงานของดาวฤกษ์ เกิดจากปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์

ภาพวาดดาวฤกษ์ก่อนเกิด ในจินตนาการของศิลปิน

ตัวอย่างปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ในดวงอาทิตย์
เนื่องจากแก่นกลางของดาวฤกษ์มีความดันและอุณหภูมิสูงมาก ทำให้นิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน (โปรตอน) 4 นิวเคลียส หลอมรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม 1 นิวเคลียส มวลส่วนหนึ่งหายไป มวลที่หายไปนี้จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจำนวนมหาศาล ตามทฤษฎีสัมพันธภาพของไอน์สไตน์ คือ

E = mc2
เมื่อ E คือ พลังงาน
m คือ มวลที่หายไป
c คือ อัตราเร็วของแสงในอวกาศ = 300,000 กิโลเมตร/วินาท

เมื่อเวลาผ่านไปปริมาณของแก๊สไฮโดรเจนในดาวฤกษ์จะลดลง แรงโน้มถ่วงเนื่องจากมวลของดาวฤกษ์จะมีค่าสูงกว่าแรงดันของแก๊สร้อน ทำให้ดาวฤกษ์ยุบตัวลง แก่นกลางของดาวฤกษ์จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นถึง 100 ล้านเคลวิน เกิดปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ นิวเคลียสของธาตุฮีเลียมหลอมรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสชองธาตุคาร์บอนไฮโดรเจนที่อยู่รอบนอกของแก่นฮีเลียมจะมีอุณหภูมิสูงตามถึง 15 ล้านเคลวิน จนเกิดปฏิกิริยาเทอร์- มอนิวเคลียร์ของไฮโดรเจนใหม่ เกิดพลังงานมหาศาล ดาวฤกษ์จึงเกิดการขยายตัวมีขนาดใหญ่กว่าเดิมมาก อุณหภูมิผิวด้านนอกจะลดลงกลายเป็นสีแดงที่เรียกว่า ดาวยักษ์แดง (red giant) ในช่วงนี้พลังงานจะถูกปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์มาก ช่วงชีวิตของดาวยักษ์แดงจึงค่อนข้างสั้น
เนื่องจากดาวฤกษ์แต่ละดวงมีมวลต่างกัน จึงมีวิวัฒนาการและจุดจบที่ต่างกัน จุดจบของดาวฤกษ์ แบ่งได้ 2 แบบตามมวลของดาวฤกษ์ คือ
1. ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยมีแสงสว่างไม่มาก จึงใช้เชื้อเพลิงในอัตราน้อย ทำให้มีช่วงชีวิตยาวและไม่เกิดการระเบิด ในช่วงที่เป็นดาวยักษ์แดงแก่นกลางไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ แรงโน้มถ่วงจะมากกว่าแรงดัน จึงยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาว (white dwarf) ความสว่างจะลดลง อุณหภูมิภายในจะลดลงต่ำมากจนไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ จึงไม่เกิดการส่องแสง และกลายเป็นดาวแคระดำ (black dwarf) ในที่สุด ส่วนรอบนอกแก่นกลางของดาวยักษ์แดงไม่เกิดการยุบตัว แต่จะขยายตัวกระจายเป็นชั้นของแก๊สหุ้มอยู่รอบ เรียกว่า เนบิวลาดาวเคราะห์ (planetary nebula)
2. ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากและมีขนาดใหญ่ มีความสว่างมาก จึงใช้พลังงานในอัตราที่สูงมาก ทำให้มีช่วงชีวิตสั้น และจบชีวิตด้วยการระเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (supernova) แรงโน้มถ่วงจะทำให้ดาวฤกษ์ยุบตัว ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากจะยุบตัวกลายเป็นดาวนิวตรอน ส่วนดาวฤกษ์ที่มีมวลสูงมากๆ จะยุบตัวกลายเป็นหลุมดำ แรงสะท้อนที่เกิดทำให้ภายนอกของดาวฤกษ์ระเบิดเกิดธาตุหนัก เช่น ยูเรเนียม ทองคำ เป็นต้น สาดกระจายสู่อวกาศกลายเป็นส่วนประกอบของเนบิวลารุ่นใหม่ ดาวฤกษ์ที่มีกำเนิดมาจากเนบิวลารุ่นใหม่จึงมีธาตุต่างๆ เป็นองค์ประกอบ ในขณะที่ดาวฤกษ์ที่เกิดจากเนบิวลาดั้งเดิมมีธาตุไฮโดรเจนและธาตุฮีเลียมเป็นองค์ประกอบ

ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดจากการยุบรวมตัวของ เนบิวลา หรือกล่าวอีกอย่างว่าเนบิวลาเป็นแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ทุกประเภท   แต่จุดจบของดาวฤกษ์จะต่างกันขึ้นอยู่กับมวลของดาว ดังภาพ 5.1
ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย ตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์มีแสงสว่างไม่มากจะใช้เชื้อเพลิงในอันตรายที่น้อย   จึงมีช่วงชีวิตยาว   และจบชีวิตลงด้วยการไม่ระเบิด   แต่จะกลายเป็นดาวแคระขาว   สำหรับดาวฤกษ์ที่มีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์   จะมีช่วงชีวิตและการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกับดวงอาทิตย์
ดาวกฤษ์ที่มีขนาดใหญ่ มีมวลมาก สว่างมาก จะใช้เชื้อเพลิงอย่างสิ้นเปลืองในอัตราที่สูงมาก   จึงมีช่วงชีวิตที่สั้นกว่า   และจบชีวิตด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง

ภาพ 5.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลสารต่างๆ กัน
วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มากๆ จะเป็นหลุมดำ (บน)
ดาวกฤษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มาก จะกลายเป็นดาวนิวตรอน (กลาง)
และวาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ จะกลายเป็นดาวแคระ (กลาง)
– จากภาพ 5.1 วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ดวงอาทิตย์ของเราจะมีชีวิตในวาระสุดท้ายอย่างไร

จุดจบของดาวฤกษ์ที่มีมวลมาก คือการะเบิดอย่างรุนแรงที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (supernova)  แรงโน้มถ่วงจะทำให้ดาวยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอน หรือ หลุมดำ ในขณะเดียวกันก็มี แรงสะท้อนที่ทำให้ส่วนภายนอกของดาวระเบิดเกิดธาตุหนักต่างๆ เช่น ยูเรเนียม ทองคำ ฯลฯ ซึ่งถูกสาดกระจายออกสู่อวกาศกลายเป็นส่วนประกอบของเนบิวลารุ่นใหม่ และเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์รุ่นต่อไป เช่น ระบบสุริยะก็กำเนิดจากเนบิวลารุ่นหลัง   ดวงอาทิตย์และบริวารจึงมีธาตุต่างๆ ทุกชนิด เป็นองค์ประกอบ ดังนั้น เนบิวลา ดาวฤกษ์ การระเบิดของดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ โลกของเรา สารต่างๆ และชีวิตบนโลก จึงมีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้ง

กำเนิดและวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์
ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยถึงปานกลางและอยู่ใกล้โลกที่สุด   จึงเป็นดาวฤกษ์ที่นักดาราศาสตร์ศึกษามากที่สุดเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ดวงอาทิตย์เกิดจากยุบรวมตัวของเนบิวลา   เมื่อประมาณ 5,000 ล้านปีมาแล้ว  และจะฉายแสงสว่างอยู่ในสภาพสมดุลเช่นทุกวันนี้ต่อไปอีกประมาณ 5,000 ล้านปี ดังภาพ 5.2


ภาพ 5.2 วิวัฒนาการของดวงอาทิตย์จากเนบิวลาจนกลายเป็นดาวแคระขาว
การยุบตัวของเนบิวลา   เกิดจากแรงโน้มถ่วงของเนบิวลาเอง   เมื่อแก๊สยุบตัวลง ความดันของแก๊สจะสูงขึ้น   ผลที่ตามมาคืออุณหภูมิของแก๊สจะสูงขึ้นด้วย   นี่คือธรรมชาติของแก๊สในทุกสถานที่   ที่แก่นกลางของเนบิวลาที่ยุบตัวลงนี้   จะมีอุณหภูมิสูงกว่าที่ขอบนอก   เมื่ออุณหภูมิแกนกลางสูงมากขึ้นเป็นหลายแสนองค์ศาเซลเซียส เรียกช่วงนี้ว่า “ดาวฤกษ์ก่อนเกิด” (protostar) เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงให้แก๊สยุบตัวลงไปอีก   ความดัน ณ แก่นกลางสูงขึ้น   และอุณหภูมิก็สูงขึ้นเป็น 15 ล้านเคลวิน   ซึ่งมีอุณหภูมิสูงมากพอที่จะเกิด ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear reaction) หลอมนิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสฮีเลียม   เมื่อเกิดความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงดันของแก๊สร้อนทำให้ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่สมบูรณ์

