เนบิวลาปู

จุดกำเนิด

การกำเนิดของเนบิวลาปูมีความเกี่ยวพันกับซูเปอร์โนวา SN 1054 ซึ่งได้รับการบันทึกโดยนักดาราศาสตร์ชาวจีนและชาวอาหรับใน พ.ศ. 1597 ส่วนตัวเนบิวลาเองถูกสังเกตพบเป็นครั้งแรกโดย จอห์น เบวิส ในปี พ.ศ. 2271 เนบิวลาได้รับการค้นพบอีกครั้งหนึ่งต่างหากในปี พ.ศ. 2301 โดย ชาลส์ เมสสิเยร์ ระหว่างที่เขากำลังสังเกตดูดาวหางสว่าง เมสสิเยร์ได้บันทึกเนบิวลาปูไว้เป็นลำดับแรกในรายการวัตถุท้องฟ้าของเขาว่าเป็นวัตถุคล้ายดาวหาง เอิร์ลแห่งรอสส์ได้สังเกตเนบิวลาที่ปราสาทเบอร์ ในช่วงปี พ.ศ. 2383-2392 และเรียกเนบิวลาดังกล่าวว่า "เนบิวลาปู" เนื่องจากเนบิวลาที่เขาวาดนั้นมีรูปร่างคล้ายปู
ในช่วงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 20 การวิเคราะห์ภาพถ่ายในช่วงแรกของเนบิวลาต้องใช้เวลาหลายปีจึงสามารถระบุได้ว่าเนบิวลากำลังขยายตัว ซึ่งเมื่อติดตามการขยายตัวของเนบิวลาดูแล้ว ก็ทำให้ทราบว่าเนบิวลาปูจะต้องมองเห็นได้จากโลกเมื่อราว 900 ปีก่อน สอดคล้องกับการบันทึกในประวัติศาสตร์ที่ว่ามีดาวส่องสว่างพอที่จะเห็นได้ในตอนกลางวันและได้รับบันทึกไว้บริเวณส่วนเดียวกันของท้องฟ้าโดยนักดาราศาสตร์ชาวจีนและชาวอาหรับใน พ.ศ. 1597 เมื่อคำนึงถึงระยะห่างอันไกลโพ้น "ดาวอาคันตุกะ" ที่มองเห็นได้ในเวลากลางวันนี้จะเป็นได้แต่เพียงซูเปอร์โนวาเท่านั้น ซึ่งเป็นการระเบิดครั้งใหญ่ของดาวฤกษ์ที่เผาผลาญเชื้อเพลิงพลังงานจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นจนหมดและยุบตัวลงในที่สุด
การวิเคราะห์บันทึกประวัติศาสตร์เมื่อไม่นานมานี้ค้นพบว่าซูเปอร์โนวาซึ่งให้กำเนิดเนบิวลาปูนั้นปรากฏขึ้นในช่วงเดือนเมษายนหรือต้นเดือนพฤษภาคม และมีความสว่างเพิ่มขึ้นสูงสุดระหว่างความส่องสว่างปรากฏ -7 และ -4.5 (สว่างกว่าวัตถุใด ๆ บนท้องฟ้ากลางคืนยกเว้นดวงจันทร์) ในเดือนกรกฎาคม ซูเปอร์โนวาสามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่าเป็นเวลากว่าสองปีนับจากการสังเกตครั้งแรก และเนื่องจากการบันทึกการสังเกตของนักดาราศาสตร์ชาวจีนและชาวอาหรับ เนบิวลาปูจึงเป็นวัตถุทางดาราศาสตร์วัตถุแรกที่ได้รับรองว่าเชื่อมโยงกับซูเปอร์โนวา

