ความเป็นโลหะ (ดาราศาสตร์)

ค่ามวลของความเป็นโลหะของดาว
(เปลี่ยนทางจาก ค่าความเป็นโลหะ)

ในทางดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาเชิงกายภาพ ความเป็นโลหะ (อังกฤษ: metallicity) ของวัตถุคือค่าสัดส่วนองค์ประกอบของสสารในวัตถุนั้นที่มีส่วนประกอบของธาตุทางเคมีชนิดอื่นมากกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม ทั้งนี้ ดาวฤกษ์ซึ่งเป็นวัตถุที่สามารถมองเห็นได้ชัดในเอกภพมักประกอบด้วยไฮโดรเจนกับฮีเลียม นักดาราศาสตร์จึงนิยมเรียกส่วนที่เหลือ (ในที่ว่างดำมืด) ว่าเป็น "โลหะ" เพื่อความสะดวกในการบรรยายถึงส่วนที่เหลือทั้งหมด[1] จากคำนิยามนี้ เนบิวลาซึ่งมีส่วนประกอบของคาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน และนีออน อยู่อย่างล้นเหลือ จึงถูกเรียกว่าเป็น "วัตถุอุดมโลหะ" ในทางฟิสิกส์ดาราศาสตร์ แม้ว่าองค์ประกอบเหล่านั้นไม่ได้เป็นโลหะจริง ๆ ตามความหมายของเคมีดั้งเดิม จึงจำเป็นอย่างยิ่งต้องระมัดระวังไม่นำไปปะปนกับคำว่า "โลหะ" (metal หรือ metallic) โดยทั่วไป

ความเป็นโลหะของวัตถุทางดาราศาสตร์อาจพิจารณาได้จากอายุของวัตถุนั้น ๆ เมื่อแรกที่เอกภพก่อตัวขึ้นตามทฤษฎีบิกแบง มีองค์ประกอบของไฮโดรเจนอยู่อย่างมากมาย ซึ่งเมื่อผ่านช่วงนิวคลีโอซินทีสิสในยุคแรกเริ่มแล้ว จึงได้เกิดสัดส่วนฮีเลียมเพิ่มจำนวนมากขึ้น กับลิเทียมและเบริลเลียมอีกจำนวนเล็กน้อย แต่ยังไม่มีธาตุหนักเกิดขึ้น

ดาวฤกษ์ที่อายุเก่าแก่จึงมักมีส่วนประกอบโลหะอยู่ค่อนข้างน้อย แต่ข้อเท็จจริงที่พบจากการเฝ้าสังเกตดาวฤกษ์จำนวนมากและพบส่วนประกอบของธาตุหนักอยู่ด้วย ยังเป็นปริศนาที่ไขไม่ออก คำอธิบายในปัจจุบันจึงเป็นการนำเสนอข้อมูลการมีอยู่ของดาวฤกษ์ชนิด Population III เชื่อกันว่า ถ้าไม่มีโลหะ ก็มีแต่เพียงดาวฤกษ์ที่มีมวลมากอย่างมหาศาลเท่านั้นที่จะก่อตัวขึ้นมาได้ และในช่วงปลายอายุขัยของมันก็จะมีการสร้างธาตุ 26 ชนิดแรกไปจนถึงเหล็กในตารางธาตุ ผ่านกระบวนการนิวคลีโอซินทีสิส ในเมื่อดาวฤกษ์เหล่านี้มีมวลมหาศาล แบบจำลองในปัจจุบันจึงระบุถึงการสิ้นอายุขัยของมันในลักษณะซูเปอร์โนวา ซึ่งทำให้สสารภายในของดาวแตกกระจายและแผ่ออกไปในเอกภพ ทำให้เกิดเป็นดาวฤกษ์ในรุ่นถัดมาที่มีส่วนประกอบของธาตุหนักอยู่ดังที่เราพบเห็นในปัจจุบัน ตามทฤษฎีเท่าที่มีในปี ค.ศ. 2007 การที่ดาวฤกษ์รุ่นแรกมีมวลมหาศาล จึงเป็นคำอธิบายว่าทำไมเราจึงไม่พบเห็นดาวฤกษ์เหล่านั้นในปัจจุบันอีกแล้ว เพราะมันได้ทำลายตัวเองลงไปในปรากฏการณ์ซูเปอร์โนวานับแต่ยุคแรกเริ่มของเอกภพ เราอาจพบดาวฤกษ์ชนิดดารากร 3 อยู่บ้างในดาราจักรที่ห่างไกลออกไปมาก ๆ ที่ส่งแสงออกมานับแต่ยุคแรกเริ่มของประวัติศาสตร์ของเอกภพ การค้นหาดาวฤกษ์กลุ่มนี้ ตลอดจนถึงการพิสูจน์ว่ามันไม่มีอยู่จริง (ซึ่งเป็นการล้มล้างทฤษฎีที่มีอยู่) เป็นงานวิจัยที่ยังดำเนินอยู่ในวงการดาราศาสตร์ปัจจุบัน

