6.4 สีและอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์

ทำไมดาวแต่ละดวงบนท้องฟ้าจึงมีสีสันแตกต่างกัน ? เป็นคำถามที่พบบ่อยมากในขณะจัดกิจกรรมดูดาวที่ทางสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) จัดขึ้น แต่นั่นก็นับเป็นโอกาสที่ดีที่นักดาราศาสตร์จะได้มีโอกาสอธิบายถึงกลไกที่ทำให้ดาวแต่ละดวงมีสีสันที่แตกต่างกัน ซึ่งสีที่แตกต่างของดาวแต่ละดวงนั้นจะมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิที่บริเวณพื้นผิวของดาวฤกษ์ ยกตัวอย่างเช่น ภาพของกลุ่มดาวนายพราน

ภาพที่1 ภาพถ่ายมุมกว้างของกลุ่มดาวนายพราน (Orion) ภายในกลุ่มดาวมีดาวสว่างหลายดวง แสดงให้เห็นลักษณะของสีที่แตกต่างกันของดาวแต่ละดวง ซึ่งจะบ่งบอกถึงความสามารถในการแผ่รังสีความร้อนของดาว สังเกตดาวดวงบนซ้าย มีชื่อว่า ดาวบีเทลจุสมีสีส้ม ส่วนดาวดวงล่างขวา คือดาวไรเจล นั้นมีสีนำ้เงิน-ขาวมีความแตกต่างของสีอย่างชัดเจน สีที่แตกต่างกันนั้นบ่งบอกถึงอุณหภูมิพื้นผิวของดาวทำให้นักดาราศาสตร์สามารถจัดประเภทของดาวฤกษ์ได้

 

จากภาพที่ 1 กลุ่มดาวนายพราน (Orion) ถือเป็นกลุ่มดาวที่สวยสะดุดตาและสามารถสังเกตได้ทั่วทุกมุมโลก เนื่องจากกลุ่มดาวนายพรานมีตำแหน่งอยู่ใกล้กับเส้นศูนย์สูตรท้องฟ้า (Celestial Equator) ภายในกลุ่มดาวนายพรานนี้มีดาวฤกษ์ที่สว่างหลายดวง ซึ่งแต่ละดวงนั้นมีสีที่แตกต่างกัน บ้างเป็นสีส้มแดง บ้างก็เป็นสีนำ้เงิน ด้วยลักษณะของสีที่แตกต่างกันนี้เองทำให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์เกิดความสงสัยและหาเหตุผลมาอธิบายถึงข้อสงสัยดังกล่าว

สสารทุกชนิดจะมีการแผ่พลังงานออกมาจากตัวมันเองตลอดเวลา ซึ่งค่าพลังงานที่ถูกแผ่ออกมานั้นจะอยู่ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีหลายช่วงความยาวคลื่น เพียงแต่ขอบเขตในการมองเห็นของมนุษย์สามารถมองเห็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากสสารได้เพียงบางค่าเท่านั้น เราเรียกความยาวคลื่นที่มนุษย์มองเห็นได้ว่า “แสงในช่วงคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็นได้ (Visible light)” ดังภาพที่ 2

 

ภาพที่ 2 แสดงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากผิววัตถุรวมทั้งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็น ทั้งนี้หากวัตถุมีอุณหภูมิสูง ค่าพลังงานที่สูงที่สุดที่แผ่ออกมาได้แก่ ช่วงรังสีแกมมา รองลงมา คือ รังสีเอ็กซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต คลื่นแสง คลื่นอินฟาเรด คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุตามลำดับ ภาพจาก :http://2011sec2lss.wikispaces.com/Colours

 

ภาพที่ 2 แสดงค่าพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ ประกอบไปด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุดอย่างอนุภาคแกมมาไปจนถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นยาวที่สุดอย่างคลื่นวิทยุ จะสังเกตเห็นว่าแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็นได้นั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของพลังงานทั้งหมดที่ถูกแผ่ออกมาจากผิววัตถุ มีลักษณะเป็นแถบสีที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 – 700นาโนเมตร  เราเรียกแถบสีดังกล่าวว่า แถบสเปกตรัม ที่เรียงลำดับตั้งแต่ สีม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสดและแดง โดยสีแต่ละสีนั้นจะมีความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน

ทั้งนี้การที่ตามนุษย์จะมองเห็นสีต่างๆ นั้นจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิพื้นผิวของวัตถุนั้นๆ นักดาราศาสตร์จะใช้กราฟการแผ่รังสีของวัตถุมาอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและสีที่มนุษย์จะมองเห็น ซึ่งจากการทดลองพบว่าสมบัติของรังสีที่แผ่ออกมาจากสสารทุกชนิด (ที่อุณหภูมิเท่ากัน)ได้แก่ ความถี่ พลังงานและความเข้มจะมีค่าเท่ากันเสมอหากเราลองเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น อะตอมของสสารก็จะเกิดการสั่นมากขึ้นทำให้ความถี่พลังงานและความเข้มสูงขึ้นไปด้วย ในทางกลับกันหากลดอุณหภูมิของสสาร ความถี่ พลังงานและความเข้มก็ลดลงด้วย ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่าสมบัติการแผ่รังสีของสสารจไม่ขึ้นกับชนิดของสสารแต่จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่ได้รับเพียงอย่างเดียวเท่านั้น

เพื่อให้เกิดความเข้าใจเก่ียวกับค่าความสัมพันธ์ระหว่างสีและอุณหภูมิพื้นผิวของวัตถุได้ง่ายขึ้นผู้เขียนขอยกตัวอย่างการทดลองให้ความร้อนกับวัตถุ โดยการนำก้อนเทกไทต์มาให้ความร้อนเมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่งจะสังเกตเห็นว่า ก้อนเทกไทต์จะค่อยๆ เปล่งแสงสีแดงเรื่อ ๆ ออกมา หากเราเพิ่มอุณหภูมิต่อไปเรื่อยๆ แท่งก้อนเทกไทต์จะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นสีส้ม สีเหลือง สีขาว สีน้ำเงินและสีม่วง  ตามลำดับของการเพิ่มอุณหภูมิดังภาพที่ 3

 

ภาพที่ 3 ภาพแสดงสีของวัตถุที่ได้รับความร้อนที่อุณหภูมิต่างกัน จากภาพเป็นก้อนเทกไทต์ซึ่งเกิดขึ้นในระหว่างที่ก้อนอุกกาบาตพุ่งชนพื้นโลก สีของก้อนเทกไทต์จะเปลี่ยนเป็นสีแดงเรื่อๆ สีส้ม สีเหลือง สีขาว สีน้ำเงินและสีม่วง  ตามระดับการเพิ่มของอุณหภูมิ

ภาพโดย : http://tektites.co.uk/tektite-tests.html

 

จากการทดลองดังกล่าวนักดาราศาสตร์สามารถวัดค่าพลังงานที่แผ่ออกมาจากผิววัตถุโดยใช้เครื่องมือทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า เครื่องสเปกโตรมิเตอร์ (Spectrometer) เราจะได้กราฟของการแผ่รังสีความร้อนของผิววัตถุที่มีลักษณะเป็น รูประฆังควำ่ ณ จุดสูงสุดหรือจุดยอดของระฆังคือค่าความยาวคลื่นที่มีความเข้มของการแผ่รังสีสูงสุด โดยพิจารณาจากภาพต่อไปนี้

 

ภาพที่ 4 กราฟการแผ่รังสีของวัตถุแสดงให้ลักษณะการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการแผ่รังสีของสสารเมื่อได้รับอุณหภูมิ 3,000 เคลวิน รวมทั้งลักษณะของสีที่ตามนุษย์จะมองเห็นได้ ภาพโดย: หนังสือ Astrophysics is Easy By Mike Inglis หน้า 16

 

จากภาพที่ 4 เป็นวัตถุที่ได้รับอุณหภูมิ 3,000 เคลวิน วัตถุจะแผ่รังสีที่มีความเข้มสูงสุดมีความยาวคลื่นประมาณ 1,100 นาโนเมตร อยู่ในช่วงของอินฟาเรดความเข้มของความยาวคลื่นในช่วงนี้ตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้ แต่รับรู้ได้จากความรู้สึกร้อนหรือเย็นเท่านั้น ในทางกลับกันหากลองเพิ่มอุณหภูมิแก่สสารไปเรื่อย ๆ ขอบของระฆังก็จะเริ่มเลื่อนเข้า (กราฟเบ้ขวา) หาแสงในช่วงคลื่นที่ตามนุษย์มองเห็นได้เราจะเริ่มเห็นแท่งโลหะเป็นสีแดงเรื่อ ซึ่งจะมีความยาวคลื่นประมาณ 700 นาโนเมตร เนื่องจากเป็นความยาวคลื่นที่มีความถี่ต่ำสุดที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้