ลักษณะทางกายภาพ

ในคลื่นที่ตามองเห็น เนบิวลาประกอบด้วยมวลของเส้นใยทรงรีกว้าง ยาว 6 ลิปดาและกว้าง 4 ลิปดา(เทียบกับจันทร์เพ็ญที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30 ลิปดา) ล้อมรอบบริเวณใจกลางสีน้ำเงินที่กระจายตัวออก ส่วนในสามมิติคาดว่าเนบิวลาปูจะมีรูปร่างคล้ายทรงคล้ายทรงกลมแบนข้าง เส้นใยที่เห็นเป็นซากที่เหลือจากชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวา ส่วนใหญ่ประกอบด้วยฮีเลียมและไฮโดรเจนไอออน ตลอดจนคาร์บอน ออกซิเจน ไนโตรเจน เหล็ก นีออน และซัลเฟอร์ อุณหภูมิของเส้นใยอยู่ที่ระหว่าง 11,000-18,000 เคลวิน และความหนาแน่นของมันอยู่ที่ 1,300 อนุภาคต่อตารางเซนติเมตร
ในปี พ.ศ. 2496 ไอโอซิฟ ชคล็อฟสกีเสนอว่าบริเวณการกระจายตัวสีน้ำเงินนั้นส่วนมากเกิดจากการแผ่รังสีซิงโครตรอน ซึ่งมีการปล่อยรังสีออกไปเป็นแนวโค้งของอิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงเกือบครึ่งหนึ่งของอัตราเร็วของแสง สามปีให้หลัง ทฤษฎีดังกล่าวได้รับการพิสูจน์จากการสังเกต ในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1960 มีการค้นพบว่าแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนแนวโค้งนั้นเป็นสนามแม่เหล็กเข้มสร้างจากดาวนิวตรอนซึ่งอยู่ใจกลางเนบิวลา

ระยะห่าง

ถึงแม้ว่าเนบิวลาปูจะเป็นที่สนใจของบรรดานักดาราศาสตร์อย่างมาก แต่ระยะห่างจากโลกของมันยังคงเป็นปริศนาเนื่องจากวิธีการที่ใช้ในการประมาณระยะห่างยังไม่ชัดเจน จนถึงปี พ.ศ. 2551 จึงได้ข้อสรุปที่เห็นตรงกันว่ามันอยู่ห่างจากโลก 2.0 ± 0.5 กิโลพาร์เซก (6.5 ± 1.6 ปีแสง) เนบิวลาปูกำลังขยายตัวออกไปด้วยอัตราเร็ว 1,500 กิโลเมตรต่อวินาที ภาพถ่ายเมื่อหลายปีก่อนแสดงให้เห็นถึงการขยายตัวอย่างช้า ๆ ของเนบิวลา และเมื่อเปรียบเทียบการขยายตัวเชิงมุมกับสเปกโทรสโคปีซึ่งวัดจากอัตราเร็วในการขยายตัวของมัน ทำให้สามารถประมาณระยะห่างจากโลกของเนบิวลาปูได้ ในปี พ.ศ. 2516 การวิเคราะห์จากหลายวิธีที่แตกต่างกันซึ่งใช้เพื่อคำนวณระยะห่างไปยังเนบิวลาได้ข้อสรุปว่าอยู่ที่ราว 6,300 ปีแสง ขนาดของเนบิวลาด้านที่ยาวที่สุดซึ่งมองเห็นได้ วัดได้ราว 13 ± 3 ปีแสง
เมื่อย้อนไปยังการขยายตัวอย่างต่อเนื่องนับตั้งแต่เนบิวลาก่อตัวขึ้นหลายทศวรรษหลังปี พ.ศ. 1597 จึงประมาณได้ว่าความเร็วในการขยายตัวของมันเพิ่มขึ้นนับแต่การระเบิดของซูเปอร์โนวา เชื่อว่าความเร่งดังกล่าวเกิดจากพลังงานจากพัลซาร์ซึ่งส่งถ่ายให้กับสนามแม่เหล็กของเนบิวลา ซึ่งขยายตัวและบังคับให้เส้นใยของเนบิวลาพุ่งออกไป

มวล

การประมาณค่ามวลทั้งหมดของเนบิวลามีความสำคัญต่อการประมาณมวลของดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวา ปริมาณสสารที่พบในเส้นใยของเนบิวลาปู (มวลของสสารกระจายไอออนและก๊าซที่เป็นกลางทางประจุ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นฮีเลียม) ประมาณกันว่าอยู่ที่ 4.6 ± 1.8 M☉

ทอรัสซึ่งประกอบด้วยฮีเลียม

หนึ่งในส่วนประกอบ (หรือความผิดปกติ) ของเนบิวลาปู คือ ทอรัสซึ่งประกอบด้วยฮีเลียมที่มองเห็นได้จากแถบคลื่นตะวันออก-ตะวันตกที่ข้ามบริเวณพัลซาร์ ทอรัสประกอบด้วยสสารกระจายที่มองเห็นได้ประมาณ 25% และประกอบด้วยฮีเลียมราว 95% จนถึงปัจจุบัน ยังไม่มีคำอธิบายที่สมเหตุสมผลเกี่ยวกับโครงสร้างของทอรัสเลย

