๓ ช่วงกลับคืนสู่เสถียรภาพ ที่มาจากความรุนแรง

การระเบิดของฮีเลียม (Helium Flash)

เฉพาะดาวที่มีมวลน้อย คือ ประมาณขนาดพอๆกับดวงอาทิตย์ ก็เริ่มจะมีความยุ่งยากเกิดขึ้น เพราะว่าเมื่อแกนกลางหดตัวลงไปเรื่อยๆนั้น พอมันอัดตัวกันไปจนความหนาแน่นมีสูงมาก กว่าจะได้อุณหภูมิสูงพอที่จะก่อปฏิกิริยานิวเคลียร์ของ ฮีเลียม จนความหนาแน่นเกิน 10⁵ กรัม/cm³ คือ ปริมาตร 1 ลูกบาศก์เซ็นติเมตร จะหนักเกินกว่า หนึ่งพันกิโลกรัม ก็อัดไม่เข้าเสียแล้ว ด้วยเหตุที่ในแกนกลางนั้น ยังมีอีเลคตรอนอิสระอยู่เป็นจำนวนมาก โดยปกติแล้ว อีเลคตรอน จะโคจรไปรอบนิวเคลียส แต่จะอยู่ห่างจากนิวเคลียสเป็นระยะทางที่แน่นอน ตามแต่ว่าจะมีพลังงานมากเท่าไร หากมีพลังงานมากก็จะอยู่ห่างออกไปมาก หรือมีระดับเพดานโคจรสูง ถ้ามีพลังงานต่ำก็อยู่เพดานต่ำ หากในแต่ละระดับเพดานโคจรนี้ อีเลคตรอน จะแออัดยัดเยียดกันเข้าไป ตามใจชอบไม่ได้ ไม่งั้นจะชนกันแหลก เพราะที่อยู่ของอีเลคตรอน จะเป็นเหมือนฟองหุ้มรอบนิวเคลียส ไม่ได้จำกัดอยู่แต่ในระนาบเดียว ขอแต่ให้มีรัศมีถาวร มันจะเคลื่อนไปส่วนไหนบนรัศมีโคจรนั้นก็ได้

ในแต่ละระดับเพดานรัศมีโคจร จึงจะมี อีเลคตรอน ที่หมุนไปคนละทางอยู่ได้อย่างละตัวเท่านั้น อีเลคตรอน ก็เกียจคร้านได้ไม่แพ้คน หากเลือกได้ มันก็จะเลือกอยู่ชั้นล่างๆ ที่ไม่ต้องใช้พลังงานมาก แต่เมื่อมันอยู่ในความกดดันสูง เป็นสภาพที่ อีเลคตรอน ถูกเบียดเสียดยัดเยียดกันมากๆเข้า ต่างก็ต้องหาที่ลง ชั้นล่างๆก็ถูกแย่งกันจอดไปหมดแล้ว เหมือนกับในสนามจอดรถ ในวันที่ห้างใหญ่มีการลดแหลกแจกแถม ตัวที่มาทีหลัง ก็ต้องไปจอดห่างไกลจากศูนย์กลางออกไปเรื่อยๆ จนในที่สุด ก็เหลือแต่ชั้นที่ไกลมาก จนไม่มีอีเลคตรอนตัวไหนมีปัญญาไต่ไปถึง ก็ถือว่าที่จอดรถเต็มหมดแล้ว ไม่มีที่ว่างแล้ว ต่อให้บีบเข้ามาอีก ก็ไม่พอลุ้นให้อีเลคตรอนไต่ขึ้นชั้นไปได้

(ภาพที่ ๔๙) สภาพที่อนุภาคในที่แออัดมากๆ ทำตัวเหมือนกับรถแย่งที่จอดกันในที่จอดรถ ต่างก็แย่งกันจอดที่ใกล้ๆ จะได้ไม่ต้องเปลืองแรงเดินมาก แต่ที่จอดมีจำกัด มีเท่าไหร่ก็จอดได้แค่นั้น สำหรับอีเลคตรอนแล้ว นี่เป็นกฎทางควอนตัมฟิสิกส์ขั้นพื้นฐาน ที่อนุภาคเช่น อีเลคตรอน โปรตอน ฯลฯ ต้องปฏิบัติตาม ภาพโดยศูนย์กล้องเอ็กสเรย์จันดรา แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด

