การวัดระยะทางด้วยซูเปอร์โนวา
ซูเปอร์โนวา (Supernova) มี 2 ประเภท คือ ซูเปอร์โนวาซึ่งเกิดจากการสิ้นอายุของดาวฤกษ์มวลมาก กระบวนการฟิวชันที่ใจกลางของดาวใช้เชื้อเพลิงจนหมดสิ้น ทำให้เกิดการระเบิดครั้งยิ่งใหญ่ให้อุณหภูมิสูงจนเกิดธาตุใหม่ที่หนักกว่าธาตุเหล็ก เราเรียกว่า ซูเปอร์โนวาแบบ 2 (Supernova type II)
นอกจากนั้นยังมีซูเปอร์โนวาอีกประเภทซึ่งเกิดขึ้นในระบบดาวคู่ เมื่อแรงโน้มถ่วงมหาศาลของดาวแคระห์ขาวดึงดูดมวลสารจากดาวฤกษ์คู่ของมัน เข้ามาเพิ่มเติมเชื้อเพลิงให้ตัวเอง เมื่อดาวแคระขาวมีมวลเพิ่มขึ้นเกินลิมิต หรือ 1.3 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ แรงกดดันที่แก่นของดาวจะทำให้มีอุณหภูมิสูงขึ้นจนสามารถจุดนิวเคลียร์ฟิวชันได้อีกครั้งหนึ่งและส่องแสงสว่างออกมาเรียกว่า ซูเปอร์โนวาแบบ 1 (Supernova type I) ซูเปอร์โนวาทั้งสองชนิดจะส่องแสงตราบจนเชื้อเพลิงฟิวชันหมดสิ้นลง ก็จะหรี่แสงลง
ในการวัดระยะทางด้วยการเปรียบเทียบความสว่างของดาวแปรแสง จะใช้ได้กับวัตถุที่มีระยะห่างไม่เกิน 50 ล้านพาร์เซก หากกาแล็กซีอยู่ไกลกว่านี้ ดาวแปรแสงจะมีขนาดเล็กและมีความสว่างน้อยเกินไปจนไม่สามารถตรวจวัดได้ การวัดระยะทางระยะไกลกว่านี้จะต้องใช้ความสว่างของซูเปอร์โนวาเป็นตัวเปรียบเทียบแทน เนื่องจากซูเปอร์โนวามีกำลังส่องสว่างมากกว่าดาวแปรแสงหลายร้อยเท่า ในการวัดระยะทางของกาแล็กซีนักดาราศาสตร์เลือกใช้ซูเปอร์โนวาแบบ 1 เอ (Supernova type Ia) เนื่องจากสเปกตรัมของซูเปอร์โนวาประเภทนี้มีความโดดเด่น สามารถจำแนกได้ง่ายกว่าซูเปอร์โนวาประเภทอื่น นักดาราศาสตร์ทราบว่า ซูเปอรโนวาแบบ 1 เอ ว่ามีโชติมาตรสมบูรณ์ -19 และส่องแสงได้นาน 270 วัน หากค้นพบว่า กาแล็กซีใดมีซูเปอร์แบบนี้ในกาแล็กซีใด ก็สามารถนำค่าโชติมาตรปรากฏที่ลดลงมาคำนวณหาระยะทางของกาแล็กนีนั้นได้โดยใช้สูตร m – M = 5 log d – 5 เช่นเดียวกับการคำนวณหาระยะทางด้วยดาวแปรแสงแบบเซฟีดนั่นเอง
m – M = 5 log d – 5
โดยที่ m = โชติมาตรปรากฏ
M = โชติมาตรสัมบูรณ์
d = ระยะห่างระหว่างโลกกับซูเปอร์โนวา มีหน่วยเป็นพาร์เซก
ตัวอย่างที่ 1: นักดาราศาสตร์สังเกตซูเปอร์โนวาแบบที่ 1 เอ ในกระจุกกาแล็กซีแห่งหนึ่ง มีแสงส่องสว่างได้นาน 270 วัน และมีโชติมาตรปรากฎ +21.0 นักดาราศาสตร์มีบันทึกในประวัติฐานข้อมูลว่า ซูเปอร์โนวาทีี่มีสมบัติเช่นนี้ที่เคยพบมีโชติมาตรสัมบูรณ์ -19 ดังนั้นจึงนำค่าโชติมาตรทั้งสองมาแทนค่าในสูตรหาระยะทางของกระจุกกาแล็กซี ได้ดังนี้
m – M = 5 log d – 5
ดังนั้น
d = 10(m – M + 5)/5 พาร์เซก
= 10(21 – -19 + 5)/5 พาร์เซก
= 109 พาร์เซก
