หน้าหลัก › บทความดาราศาสตร์ › ฟิสิกส์ดาราศาสตร์
ฟิสิกส์ดาราศาสตร์

มวลยีนส์: ดาวเกิดจากเมฆแก๊สได้อย่างไร

Jeans mass and star formation

อัปเดตล่าสุด

เสาแห่งการก่อกำเนิด (Pillars of Creation) จากกล้องเจมส์ เว็บบ์
เสาแห่งการก่อกำเนิด (Pillars of Creation) จากกล้องเจมส์ เว็บบ์ภาพ: NASA, ESA, CSA, STScI; J. DePasquale, A. Koekemoer, A. Pagan (STScI), CC BY 4.0 (ย่อขนาดจากต้นฉบับ)

เมฆแก๊สในอวกาศจะยุบตัวเป็นดาวได้ก็ต่อเมื่อแรงโน้มถ่วงชนะความดันของแก๊ส เงื่อนไขนี้บอกด้วยมวลยีนส์ ซึ่งขึ้นกับอุณหภูมิและความหนาแน่นของเมฆ และอธิบายว่าทำไมดาวจึงเกิดในเมฆที่เย็นและหนาแน่น

ดาวฤกษ์ทุกดวงเกิดจากเมฆแก๊สและฝุ่นระหว่างดาวที่ยุบตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง แต่เมฆส่วนใหญ่ในดาราจักรก็ไม่ได้ยุบตัว เพราะแก๊สมีความดันที่ดันออก คำถามคือเมฆต้องหนักแค่ไหนแรงโน้มถ่วงจึงจะชนะ

การแข่งกันระหว่างความร้อนกับแรงโน้มถ่วง

อนุภาคแก๊สที่อุณหภูมิ T มีพลังงานจลน์เฉลี่ยราว \tfrac{3}{2}kT ต่ออนุภาค ส่วนพลังงานศักย์โน้มถ่วงของทรงกลมมวล M รัศมี R มีขนาดราว GM^2/R ถ้าพลังงานโน้มถ่วงมีขนาดมากกว่าพลังงานความร้อน (ตามทฤษฎีบทไวเรียลคือมากกว่าสองเท่า) เมฆจะยุบตัว ลองตั้งเงื่อนไขนี้แล้วแทนรัศมีด้วยความหนาแน่น \rho จะได้มวลวิกฤตที่เรียกว่ามวลยีนส์

M_J \approx \left(\frac{5kT}{G\mu m_H}\right)^{3/2}\left(\frac{3}{4\pi\rho}\right)^{1/2}

เมื่อ \mu คือมวลโมเลกุลเฉลี่ยของแก๊ส และ m_H คือมวลของอะตอมไฮโดรเจน เมฆที่หนักกว่า M_J จะยุบตัว ส่วนเมฆที่เบากว่าจะอยู่ได้หรือขยายตัวออก

อนุภาคแก๊สวิ่งไปมาด้วยความเร็วที่ขึ้นกับอุณหภูมิ ยิ่งร้อนยิ่งวิ่งเร็ว การเคลื่อนไหวนี้คือความดันที่ต้านการยุบตัว ส่วนแรงโน้มถ่วงของเมฆจะแรงขึ้นเมื่อเมฆหนักและอัดแน่น ถ้าแรงโน้มถ่วงชนะ เมฆจะยุบตัว มวลที่น้อยที่สุดที่เมฆต้องมีเพื่อให้แรงโน้มถ่วงชนะเรียกว่ามวลยีนส์ ตามชื่อ เจมส์ ยีนส์ ผู้คิดคำนวณนี้ เมฆที่หนักกว่ามวลยีนส์จะยุบตัว ส่วนเมฆที่เบากว่าจะอยู่ได้หรือขยายตัวออก

ทำไมดาวเกิดในเมฆที่เย็นและหนาแน่น

สูตรบอกว่า M_J \propto T^{3/2}\rho^{-1/2} มวลยีนส์สูงขึ้นเมื่อเมฆร้อนขึ้น และลดลงเมื่อเมฆหนาแน่นขึ้น เมฆที่ร้อนต้องหนักมากจึงยุบได้ ส่วนเมฆที่เย็นและหนาแน่นยุบได้ง่ายแม้มวลไม่มาก นี่คือเหตุผลที่ดาวเกิดในเมฆโมเลกุล ซึ่งเย็นเพียงราว 10 ถึง 20 เคลวิน และหนาแน่นกว่าแก๊สทั่วไประหว่างดาวหลายร้อยเท่า สำหรับเมฆโมเลกุลทั่วไป มวลยีนส์อยู่ในระดับไม่กี่เท่าของมวลดวงอาทิตย์

จากเมฆก้อนใหญ่สู่กระจุกดาว

ขณะเมฆยุบตัว ความหนาแน่นสูงขึ้น ในช่วงแรกแก๊สยังแผ่ความร้อนออกไปได้ดี อุณหภูมิจึงแทบคงที่ มวลยีนส์จึงลดลงเรื่อย ๆ ตามความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้น ส่วนย่อยของเมฆจึงเริ่มยุบตัวแยกกันเอง เรียกว่าการแตกตัวเป็นก้อน (fragmentation) เมฆก้อนเดียวจึงให้กำเนิดดาวจำนวนมากพร้อมกัน เป็นเหตุผลที่ดาวส่วนใหญ่เกิดเป็นกระจุก กระบวนการนี้หยุดเมื่อก้อนแก๊สทึบแสงจนกักความร้อนไว้ อุณหภูมิจึงสูงขึ้นและหยุดการแตกตัว

ใช้เวลานานเท่าไร

ถ้าไม่มีอะไรต้าน เมฆจะยุบตัวในเวลาการตกอิสระ ซึ่งขึ้นกับความหนาแน่นเท่านั้น

t_{ff} = \sqrt{\frac{3\pi}{32\,G\rho}}

สำหรับเมฆโมเลกุลทั่วไปได้ราวแสนถึงล้านปี ซึ่งสั้นมากเมื่อเทียบกับอายุดาวฤกษ์ แต่การเกิดดาวจริงช้ากว่านี้ เพราะสนามแม่เหล็ก การหมุน และความปั่นป่วนของแก๊สช่วยต้านการยุบตัวไว้

แนวคิดนี้เสนอโดย เจมส์ ยีนส์ นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ ในปี ค.ศ. 1902

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยดาวฤกษ์ไม่ได้เกิดทีละดวงโดด ๆ เป็นส่วนใหญ่ เมฆโมเลกุลก้อนหนึ่งให้กำเนิดดาวหลายสิบถึงหลายพันดวงพร้อมกัน ดวงอาทิตย์เองก็น่าจะเกิดในกระจุกดาวที่ภายหลังกระจายตัวออกไป
เปิดในเว็บไซต์ NewTutorAstronomy ›

คำศัพท์ในบทความนี้

บทความที่เกี่ยวข้อง