สภาพเช่นนี้ เรียกว่าเป็นไปตามหลักทางควอนตั้มฟิสิกส์ที่เรียกว่า Pauli Exclusion Principle โดย Wolfgang Pauli นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย ผู้ค้นพบว่า อนุภาคเฟอร์มีออน (คืออนุภาคที่เรียบร้อยเหมือนผ้าพับไว้ ไม่ออกนอกคอก ไปจากความคาดหมายทางทฤษฎี ของคุณปู่พอลลี่ เช่น อีเลคตรอน โปรตอน นิวตรอน พวกนี้เป็นต้น) ไม่สามารถอยู่ใน ภาวะทางควอนตัมเดียวกันได้ ภาวะทางควอนตัมต่างๆ คือ ตำแหน่งหรือระดับพลังงาน โมเมนตัม มวล และการหมุน เมื่อ อีเลคตรอนสองตัวมาอยู่ในระดับเพดานโคจรเดียวกัน มีพลังงานคือโมเมนตัมเท่ากัน มวลเท่ากัน จะต้องหมุนไปคนละทิศเท่านั้น จึงจะอยู่ร่วมระดับเพดานวงโคจรเดียวกันได้ เมื่อที่ว่างทั้งหลาย ถูกครองหมดแล้ว อีเลคตรอนไปไหนไม่ได้ สภาพเช่นนี้เรียกว่า degeneracy ถ้าอนุภาคที่อยู่ในสภาพเช่นนี้คือ อีเลคตรอน แล้ว ก็เรียกว่าเป็นสภาพของ electron degeneracy

(ภาพที่ ๕๐) ภาวะปกติ ที่อีเลคตรอนยังมีที่เหลือเฟือ โดยเฉพาะที่ว่างในระดับพลังงานต่ำ ซึ่งต่างกับภาวะ degeneracy ของ อีเลคตรอน ที่ชั้นล่างๆถูกครองไปหมดแล้ว ภาพโดย Dr. Nick Strobel

ก๊าซที่มีสภาพ degenerate นี้ จะไม่เหลือคุณสมบัติของก๊าซอีกแล้ว คือจะมีปริมาตรคงที่ ไม่หดตัวลงอีก ไม่ว่าจะบีบลงอย่างไร เมื่อร้อนขึ้นก็ไม่ขยายตัวออก คือมันทำตัวเหมือนโลหะแข็งปึ้ก แม้อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างไร แรงกดดันก็ไม่เพิ่มขึ้น และไม่ขยายตัวเพิ่มขึ้น จะเพิ่มได้ก็แต่จำนวนพลังงานเท่านั้น

จากภาพที่ ๔๙ และ ๕๐ จะเห็นว่า โอกาสเดียวที่ อีเลคตรอน ที่อยู่สะเปะสะปะรอบนอก จะสามารถอัดแน่นเรียงตัวเข้ามาอีกได้ ก็ต้องได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น ให้มีปัญญาไต่ระดับพลังงาน ขึ้นไปอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากๆได้ แหล่งพลังงานนี้ จะมีมาได้ก็แต่จากแรงดึงดูด ที่จะมีเพิ่มมาได้จาก มวลที่เพิ่มขึ้น เท่านั้น จึงปรากฏว่า ในสภาพ degenerate นี้ ยิ่งมีมวลมากขึ้น ขนาดของดาวจะเล็กลงไปอีก ซึ่งขัดกับความเข้าใจตามธรรมชาติของเรา โดยปกติ ถ้าอะไรที่มีมวลเพิ่มขึ้นมันก็จะใหญ่ขึ้น แต่ในแกนกลางของดาวเช่นนี้ มันไม่ได้มีสภาพไปตามธรรมดาเสียแล้ว มวลที่เพิ่มมากขึ้น ก็จะไปเพิ่มแรงอัดให้ อนุภาคยัดเยียดเข้าไปอีก ผลก็คือ ไปเสริมกำลังพลังงานกับ อีเลคตรอน จากที่ท่องเที่ยวเป็นอิสระ ให้บีบตัวเข้ามาในเนื้อที่น้อยลง ที่ว่างระหว่างอนุภาคก็หดลงไปมาก ปริมาตรรวมจึงน้อยลง เมื่อมวลเพิ่มขึ้น ไม่ใช่เป็นอนุภาคสะเปะสะปะเหมือนในก๊าซธรรมดา ที่ปริมาตรส่วนใหญ่ ก็มีแต่ความว่างเปล่าระหว่างอนุภาคเท่านั้นเอง

