บทที่6

                                             ดาวฤกษ์

     วิวัฒนาการดาวฤกษ์

http://www.lesa.biz/_/rsrc/1392536860370/astronomy/star/death-of-stars/Cycle_Star.jpg

ดาวที่เรามองเห็นบนฟ้าส่วนใหญ่เป็นดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์เป็นก้อนแก๊สร้อนขนาดใหญ่ มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็น ธาตุไฮโดรเจน ดาวฤกษ์ทุกดวงมีความเหมือนกัน คือ มีพลังงานในตัวเองและเป็นแหล่งกำเนิดธาตุต่างๆ เช่น ธาตุฮีเลียม ลิเทียม เบริลเลียม ส่วน ธาตุที่มีนิวเคลียสขนาดใหญ่จะเกิดจากดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์มากๆเท่านั้น

 แม้จะมีความเหมือนกันในเรื่องดังกล่าว แต่ดาวฤกษ์ยังมีความแตกต่างกันในเรื่องต่อไปนี้ คือ มวล อุณหภูมิผิวหรือสีผิวหรืออายุ องค์ประกอบทางเคมี ขนาด ระยะห่าง ความสว่างและระบบดาว รวมทั้งวิวัฒนาการ 

  วิวัฒนาการของดาวฤกษ์

วิวัฒนาการดวฤกษ์

http://www.darasart.com/

ดาวฤกษ์ทั้งหลายเกิดจากการยุบรวมตัวของ เนบิวลา หรือกล่าวได้อีกอย่างว่าเนบิวลาเป็นแหล่งกำเนิดของดาวฤกษ์ทุกประเภท แต่จุดจบของดาวฤกษ์จะต่างกัน ขึ้นอยู่กับมวลสาร

วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลสารต่างๆกัน วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มากๆจะเป็นหลุมดำมวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มาก จะกลายเป็นดาวนิวตรอน และวาระสุดท้ายดาวฤกษ์มวลสารน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ จะกลายเป็นดาวแคระ

 ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อย เช่น ดวงอาทิตย์มีแสงสว่างไม่มากจะใช้เชื้อเพลิงในอัตราที่น้อย จึงมีชีวิตยาว และจบลงด้วยการไม่ระเบิด แต่จะกลายเป็นดาวแคระขาว สำหรับดาวฤกษ์ ที่มีมวลพอๆกับดวงอาทิตย์ จะมีช่วงชีวิตและการเปลี่ยนแปลงแบบเดียวกับดวงอาทิตย์

 ดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่ มีมวลมาก สว่างมากจะใช้เชื้อเพลิงอย่างสิ้นเปลืองในอัตราสูงมากจึงมีช่วงชีวิตสั้นกว่า และจบชีวิตด้วยการระเบิดอย่างรุนแรง

จุดจบของดาวฤกษ์ที่มวลมาก คือการระเบิดอย่างรุนแรง ที่เรียกว่า ซูเปอร์โนวา (supernova) แรงโน้มถ่วง จะทำให้ดาวยุบตัวลงกลายเป็นดาวนิวตรอนหรือหลุมดำ ในขณะเดียวกันก็มีแรงสะท้อนที่ทำให้ส่วนภายนอกของดาวระเบิดเกิดธาตุหนักต่างๆ เช่น ยูเรนียม ทองคำ ฯลฯ ซึ่งถูกสาด กระจายออกสู่อวกาศกลายเป็นส่วนประกอบของเนบิวลารุ่นใหม่ และเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์รุ่นต่อไป เช่นระบบสุริยะก็เกิดจากเนบิวลารุ่นหลัง ดวงอาทิตย์และบริวารจึงมีธาตุต่างๆทุกชนิด เป็นองค์ประกอบ ดังนั้น เนบิวลา ดาวฤกษ์ การระเบิดของดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ โลกของเรา สารต่างๆและชีวิตบนโลก จึงมีความสัมพันธ์กันอย่างลึกซึ้ง