ดาวฤกษ์ที่ใจกลาง

ณ ใจกลางเนบิวลาปูมีดาวฤกษ์ที่ไม่สว่างนักสองดวง ซึ่งดาวฤกษ์หนึ่งในนั้นทำให้เนบิวลาปูสามารถถือกำเนิดขึ้นได้ การระบุข้อเท็จจริงนี้เกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2485 เมื่อรูดอล์ฟ มินคอฟสกีค้นพบว่าคลื่นที่ตามองเห็นในบริเวณดังกล่าวมีความผิดปกติสูง ปี ค.ศ. 1949 มีการค้นพบแหล่งคลื่นวิทยุอย่างเข้มในบริเวณโดยรอบดาวฤกษ์นี้ และพบแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ในปี พ.ศ. 2506 นอกจากนี้ยังจัดดาวฤกษ์นี้ว่าเป็นหนึ่งในวัตถุที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้าที่มองเห็นในช่วงรังสีแกมมา ในปี ค.ศ. 1967 ต่อมาในปี ค.ศ. 1968 มีการค้นพบว่าดาวฤกษ์ปลดปล่อยรังสีออกมาเป็นจังหวะถี่ ๆ ซึ่งทำให้มันเป็นหนึ่งในพัลซาร์แห่งแรก ๆ ที่มีการค้นพบ
พัลซาร์เป็นแหล่งรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากำลังสูง ซึ่งปลดปล่อยพลังงานออกมาในเวลาสั้น ๆ ด้วยความถี่ที่รวดเร็วหลายครั้งต่อวินาที พวกมันเป็นปริศนาที่ยิ่งใหญ่เมื่อครั้งถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2510 และทีมนักดาราศาสตร์ถึงกับคิดว่ามันอาจเป็นสัญญาณจากอารยธรรมที่เจริญแล้วทีเดียว อย่างไรก็ตาม การค้นพบว่ามันเป็นแหล่งคลื่นวิทยุที่มีการปลดปล่อยออกมาเป็นจังหวะที่ใจกลางของเนบิวลาปู ได้กลายมาเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญที่ว่าพัลซาร์ถือกำเนิดขึ้นมาจากซูเปอร์โนวา ปัจจุบันนี้เป็นที่เข้าใจกันว่ามันเป็นดาวนิวตรอนที่หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วสูง ซึ่งมีสนามแม่เหล็กกำลังแรงที่รวมการปลดปล่อยรังสีออกมาเป็นลำแคบ ๆ
เชื่อกันว่าพัลซาร์ปูมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 28-30 กิโลเมตร ปลดปล่อยรังสีออกมาเป็นจังหวะทุก ๆ 33 มิลลิวินาที โดยการปล่อยรังสีออกมาแต่ละครั้งจะมีความยาวคลื่นที่แตกต่างกันมากตามสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่คลื่นวิทยุไปจนถึงรังสีเอกซ์ เช่นเดียวกับพัลซาร์เดี่ยวอื่น ๆ ทั้งหมด คาบการหมุนของมันกำลังค่อยๆ ช้าลง บางครั้งคาบการหมุนของมันก็เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเชื่อว่าเกิดจากการเปลี่ยนแปลงภายในดาวนิวตรอนอย่างฉับพลัน พลังงานที่ปลดปล่อยจากพัลซาร์ที่หมุนช้าลงมีมหาศาล และกำลังที่ปลดปล่อยออกมาจากการแผ่รังสีซิงโครตรอนของเนบิวลาปู มีความสว่างทั้งหมดคิดเป็นกว่า 75,000 เท่าของความสว่างของดวงอาทิตย์
การปลดปล่อยพลังงานสูงได้ทำให้เกิดย่านความเปลี่ยนแปลงสูงอย่างผิดปกติที่ใจกลางของเนบิวลาปู ในขณะที่วัตถุทางดาราศาสตร์ส่วนใหญ่วิวัฒนาการตัวเองอย่างช้า ๆ จนต้องใช้เวลาหลายปีในการสังเกตหาความแตกต่าง แต่ส่วนในของเนบิวลาปูแสดงความเปลี่ยนแปลงจนสังเกตเห็นได้ในเวลาไม่กี่วัน ลักษณะความเปลี่ยนแปลงที่มากที่สุดในส่วนในของเนบิวลาปู คือ จุดที่ลมเส้นศูนย์สูตรของพัลซาร์ปะทะกับส่วนกั้นเนบิวลา ซึ่งทำให้เกิดคลื่นชะงัก รูปร่างและตำแหน่งของปรากฏการณ์ดังกล่าวเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เพราะลมเส้นศูนย์สูตรปรากฏขึ้นมาเป็นวงๆ จำนวนมากที่ทั้งสูงชั้นและสว่าง แล้วจึงจางหายไปเมื่อมันเคลื่อนออกจากพัลซาร์ไปยังส่วนหลักของเนบิวลา

ดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวา

ดาวฤกษ์ที่ระเบิดเป็นซูเปอร์โนวานั้นจะเรียกว่า ดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวา (progenitor star) มีดาวฤกษ์สองประเภทที่สามารถระเบิดออกเป็นซูเปอร์โนวาได้ ได้แก่ ดาวแคระขาวและดาวมวลมาก ในซูเปอร์โนวาประเภท Ia แก๊สที่ตกลงสู่ดาวแคระขาวจะทำให้มวลของมันเพิ่มขึ้นจนใกล้ระดับวิกฤตที่เรียกว่า ขีดจำกัดจันทรเศขร ส่งผลให้เกิดการระเบิด ส่วนในซูเปอร์โนวาประเภท Ib และ Ic และซูเปอร์โนวาประเภท II ดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวาจะเป็นดาวมวลมากที่หมดสิ้นเชื้อเพลิงที่จะสร้างพลังงานให้กับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นภายในดาว และจึงยุบตัวลง โดยมีอุณหภูมิสูงมากในขณะที่เกิดการระเบิด การมีอยู่ของพัลซาร์ในเนบิวลาปูหมายความว่า ในอดีต ดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวาจะต้องก่อให้เกิดซูเปอร์โนวาที่ยุบตัวในแกนกลาง ในขณะที่ซูเปอร์โนวาประเภท Ia ไม่ก่อให้เกิดพัลซาร์
แบบจำลองการระเบิดซูเปอร์โนวาในทางทฤษฎีได้เสนอว่า ดาวฤกษ์ที่ระเบิดและก่อให้เกิดเนบิวลาปูนั้นจะต้องมีมวลราว 9-11 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ที่มีมวลน้อยกว่า 8 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ถือว่าเล็กเกินกว่าจะก่อให้เกิดซูเปอร์โนวาได้ และสิ้นสุดอายุขัยโดยวิวัฒนาการตนเองกลายไปเป็นเนบิวลาดาวเคราะห์แทน ในขณะที่ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากกว่า 12 เท่าของมวลดวงอาทิตย์จะก่อให้เกิดเนบิวลาที่มีองค์ประกอบทางเคมีแตกต่างจากที่พบในเนบิวลาปู
ปัญหาที่สำคัญของการศึกษาเนบิวลาปู คือ มวลรวมกันของเนบิวลาและพัลซาร์ยังถือว่าน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลของดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวาเท่าที่ประมาณกันไว้ และคำถามที่ว่า "มวลที่หายไป" อยู่ที่ใดนั้นยังคงหาคำตอบไม่ได้ มวลของเนบิวลาสามารถประมาณได้จากการวัดปริมาณแสงที่ปลดปล่อยออกมาทั้งหมด คำนวณมวลที่จำเป็นต้องใช้ และให้ค่าเป็นอุณหภูมิและความหนาแน่นของเนบิวลา ค่าที่ประมาณนั้นอยู่ระหว่าง 1-5 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ โดยค่าที่เป็นที่ยอมรับกันทั่วไปนั้นอยู่ระหว่าง 2-3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ ส่วนมวลของดาวนิวตรอนนั้นประมาณว่าอยู่ระหว่าง 1.4-2 เท่าของมวลดวงอาทิตย์
ทฤษฎีที่โดดเด่นในการบรรยายมวลที่หายไปของเนบิวลาปูนั้นมีว่า มวลสัดส่วนมากของดาวฤกษ์ต้นกำเนิดซูเปอร์โนวานั้นถูกพัดพาไปก่อนเกิดซูเปอร์โนวาโดยลมดาวฤกษ์ความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม เหตุการณ์ดังกล่าวควรจะก่อให้เกิดเปลือกหุ้มรอบเนบิวลาปู ถึงแม้ว่าจะมีความพยายามสังเกตเปลือกหุ้มเนบิวลาปูในความยาวคลื่นที่แตกต่างกันแล้ว แต่ก็ยังหาไม่พบ