 

ภาพที่ 5 กราฟการแผ่รังสีของวัตถุแสดงให้ลักษณะการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการแผ่รังสีของสสารเมื่อได้รับอุณหภูมิ 5,500 เคลวิน รวมทั้งลักษณะของสีที่ตามนุษย์จะมองเห็นได้ ภาพโดย: หนังสือ Astrophysics is Easy By Mike Inglis หน้า 16

 

เมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิ 5,500 เคลวิน แท่งโลหะก็จะแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นเข้มสูงสุดอยู่ในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 580 นาโนเมตรหากพิจารณาจากกราฟการแผ่รังสีจะพบว่า ความยาวคลื่นที่เข้มสุดที่แผ่ออกมานั้นจะอยู่ตรงกลางของช่วงคลื่นที่ตามองเห็นได้พอดี (บริเวณส่วนที่เป็นสีเหลือง) ณ บริเวณนี้แสงทุกสีจะรวมเข้าด้วยกันเป็นแสงขาวเช่นเดียวกับแสงที่มาจากดวงอาทิตย์ที่เดินทางมายังโลก

จากนั้นหากเราเพิ่มอุณหภูมิต่อไปเรื่อยๆ กราฟรูประฆังคว่ำก็จะเลื่อนไปทางขวา (กราฟเบ้ขวา) เรื่อยๆ นั่นหมายความว่าค่าความยาวคลื่นเข้มสุดก็จะเลื่อนไปทางขวาด้วยเช่นกัน เราจะเริ่มมองเห็นแท่งโลหะเป็นสีน้ำเงิน ขณะนี้แท่งโลหะจะแผ่รังสีที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วงประมาณ400 นาโนเมตร (เป็นความยาวสั้นที่สุดที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้) จนในที่สุดเมื่อแท่งโลหะมีอุณหภูมิประมาณ 10,000 เคลวิน (ดังภาพที่6) จะสังเกตเห็นว่าจุดสูงสุดของระฆังหรือค่าความยาวคลื่นเข้มสุดของการแผ่รังสีจะเคลื่อนที่เข้าไปอยู่ในช่วงที่เป็นรังสีคลื่นสั้น ที่มีความถี่สูงมากในระดับที่สายตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้ นั่นคือ ความยาวคลื่นในช่วงอัลตราไวโอเลต (UV) และรังสีเอ็กซ์ (x-ray) ตามลำดับการเพิ่มอุณหภูมิที่สูงขึ้นด้วย

 

ภาพที่ 6 กราฟการแผ่รังสีของวัตถุแสดงให้ลักษณะการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการแผ่รังสีของสสารเมื่อได้รับอุณหภูมิ 10,000  เคลวิน รวมทั้งลักษณะของสีที่ตามนุษย์จะมองเห็นได้ ภาพโดย: หนังสือ Astrophysics is Easy By Mike Inglis หน้า 16

 

แต่ปรากฏการณ์จริงในชีวิตประจำวันของมนุษย์เราไม่สามารถพบเจอสสารที่มีอุณหภูมิสูงในระดับหลายๆ พันเคลวิน โลหะต่างๆ บนโลกที่นำมาทำการทดลองไม่สามารถทนความร้อนที่อุณหภูมิมากกว่า  3,500 เคลวิน และถ้าได้รับอุณหภูมิมากกว่านี้ก็จะเกิดการหลอมละลายขึ้น ดังนั้นจึงแทบไม่มีโอกาสที่เราจะเห็นสสารที่มีอุณหภูมิตั้งแต่ประมาณ 3,500 เคลวิน ขึ้นไปหรือมากกว่านั้นเป็นระดับ 10,000 เคลวิน  (นอกจากโลหะผสมพิเศษที่ทนความร้อนได้หลายพันเคลวิน) นักดาราศาสตร์จึงใช้ดาวบนท้องฟ้าจำนวนมากเป็นห้องทดลองขนาดใหญ่ ในการศึกษาพฤติกรรมของสสารที่อุณหภูมิสูงๆ

