แผนภาพ H-R วิวัฒนาการของดาวฤกษ์ และแถบลำดับหลัก

 แผนภาพ Hertzsprung-Russell diagram และแถบลำดับหลัก

         แผนภาพของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ (Hertzsprung-Russell diagram) หรือเรียกย่อ ๆ ว่าแผนภาพ H-R (H-R Diagram) แผนภาพนี้เป็นแผนภาพที่เกิดขึ้นในช่วงปีค.ศ.ที่ 1910 โดย เอ็จนา แฮรท์สชปรุง (Ejnar Hertzsprung) นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์ก และเฮนรี นอริส รัสเซลล์ (Henry Norris Russell) นักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน โดนแผนภาพนี้จะประกอบไปด้วยข้อมูลทางกายภาพต่าง ๆ ของดาวฤกษ์ได้แก่ อุณหภูมิ (ใช้หน่วยเป็นเคลวิน) และกำลังส่งสว่าง หรือ สี (ประเภทของสเปกตรัม) และโชติมาตรสัมบูรณ์ (คือความสว่างของดาวดวงนั้น ๆ หากเราสมมติเราวัดความสว่างของดาวจากระยะเท่า ๆ กัน และยิ่งเลขมีค่าน้อยยิ่งสว่างมาก) ซึ่งนอกจากจะมีปริมาณในแกนทั้ง 4 แล้ว ยังมีประมาณในแกนเฉียงอีกด้วย ซึ่งปริมาณในแกนเฉียงนั้นจะบ่งบอกถึงรัศมีของดาวฤกษ์ดวงนั้น ๆ เทียบกับดวงอาทิตย์  โดยเพิ่มสเกลที่ละ 10 เท่า จาก 0.001 เท่า ไปจนถึง 1000 เท่า

         แผนภาพ H-R แสดงให้เห็นถึงการกระจายตัวของดาวฤกษ์ชนิดต่าง ๆ เป็นกลุ่ม ๆ ซึ่งขึ้นอยู่กับมวลเริ่มต้น (initial mass) ของพวกมัน ที่จะส่งผลให้ดาวฤกษ์พวกนั้นมีวิวัฒนาการที่แตกต่างกันออกไป โดยประชากรของดาวฤกษ์ส่วนมากจะมีวิวัฒนาการที่เป็นไปตาม “ลำดับหลัก” (Main sequence) ซึ่งเริ่มตั้งแต่ด้านบนซ้ายของแผนภาพ (อุณหภูมิสูงและสว่างมาก) ไล่ไปจนถึงด้านขวาล่างของแผนภาพ (อุณหภูมิต่ำและสว่างน้อย) รวมไปถึง “ดาวยักษ์” (Giants) กับ “ดาวยักษ์ใหญ่” (Supergiants) ที่อยู่ด้านบนขวาของลำดับหลัก และ “ดาวแคระ” (Dwarfs) ที่อยู่ด้านล่างซ้ายของลำดับหลักด้วย

         สำหรับรูปแบบวิวัฒนาการหลัก ๆ ของแผนภาพ H-R ก็คือ

- ลำดับหลัก (Main sequence) ที่ครอบคลุมตลอดทั้งแผนภาพ ซึ่งสังเกตได้ว่าดาวในลำดับหลักนี้จะมีรัศมีอยู่ที่ประมาณ 1 เท่าของดวงอาทิตย์เกือบตลอดอายุขัย และดาวกลุ่มนี้ยังทำการเผา (นิวเคลียร์ฟิวชัน) อะตอมไฮโดรเจนเป็นอะตอมฮีเลี่ยมอยู่เกือบตลอดทั้งอายุขัยของมันอีกเช่นกัน