 จุดจบของดาวฤกษ์

http://uc.exteenblog.com/micmix/images/cats20.jpg

หลุมดำ

วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลสารต่าง ๆ กัน

วาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มาก ๆ จะเป็นหลุมดำ (บน)

มวลสารมากกว่าดวงอาทิตย์มาก จะกลายเป็นดาวนิวตรอน (กลาง)

และวาระสุดท้ายของดาวฤกษ์มวลสารน้อย เช่น ดวงอาทิตย์ จะกลายเป็นดาวแคระ (ล่าง)

กำเนิดและวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์

http://www.tcu.edu/

ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยถึงปานกลางและอยู่ใกล้โลกที่สุด จึงเป็นดาวฤกษ์ที่นักดาราศาสตร์ศึกษามากที่สุด ดวงอาทิตย์เกิด จากการยุบรวมตัวของเนบิวลาเมื่อประมาณ 5,000 ล้านปีมาแล้ว และจะฉายแสงสว่างอยู่ในสภาพสมดุลเช่นทุกวันนี้ต่อไปอีกประมาณ 5,000 ล้านปี

การยุบตัวของเนบิวลา เกิดจากแรงโน้มถ่วงของเนบิวลาเอง เมื่อแก๊สยุบตัวลง ความดันของแก๊สจะสูงขึ้น ผลที่ตามมาคือ อุณหภูมิของแก๊สจะสูงขึ้นด้วยนี่คือธรรมชาติของแก๊สในทุกสถานที่ ที่แก่นกลางของเนบิวลาที่ยุบตัวลงนี้ จะมีอุณหภูมิสูงกว่าที่ขอบนอก เมื่ออุณหภูมิแก่นกลางสูงมากขึ้นเป็นหลายแสนองศาเซลเซียส เรียกช่วงนี้ว่า ดาวฤกษ์เกิดก่อน (Protostar) เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงให้แก๊สยุบตัวลงไปอีก ความดัน ณ แก่นกลางสูงขึ้น และอุณหภูมิก็สูงขึ้นเป็น 15 ล้านเคลวิน เป็นอุณหภูมิสูงมากพอที่จะเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ (thermonuclear reaction) หลอมนิวเคลียสไฮโดรเจนเป็นนิวเคลียสฮีเลียม เมื่อเกิดความสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงดันของแก๊สร้อนทำให้ดวงอาทิตย์เป็นดาวฤกษ์ที่สมบูรณ์

พลังงานของดวงอาทิตย์เกิดที่แก่นกลาง ซึ่งเป็นชั้นในที่สุดของดวงอาทิตย์ เป็นบริเวณที่มีอุณหภูมิและความดันสูงมาก ทำให้เกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ที่แก่นกลาง ของดวงอาทิตย์ ซึ่งเกิดจากโปรตอนหรือนิวเคลียสของธาตุไฮโดรเจน 4 นิวเคลียสหลอมไปเป็นนิวเคลียสของธาตุฮีเลียม 1 นิวเคลียส พร้อมกับเกิดพลังงานจำนวนมหาศาล

จากการเกิดปฏิกิรยาพบว่า มวลที่หายไปนั้นเปลี่ยนไปเป็นพลังงาน ซึ่งสามารถคำนวณได้จากสูตร ความสัมพันธ์ระหว่างมวล (m) และพลังงาน (E) ของไอน์สไตน์ ( E = mc²)

