นักวิทยาศาสตร์จีนค้นพบระบบดาวนิวตรอนคู่ที่มีมวลน้อยที่สุดและมีคาบโคจรสั้นที่สุด

ทีมวิจัยที่นำโดย หาน จินหลิน (Han Jinlin) นักวิจัยจากหอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์แห่งชาติ สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ประสบความสำเร็จในการค้นพบครั้งสำคัญ โดยอาศัยศักยภาพด้านความไวในการตรวจจับที่สูงเป็นพิเศษของ กล้องโทรทรรศน์วิทยุทรงกลมขนาดช่องรับสัญญาณ 500 เมตร (FAST) ของจีน

ทีมวิจัยตรวจพบ พัลซาร์ J1856−0039 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบดาวนิวตรอนคู่ที่มีวงโคจรขนาดกะทัดรัด ระบบดังกล่าวมีคาบโคจรสั้นมาก และเป็นระบบดาวนิวตรอนคู่ที่มีมวลรวมน้อยที่สุดเท่าที่มีการค้นพบจนถึงปัจจุบัน

ผลการค้นพบดังกล่าวอาศัยข้อมูลจากการสังเกตการณ์ที่แม่นยำหลายครั้ง โดยช่วยให้สามารถทดสอบ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ได้อย่างเข้มงวดมากขึ้น อีกทั้งยังเป็นเป้าหมายใหม่สำหรับการศึกษาปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์สุดขั้ว ธรรมชาติของแรงโน้มถ่วง และต้นกำเนิดของธาตุเคมีในเอกภพ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters เมื่อไม่นานมานี้

ดาวนิวตรอนเป็นซากดาวที่มีความหนาแน่นสูงอย่างยิ่ง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวฤกษ์มวลมากยุบตัวลงในช่วงสิ้นอายุขัย การหมุนรอบตัวเองที่มีความแม่นยำและเสถียรอย่างโดดเด่น ทำให้ดาวนิวตรอนได้รับสมญานามว่า “นาฬิกาจักรวาล”

ระบบดาวนิวตรอนคู่ประกอบด้วยดาวนิวตรอน 2 ดวงที่โคจรรอบกันและกัน และนับเป็นระบบเทหวัตถุประเภทที่พบได้ยากเป็นอย่างยิ่ง ระบบดังกล่าวก่อตัวขึ้นจากการระเบิดซูเปอร์โนวา 2 ครั้งที่เกิดขึ้นต่อเนื่องกัน ก่อนจะค่อย ๆ วิวัฒน์ไปสู่การรวมตัวกันผ่านการปลดปล่อย คลื่นความโน้มถ่วง

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าระบบดาวนิวตรอนคู่เป็นแหล่งกำเนิดสำคัญของธาตุหนัก เช่น ทองคำและแพลทินัม อีกทั้งยังเป็นห้องทดลองตามธรรมชาติสำหรับศึกษาสสารภายใต้ความหนาแน่นสุดขั้ว ทดสอบทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และทำความเข้าใจกระบวนการที่อยู่เบื้องหลังการระเบิดซูเปอร์โนวา

ในฐานะกล้องโทรทรรศน์วิทยุแบบจานเดี่ยวที่มีความไวในการตรวจจับสูงที่สุดในโลก FAST มีศักยภาพโดดเด่นในการตรวจจับพัลซาร์ ทีมวิจัยได้พัฒนาโหมดการสังเกตการณ์แบบภาพรวม (snapshot observing mode) ขึ้นด้วยตนเอง และนำมาใช้ในการค้นหาระบบพัลซาร์ขนาดใหญ่และเป็นระบบตามแนวระนาบกาแล็กซี จนถึงปัจจุบันสามารถค้นพบพัลซาร์ดวงใหม่ได้ประมาณ 900 ดวง

การสังเกตการณ์ติดตามผลอย่างแม่นยำอย่างต่อเนื่อง ทำให้ทีมวิจัยสามารถระบุระบบเทหวัตถุที่มีลักษณะผิดปกติได้หลายระบบ รวมถึง พัลซาร์ J1856−0039

ผลการสังเกตการณ์พบว่า ระบบดังกล่าวมี คาบโคจรเพียง 2.36 ชั่วโมง ทำให้เป็นระบบดาวนิวตรอนคู่ที่มีคาบโคจรสั้นเป็นอันดับ 2 เท่าที่มีการค้นพบ การมีคาบโคจรสั้นเช่นนี้หมายความว่า ดาวนิวตรอนทั้งสองดวงอยู่ห่างกันในระยะใกล้มากและโคจรรอบกันในโครงสร้างที่มีความกะทัดรัดอย่างยิ่ง ส่งผลให้ระบบนี้มีผลกระทบจากปรากฏการณ์เชิงสัมพัทธภาพที่เด่นชัดที่สุดระบบหนึ่งในบรรดาระบบดาวนิวตรอนคู่ที่รู้จัก

ระบบดังกล่าวยังสร้างสถิติใหม่ในด้าน ขีดจำกัดมวลรวมขั้นต่ำของระบบดาวนิวตรอนคู่ โดยมีมวลรวมเพียง 2.488 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ทำให้เป็นระบบดาวนิวตรอนคู่ที่มีมวลน้อยที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ

พัลซาร์ที่สามารถตรวจจับได้มีมวลประมาณ 1.30 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ขณะที่ดาวนิวตรอนคู่มีมวลประมาณ 1.19 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ โดยดาวนิวตรอนคู่หูนี้มีมวลอยู่ในกลุ่มที่น้อยที่สุดเท่าที่มีการค้นพบทั่วโลก และใกล้เคียงกับค่ามวลขั้นต่ำตามทฤษฎี จึงเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์ศึกษาฟิสิกส์ของการระเบิดซูเปอร์โนวาได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น

จากแบบจำลองของทีมวิจัย ดาวนิวตรอนทั้งสองดวงจะรวมตัวกันในอีกประมาณ 82 ล้านปี และมีแนวโน้มสูงที่จะก่อให้เกิดดาวนิวตรอนที่มีมวลมากขึ้น เส้นทางวิวัฒนาการที่มีลักษณะพิเศษนี้มีความสำคัญต่อการไขคำถามเกี่ยวกับ สมการสถานะของสสารภายในดาวนิวตรอน ตลอดจนการศึกษาต้นกำเนิดของธาตุหนัก เช่น ทองคำและแพลทินัมในเอกภพ

หาน จินหลิน กล่าวว่า เมื่อประกอบกับข้อมูลมวลของดาวนิวตรอนที่สามารถวัดได้อย่างแม่นยำ การสังเกตการณ์และศึกษาระบบพัลซาร์คู่ในระยะยาวจะช่วยให้สามารถกำหนดข้อจำกัดสำคัญต่อการศึกษาคำถามทางวิทยาศาสตร์แนวหน้า รวมถึงธรรมชาติของสสารภายในดาวนิวตรอน และคุณสมบัติพื้นฐานของแรงโน้มถ่วงในปริภูมิ-เวลา