- ดาวยักษ์แดง (Red giants) เป็นดาวฤกษ์ที่อยู่เหนือลำดับหลักในแผนภาพ ดาวพวกนี้มีอุณหภูมิพื้นผิวที่ต่ำ แต่กลับมีความส่องสว่างที่สูงมาก ซึ่งตามกฎของสเตฟานโบลท์สมานน์ (กฎการแผ่รังสีของวัตถุดำ) บ่งบอกว่าดาวฤกษ์พวกนี้จะต้องมีรัศมีที่ใหญ่มาก และการที่ดาวฤกษ์จะเข้ามาอยู่ในวิวัฒนาการแบบนี้ก็ต่อเมื่อดาวฤกษ์ดวงนั้น ๆ เผาอะตอมไฮโดรเจนเป็นอะตอมฮีเลี่ยมส่วนใหญ่ไปแล้ว จึงทำการเผาอะตอมฮีเลี่ยมในตัวเป็นอะตอมธาตุหนักอื่น ๆ ต่อไป

- ดาวแคระขาว (White dwarfs) คือช่วงสุดท้ายของวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยหรือมวลใกล้เคียงกับดวงอาทิตย์ของเรา ดาวฤกษ์เหล่านี้จะมีอุณหภูมิที่สูงมากแต่มีขนาดเล็กและมีกำลังส่องสว่างที่น้อย

แถบกระบวนหลัก (Main sequence)

นักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ Ejnar Hertzsprung และนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกาชื่อ Henry N. Russell ได้ค้นพบ Hertzsprung – Russell Diagram (H-R diagram) ในเวลาไล่เลี่ยกัน H-R diagram คือกราฟที่พล็อตระหว่างค่าอุณหภูมิและค่าความสุกสว่าง (Luminosity)  Hertzsprung & Russell (H & R) พบว่าเมื่อพล็อตค่าอุณหภูมิและค่าความสุกสว่างของดาวจำนวนมาก ดาวประมาณ 90% จะวางตัวเป็นแนวทแยงบน diagram ซึ่งต่อมาแนวนี้เรียกว่าแถบกระบวนหลัก (Main sequence)

Image credit: http://www.daviddarling.info/images/HRdiagram.gif

เราจะเห็นแนวเส้นแถบกระบวนหลัก (Main sequence) ชัดยิ่งขึ้นเมื่อเพิ่มจำนวนดาวบน HR diagram อุณหภูมิของดาวบนแถบกระบวนหลัก (Main sequence) อยู่ในช่วงตั้งแต่ 3,000 องศาเคลวินจนถึง 30,000 องศาเคลวิน และมีช่วงความสุกสว่าง (Luminosity) ตั้งแต่ 10-4  ถึง 104 เท่าของความสุกสว่างของดวงอาทิตย์ ที่ด้านล่างของแถบกระบวนหลัก (Main sequence) จะมีกลุ่มดาวขนาดเล็กสีแดงชื่อกลุ่มดาวแคระแดง (red dwarf) ซึ่งนักดาราศาสตร์เชื่อว่าเป็นดาวฤกษ์ที่พบเห็นได้มากที่สุด คือ 80% ของดาวฤกษ์ในเอกภพ ที่ปลายด้านบนซ้ายของเส้นแถบกระบวนหลัก (Main sequence) จะพบว่ามีดาวกลุ่มที่มีขนาดใหญ่ร้อนมาก และสว่างสดใส ต่อมาจึงได้แยกออกเป็นอีกกลุ่ม เรียกว่ากลุ่มดาวยักษ์น้ำเงิน (blue giant)

H & R ยังพบว่ามีดาวอีกจำนวนหนึ่งที่ไม่อยู่บนแถบกระบวนหลัก (Main sequence) เช่นดาว Sirius B มีอุณหภูมิผิวประมาณ 24,000 องศาเคลวิน (ประมาณ 4 เท่าของดวงอาทิตย์) แต่มีค่าความสุขสว่างเป็น 0.04 เท่าของความสุกสว่างของดวงอาทิตย์ ทำให้ HR แปลกใจมาก จากนั้นจึงได้ทำการศึกษาค้นคว้าต่อไปจึงพบว่ามีดาวที่มีอุณหภูมิผิว type A อยู่อีกจำนวนหนึ่งที่มีคุณสมบัติคล้าย Sirius B เมื่อพล็อตดาวเหล่านั้นบน HR diagram บนว่าจะอยู่บริเวณด้านล่างซ้ายมือ เรียกว่าบริเวณนี้ว่าบริเวณดาวแคระขาว (white dwarf region ) และเรียกดาวที่อยู่บริเวณนี้ว่าดาวแคระขาว (white dwarf) เนื่องจากดาวกลุ่มนี้มีอุณหภูมิผิวสูงแต่มีความสว่างน้อยแสดงว่ามีขนาดเล็กมากจึงเรียกว่า ดาวแคระ

