สเปกตรัมของดาว
เราเรียกกรรมวิธีที่นักดาราศาสตร์ศึกษาดาวฤกษ์โดยการสังกตจากสเปกตรัมของดาวว่า “สเปกโตรสโคปี” (Spectroscopy) โดยใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์ต่อพ่วงกับกล้องโทรทรรศน์เพื่อรวมแสงดาวเข้ามาผ่านเกรตติงเพื่อแยกแสงดาวออกเป็นสเปกตรัมช่วงคลื่นต่างๆ แล้วบันทึกภาพด้วยอุปกรณ์บันทึกภาพ CCD สเปกตรัมจะบอกสมบัติของดาว 3 ประการคือ อุณหภูมิพื้นผิว องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ และทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวซึ่งสัมพัทธ์กับโลก
อุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์
นักดาราศาสตร์ศึกษาอุณหภูมิพื้นผิวของดาวฤกษ์ได้จากสเปกตรัมที่ดาวแผ่รังสีออกมา โดยพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นเข้มสุดทึ่ดาวแผ่รังสีออกมา (λmax) กับอุณหภูมิพื้นผิว (T) ตามกฎการแผ่รังสีของวีน λmax = 0.0029/T ซึ่งอธิบายอย่างสั้นๆ ว่า “ความยาวคลื่นของรังสีเข้มสุดที่ดาวแผ่ออกมา แปรผกผันกับอุณหภูมิพื้นผิวของดาว” ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นว่า ดาวฤกษ์ที่แผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอัลตาไวโอเล็ตที่ความยาวคลื่น 250 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 12,000 K ดาวฤกษ์ที่แผ่รังสีเข้มสุดในช่วงแสงที่ตามองเห็นที่ความยาวคลื่น 500 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 6,000 K และดาวฤกษ์ที่แผ่รังสีเข้มสุดเป็นรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่น 1,000 nm มีอุณหภูมิพื้นผิว 3,000 K ตามลำดับ
องค์ประกอบทางเคมีของดาวฤกษ์
ในการศึกษาองค์ประกอบของดาวฤกษ์ด้วยการวิเคราะห์สเปกตรัม นักดาราศาสตร์แบ่งสเปกตรัมของดาวฤกษ์ออกเป็น 7 ประเภท ได้แก่ ดาวประเภท O, B, A, F, G, K, M โดยมีคำพูดให้ท่องจำได้ง่ายว่า Oh Be A Fine Girl Kiss Me (เป็นเด็กดีก็จูบฉัน) ดังตัวอย่างในภาพที่ 2 ดาวสเปกตรัม O เป็นดาวที่มีอุณหภูมิสูงถึง 35,000 K ดวงอาทิตย์เป็นดาวสเปกตรัม G มีอุณหภูมิปานกลาง 5,800 K ส่วนดาว M เป็นดาวที่มีอุณหภูมิต่ำ 3,500 K (ภาพที่ 4) จะเห็นได้ว่าสเปกตรัมของดาวฤกษ์แต่ละประเภทจะมีเส้นดูดกลืนสีดำ ซึ่งแสดงถึงองค์ประกอบในบรรยากาศที่ห่อหุ้มดาวแตกต่างกัน เส้นดูดกลืนของสเปกตรัม O เกิดจากการดูดกลืนของอะตอมไฮโดรเจนและฮีเลียม ส่วนเส้นดูดกลืนของดาวสเปกตรัม K เกิดจากการดูดกลืนของธาตุหนักหลายชนิด นอกจากนั้นยังพบเส้นดูดกลืนของโมเลกุลเป็นจำนวนมาก เนื่องจากอุณหภูมิต่ำพอที่อะตอมสามารถจับตัวกันเป็นโมเลกุล เช่น ไททาเนียมออกไซด์ (TiO) เป็นต้น
ทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์
นักดาราศาสตร์ศึกษาทิศทางการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ที่สัมพัทธ์กับโลก โดยอาศัยปรากฎการณ์ดอปเปลอร์ ในภาพที่ 3 แสดงสเปกตรัม 3 แบบ ได้แก่
สเปกตรัมของดาวฤกษ์ในสภาวะปกติแสดงอยู่ตรงกลาง มีเส้นดูดกลืนรังสีซึ่งเกิดจากการยกตัวของอิเล็กตรอนวงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมของธาตุไฮโดรเจน จากชั้นที่ 2 ไปยังชั้นที่ 6, 5, 4, 3 ทำให้เกิดเส้นสเปกตรัมที่ความยาวคลื่น 410 nm (H-delta), 434 nm (H-gamma), 486nm (H-beta), 656 nm (H-alpha) ตามลำดับ เรียกว่า บาลเมอร์ซีรีส์
การเลื่อนทางน้ำเงิน (Blueshift) ซึ่งแสดงในแถบล่าง เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่ในทิศทางเข้าหาโลก ทำให้เราสังเกตเห็นความยาวคลื่นสั้นกว่าความเป็นจริง เส้นดูดกลืนรังสีทั้งสี่เส้นจึงเคลื่อนที่ไปทางด้านสีม่วง
การเลื่อนทางแดง (Redshift) ซึ่งแสดงในแถบบน เกิดขึ้นเมื่อดาวเคลื่อนที่ในทิศทางออกห่างจากโลก ทำให้เราสังเกตเห็นความยาวคลื่นมากกว่าความเป็นจริง เส้นดูดกลืนรังสีทั้งสี่เส้นจึงเคลื่อนที่ไปทางด้านสีแดง
