ความเป็นโลหะ (ดาราศาสตร์)

ในทางดาราศาสตร์และจักรวาลวิทยาเชิงกายภาพ ความเป็นโลหะ (อังกฤษ: metallicity) ของวัตถุคือค่าสัดส่วนองค์ประกอบของสสารในวัตถุนั้นที่มีส่วนประกอบของธาตุทางเคมีชนิดอื่นมากกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม ทั้งนี้ ดาวฤกษ์ซึ่งเป็นวัตถุที่สามารถมองเห็นได้ชัดในเอกภพมักประกอบด้วยไฮโดรเจนกับฮีเลียม นักดาราศาสตร์จึงนิยมเรียกส่วนที่เหลือ (ในที่ว่างดำมืด) ว่าเป็น "โลหะ" เพื่อความสะดวกในการบรรยายถึงส่วนที่เหลือทั้งหมด 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

 

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 ทั้งนี้เนื่องจากดาวเคราะห์จะเกิดขึ้นได้ก็ด้วยการพอกพูนรวมตัวกันของธาตุโลหะต่างๆ

ดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2

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 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

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

อ้างอิง

1. John C. Martin. "What we learn from a star's metal content" 2009-01-06 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน. New Analysis RR Lyrae Kinematics in the Solar Neighborhood. http://etacar.umn.edu/~martin/rrlyrae/metals.htm 2009-01-06 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน. เก็บข้อมูลเมื่อ 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. Explicit use of et al. in: |author= (help)
5. A. Heger, S. E. Woosley (2002). "The Nucleosynthetic Signature of Population III". Astrophysical Journal. 567 (1): 532–543. doi:10.1086/338487.