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1

แก้
 
การกระจายตัวของประชากรดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 และ 2 ในทางช้างเผือก

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 (อังกฤษ: Population I) หรือดาวที่มีธาตุโลหะอยู่มาก (metal-rich) เป็นดาวฤกษ์ที่มีอายุน้อยและมีส่วนประกอบความเป็นโลหะสูงที่สุด ดวงอาทิตย์ของเราจัดว่าเป็นตัวอย่างหนึ่งของดาวฤกษ์ชนิดนี้ และพบได้มากมายทั่วไปสำหรับดาวฤกษ์ที่อยู่บนแขนก้นหอยของดาราจักรทางช้างเผือก

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 แบบสุดโต่งมักพบในเขตด้านในของดาราจักร ขณะที่แบบปานกลางจะอยู่ค่อนออกมาทางด้านนอก ดวงอาทิตย์ของเราเป็นดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 แบบปานกลาง โดยทั่วไปดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 จะมีวงโคจรค่อนข้างเป็นวงรีรอบศูนย์กลางของดาราจักร และมีความเร็วสัมพัทธ์ค่อนข้างต่ำ การที่ดาวฤกษ์ชนิดนี้มีความเป็นโลหะสูง ทำให้มันมีโอกาสจะให้กำเนิดระบบดาวเคราะห์เป็นดาวบริวารของตัวเองได้มากกว่าดาวฤกษ์ชนิดอื่นๆ ทั้งนี้เนื่องจากดาวเคราะห์จะเกิดขึ้นได้ก็ด้วยการพอกพูนรวมตัวกันของธาตุโลหะต่าง ๆ [2]

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2

แก้

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2 (อังกฤษ: Population II) หรือดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะน้อย (metal-poor) คือดาวฤกษ์ที่มีส่วนประกอบความเป็นโลหะค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ดีพึงระลึกด้วยว่า วัตถุดาราศาสตร์ที่มีความเป็นโลหะสูงนั้นจะมีส่วนประกอบอื่นๆ นอกจากไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นปริมาณสัมพัทธ์ที่ต่ำด้วย ธาตุโลหะเป็นเพียงส่วนประกอบเพียงเล็กน้อยอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับส่วนประกอบเคมีทั้งมวลที่มีอยู่ในเอกภพ ซึ่งมีอายุผ่านมา 13,700 ล้านปีแล้วหลังจากเกิดบิกแบง วัตถุที่มีความเป็นโลหะต่ำนั้นถือว่ามีอายุเก่าแก่กว่า เพราะก่อตัวขึ้นในช่วงแรกเริ่มของการกำเนิดเอกภพ เป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปในดุมดาราจักรบริเวณใกล้ศูนย์กลางของดาราจักร (คือดารากร 2 แบบปานกลาง) รวมถึงในกลดดาราจักร (ดารากร 2 แบบกลด) ที่มีอายุเก่าแก่ยิ่งกว่าและมีความเป็นโลหะต่ำยิ่งกว่า ในกระจุกดาวทรงกลมจะมีดาวฤกษ์สมาชิกเป็นดารากร 2[3] เชื่อว่าดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2 นี้เป็นต้นกำเนิดของธาตุต่างๆ ในตารางธาตุ ยกเว้นธาตุกลุ่มที่ไม่เสถียร