เมื่อ C คืออัตราความเร็วของแสงสว่างในอวกาศซึงเท่ากับ 300,000 กิโลเมตร/วินาที

นักวิทยาศาสตร์คาดคะเนว่า ในอนาคตเมื่อธาตุไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงเหลือน้อย แรงโน้มถ่วงเนื่องจากมวลของดาวฤกษ์สูงกว่าแรงดัน ทำให้ดาวยุบตัวลง ส่งผลให้แก่นกลางของดาวฤกษ์มีอุณหภูมิสูงขึ้นมากกว่าเดิมเป็น 100 ล้านเคลวิน จนเกิด ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์หลอมรวมนิวเคลียสของธาตุฮีเลียมเป็นนิวเคลียสของคาร์บอน ในขณะเดียวกันไฮโดรเจนที่อยู่รอบนอกแก่นฮีเลียม จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นตามไปด้วย เมื่ออุณหภูมิสูงขถึง 15 ล้านเคลวิน จะเกิดปฏิกิริยาเท อร์โมนิวเคลียร์หลอมไฮโดรเจนเป็นฮีเลียมครั้งใหม่ ผลก็คือ ได้พลังงานออกมาอย่างมหาศาล ทำให้ดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่ขึ้นเป็น 100 เท่า ของขนาดปัจจุบัน เมื่อผิวด้านนอกขยายตัว อุณหภูมิผิวจะลดลง สีจะเปลี่ยนจากเหลืองเป็นแดง ดวงอาทิตย์จึงกลายเป็นดาวฤ กษ์สีแดงขนาดใหญ่มาก เรียกว่า ดาวยักษ์แดง (redgiant)เป็นช่วงที่พลังงานถูกปลดปล่อยออกจากดวงอาทิตย์ในอัตราสูงมาก ดวงอาทิตย์จึงมีช่วงชีวิตเป็นดาวยักษ์แดงค่อนข้างสั้น

     ความส่องสว่างและโชติมาตรของดาวฤกษ์

ความส่องสว่าง(brightness)ของดาวฤกษ์ เป็นพลังงานจากดาวฤกษ์ที่ปลดปล่อยออกมาในเวลา 1 วินาทีต่อหน่วยพื้นที่  มีหน่วยเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร ค่าการเปรียบเทียบความสว่างของดาวฤกษ์ เรียกว่า อันดับความสว่าง หรือ แมกนิจูด(magnitude) ดาวที่มีค่าโชติมาตรต่างกัน 1 จะมีความสว่างต่างกัน 2.512เท่า ดาวที่มีค่าโชติมาตรน้อยจะมีความสว่างมากกว่าดาวที่มีค่าโชติมาตรมาก

  

     โชติมาตรของดาวฤกษ์ที่สังเกตได้จากโลก เรียกว่า โชติมาตรปรากฏ(apparent magnitude) นำมาใช้เปรียบเทียบความสว่างที่แท้จริงของดาวฤกษ์ไม่ได้ นักดาราศาสตร์จึงกำหนดโชติมาตรสัมบูรณ์(absolute magnitude) เป็นค่าโชติมมาตรของดาวเมื่อดาวนั้นอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางเท่ากับ 10 พาร์เซก หรือ 32.62 ปีแสง นำมาใช้เปรียบเทียบความสว่างของดาวฤกษ์ทั้งหลาย 

                                           ความส่องสว่างและโชติมาตรของดาวฤกษ์

                              http://www.thaigoodview.com/files/u30449/13-10.gif

  สีและอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์

      ดาวฤกษ์ที่ปรากฏบนท้องฟ้าจะมีสีต่างกัน เมื่อศึกษาอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์จะพบว่า สีของดาวฤกษ์มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์ด้วย นักดาราศาสตร์แบ่งชนิดของดาวฤกษ์ตามสีและอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์ได้ 7 ชนิด คือ O B A F G K และ M แต่ละชนิดจะมีสีและอุณหภูมิผิวดังตารางต่อไปนี้

     สีและอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์

http://www.thaigoodview.com/files/u30449/13-10.gif

           สีของดาวฤกษ์นอกจากจะบอกอุณหภูมิของดาวฤกษ์แล้ว ยังสามารถบอกอายุของดาวฤกษ์ด้วย ดาวฤกษ์ที่มีอายุน้อยจะมีอุณหภูมิที่ผิวสูงและมีสีน้ำเงิน ส่วนดาวฤกษ์ที่มีอายุมากใกล้ถึงจุดสุดท้ายของชีวิตจะมีสีแดงที่ เรียกว่า ดาวยักษ์แดง มีอุณหภูมิผิวต่ำ ดาวฤกษ์แต่ละดวงจะมีสิ่งที่เหมือนกัน คือ องค์ประกอบหลัก ได้แก่ ธาตุไฮโดรเจน และธาตุฮีเลียม พลังงานของดาวฤกษ์ทุกดวงเกิดจากปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ที่แก่นกลาง ของดาว แต่สิ่งที่ต่างกันของดาวฤกษ์ ได้แก่ มวล อุณหภูมิผิว ขนาด อายุ ระยะห่างจากโลก สี ความสว่าง ธาตุที่เป็นองค์ประกอบ และวิวัฒนาการที่ต่างกัน

