จักรวาลกำลังจะหมดดวงดาว?

เมื่อคุณเอนหลังและมองดูท้องฟ้ายามค่ำคืน ไม่ว่าจะอยู่ในใจกลางเมืองหรือในชนบท สิ่งแรกที่สะดุดตาคุณคือจำนวนดาวที่มีอยู่มากมาย สิ่งที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าล้วนเป็นของกาแล็กซีทางช้างเผือกของเราเอง

กาแล็กซีของเราเชื่อว่ามีอายุเกือบเท่าเอกภพ แต่ต่างจากจักรวาลใกล้เคียงจำนวนมาก มันยังเต็มไปด้วยดาวที่เพิ่งก่อตัว เป็นที่ตั้งของภูมิภาคต่างๆ เช่น เนบิวลาคารินา ซึ่งมีดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์หลายร้อยเท่า และเนบิวลานายพรานซึ่งสร้างดาวฤกษ์หลายหมื่นดวงในช่วงสิบล้านปีที่ผ่านมา

ด้วยจำนวนกาแลคซีก่อตัวดาวอย่างแข็งขันซึ่งเชื่อว่าน้อยกว่ากาแลคซีที่มีการก่อตัวของดาวเพียงเล็กน้อยในเอกภพใกล้เคียงประมาณหกเท่า กิจกรรมระดับสูงในทางช้างเผือกนี้จึงหาได้ยาก นี่เป็นส่วนหนึ่งของภาพรวมที่นักดาราศาสตร์กำลังค้นพบว่าอัตราการก่อตัวของดาวฤกษ์กำลังลดลง และพวกเขาต้องการทราบว่าทำไม

ดาวฤกษ์เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ความเข้าใจส่วนใหญ่ของเราเกี่ยวกับวงจรชีวิตของดาวฤกษ์มาจากการสังเกตการเกิดและดับในทางช้างเผือก

ดาวฤกษ์เกิดในกลุ่มเมฆก๊าซและฝุ่นที่เย็นจัดเรียกว่าเนบิวลา ซึ่งพบได้ทั่วกาแลคซีส่วนใหญ่ อุณหภูมิต่ำของเนบิวลา (ประมาณ 10K หรือ -263°C) จำเป็นสำหรับก๊าซไฮโดรเจนที่จะจับกลุ่มกันเป็นก้อนจนมีความหนาแน่นสูงพอที่จะเริ่มกระบวนการก่อตัวดาวได้ แรงโน้มถ่วงของกอจะดึงดูดก๊าซได้มากขึ้น และเมื่อวัสดุนั้นเคลื่อนที่เข้าไปภายใน วัตถุนั้นจะได้รับพลังงานจากการเคลื่อนที่ เมื่อก๊าซกระทบกระจุก พลังงานทั้งหมดจากการเคลื่อนที่จะถูกแปลงเป็นความร้อน กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปจนกระทั่งอุณหภูมิสูงถึงหลายพันเคลวินและสามารถจุดไฟเป็นดาวฤกษ์ได้

ตลอด “แถบลำดับหลัก” ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่เสถียรที่สุดของอายุของดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์จะผลิตรังสีและความร้อนโดยการหลอมรวมโมเลกุลไฮโดรเจน 2 โมเลกุลให้เป็นฮีเลียม การปล่อยรังสีนี้รักษาแรงดันภายนอกที่ต้านแรงโน้มถ่วงจากมวลของดาวฤกษ์และให้กำเนิดแสงส่วนใหญ่ของดาราจักร

ดาวฤกษ์มวลมากกว่าจะใช้เชื้อเพลิงเร็วกว่าเพื่อต้านแรงโน้มถ่วงที่ใหญ่กว่า แต่พวกมันยังส่องแสงยูวีพลังงานสูงที่สว่างที่สุดออกมาด้วย ดาวมวลน้อยมีอายุการใช้งานยาวนานกว่ามาก หรี่แสงมาก และปล่อยแสงอินฟราเรดพลังงานต่ำออกมา กาแลคซีส่วนใหญ่จะมีมวลของดาวฤกษ์อยู่ในช่วงประมาณ 0.1 ถึง 10 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ของเรา

เมื่อใช้ไฮโดรเจนจนหมด ดาวฤกษ์จะเข้าสู่ช่วงสุดท้ายของชีวิตและกลายเป็นดาวที่เสื่อมโทรม สำหรับดาวฤกษ์ที่มีมวลใกล้เคียงหรือต่ำกว่าดวงอาทิตย์ จะไม่สามารถผลิตรังสีได้อีกต่อไป ดังนั้นแรงโน้มถ่วงจะครอบงำ และสสารของดาวฤกษ์จะยุบตัวเป็นดาวแคระขาว