ปรากฎการณ์ดอปเปลอร์บอกค่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ได้เป็นการเคลื่อนที่เชิงเรเดียน (Radian velocity) อย่างไรก็ตามปรากฏการณ์ดอปเปลอร์จะเกิดขึ้นต่อเมื่อมีการเคลื่อนที่ในแนวสายตาเท่านั้น (เคลื่อนที่เข้าหาหรืออกจากผู้สังเกตการณ์) แต่ถ้าดาวเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสายตา ก็จะไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใดๆ ของเส้นดูดกลืนในแถบสเปกตรัม
ดาวฤกษ์ที่ปรากฏบนท้องฟ้าจะมีสีต่างกัน เมื่อศึกษาอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์จะพบว่า สีของดาวฤกษ์มีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์ด้วย นักดาราศาสตร์แบ่งชนิดของดาวฤกษ์ตามสีและอุณหภูมิผิวของดาวฤกษ์ได้ 7 ชนิด คือ O B A F G K และ M แต่ละชนิดจะมีสีและอุณหภูมิผิวดังตารางต่อไปนี้
สีของดาวฤกษ์นอกจากจะบอกอุณหภูมิของดาวฤกษ์แล้ว ยังสามารถบอกอายุของดาวฤกษ์ด้วย ดาวฤกษ์ที่มีอายุน้อยจะมีอุณหภูมิที่ผิวสูงและมีสีน้ำเงิน ส่วนดาวฤกษ์ที่มีอายุมากใกล้ถึงจุดสุดท้ายของชีวิตจะมีสีแดงที่ เรียกว่า ดาวยักษ์แดง มีอุณหภูมิผิวต่ำ ดาวฤกษ์แต่ละดวงจะมีสิ่งที่เหมือนกัน คือ องค์ประกอบหลัก ได้แก่ ธาตุไฮโดรเจน และธาตุฮีเลียม พลังงานของดาวฤกษ์ทุกดวงเกิดจากปฏิกิริยาเทอร์มอนิวเคลียร์ที่แก่นกลาง ของดาว แต่สิ่งที่ต่างกันของดาวฤกษ์ ได้แก่ มวล อุณหภูมิผิว ขนาด อายุ ระยะห่างจากโลก สี ความสว่าง ธาตุที่เป็นองค์ประกอบ และวิวัฒนาการที่ต่างกัน
ตลอดอายุขัยส่วนใหญ่ของดาวฤกษ์ มันจะเปล่งแสงได้เนื่องจากปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่แกนของดาว ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานจากภายในของดาว จากนั้นจึงแผ่รังสีออกไปสู่อวกาศ ธาตุเคมีเกือบทั้งหมดซึ่งเกิดขึ้นโดยธรรมชาติและหนักกว่าฮีเลียมมีกำเนิดมาจากดาวฤกษ์ทั้งสิ้น โดยอาจเกิดจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของดาวฤกษ์ระหว่างที่ดาวยังมีชีวิตอยู่ หรือเกิดจากการสังเคราะห์นิวเคลียสของซูเปอร์โนวาหลังจากที่ดาวฤกษ์เกิดการระเบิดหลังสิ้นอายุขัย นักดาราศาสตร์สามารถระบุขนาดของมวล อายุ ส่วนประกอบทางเคมี และคุณสมบัติของดาวฤกษ์อีกหลายประการได้จากการสังเกตสเปกตรัม ความสว่าง และการเคลื่อนที่ในอวกาศ มวลรวมของดาวฤกษ์เป็นตัวกำหนดหลักในลำดับวิวัฒนาการและชะตากรรมในบั้นปลายของดาว ส่วนคุณสมบัติอื่นของดาวฤกษ์ เช่น เส้นผ่านศูนย์กลาง การหมุน การเคลื่อนที่ และอุณหภูมิ ถูกกำหนดจากประวัติวิวัฒนาการของมัน แผนภาพคู่ลำดับระหว่างอุณหภูมิกับความสว่างของดาวฤกษ์จำนวนมาก ที่รู้จักกันในชื่อ ไดอะแกรมของแฮร์ทสชปรุง-รัสเซลล์ (H-R ไดอะแกรม) ช่วยทำให้สามารถระบุอายุและรูปแบบวิวัฒนาการของดาวฤกษ์ได้
ดาวฤกษ์ถือกำเนิดขึ้นจากเมฆโมเลกุลที่ยุบตัวโดยมีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบหลัก รวมไปถึงฮีเลียม และธาตุอื่นที่หนักกว่าอีกจำนวนหนึ่ง เมื่อแก่นของดาวฤกษ์มีความหนาแน่นมากเพียงพอ ไฮโดรเจนบางส่วนจะถูกเปลี่ยนเป็นฮีเลียมผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชั่นอย่างต่อเนื่อง ส่วนภายในที่เหลือของดาวฤกษ์จะนำพลังงานออกจากแก่นผ่านทางกระบวนการแผ่รังสีและการพาความร้อนประกอบกัน ความดันภายในของดาวฤกษ์ป้องกันมิให้มันยุบตัวต่อไปจากแรงโน้มถ่วงของมันเอง เมื่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่แก่นของดาวหมด ดาวฤกษ์ที่มีมวลอย่างน้อย 0.4 เท่าของดวงอาทิตย์ จะพองตัวออกจนกลายเป็นดาวยักษ์แดง ซึ่งในบางกรณี ดาวเหล่านี้จะหลอมธาตุที่หนักกว่าที่แก่นหรือในเปลือกรอบแก่นของดาว จากนั้น ดาวยักษ์แดงจะวิวัฒนาการไปสู่รูปแบบเสื่อม มีการรีไซเคิลบางส่วนของสสารไปสู่สสารระหว่างดาว สสารเหล่านี้จะก่อให้เกิดดาวฤกษ์รุ่นใหม่ซึ่งมีอัตราส่วนของธาตุหนักที่สูงกว่า
