ดาวนิวตรอนและพัลซาร์

เมื่อดาวฤกษ์มวลมาก (เกินราว 8 เท่าของดวงอาทิตย์) หมดเชื้อเพลิง แกนเหล็กจะยุบตัวลงภายในเสี้ยววินาที อิเล็กตรอนถูกอัดรวมกับโปรตอนกลายเป็นนิวตรอน ชั้นนอกระเบิดออกเป็นซูเปอร์โนวา และเหลือแกนเป็นดาวนิวตรอน

วัตถุที่หนาแน่นที่สุดที่ยังมองเห็นได้

ดาวนิวตรอนมีมวลราว 1.2 ถึง 2 เท่าของดวงอาทิตย์ แต่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงราว 20 ถึง 25 กิโลเมตร พอ ๆ กับเมืองขนาดใหญ่ เครื่องมือ NICER บนสถานีอวกาศนานาชาติวัดรัศมีของพัลซาร์บางดวงได้ราว 12 ถึง 13 กิโลเมตร ความหนาแน่นเฉลี่ยของดาวนิวตรอนมวล 1.4 เท่าของดวงอาทิตย์ รัศมี 12 กิโลเมตร คือ

\rho \approx \frac{2.8\times 10^{30}\ \text{kg}}{\tfrac43\pi\,(1.2\times 10^{4}\ \text{m})^3} \approx 4\times 10^{17}\ \text{kg/m}^3

เนื้อดาวหนาแน่นพอ ๆ กับนิวเคลียสของอะตอม เนื้อดาวหนึ่งช้อนชาหนักราวสองพันล้านตัน มากกว่าน้ำหนักของมนุษย์ทุกคนบนโลกรวมกันหลายเท่า แรงโน้มถ่วงที่ผิวคือ

g = \frac{GM}{R^2} \approx \frac{6.67\times 10^{-11}\times 2.8\times 10^{30}}{(1.2\times 10^{4})^2} \approx 1.3\times 10^{12}\ \text{m/s}^2

แรงโน้มถ่วงที่ผิวสูงกว่าบนโลกราวแสนล้านเท่า ความเร็วหลุดพ้นราวครึ่งหนึ่งถึงสองในสามของความเร็วแสง ภูเขาบนผิวดาวนิวตรอนจึงน่าจะสูงไม่ถึงหนึ่งเซนติเมตร ถ้ามวลมากเกินราว 2.2 ถึง 2.5 เท่าของดวงอาทิตย์ ไม่มีความดันใดต้านได้ ดาวนิวตรอนจะยุบตัวต่อเป็นหลุมดำ ดาวนิวตรอนที่หนักที่สุดที่ชั่งได้แม่นยำหนักราว 2.1 เท่าของดวงอาทิตย์

ข้างในเป็นอย่างไร

ผิวนอกสุดเป็นเปลือกแข็งของนิวเคลียสอะตอมที่เรียงตัวเป็นผลึก ลึกลงไป นิวเคลียสถูกอัดจนอุดมด้วยนิวตรอนมากขึ้นเรื่อย ๆ และนิวตรอนเริ่มหลุดออกมาเป็นของไหล ส่วนใหญ่ของดาวเป็นของไหลนิวตรอนที่ไหลได้โดยไม่มีความหนืด เรียกว่าของไหลยวดยิ่ง ส่วนแกนกลางสุดยังไม่มีใครรู้แน่ อาจมีอนุภาคแปลก ๆ หรือควาร์กอิสระ การศึกษาดาวนิวตรอนจึงเป็นการศึกษาสสารในสภาวะที่สร้างบนโลกไม่ได้

ทำไมหมุนเร็วและแม่เหล็กแรง

แกนของดาวที่ยุบตัวหมุนอยู่แล้วเล็กน้อย เมื่อมันหดจากขนาดหลายพันกิโลเมตรเหลือไม่กี่สิบกิโลเมตร โมเมนตัมเชิงมุมถูกอนุรักษ์ ดาวจึงหมุนเร็วขึ้นมาก เหมือนนักสเก็ตที่หุบแขนเข้าหาตัว

I\omega = \tfrac25 MR^2\,\frac{2\pi}{P} = \text{คงที่} \quad\Longrightarrow\quad P \propto R^2

คาบการหมุนจึงสั้นลงตามกำลังสองของรัศมี ถ้ารัศมีหดลงหนึ่งร้อยเท่า ดาวจะหมุนเร็วขึ้นหนึ่งหมื่นเท่า สนามแม่เหล็กก็ถูกอัดตามไปในทำนองเดียวกัน สนามแม่เหล็กของพัลซาร์ทั่วไปจึงแรงกว่าสนามแม่เหล็กโลกราวล้านล้านเท่า

การค้นพบพัลซาร์

ในปี ค.ศ. 1967 โจสลิน เบลล์ เบอร์เนลล์ นักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สังเกตเห็นสัญญาณวิทยุที่เต้นเป็นจังหวะสม่ำเสมอทุก 1.3 วินาที ทีมเคยตั้งชื่อเล่นสัญญาณว่า LGM-1 (Little Green Men) เพราะสม่ำเสมอเหมือนสัญญาณประดิษฐ์ แต่ต่อมาพบว่าเป็นดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเอง

พัลซาร์คือดาวนิวตรอนที่ปล่อยลำคลื่นวิทยุออกจากขั้วแม่เหล็ก เมื่อดาวหมุนและลำคลื่นกวาดผ่านโลก เราจึงรับสัญญาณเป็นจังหวะเหมือนแสงจากประภาคาร พัลซาร์บางดวงหมุนเร็วถึงราว 700 รอบต่อวินาที และเที่ยงตรงพอจะเทียบกับนาฬิกาอะตอม พัลซาร์ในเนบิวลาปู ซึ่งเป็นซากซูเปอร์โนวาที่นักดาราศาสตร์จีนบันทึกไว้ในปี ค.ศ. 1054 หมุนราว 30 รอบต่อวินาที

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 1974 มอบให้แอนโทนี ฮิววิช อาจารย์ที่ปรึกษา แต่ไม่ได้มอบให้เบลล์ เบอร์เนลล์ ซึ่งเป็นผู้สังเกตพบ เรื่องนี้ถูกวิจารณ์อย่างกว้างขวางในเวลาต่อมา

หมุนช้าลงทีละน้อย

สนามแม่เหล็กที่หมุนไปพร้อมดาวแผ่พลังงานออกไปตลอดเวลา พัลซาร์จึงหมุนช้าลงเรื่อย ๆ พลังงานที่เสียไปมาจากพลังงานการหมุนของดาวเอง

E_{\text{rot}} = \tfrac12 I\omega^2,\qquad \dot E = I\omega\,|\dot\omega|

พัลซาร์ในเนบิวลาปูหมุนช้าลงเพียงราว 13 ไมโครวินาทีต่อปี แต่เพราะดาวหนักมากและหมุนเร็ว พลังงานที่เสียไปจากการหมุนช้าลงนี้มากกว่ากำลังส่องสว่างของดวงอาทิตย์ราวหนึ่งแสนเท่า และเป็นแหล่งพลังงานที่ทำให้เนบิวลาปูทั้งเนบิวลาเรืองแสง บางครั้งพัลซาร์ก็หมุนเร็วขึ้นกะทันหันเล็กน้อย เรียกว่าการกระตุก (glitch) เชื่อว่าเกิดจากของไหลยวดยิ่งภายในถ่ายโมเมนตัมเชิงมุมให้เปลือก

ดาวนิวตรอนชนกัน

ในปี ค.ศ. 2017 หอสังเกตการณ์ LIGO และ Virgo ตรวจพบคลื่นความโน้มถ่วงจากดาวนิวตรอนสองดวงชนกัน และกล้องโทรทรรศน์ทั่วโลกเห็นแสงจากการระเบิดที่เรียกว่ากิโลโนวา ซึ่งยืนยันว่าการชนแบบนี้สร้างธาตุหนักอย่างทองคำและแพลทินัม ทองคำบนโลกส่วนหนึ่งจึงอาจมาจากเหตุการณ์แบบนี้ก่อนระบบสุริยะเกิด

แมกนีตาร์

ดาวนิวตรอนชนิดพิเศษที่มีสนามแม่เหล็กแรงที่สุดในเอกภพเรียกว่าแมกนีตาร์ แรงกว่าพัลซาร์ทั่วไปอีกราวร้อยถึงพันเท่า เมื่อเปลือกของมันแตกร้าวเพราะแรงของสนามแม่เหล็ก จะเกิดการปะทุของรังสีแกมมาและรังสีเอกซ์ ในปี ค.ศ. 2004 การปะทุของแมกนีตาร์ SGR 1806-20 ซึ่งอยู่ไกลหลายหมื่นปีแสง ยังรบกวนชั้นไอโอโนสเฟียร์ของโลกได้ และในปี ค.ศ. 2020 แมกนีตาร์ดวงหนึ่งในทางช้างเผือกปล่อยการระเบิดคลื่นวิทยุฉับพลันออกมา เป็นเบาะแสสำคัญว่า FRB อย่างน้อยบางส่วนมาจากแมกนีตาร์

นาฬิกาที่เที่ยงตรงที่สุดในธรรมชาติ

พัลซาร์มิลลิวินาทีบางดวงหมุนสม่ำเสมอจนเทียบกับนาฬิกาอะตอมได้ ในปี ค.ศ. 1974 พัลซาร์คู่ที่ฮัลส์และเทย์เลอร์ค้นพบให้หลักฐานแรกของคลื่นความโน้มถ่วง และในปี ค.ศ. 2023 โครงการจับเวลาพัลซาร์หลายแห่งทั่วโลก รวมถึง NANOGrav รายงานหลักฐานของคลื่นความโน้มถ่วงคาบยาวหลายปี ที่ทำให้จังหวะของพัลซาร์ทั่วท้องฟ้าคลาดเคลื่อนไปพร้อม ๆ กันเล็กน้อย ซึ่งน่าจะมาจากหลุมดำมวลยวดยิ่งคู่จำนวนมากทั่วเอกภพ