= 1,000 ล้านพาร์เซก
ด้วยการอาศัยหลักการสะท้อนแสง นักดาราศาสตร์สามารถใช้กล้องอีเอสโอวัดระยะทางของดาวแปรแสงชนิดซีฟิดได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยทำได้มาก่อน
ดาวฤกษ์แบบซีฟิด เป็นดาวแปรแสงที่มีสมบัติเฉพาะตัว นักดาราศาสตร์ใช้ดาวชนิดนี้เป็นเครื่องมือแทนไม้บรรทัดวัดระยะทางของดาวและดาราจักรมาเป็นเวลานานเกือบร้อยปีแล้ว
การวัดนี้กระทำด้วยกล้องโทรทรรศน์เอ็นทีทีของหอดูดาวยุโรปซีกโลกใต้หรืออีเอสโอ ที่ตั้งอยู่ที่ลาซียาในชิลี เป็นการวัดระยะทางของดาวชนิดซีฟิดที่แม่นยำที่สุดเท่าที่เคยทำมา เทคนิคนี้ต่างจากเทคนิคอื่นที่ต้องมีการตีความหลายทอด แต่วิธีใหม่ของอีเอสโอนี้ใช้หลักเรขาคณิตเพียงอย่างเดียว
นักดาราศาสตร์คณะนี้ได้ศึกษาดาวอาร์เอสท้ายเรือ (RS Pup) ซึ่งเป็นดาวชนิดซีฟิดที่อยู่ในกลุ่มดาวท้ายเรือ ดาวดวงนี้สว่างพอที่จะมองเห็นได้ด้วยกล้องสองตาธรรมดา ดาวอาร์เอสท้ายเรือแปรแสงให้ความสว่างต่างกันเกือบ 5 เท่าด้วยคาบ 41.4 วัน มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 10 เท่า และใหญ่กว่าราว 200 เท่า แผ่พลังงานความสว่างมากกว่า 15,000 เท่า
สิ่งที่พิเศษก็คือ ดาวอาร์เอสท้ายเรือ เป็นดาวชนิดซีฟิดเพียงดวงเดียวที่อยู่ในเนบิวลาขนาดใหญ่ซึ่งมีโครงสร้างเป็นฝุ่นละเอียดที่สะท้อนแสงบางส่วนจากดาวฤกษ์ เมื่อแสงจากดาวมีความสว่างเปลี่ยนแปลง ความสว่างของเนบิวลานี้ก็เปลี่ยนตามไปด้วย
แสงจากดาวต้องใช้เวลาช่วงหนึ่งจึงจะเดินทางไปถึงเนบิวลา แล้วจึงสะท้อนมายังโลกเข้าสู่กล้อง ดังนั้นแสงดาวที่สะท้อนเนบิวลามาจึงมาถึงโลกช้ากว่าแสงที่มาจากดาวโดยตรง เมื่อนำกราฟความสว่างจากวัตถุทั้งสองมาเปรียบเทียบกัน ก็จะพบว่ามีรูปแบบเหมือนกันกัน แต่เหลื่อมเวลากัน
เมื่อทราบระยะเวลาที่เหลื่อมกัน ก็ทราบทันทีว่าเนบิวลาและดาวอยู่ห่างกันเท่าใด เพราะแสงมีความเร็วคงที่ (300,000 กิโลเมตรต่อวินาที) และเมื่อทราบระยะทางจริงและระยะทางเชิงมุมแล้ว ก็ย่อมทราบระยะทางระหว่างโลกถึงดาวอาร์เอสท้ายเรือได้ด้วยหลักตรีโกณมิติธรรมดา
การสำรวจนี้พบว่า ดาวอาร์เอสท้ายเรืออยู่ห่างจากโลก 6,500 ปีแสง ผิดพลาดไม่เกิน 90 ปีแสง หรืออยู่ห่างจากโลกประมาณหนึ่งในสี่ของระยะทางจากโลกถึงใจกลางดาราจักรทางช้างเผือก ดาวดวงนี้อยู่ในระนาบของดาราจักรซึ่งเป็นบริเวณที่มีดาวอยู่อย่างหนาแน่น
“ความแม่นยำในการวัดระยะทางของดาวแปรแสงชนิดซีฟิดมีความสำคัญมากในการเทียบค่ามาตรฐานของความสัมพันธ์คาบ-สภาพส่องสว่างของดาวประเภทนี้” เคอร์เวลลากล่าว “ความสัมพันธ์นี้เป็นรากฐานของการวัดระยะทางของดาราจักรด้วยดาวแปรแสงซีฟิดเลยทีเดียว”