  วิธีวัดระยะห่างระหว่างดวงดาว

            
        ดาวฤกษ์อยู่ห่างจากโลกมาก และระยะระหว่างดาวฤกษ์ด้วยกันเองก็ห่างไกลกันมากเช่นกัน
 การบอกระยะทางของดาวฤกษ์จึงใช้หน่วยของระยะทางต่างไปจากระยะทางบนโลก ดังนี้

       ปีแสง (lightyear หรือ Ly.) คือ ระยะทางที่แสงเดินทางในเวลา 1 ปี อัตราเร็วของแสงมีค่า33108 
เมตร/วินาที ดังนั้นระยะทาง 1 ปีแสงจึงมีค่าประมาณ 931012 กิโลเมตร เช่น ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจาก
โลก 8.3 นาทีแสง หรือประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร ดาวแอลฟาเซนเทารีในกลุ่มดาวเซนทอร์อยู่ห่าง
จากโลก 4.26 ปีแสง หรือ 4031012 กิโลเมตร เป็นต้น

       หน่วยดาราศาสตร์ (astronomical unit หรือ A.U) คือ ระยะทางระหว่างโลกและดวงอาทิตย์ 
ระยะทาง 1 A.U มีค่า 150 ล้านกิโลเมตร  

       พาร์เซก (parsec) เป็นระยะทางที่ได้จากการหาแพรัลแลกซ์ (parallax) คือการย้ายตำแหน่งปรากฏ
 ของวัตถุเมื่อผู้สังเกตอยู่ในตำแหน่งต่างกันของดาวดวงนั้น ซึ่งเป็นวิธีวัดระยะห่างของดาวฤกษ์ที่อยู่ค่อน
ข้างใกล้โลกได้อย่างแม่นยำกว่าดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลมาก          

           หลักการของแพรัลแลกซ์คือ การเห็นดาวฤกษ์เปลี่ยนตำแหน่ง เมื่อสังเกตจากโลกในเวลาที่ห่าง

กัน 6 เดือน เพราะจุดสังเกตดาวฤกษ์ทั้ง 2 ครั้งอยู่ห่างกันเป็นระยะทาง 2 เท่าของระยะทางระหว่างโลกและ   ดวงอาทิตย์ 1 พาร์เซกมีค่า 3.26 ปีแสงดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างกันมาก ระบบดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ระบบ 
 สุริยะ ที่สุดคือ อัลฟา เซนทอรี ในกลุ่มดาวม้าครึ่งคน ซึ่งอยู่ห่าง 4.26 ปีแสง การวัดระยะห่างจากโลกถึง
ดาวฤกษ์ ทำได้หลายวิธี คือ การหาแพรัลแลกซ์ คือการย้ายตำแหน่งปรากฏ ของวัตถุเมื่อผู้สังเกตุอยู่ใน
ตำแหน่งต่างกันของ

                                                      ระยะห่างระหว่างดวงดาว
                          http://www.thaispaceweather.com/news/November06/061121a_02.jpg

คณิตศาสตร์กับการคำนวณ

เนบิวลา

      เนบิวลา คือกลุ่มฝุ่นแก๊สขนาดใหญ่โตมาก  ประกอบำปด้วย แก๊สไฮโดรเจน และฮีเลียม เป็นแหล่งกำเนิดดาวฤกษ์ แบ่งได้ 4 ประเภท

  1เนบิวลาสว่าง (Diffuse Nebula)

