วัฏจักรของดาวฤกษ์
ดาวฤกษ์ก่อกำเนิดขึ้นมาจากเมฆของฝุ่นและแก๊ส ที่เรียกว่า “เนบิวลา” ซึ่งปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ใจกลางหรือแก่นกลางของดาวฤกษ์จะสร้างพลังงานเพียงพอ ที่จะทำให้ดาวฤกษ์ส่องสว่างนานนับหลายปี ช่วงอายุขัยของดาวฤกษ์จะขึ้นกับขนาดของดาวฤกษ์ ยิ่งดาวฤกษ์มีขนาดใหญ่ (มีมวลมาก) จะเผาผลาญเชื้อเพลิงได้เร็วกว่าดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กกว่า (มีมวลน้อย) และดาวฤกษ์มวลมากเหล่านี้จะมีช่วงเวลาอยู่ได้เพียงไม่กี่แสนปี แต่ดาวฤกษ์มวลน้อยจะมีช่วงอายุขัยนับพันล้านปี เนื่องจากดาวฤกษ์ขนาดเล็กเหล่านี้จะเผาผลาญเชื้อเพลิงได้ช้ากว่ามาก
ในที่สุดแล้ว เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่เป็นตัวคอยขับเคลื่อนปฏิกิริยานิวเคลียร์ในดาวฤกษ์จะเริ่มหมดลง และดาวฤกษ์จะเข้าสู่ระยะสุดท้ายของช่วงชีวิต โดยดาวฤกษ์จะขยายตัว เย็นตัวลง และสีของดาวจะเปลี่ยนแปลงจนกลายเป็นดาวยักษ์แดง ทั้งนี้ เส้นทางหลังจากดาวฤกษ์หมดอายุขัยลงแล้วจะขึ้นกับมวลของดาวฤกษ์
ดาวฤกษ์ขนาดเล็กอย่างดวงอาทิตย์นั้น จะผ่านช่วงจุดจบของวงจรชีวิตดาวฤกษ์อย่างสงบ ด้วยการผ่านระยะที่เป็นเนบิวลาดาวเคราะห์และดาวแคระขาว ก่อนจะเย็นตัวลงเมื่อเวลาผ่านไปจนกลายเป็นดาวแคระดำ ขณะที่ในกรณีของดาวฤกษ์มวลมาก จะพบกับจุดจบที่รุนแรง โดยการระเบิดที่เรียกว่า “ซูเปอร์โนวา” (Supernova) จะสาดเศษซากของดาวฤกษ์มวลมากเหล่านี้กระจายออกไปในอวกาศ เมื่อฝุ่นและแก๊สที่กระจายตัวออกไปจางลงแล้ว สิ่งที่หลงเหลืออยู่จะเป็นเศษซากดาวที่มีความหนาแน่นสูงมาก เรียกว่า “ดาวนิวตรอน” ซึ่งมักจะหมุนรอบตัวเองเร็วมาก และดาวนิวตรอนส่วนหนึ่งก็ถูกเรียกว่า “พัลซาร์” ส่วนกรณีดาวฤกษ์ที่มีมวลมากขึ้นไปอีกหมดอายุขัยและระเบิดขึ้น ใจกลางที่หลงเหลือจะกลายเป็นหลุมดำ
ดาวฤกษ์เกิดขึ้นจากกลุ่มแก๊สและฝุ่นรวมตัวกัน ซึ่งเรียกว่า เนบิวลา เมื่อก๊าซร้อนในเนบิวลาอัดแน่นจนมีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จะเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นหลอมรวมไฮโดนเจนให้เป็นฮีเลียม กำเนิดเป็นดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์ที่เห็นบนท้องฟ้าส่วนมากเป็นดาวในลำดับหลัก เมื่อดาวใกล้หมดอายุจะออกจากลำดับหลักไปเป็นดาวยักษ์แดง และมีวิวัฒนาการที่ต่างกันขึ้นอยู่กับมวลตั้งต้นที่กำเนิดเป็นดาว ดังนี้
ดาวฤกษ์ที่มีมวล <2 เท่าของดวงอาทิตย์ จบชีวิตเป็นดาวแคระห์ขาว (คาร์บอน) ดาวฤกษ์ที่มีมวล <8 เท่าของดวงอาทิตย์ จบชีวิตเป็นดาวแคระห์ขาว (ออกซิเจน) ดาวฤกษ์ที่มีมวล >8 เท่าของดวงอาทิตย์ จบชีวิตเป็นดาวนิวตรอน และพัลซาร์
ดาวฤกษ์ที่มีมวล >18 เท่าของดวงอาทิตย์ จบชีวิตเป็นหลุมดำ
ดาวเกิดจากการรวมตัวของแก๊สและฝุ่นในอวกาศ (Interstellar medium) เมื่อมีมวล มวลมีแรงดึงดูดซึ่งกันและกันตามกฎความโน้มถ่วงแห่งเอกภพ (The Law of Universal) ของนิวตันที่มีสูตรว่า F = G (m1m2/r2) แรงดึงดูดแปรผันตามมวล มวลยิ่งมากแรงดึงดูดยิ่งมาก เราเรียกกลุ่มแก๊สและฝุ่นซึ่งรวมตัวกันในอวกาศว่า “เนบิวลา” (Nebula) หรือ “หมอกเพลิง” เนบิวลาเป็นกลุ่มแก๊สที่ขนาดใหญ่หลายปีแสง แต่เบาบางมีความหนาแน่นต่ำมาก องค์ประกอบหลักของเนบิวลาคือแก๊สไฮโดรเจน เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีโครงสร้างพื้นฐาน ซึ่งเป็นธาตุตั้งต้นของทุกสรรพสิ่งในจักรวาล