นักวิทยาศาสตร์ได้พุ่งเป้าการสำรวจดาวฤกษ์เก่าแก่เหล่านี้ในการสำรวจมากมายที่แตกต่างกัน รวมถึงการใช้ HK objective-prism survey ของ Timothy C. Beers et al. และ Hamburg-ESO survey ของ Norbert Christlieb et al. ซึ่งเริ่มต้นจากการสังเกตเควซาร์จาง ๆ จนถึงขณะนี้พวกเขาได้ค้นพบและกำลังศึกษารายละเอียดดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะต่ำราว 10 ดวง รวมถึงดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่เป็นที่รู้จักในปัจจุบัน 2 ดวง คือ HE0107-5240 และ HE1327- 2326

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 3

แก้

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 3 (อังกฤษ: Population III) หรือดาวฤกษ์ที่ไม่มีธาตุโลหะ (metal-free) คือประชากรดาวฤกษ์ในทฤษฎีซึ่งมีมวลสูงยิ่งยวดและร้อนจัดมากจนกระทั่งไม่มีธาตุโลหะอยู่เลย ที่กล่าวว่าไม่มีธาตุโลหะนั้นหมายความว่า อาจมีธาตุโลหะจำนวนน้อยนิด (ที่เกิดขึ้นในช่วงบิกแบง เช่น ลิเทียม-7) อยู่ภายในแกนกลางของดาวและน้อยมากจนไม่สามารถสังเกตได้ เชื่อกันว่าดาวฤกษ์กลุ่มนี้น่าจะเกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของเอกภพ จนถึงปัจจุบันยังไม่มีการค้นพบดาวฤกษ์ชนิดนี้ อย่างไรก็ดีมีหลักฐานในทางอ้อมส่อว่าน่าจะมีดาวฤกษ์ชนิดนี้อยู่จริง ด้วยการสังเกตการณ์ผ่านเลนส์ความโน้มถ่วงของดาราจักรที่อยู่ไกลออกไปมาก ๆ[4] ทฤษฎีการมีอยู่ของดาวฤกษ์ชนิดนี้ช่วยสนับสนุนแนวคิดเกี่ยวกับการกำเนิดของธาตุหนักซึ่งไม่ได้เกิดขึ้นในตอนบิกแบง โดยมีการสังเกตพบสเปกตรัมการแผ่รังสีในเควซาร์ รวมถึงการค้นพบกลุ่มดาราจักรสีฟ้าจางๆ ที่ยังอธิบายไม่ได้[5]

อ้างอิง

แก้
  1. John C. Martin. "What we learn from a star's metal content". New Analysis RR Lyrae Kinematics in the Solar Neighborhood. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ June 29, 2016. สืบค้นเมื่อ September 7, 2005.
  2. Charles H. Lineweaver (2000). "An Estimate of the Age Distribution of Terrestrial Planets in the Universe: Quantifying Metallicity as a Selection Effect". University of New South Wales. สืบค้นเมื่อ 2006-07-23.
  3. T. S. van Albada, Norman Baker (1973). "On the Two Oosterhoff Groups of Globular Clusters". Astrophysical Journal. 185: 477–498. doi:10.1086/152434.
  4. R. A. E. Fosbury; และคณะ (2003). "Massive Star Formation in a Gravitationally Lensed H II Galaxy at z = 3.357". Astrophysical Journal. 596 (1): 797–809. doi:10.1086/378228.
  5. A. Heger, S. E. Woosley (2002). "The Nucleosynthetic Signature of Population III". Astrophysical Journal. 567 (1): 532–543. doi:10.1086/338487.