การยุบตัวในลักษณะเดียวกันนี้เกิดขึ้นในดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ แต่มีการเผาไหม้ของสสารมากกว่าที่อุณหภูมิสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น การยุบตัวนี้จึงสร้างแกนกลางที่สามารถหลอมรวมธาตุที่หนักกว่าได้ โดยเริ่มจากการหลอมฮีเลียมเป็นคาร์บอน หากดาวฤกษ์มีมวลมากพอ กระบวนการนี้สามารถดำเนินต่อไปได้ โดยสร้างชั้นพิเศษที่หลอมรวมธาตุที่หนักพอๆ กับเหล็ก เมื่อเชื้อเพลิงในชั้นทั้งหมดหมดลง ชั้นนอกจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็วจนดีดตัวออกจากแกนกลางด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง การพุ่งออกมาอย่างรวดเร็วนี้เรียกว่าซูเปอร์โนวา วัสดุที่ถูกขับออกมาจะถูกโยนเข้าไปในก๊าซและฝุ่นรอบๆ ซึ่งช่วยเพาะดาวฤกษ์รุ่นต่อไป และทิ้งดาวนิวตรอนหรือหลุมดำไว้

การก่อตัวของดาวมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร?

อัตราการเกิดดาวฤกษ์ไม่ได้คงเดิม จักรวาลกำลังผลิตดาวน้อยลงถึงเก้าเท่า ณ จุดสูงสุดเมื่อประมาณ 10 พันล้านปีก่อน ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงกิจกรรมก่อตัวดาวในช่วงเวลาของจักรวาลได้รับการตกผลึกในบทความหลักที่ตีพิมพ์เมื่อเกือบทศวรรษที่แล้ว

Piero Madau และ Mark Dickinson รวบรวมข้อมูลจากการศึกษานับสิบที่มีกาแลคซีหลายแสนแห่งที่วัดได้ทั้งความยาวคลื่นอินฟราเรดและ UV มันครอบคลุมกาแลคซีที่อยู่ใกล้เคียงของเราไปจนถึงกาแลคซีที่สังเกตได้ในเอกภพยุคแรกเมื่อประมาณ 13 พันล้านปีก่อน

ผู้เขียนแบ่งตัวอย่างดาราจักรนี้ออกเป็นกลุ่มตามระยะทาง ด้วยข้อมูลนี้ พวกเขาสามารถสังเกตได้ว่าการกระจายความสว่างของดาราจักรเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตลอดช่วงอายุของเอกภพ และเนื่องจากดาวฤกษ์ประกอบด้วยแสงจำนวนมากของกาแลคซีในอินฟราเรดและรังสียูวี พวกมันจึงสามารถแปลงความสว่างเป็นอัตราการก่อตัวได้โดยตรงโดยใช้สมการที่เป็นที่รู้จัก

ผลลัพธ์เหล่านี้ประสานแนวคิดที่ว่ากิจกรรมการก่อตัวดาวนั้นอ่อนแอมากในเอกภพยุคแรก จากนั้น เมื่อก๊าซมีความเข้มข้นมากขึ้นในกาแลคซี มันก่อให้เกิดการก่อตัวดาวฤกษ์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จนกระทั่งเมื่อประมาณ 10 – 11 พันล้านปีก่อน เมื่อถึงจุดสูงสุด

นับจากนั้นมา การก่อตัวดาวฤกษ์ก็ลดลงอย่างรวดเร็ว ในเอกภพในท้องถิ่นนั้นมีค่าต่ำกว่าค่าสูงสุดประมาณเก้าเท่า ด้วยเหตุนี้ ดาวฤกษ์ประมาณครึ่งหนึ่งที่สังเกตพบในปัจจุบันจึงคิดว่าก่อตัวขึ้นในช่วงห้าพันล้านปีแรกนับตั้งแต่เกิดบิกแบง แต่มีเพียงหนึ่งในสี่เท่านั้น หกพันล้านปีล่าสุด

อะไรทำให้เกิดสิ่งนี้?