แสดงความสมดุลระหว่างแรงดันกับแรงโน้มถ่วง
พลังงานของดวงอาทิตย์เกิดที่แก่นกลาง   ซึ่งเป็นชั้นในสุดของดวงอาทิตย์   เป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิและความดันสูงมาก   ทำให้เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่แก่นกลางดวงอาทิตย์   ซึ่งเกิดจากโปรตอนหรือนิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน 4  นิวเคลียส หลอมไปเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม 1 นิวเคลียส พร้อมกับเกิดพลังงานจำนวนมหาศาล
จากปฏิกิริยาพบว่ามีมวลส่วนหนึ่งหายไปมวลที่หายไปนั้นเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน   ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตรความสัมพันธ์ระหว่างมวล (m) และพลังงาน (E) ของไอนส์ ไตน์
E = mc2
เมื่อ c คืออัตราเร็วของแสงในอวกาศเท่ากับ 30,000 กิโลเมตร/วินาที
นักวิทยาศาสตร์คาดคะเนว่า   ในอนาคตเมื่อธาตุไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลือน้อยแรงโน้มถ่วง   เนื่องจากมวลของดาวโลกสูงกว่าความดัน   ทำให้ดาวยุบตัวลง   ส่งผลให้แก่นกลางของดาวฤกษ์มีอุณหภูมิสูงขึ้นมากกว่าเดิมเป็น 100 ล้านเคลวิน จนเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียสหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมเป็นนิวเคลียสของคาร์บอน   ในขณะเดียวกันไฮโดรเจนที่เป็นเปลือกอยู่รอบนอกแก่นฮีเลียม   จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามไปด้วย   เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 15 ล้านเคลวิน   จะเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียสหลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมครั้งใหม่   ผลก็คือได้พลังงานออกมาอย่างมหาศาลทำให้ดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นเป็น 100 เท่าของขนาดปัจจุบัน   เมื่อผิวด้านนอกขยายตัว   อุณหภูมิมีผวจะลดลง   สีจะเปลี่ยนจากเหลืองเป็นแดง   ดวงอาทิตย์จึงกลายเป็นดาวฤกษ์สีแดงขนาดใหญ่มาก   เรียกว่า ดาวยักษ์แดง (red giant) เป็นช่วงที่พลังงานถูกปล่อยออกจากดวงอาทิตย์ในอัตราสูงมาก   ดวงอาทิตย์ช่วงชีวิตเป็นดาวยักษ์แดงค่อนข้างสั้น

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ Albert Einstein (พ.ศ. 2422-2498)
ทุกวินาทีดวงอาทิตย์จะหลอมมวลของไฮโดรเจนประมาณ 600 ล้านตัน ไปเป็นฮีเลียม 596 ล้านตัน มวลจำนวนประมาณ 4 ล้านตันถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน โดยมวล 1 กิโลกรัมจะเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน 9×1016 จูล ทำให้ดวงอาทิตย์ผลิตพลังงานได้  3.85 x 1026  จูลต่อวินาที หรือ 3.85 x 1026 วัตต์

กิจกรรม 5.1 ดาวยักษ์แดง
เมื่อดวงอาทิตย์เป็นดาวยักษ์แดง   จะมีอะไรเกิดขึ้นบนโลกของเรา   จงเขียนข้อความและวาดภาพตามจินตนาการของนักเรียน แล้วนำเสนอผลงาน
ที่แก่นกลางของดวงอาทิตย์ซึ่งอยู่ในสภาพของดาวยักษ์แดงในช่วงท้ายของชีวิตจะไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่หลอมคาร์บอนเป็นนิวเคลียสที่ใหญ่กว่าคาร์บอน เพราะอุณหภูมิภายในไม่สูงมาก ความดันจึงลด ดังนั้นในเวลาต่อมาแรงโน้มถ่วงจะทำให้แก่นกลางของดาวยักษ์แดงยุบตัวลง กลายเป็น ดาวแคระขาว (white dwarf) ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 13,000 กิโลเมตร หรือประมาณ 1 ใน 100 ของดวงอาทิตย์ในปัจจุบัน   แต่ขณะเดียวกันกับที่แก่นกลางเกิดการยุบตัว   มวลของผิวดาวรอบนอกไม่ได้ยุบเข้ามารวมด้วย   จึงมีชั้นของแก๊สหุ้มอยู่รอบ   เกิดเป็น เนบิวลาดาวเคราะห์ (planetary   nebula)   ซึ่งจะเคลื่อนห่างออกไปจากดาวแคระขาว   กระจายออกไปในอวกาศ
ดวงอาทิตย์ในสภาพของดาวแคระขาวจะส่องแสงสว่างไปได้อีกนานนับล้านปี   โดยผลิตพลังงานจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หลอมรวมนิวเคลียสของฮีเลียมครั้งใหม่   ณ ใจกลางซึ่งอุณหภูมิสูงขึ้นเพราะการยุบตัวลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วง   และจากปฏกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์และจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หลอมรวมนิวเคลียสธาตุไฮโดรเจนที่เกิดในชั้นรอบแก่นของดาวแคระขาวจะมีความสว่างน้อยลงเป็นลำดับ   เพราะอุณหภูมิภายในจะเริ่มลดต่ำลงจนไม่เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์   ในที่สุดก็หยุดสิ่งแสงสว่างเป็น ดาวแคระดำ (black   dwaef)   เป็นก้อนมวลสารที่ไร้ชีวิต   แต่กว่าจะถึงช่วงเวลานั้น   คงไม่มีมนุษย์คนใดมีโอกาสอยู่เฝ้าดูเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นกับดวงอาทิตย์

Advertisements

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s