ยังมีดาวฤกษ์อีกกลุ่มหนึ่งที่มีอุณหภูมิผิวต่ำประมาณ 3,000 องศาเคลวิน แต่มีค่าความสุกสว่างเป็น 400 เท่าของความสุกสว่างของดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์กลุ่มนี้อยู่บริเวณขวาบนของ HR diagram และเราเรียกดาวฤกษ์กลุ่มนี้ว่าดาวยักษ์แดง (red giant) ปัจจุบันนักดาราศาสตร์พบว่าดาวฤกษ์บนท้องฟ้า 90% เป็นดาวบนแถบกระบวนหลัก (Main sequence), 9% เป็นดาวแคระขาว (white dwarf) และ 1% เป็นดาวยักษ์แดง (red giant)

HR diagram ยังแสดงให้เห็นว่า มวลของดาวฤกษ์มีความสำคัญต่อการวิวัฒนาการของดาวดวงนั้น H & R พบว่า หากดาวดวงนั้นถือกำเนิดมามีมวลมาก ตำแหน่งของดาวดวงนั้นจะอยู่ด้านบนซ้าย ดังนั้นดาวเหล่านี้ก็จะอายุไม่ยืน เพราะต้องใช้พลังงานมาก

อนาคตของดวงอาทิตย์

ปัจจุบันดวงอาทิตย์ใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงหลักในปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบฟิวส์ชัน ต่อไปเมื่อไฮโดรเจนหมด ดวงอาทิตย์จะใช้ฮีเลียมเป็นเชื้อเพลิง ขณะที่ดวงอาทิตย์ใช้ฮีเลียมเป็นเชื้อเพลิงหลักนั้น แกน (core) ของดวงอาทิตย์จะหดลงและอุณหภูมิสูงขึ้น ในขณะเดียวกันผิวของดวงอาทิตย์จะขยายตัวประมาณ 200 เท่า กลายเป็นดาวยักษ์แดง (red giant) และในที่สุดเมื่อเชื้อเพลิงหมด ดวงอาทิตย์จะเหลือแต่แก่นกลางขนาดเล็ก และร้อนมาก เรียกว่า ดาวแคระขาว (white dwarf)

Image credit: https://cdn.britannica.com/91/95391-050-F59F4199/Evolution-Sun-star.jpg

 

Image credit: https://i0.wp.com/astronomicca.com/wp-content/uploads/2019/06/nucleosynthesis.png?ssl=1

สำหรับดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ที่มีมวลมากกว่ามวลของดวงอาทิตย์มากๆ หลังจากฮีเลียมหมดแล้ว จะใช้คาร์บอนเป็นเชื้อเพลิง เมื่อคาร์บอนหมดจะใช้ออกซิเจนเป็นเชื้อเพลิง และเมื่อออกซิเจนหมดจะใช้ซิลิกอนเป็นเชื่อเพลิง และในที่สุดเมื่อซิลิกอนหมดแกนกลางจะยุบตัวอย่างรวดเร็วความร้อนจากการที่ก๊าซยุบตัวตามแรงโน้มถ่วงกระตุ้นให้เกิดซูปเปอร์โนวา (supernova) หลังจากเกิดซูปเปอร์โนวาแล้ว ดาวฤกษ์นั้นจะกลายเป็นดาวนิวตรอนถ้ามวลตอนเริ่มต้นมีค่าประมาณ 20-50 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แต่หากมีมวลมากกว่านั้นจะกลายเป็นหลุมดำ

credit: https://www.scimath.org/article-physics/item/11652-h-r                   https://www.pw.ac.th/emedia/media/science/lesa/3/nature_ligth/hr_diagram/hr_diagram.html

image: https://www.scimath.org/images/2019/Article/11652/11652-1.jpg