โดยทั่วไปแล้ว นักดาราศาสตร์เชื่อว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงของการก่อตัวของดาวฤกษ์เป็นไปตามการมีอยู่ของก๊าซเย็นในเอกภพ เมื่อกาแลคซีเริ่มก่อตัวขึ้น ก๊าซนี้จะเข้มข้นภายในกาแลคซีและทำให้กิจกรรมการก่อตัวดาวถึงจุดสูงสุด แต่แล้วแก๊สก็เริ่มหมดลงอย่างรวดเร็ว เมื่อดาวฤกษ์เริ่มตาย ก๊าซเย็นที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของดาวในอนาคตจะถูกซูเปอร์โนวากระจายตัวและการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของมัน เราจึงเริ่มเห็นการลดลง

แต่การทำความเข้าใจว่าก๊าซนี้ใช้ไม่ได้นั้นทำได้ยากเนื่องจากกาแลคซีเป็นเครือข่ายที่ซับซ้อนซึ่งอยู่ภายใต้แรงบังคับทั้งภายในและภายนอกจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อซูเปอร์โนวาขับสสารออกมา คลื่นกระแทกอาจสร้างความปั่นป่วนมากพอให้ก๊าซจับตัวเป็นก้อนและกระตุ้นการก่อตัวของดาวฤกษ์รุ่นต่อไป แต่ถ้ามันมีพลังมากเกินไป ก็อาจระเบิดก๊าซชนิดเดียวกันนั้นออกจากกาแลคซีได้

นี่เป็นเพียงแง่มุมหนึ่งของปัญหาที่ใหญ่กว่ามาก: จะเกิดอะไรขึ้นหากซูเปอร์โนวามากกว่าหนึ่งดวงดับพร้อมกันหรือต่างเวลากัน แล้ววัตถุอื่นๆ เช่น หลุมดำ ที่ทำให้เกิดคลื่นกระแทกล่ะ? กระบวนการเหล่านี้ส่งผลต่ออุณหภูมิของก๊าซอย่างไร? รายการไม่มีที่สิ้นสุด

วิธีหนึ่งที่จะตอบคำถามเหล่านี้คือการใช้การจำลอง ตัวอย่างเช่น การจำลอง EAGLE จำลองฟิสิกส์ของการก่อตัวและวิวัฒนาการของกาแล็กซีภายในปริมาตรของอวกาศที่มีกาแล็กซีขนาดทางช้างเผือก 10,000 กาแล็กซี มันเริ่มต้นในเอกภพยุคแรกเมื่อทุกอย่างยังคงเป็นแบบเดียวกัน จากนั้นดาวฤกษ์ กาแล็กซี และโครงสร้างอื่นๆ จะก่อตัวขึ้นได้ โดยถูกขับเคลื่อนโดยพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาที่สำคัญ ได้แก่ ความหนาแน่นของทั้งสสารมืดและสสารปกติ และอัตราการขยายตัวของเอกภพ

การจำลองเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการทดสอบรูปแบบต่างๆ ของการก่อตัวดาวและปฏิกิริยาของพวกมันกับกระบวนการดาราจักรอื่นๆ นักดาราศาสตร์สามารถใช้มันเพื่อเล่นกับการตั้งค่าของจักรวาลสมมุติเพื่อทดสอบคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความแรงของซุปเปอร์โนวา และดูว่ามันจะอธิบายการสังเกตของเราในปัจจุบันหรือไม่

อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดด้านการคำนวณหมายความว่าอาจเป็นเรื่องยากที่จะสร้างแบบจำลองอันตรกิริยาเหล่านี้อย่างแม่นยำทั่วทั้งกาแลคซี ต้องมีการตั้งสมมติฐานบางอย่างซึ่งไม่แม่นยำเสมอไป

สมมติฐานของเราต้องได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องผ่านข้อมูลใหม่จากกล้องโทรทรรศน์ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ที่เพิ่งเปิดตัว ซึ่งมุ่งเน้นเป็นพิเศษในการทำความเข้าใจฟิสิกส์ของการก่อตัวดาวฤกษ์ และจะให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ๆ เพื่อช่วยปรับปรุงการจำลองของเรา

นักดาราศาสตร์คิดว่าไม่น่าเป็นไปได้ที่ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการลดลงโดยรวมจะเปลี่ยนไป แต่ด้วยการใช้การจำลองและการสังเกตเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ เราสามารถเปิดเผยรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับสาเหตุที่การก่อตัวของดาวฤกษ์ลดลงได้

จะเกิดอะไรขึ้นในอนาคต?