เนบิวลาที่ห่อหุ้มดาวดูดกลืนพลังงานจากรังสีอัลตราไวโอเล็ต และแผ่รังสีเข้มสุดในช่วง 
H-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 656 nm ทำให้เรามองเห็นเป็น สีแดง ได้แก่ เนบิวลาสว่างใหญ่ในกลุ่มดาวนายพราน (M 42 Great Orion Nebula) ในภาพที่ 1  ซึ่งเห็นได้ว่า 
ใจกลางของเนบิวลาสว่างมีดาวฤกษ์เกิดใหม่อยู่ภายใน

 

ภาพท่ี่ 1 เนบิวลาสว่างในกลุ่มดาวนายพราน        

                                            http://moomeen.exteen.com/20100929/entry

  เนื่องจากเนบิวลามีแก๊สและฝุ่นอยู่หนาแน่น บางครั้งอนุภาคขนาดใหญ่เป็นอุปสรรคขวางกั้นการแผ่รังสี

    2.เนเนบิวลาสะท้อนแสง”(Reflection Nebula) 
     จึงเกิดการกระเจิงของแสง (Scattering) ทำให้มองเห็นเป็นเนบิวลาสีฟ้า เช่นเดียวกับที่การกระเจิงของแสง
อาทิตย์ในบรรยากาศโลกที่ทำให้ท้องฟ้าเป็นสี ฟ้า เราเรียกเนบิวลาประเภทนี้ว่า “เนบิวลาสะท้อนแสง”
 (Reflection Nebula) ตัวอย่างเช่น เนบิวลาในกระจุกดาวลูกไก่ (M45 Pleiades) ดังภาพที่ 2 

     

ภาพท่ี่ 2 เนบิวลาสะท้อนแสงในกระจุกดาวลูกไก่ 

http://moomeen.exteen.com/20100929/entry

       3. เนบิวลามืด (Dark Nebula)

     ส่วนของเนบิวลาเป็นกลุ่มแก๊สที่มีอุณหภูมิต่ำอยู่อย่างหนา แน่น กลุ่มแก๊สเหล่า นี้เหล่านี้บดบังแสงสว่างจากดาวฤกษ์เกิดใหม่หรือเนบิวลาสว่าง ซึ่งอยู่ด้านหลัง เราจึงมองเห็นเป็น  “เนบิวลามืด”(Dark Nebula) เช่น เนบิวลารูปหัวม้าในกลุ่มดาวนายพราน (Horsehead Nebula)    ดังภาพที่ 3 

 

ภาพท่ี่ 3 เนบิวลาสะท้อนแสงในกระจุกดาวลูกไก่ 

http://moomeen.exteen.com/20100929/entry

       
        แม้ว่าในตำราเรียนจะแบ่งเนบิวลาออกเป็น 3 ประเภทคือ เนบิวลาสว่าง เนบิวลาสะท้อนแสง และ
เนบิวลามืด ในความจริงแล้วเนบิวลาทั้งสามชนิดเป็นเพียงปรากฎการณ์ซึ่งปรากฏให้เห็นเฉพาะ ในมุม
มองจากโลก  หากดูในภาพที่ 4 จะเห็นว่า เนบิวลาไทรฟิด (M20 Trifid Nebula)  เป็นกลุ่มแก๊สซึ่งมีทั้ง
 เนบิวลาสว่าง เนบิวลาสะท้อนแสง และเนบิวลามืด อยู่ใน ตัวเดียวกัน  ดาวเกิดใหม่ท่ีอยู่ภายในแผ่รังสี
ออกมากระตุ้นให้กลุ่มแก๊สท่ีอยู่บริเวณ รอบๆ แผ่รังสีปรากฏเป็นเนบิวลาสว่างสีแดง แต่มีกลุ่มแก๊สหนา
ทึบบางส่วนมาบังแสงสว่างทำให้มองเห็นเป็นเนบิวลามืด และเกิดการกระเจิงของแสงที่กลุ่มแก๊สที่อยู่
ด้านหลัง ทำให้มองเห็นเป็นเนบิวลาสะท้อนแสงสีน้ำเงิน 

ภาพท่ี่ 4 เนบิวลาทริฟิดในกลุ่มดาวคนยิงธนู

                               http://moomeen.exteen.com/20100929/entry