เนบิวลามีอุณหภูมิต่ำ เนื่องจากไม่มีแหล่งกำเนิดความร้อน ในบริเวณที่แก๊สมีความหนาแน่นสูง อะตอมจะยึดติดกันเป็นโมเลกุล ทำให้เกิดแรงโน้มถ่วงดึงดูดแก๊สจากบริเวณโดยรอบมารวมกันอีก ทำให้มีความหนาแน่นและมวลเพิ่มขึ้นอีกจนกระทั่งอุณหภูมิภายในสูงประมาณ 10 เคลวิน มวลที่เพิ่มขึ้นทำให้พลังงานศักย์โน้มถ่วงของแต่ละโมเลกุลที่ตกเข้ามายังศูนย์กลางของกลุ่มแก๊ส เปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความร้อน และแผ่รังสีอินฟราเรดออกมา
ต่อมาเมื่อกลุ่มแก๊สมีความหนาแน่นสูงขึ้นจนความร้อนภายในไม่สามารถแผ่ออกมาได้ อุณหภูมิภายในแกนกลางจึงสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว มวลของแก๊สมีแรงโน้มถ่วงสูงจนเอาชนะแรงดันซึ่งเกิดจากการขยายตัวของแก๊สร้อน กลุ่มแก๊สจึงยุบตัวเข้าสู่ศูนย์กลางจนมีอุณหภูมิสูงถึง 10 ล้านเคลวิน จุดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันทำให้อะตอมของไฮโดรเจนหลอมรวมกันเป็นธาตุใหม่คือ ฮีเลียม มวลบางส่วนเปลี่ยนรูปเป็นพลังงาน (นิวเคลียร์ฟิวชัน) ตามสมการ E = mc2 ดาวฤกษ์จึงอุบัติขึ้นมา
ดาวฤกษ์ที่เกิดขึ้นใหม่มีอุณหภูมิสูงประมาณ 25,000 K เป็นดาวสเปกตรัมประเภท O แผ่รังสีเข้มสุดในช่วงอัลตราไวโอเล็ต เนบิวลาที่ห่อหุ้มดาวดูดกลืนพลังงานจากรังสีอัลตราไวโอเล็ต และแผ่รังสีเข้มสุดในช่วง H-alpha ซึ่งมีความยาวคลื่น 656 nm ออกมาทำให้เรามองเห็นเป็น “เนบิวลาสว่าง” (Diffuse Nebula) สีแดง ได้แก่ เนบิวลาสว่างใหญ่ในกลุ่มดาวนายพราน (M 42 Great Orion Nebula) ซึ่งเห็นได้ว่า ใจกลางของเนบิวลาสว่างมีดาวฤกษ์เกิดใหม่อยู่ภายใน
เนื่องจากเนบิวลามีแก๊สและฝุ่นอยู่หนาแน่น บางครั้งอนุภาคขนาดใหญ่เป็นอุปสรรคขวางกั้นการแผ่รังสี จึงเกิดการกระเจิงของแสง (Scattering) ทำให้มองเห็นเป็นเนบิวลาสีฟ้า เช่นเดียวกับที่การกระเจิงของแสงอาทิตย์ในบรรยากาศโลกที่ทำให้ท้องฟ้าเป็นสีฟ้า เราเรียกเนบิวลาประเภทนี้ว่า “เนบิวลาสะท้อนแสง” (Reflection Nebula) ตัวอย่างเช่น เนบิวลาในกระจุกดาวลูกไก่ (M45 Pleiades)
อย่างไรก็ตามบางส่วนของเนบิวลาเป็นกลุ่มแก๊สที่มีอุณหภูมิต่ำอยู่อย่างหนาแน่น กลุ่มแก๊สเหล่านี้เหล่านี้บดบังแสงสว่างจากดาวฤกษ์เกิดใหม่หรือเนบิวลาสว่างซึ่งอยู่ด้านหลัง เราจึงมองเห็นเป็น “เนบิวลามืด” (Dark Nebula) เช่น เนบิวลารูปหัวม้าในกลุ่มดาวนายพราน (Horsehead Nebula)
แม้ว่าในตำราเรียนจะแบ่งเนบิวลาออกเป็น 3 ประเภทคือ เนบิวลาสว่าง เนบิวลาสะท้อนแสง และเนบิวลามืด ในความจริงแล้วเนบิวลาทั้งสามชนิดเป็นเพียงปรากฎการณ์ซึ่งปรากฏให้เห็นเฉพาะในมุมมองจากโลก จะเห็นว่า เนบิวลาไทรฟิด (M20 Trifid Nebula) เป็นกลุ่มแก๊สซึ่งมีทั้งเนบิวลาสว่าง เนบิวลาสะท้อนแสง และเนบิวลามืด อยู่ในตัวเดียวกัน ดาวเกิดใหม่ท่ีอยู่ภายในแผ่รังสีออกมากระตุ้นให้กลุ่มแก๊สท่ีอยู่บริเวณรอบๆ แผ่รังสีปรากฏเป็นเนบิวลาสว่างสีแดง แต่มีกลุ่มแก๊สหนาทึบบางส่วนมาบังแสงสว่างทำให้มองเห็นเป็นเนบิวลามืด และเกิดการกระเจิงของแสงที่กลุ่มแก๊สที่อยู่ด้านหลัง ทำให้มองเห็นเป็นเนบิวลาสะท้อนแสงสีน้ำเงิน