นักวิทยาศาสตร์บางคนกำลังพยายามเข้าใจว่าเอกภพอาจมีลักษณะอย่างไรหากแนวโน้มการก่อตัวดาวฤกษ์ที่ลดลงนี้ดำเนินต่อไป พวกเขาเชื่อว่าเมื่อ “ยุคสเตลลิเฟอรัส” ซึ่งเป็นช่วงเวลาปัจจุบันของกิจกรรมก่อตัวดาวฤกษ์นี้สิ้นสุดลง เชื้อเพลิงสำหรับการก่อตัวของดาวฤกษ์จะหายไปอย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อดาวฤกษ์ที่เหลือเริ่มตาย จักรวาลก็จะถูกครอบงำโดยหลุมดำและดาวที่เสื่อมโทรมอื่นๆ จักรวาลจะกลายเป็นสถานที่ที่หนาวเย็นและว่างเปล่ามากยิ่งขึ้น ท้องฟ้ายามค่ำคืนจะสลัวลงอย่างเห็นได้ชัด ระบบสุริยะจะไม่สามารถให้กำเนิดชีวิตได้อีกต่อไป เนื่องจากดาวฤกษ์ใจกลางของพวกมันจะเย็นลงอย่างเห็นได้ชัด และหลุมดำจะเริ่มกลืนกินวัสดุที่เหลืออยู่

อนาคต “ยุคเสื่อมโทรม” นี้เป็นหัวข้อที่เยือกเย็นและน่าติดตาม โชคดีที่มันจะไม่เกิดขึ้นในเร็ว ๆ นี้ ปัจจุบันเอกภพมีอายุประมาณ 13.7 พันล้านปี แต่ยุคเสื่อมยังไม่เริ่มจนกว่าจะอยู่ระหว่าง 1 quintillion (1,015 หรือ 1 ตามด้วย 15 ศูนย์) และ 1 duodecillion (1,039 หรือ 1 ตามด้วย 39 ศูนย์) ปีหลังจาก บิ๊กแบง. อย่างไรก็ตาม นี่เป็นผลการคาดเดาของการลดลงอย่างต่อเนื่องของกิจกรรมการก่อตัวดาวฤกษ์ และมีความเป็นไปได้ที่แปลกประหลาดอีกมากมายสำหรับชะตากรรมสุดท้ายของเอกภพ

จุดสิ้นสุดที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือการที่เราขาดความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานมืด ซึ่งเป็นพลังที่ทำให้เอกภพขยายตัวในอัตราที่เพิ่มมากขึ้น หากแนวโน้มนี้ยังคงดำเนินต่อไปและเอกภพขยายตัวเร็วขึ้นและเร็วขึ้น พลังงานมืดก็จะแข็งแกร่งขึ้นจนฉีกกาแลคซี ดวงดาว และแม้แต่สสารออกเป็นชิ้นๆ จนไม่เหลือสิ่งใดเลย เหตุการณ์ที่เรียกว่า ‘บิ๊กริป’

แต่ถ้าการขยายตัวช้าลงหรือหยุดลง แรงโน้มถ่วงก็อาจเริ่มเข้าครอบงำ ทุกสิ่งจะเริ่มดึงดูดซึ่งกันและกันจนกระทั่งจักรวาลทั้งหมดพังทลายลงใน ‘Big Crunch’ รูปแบบหนึ่งของสถานการณ์นี้บ่งชี้ว่าการล่มสลายอาจก่อให้เกิดบิ๊กแบงอีกครั้งและเริ่มต้นจักรวาลใหม่ทั้งหมด!

หากมองข้ามสถานการณ์คาดเดาเหล่านี้แล้ว ยังมีอีกมากที่ต้องเรียนรู้ว่าเหตุใดการก่อตัวดาวจึงลดลงและนั่นหมายความว่าอย่างไรต่อจักรวาลโดยรวม แม้ว่าปัญหาจะแก้ไขได้ยาก แต่เราควรขอบคุณที่จักรวาลมีอายุมากขึ้น

แม้จะต้องพึ่งพาดวงอาทิตย์ในการดำรงชีวิต แต่การก่อตัวของดาวฤกษ์ก็ส่งผลเสียต่อชีวิต ตั้งแต่การลดโอกาสการก่อตัวของดาวเคราะห์ ไปจนถึงการแผ่รังสีที่เป็นอันตรายออกมาท่วมระบบสุริยะ หรือการระเบิด ดังนั้น หากมีดวงดาวมากเกินไป เราอาจไม่ได้อยู่ที่นี่เพื่อพิจารณาคำถามเหล่านี้

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ solar-papillon.com