(ภาพที่ ๕๑) ในสภาวะปกติ เมื่อดาวมีมวลมาก ก็จะมีขนาดใหญ่ แต่ในภาวะ electron degeneracy มวลที่มากขึ้น จะเพิ่มพลังงานให้มวลอัดตัวกันเข้าไปแทนที่ที่ว่างระหว่างอะตอมมากขึ้น ขึงมีขนาดเล็กลง ภาพโดย Dr. Nick Strobel

เมื่อแกนกลางของดวงดาวอัดตัวกันมาก จนอุณหภูมิขึ้นสูงถึง ๑๐๐ ล้านองศา จนพอที่จะทำให้ ฮีเลียม เกิด ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่น ขึ้นมาได้นั้น ความหนาแน่นภายใน ก็สูงขึ้นเรื่อยๆ เพราะแกนยังหดตัวลงมาเรื่อยๆ จนเกิดสภาพ electron degeneracy ขึ้นมาแล้ว ปฏิกิริยาหลอม ฮีเลียม ให้เป็น คาร์บอน นั้น ทำให้เกิดพลังงานมากกว่า ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน มากนัก จึงเกิดความร้อนมากมายมหาศาล แต่ในสภาพนี้ ต่อให้ร้อนอย่างไร แกนฮีเลียมก็ไม่ขยายตัว เมื่อไม่ขยายตัว ความร้อนก็ระบายออกไปไม่ได้มากนัก จึงสะสมขึ้นอย่างรวดเร็ว เพียงชั่วเวลาไม่กี่ชั่วโมงหลังจากที่เกิดสภาพ electron degeneracy ปฏิกิริยานิวเคลียร์ อันเร่าร้อนรุนแรงขึ้นไปกว่าแบบเดิม ก็วิ่งวุ่นลุ้นตัวเองจนยั้งไม่อยู่ เนื่องจากมันกลายสภาพไปคล้ายของแข็งมากกว่าเป็น ก๊าซ คือไม่ขยายตัวด้วยความร้อนเพิ่มขึ้น ความร้อนที่เกิดต่อเนื่องขึ้นมาอย่างรวดเร็ว ก็ไม่ถูกระบายออกไป ยิ่งร้อนขึ้น ปฏิกิริยาก็คึกคักหักโหมขึ้นเรื่อยๆ การเผาผลาญให้เกิดพลังงานนิวเคลียร์ อย่างไม่มีอะไรมาควบคุมนี้ ก็เหมือนระเบิดนิวเคลียร์ที่ไม่มีอะไรมาหยุดยั้ง เกิดพลังงานทะลักทลายออกมาอย่างฉับพลัน เป็นระเบิดวูบวาบออกมาทันที แม้มันไม่มากพอที่จะระเบิดตัวเองให้เป็นจุลไป แต่มันก็มากพอที่จะผลักดันแกนกลาง จนขยายตัวออกมา ทำลายสภาพ electron degeneracy ไปได้ ทำให้แกนดาวคืนสภาพของก๊าซอย่างที่เป็นมาก่อน การระเบิดนี้ เรียกว่า ระเบิดฮีเลียมอย่างฉับพลัน หรือ Helium Flash

ข้ามไปอ่านหน้า [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]