จากการศึกษาการแผ่รังสีของดาวบนท้องฟ้าทำให้นักดาราศาสตร์ได้มาซึ่งบทสรุปเกี่ยวกับความสัมพันธ์ของสีและอุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์ที่ว่า ค่าพลังงาน ความยาวคลื่น และความถี่ที่ถูกแผ่ออกมาจากผิวของดาวฤกษ์นั้นจะมีความเข้มสุดอยู่ในช่วงคลื่นไหนนั้นขึ้นกับอุณหภูมิของตัวดาวเอง แต่ปัจจัยหลักที่จะส่งผลให้ดาวดวงนั้นมีอุณหภูมิสูงหรือต่ำนั้นเป็นผลมาจากมวลของดาว หากดาวมีมวลมากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ณ แกนกลางของดาวก็จะมีความรุนแรงมาก พลังงานความร้อนจากแกนกลางก็จะถูกถ่ายเทมายังพื้นผิวของดาวก็จะมีค่าสูงมากขึ้นเท่านั้น เว้นแต่ในกรณีของ “ดาวแคระขาว (White dwarf)” ซึ่งเป็นดาวมวลน้อยที่บั้นปลายชีวิตของมันกลับมีอุณหภูมิสูงเทียบเท่ากับดาวฤกษ์มวลมากที่มีอุณหภูมิพื้นผิวหลายหมื่นเคลวินได้ เป็นเช่นนี้เนื่องจากในช่วงวาระเกือบสุดท้ายของดาวแคระขาว สสารหรือเนื้อสารภายในดาวไม่สามารถยุบตัวต่อได้ ปฏิกริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ณ แกนกลางหยุดลงแบบถาวรเนื้อสารเหล่านี้จะหลุดกระจายออกรอบๆ แกนกลางที่เปลือยเปล่าเราเรียกว่า“เนบิวลาดาวเคราะห์” ส่วนแกนกลางเปลือยเปล่านั้นคือดาวแคระขาวนั่นเอง ขณะนี้มันจะมีอุณหภูมิสูงมากเทียบเท่าอุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์ขนาดใหญ่ จะแผ่รังสีที่มีความเข้มที่สุดอยู่ในช่วงรังสีเอ็กซ์และอัลตราไวโอเลต แต่จงอย่าลืมว่า ดาวแคระขาวไม่ได้มีแหล่งพลังงานความร้อนอีกแล้ว ดังนั้นมันจึงมีอุณหภูมิลดลงเรื่อยๆ อย่างต่อเนื่อง ในระหว่างที่อุณหภูมิลดลงนั้น สิ่งที่เกิดขึ้น (พิจารณาจากภาพที่ 4-6) คือ ค่าความเข้มสูงสุดก็จะลดลงด้วยกราฟการแผ่รังสีความร้อนของมันจะเลื่อนมาทางซ้าย (กราฟจะเบ้ซ้าย) เข้าสู่ช่วงที่ตามนุษย์มองเห็นได้จากสีม่วงไปยังสีแดงและอินฟาเรด ขณะนี้เราคงต้องเปลี่ยนชื่อของแกนเปลือยเปล่าจากเดิมที่เรียกว่าดาวแคระขาวเป็นดาวแคระดำ (Black Dwarf) ที่มีอุณหภูมิต่ำมากก่อนที่จะมืดหายไปในอวกาศชั่วนิรันดร์

จากข้อมูลที่กล่าวมาข้างต้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเนื้อหาของเรื่องการแผ่รังสีของดาวฤกษ์ ยังมีวัตถุท้องฟ้าอีกมากมายหลายชนิดที่แผ่รังสีออกมา แล้วสายตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้อาจจะใช้เครื่องมือวิทยาศาสตร์ชนิดอื่นที่มีความทันสมัยในการตรวจจับค่าพลังงานที่ถูกแผ่ออกมา เช่น กล้องโทรทรรศน์วิทยุ เครื่องตรวจวัดนิวตรอน กล้องโทรทรรศน์ที่สังเกตการณ์ในย่านอินฟาเรดเป็นต้น ทั้งนี้ผู้อ่านสามารถหาข้อมูลและศึกษาต่อได้จากหนังสือดาราศาสตร์ทั่วไปที่มีอยู่ในท้องตลาด รวมถึงจากบทความที่เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) ได้เรียบเรียงข้อมูลเอาไว้โดยผู้เรียบเรียงจะใส่ลิงค์ข้อมูลเหล่านี้ไว้ในแหล่งอ้างอิงเพื่อเป็นแนวทางในการศึกษาข้อมูลเพิ่มเติม

 

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s