การเคลื่อนผ่านโดยระบบสุริยะ

เนบิวลาปูอยู่ห่างจากสุริยวิถี 1½ ° ซึ่งเป็นระนาบของวงโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งหมายความว่า ดวงจันทร์ และโลกในบางครั้ง สามารถเคลื่อนผ่านหรือบดบังเนบิวลาได้ และถึงแม้ว่าดวงอาทิตย์จะไม่เคลื่อนผ่านเนบิวลา แต่ชั้นโคโรน่าของดวงอาทิตย์ได้ผ่านด้านหน้าเนบิวลา การเคลื่อนผ่านและการผ่านหน้าสามารถใช้วิเคราะห์ทั้งเนบิวลาและวัตถุที่ผ่านหน้ามันได้ โดยการสังเกตลักษณะการเปลี่ยนแปลงของรังสีจากเนบิวลาที่เกิดขึ้นจากวัตถุที่เคลื่อนผ่าน
การเคลื่อนตัวผ่านของดวงจันทร์ได้ถูกใช้เพื่อทำแผนที่การปลดปล่อยรังสีเอกซ์จากเนบิวลา ก่อนหน้าการส่งดาวเทียมสังเกตรังสีเอกซ์ขึ้นสู่อวกาศ อย่างเช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทรา การสังเกตรังสีเอกซ์ค่อนข้างจะมีความละเอียดเชิงมุมต่ำ แต่เมื่อดวงจันทร์ผ่านหน้าเนบิวลา ตำแหน่งของมันค่อนข้างจะเป็นที่รู้กันอย่างแม่นยำ ดังนั้น จึงสามารถใช้ความแปรผันของความสว่างของเนบิวลาในการสร้างแผนที่การปลดปล่อยรังสีเอกซ์ เมื่อรังสีเอกซ์ถูกค้นพบครั้งแรกในเนบิวลาปู จึงมีการใช้การผ่านหน้าของดวงจันทร์เพื่อระบุตำแหน่งที่แม่นยำของแหล่งรังสีนั้น
โคโรน่าของดวงอาทิตย์ผ่านหน้าเนบิวลาปูทุกเดือนมิถุนายน ความแปรผันของคลื่นวิทยุที่ได้รับจากเนบิวลาปูในช่วงเวลาดัวงกล่าวสามารถใช้เพื่ออนุมานรายละเอียดของความหนาแน่นและโครงสร้างของโคโรน่า การสังเกตในช่วงแรก ๆ ได้แสดงให้เห็นว่าชั้นโคโรน่าได้ขยายออกไปเป็นระยะทางไกลเกินกว่าที่คาดกันไว้ก่อน การสังเกตในภายหลังค้นพบว่าชั้นโคโรน่ามีความหนาแน่นไม่สม่ำเสมอกัน
ในโอกาสที่จะพบน้อยครั้ง ดาวเสาร์ก็เคลื่อนผ่านเนบิวลาปูเช่นกัน การเคลื่อนผ่านใน พ.ศ. 2546 นับเป็นการเคลื่อนผ่านครั้งแรกนับจาก พ.ศ. 1839 และจะไม่มีการเคลื่อนผ่านอีกจนกระทั่ง พ.ศ. 1810 นักสังเกตได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศจันทราในการสังเกตดาวบริวารของดาวเสาร์ ไททัน เมื่อมันผ่านเนบิวลา และค้นพบว่า 'เงา' รังสีเอกซ์ของไททันมีขนาดใหญ่กว่าพื้นผิวที่เป็นของแข็งของมัน เนื่องจากการดูดซึมรังสีเอกซ์ในชั้นบรรยากาศ การสังเกตเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความหนาของชั้นบรรยากาศของไททันที่ 880 กิโลเมตร การเคลื่อนผ่านของดาวเสาร์ไม่สามารถสังเกตได้โดยตรง เนื่องจากกล้องจันทรากำลังผ่านเข็มขัดแวน อัลเลนในเวลานั้น