About once every century, a massive star somewhere in our galaxy runs out of fuel. This happens after millions of years of heat and pressure have fused the star’s hydrogen into heavier elements like helium, carbon, and nitrogen— all the way to iron. No longer able to produce sufficient energy to maintain its structure, it collapses under its own gravitational pressure and explodes in a supernova. The star shoots most of its innards into space, seeding the galaxy with heavy elements. But what this cataclysmic eruption leaves behind might be even more remarkable: a ball of matter so dense that atomic electrons collapse from their quantum orbits into the depths of atomic nuclei. The death of that star is the birth of a neutron star: one of the densest known objects in the universe, and a laboratory for the strange physics of supercondensed matter.
ในศตวรรษจะมีสักครั้งหนึ่ง ที่ดาวฤกษ์มวลมหาศาลสักดวงในกาแล็กซีของเรา ได้หมดเชื้อเพลิงลง มันเกิดขึ้นหลังจากหลายล้านปี ของความร้อนและความดัน ที่หลอมรวมไฮโดรเจนของดาวฤกษ์ ให้เป็นธาตุที่หนักขึ้น เช่น ฮีเลียม คาร์บอน และไนโตรเจน จนกลายเป็นเหล็ก จนสุดท้ายไม่สามารถผลิตเชื้อเพลิง ที่เพียงพอที่จะคงสภาพตัวเองไว้ได้ มันจึงยุบตัวลงจากความดันของแรงโน้มถ่วง และระเบิดออกเป็นซูเปอร์โนวา ดาวฤกษ์ได้ปลดปล่อยมวลสารส่วนใหญ่ของมัน ไปในอวกาศ ทำให้กาแล็กซีอุดมไปด้วยธาตุหนัก แต่เศษซากที่เหลือจากการระเบิดรุนแรงนี้ เป็นสิ่งที่น่าทึ่งยิ่งกว่า มันเป็นสสารทรงกลมที่หนาแน่นมาก จนทำให้อิเล็กตรอนของอะตอม หลุดจากวงโคจรควอนตัมของมัน เข้าไปหลอมรวมกับนิวเคลียสของอะตอม การดับลงของดาวฤกษ์นี้ก่อให้เกิดดาวนิวตรอน หนึ่งในวัตถุที่มีความหนาแน่นมากที่สุด ในเอกภพ และเป็นเหมือนห้องทดลองประหลาด ของสสารความหนาแน่นสูง
But what is a neutron star? Think of a compact ball inside of which protons and electrons fuse into neutrons and form a frictionless liquid called a superfluid— surrounded by a crust. This material is incredibly dense – the equivalent of the mass of a fully-loaded container ship squeezed into a human hair, or the mass of Mount Everest in a space of a sugar cube. Deeper in the crust, the neutron superfluid forms different phases that physicists call “nuclear pasta,” as it’s squeezed from lasagna to spaghetti-like shapes.
แต่ดาวนิวตรอนคืออะไร ให้คิดว่ามันเป็นลูกบอลที่ข้างในอัดแน่นด้วย โปรตรอน และอิเล็กตรอน หลอมรวมเป็นนิวตรอน จนกลายเป็นของเหลวเนื้อเดียวกัน ซึ่งเรียกว่า ของไหลยิ่งยวด ซึ่งถูกห่อหุ้มด้วยเปลือกแข็ง วัตถุนี้มีความหนาแน่นมหาศาล เปรียบได้กับมวลของเรือคอนเทนเนอร์ ที่บรรทุกของมาเต็มลำ ถูกบีบอัดให้เหลือขนาดเพียงเส้นผม หรือมวลของภูเขาเอเวอร์เรส ในขนาดของก้อนน้ำตาล ลึกลงไปภายในพื้นผิวของดาวนิวตรอน ของไหลยิ่งยวดก่อตัวแตกต่างกันไป นักฟิสิกส์เรียกมันว่า "นิวเคลียร์พาสตา" เพราะมันถูกบีบจากสภาพคล้ายลาซานญา ให้กลายเป็นเส้นสปาเก็ตตี
The massive precursors to neutron stars often spin. When they collapse, stars that are typically millions of kilometers wide compress down to neutron stars that are only about 25 kilometers across. But the original star’s angular momentum is preserved. So for the same reason that a figure skater’s spin accelerates when they bring in their arms, the neutron star spins much more rapidly than its parent. The fastest neutron star on record rotates over 700 times every second, which means that a point on its surface whirls through space at more than a fifth of the speed of light. Neutron stars also have the strongest magnetic field of any known object. This magnetic concentration forms vortexes that radiate beams from the magnetic poles. Since the poles aren’t always aligned with the rotational axis of the star, the beams spin like lighthouse beacons, which appear to blink when viewed from Earth. We call those pulsars. The detection of one of these tantalizing flashing signals by astrophysicist Jocelyn Bell in 1967 was in fact the way we indirectly discovered neutron stars in the first place. An aging neutron star’s furious rotation slows over a period of billions of years as it radiates away its energy in the form of electromagnetic and gravity waves.
ดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ก่อนที่จะมาเป็นดาวนิวตรอน จะมีการหมุนรอบตัวเอง แต่เมื่อมันยุบตัว จากดาวฤกษ์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง หลายล้านกิโลเมตร ถูกบีบอัดเป็นดาวนิวตรอน ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 25 กิโลเมตร แต่โมเมนตัมเชิงมุมของดาว ยังคงเป็นเหมือนเดิม มันคล้ายกับการหมุนตัว ของนักสเก็ตน้ำแข็งที่เร็วขึ้น เมื่อพวกเขาเก็บแขนตัวเอง ดาวนิวตรอนจึงหมุนเร็วกว่า สภาพก่อนของมันเป็นอย่างมาก ดาวนิวตรอนที่หมุนเร็วที่สุด หมุนรอบตัวเองกว่า 700 รอบต่อวินาที นั่นหมายความว่า ถ้ามีจุดอยู่บนผิวดาวมันจะหมุน ด้วยความเร็วมากกว่า หนึ่งในห้าของความเร็วแสง ดาวนิวตรอนยังมีสนามแม่เหล็ก ที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยพบ สนามแม่เหล็กความเข้มสูงนี้ก่อตัวเป็นวังวน ที่ปล่อยลำแสงออกมาจากขั้วสนามแม่เหล็ก แต่ขั้วแม่เหล็กไม่ได้อยู่ในแนวเดียว กับแกนหมุนของดาวเสมอไป ลำแสงจึงหมุนวนเหมือนกับแสงจากประภาคาร ซึ่งจะเห็นว่ามันกระพริบเมื่อมองมาจากโลก เราเรียกมันว่า พัลซาร์ การตรวจพบสัญญาณแสงกระพริบอันน่าอัศจรรย์นี้ ถูกพบโดยนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ โจเซลิน เบลล์ ในปี ค.ศ.1967 ซึ่งไม่ได้เป็นการค้นพบดาวนิวตรอนโดยตรง ในตอนแรก ดาวนิวตรอนที่เกิดมานานจะค่อย ๆ หมุนช้าลง กินเวลาหลายพันล้านปี ซึ่งมันได้แผ่พลังงานออกไปในรูปของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นความโน้มถ่วง
But not all neutron stars disappear so quietly. For example, we’ve observed binary systems where a neutron star co-orbits another star. A neutron star can feed on a lighter companion, gorging on its more loosely bound atmosphere before eventually collapsing cataclysmically into a black hole.
แต่ไม่ใช่ดาวนิวตรอนทุกดวง จะหายไปอย่างเงียบ ๆ อย่างเช่น เราได้สังเกตระบบดาวคู่หนึ่ง ที่ซึ่งดาวนิวตรอนโคจรคู่ไปกับดาวฤกษ์อีกดวง ดาวนิวตรอนนี้ ได้ดึงพลังงาน ออกมาจากดาวฤกษ์นี้ มากจนทำให้ชั้นบรรยากาศดาวฤกษ์หย่อนยาน ท้ายที่สุดก็ชนกันอย่างรุนแรง จนกลายเป็นหลุมดำ
While many stars exist as binary systems, only a small percentage of those end up as neutron-star binaries, where two neutron stars circle each other in a waltz doomed to end as a merger. When they finally collide, they send gravity waves through space-time like ripples from a stone thrown into a calm lake.
มีดาวฤกษ์หลายดวงดำรงอยู่ในระบบดาวคู่ แต่มีเปอร์เซ็นต์เพียงน้อยนิดเท่านั้น ที่ในท้ายที่สุดกลายเป็นระบบดาวนิวตรอนคู่ ซึ่งเป็นที่ที่ดาวนิวตรอนทั้งสองโคจรรอบกัน คล้ายการเต้นรำคู่กัน และหลอมรวมกันในที่สุด ขณะชนกันมันได้ส่งคลื่นความโน้มถ่วง กระจายออกไปผ่านปริภูมิ-เวลา คล้ายกับระลอกคลื่นจากหิน ที่ถูกโยนลงไปในน้ำที่นิ่งสงบ
Einstein’s theory of General Relativity predicted this phenomenon over 100 years ago, but it wasn't directly verified until 2017, when gravitational-wave observatories LIGO and VIRGO observed a neutron star collision. Other telescopes picked up a burst of gamma rays and a flash of light, and, later, x-rays and radio signals, all from the same impact. That became the most studied event in the history of astronomy. It yielded a treasure trove of data that’s helped pin down the speed of gravity, bolster important theories in astrophysics, and provide evidence for the origin of heavy elements like gold and platinum.
ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ได้ทำนายถึงเหตุการณ์นี้ไว้กว่า 100 ปีก่อน แต่ยังไม่ได้รับการยืนยัน จนกระทั่งปี ค.ศ. 2017 เมื่อเครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ไลโก และ เวอร์โก ได้ตรวจพบการชนกันของดาวนิวตรอน กล้องโทรทรรศน์ตัวอื่นก็ได้ตรวจพบ รังสีแกมมา และแสงวาบ ต่อมาก็มีรังสีเอกซ์ และคลื่นวิทยุ ซึ่งมาจากต้นกำเนิดเดียวกัน นั่นกลายเป็นเหตุการณ์สำคัญที่ต้องศึกษา ของวงการดาราศาสตร์ มันได้ให้ข้อมูลอันล้ำค่า ที่ช่วยให้รู้ถึงความเร็วของความโน้มถ่วง ซึ่งสนับสนุนหลายทฤษฎีสำคัญ ๆ ของฟิสิกส์ดาราศาสตร์ และให้หลักฐานของต้นกำเนิดธาตุหนัก เช่น ทองคำ และทองคำขาว
Neutron stars haven’t given up all their secrets yet. LIGO and VIRGO are being upgraded to detect more collisions. That’ll help us learn what else the spectacular demise of these dense, pulsating, spinning magnets can tell us about the universe.
ดาวนิวตรอนยังไม่ได้เปิดเผยความลับ ของตัวเองทั้งหมด ในเวลานี้ ไลโก และ เวอร์โก กำลังได้รับการอัปเกรด ให้ตรวจจับการชนกันได้มากขึ้น ทั้งหมดช่วยให้เราได้เรียนรู้เพิ่มว่า ดาวฤกษ์ที่ดับลง อันหนาแน่น สว่างวาบ และมีสนามแม่เหล็กที่หมุนได้เหล่านี้ สามารถบอกอะไรเราเกี่ยวกับเอกภพได้