ดาวเคราะห์ยักษ์ดวงแรกที่พบรอบดาวแคระขาว

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ยักษ์ที่โคจรอยู่ใกล้ดาวแคระขาวอย่างมาก จากพลวัตการโคจรทำให้ทราบว่าดาวเคราะห์ยักษ์ไม่น่าจะอยู่ในตำแหน่งนี้ได้ตลอดวิวัฒนาการของระบบ  

     ดาวเคราะห์ขนาดพอๆ กับดาวพฤหัสฯ ดวงหนึ่งกำลังโคจรรอบดาวแคระขาวดวงหนึ่งซึ่งมีขนาดเล็กกว่าตัวมันด้วยซ้ำ ได้ให้แง่มุมว่าระบบน่าจะมีสภาพเช่นไรเมื่อดาวฤกษ์แม่ตายลง

ในวิวัฒนาการดาวฤกษ์ทุกดวง จะมีช่วงเวลาที่ไฮโดรเจนในแกนกลางหมดลง วิกฤติวัยกลางคนที่เดือดดาลนี้ทำให้ดาวฤกษ์บวมอ้วนออกหลายร้อยจนถึงหลายพันเท่าของขนาดเดิมกลายเป็นดาวยักษ์แดง(red giant) รบกวนระบบดาวเคราะห์ท้องถิ่น กลืนพิภพวงในและเหวี่ยงพิภพวงนอกๆ ออกสู่ความเวิ้งว้างของห้วงอวกาศ เมื่อดวงอาทิตย์ของเราพองตัวกลายเป็นดาวยักษ์แดง และจากนั้นก็ยุบตัวกลายเป็นดาวแคระขาว ดาวพุธ, ศุกร์ และบางทีอาจรวมถึงโลกด้วยก็น่าจะถูกทำลาย การสำรวจระบบรอบดาวแคระขาวได้แสดงเศษซากที่ดาวที่ตายแล้วเหลือทิ้งไว้ เป็นทุ่งเศษซากเมื่อดาวเคราะห์ถูกฉีกออกเป็นชิ้นๆ ในพื้นที่ขนาดใหญ่

เส้นทางวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์ ซึ่งขณะนี้อยู่ในช่วงวัยกลางคน

แต่ขณะนี้ ผลสรุปใหม่จากกล้องโทรทรรศน์สปิตเซอร์และ TESS ได้แสดงให้เราเห็นว่า อย่างน้อยในบางระบบ การตายของดาวฤกษ์แม่ก็ไม่จำเป็นต้องเป็นการสิ้นสุดของระบบ และยังอาจทำให้เกิดการกำเนิดดาวเคราะห์รุ่นที่สองได้ ในวันที่ 16 กันยายน ทีมนักดาราศาสตร์ที่นำโดย Andrew Vanderburg จากมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน เมดิสัน ได้ประกาศใน Nature ฉบับวันที่ 17 กันยายนว่า พวกเขาได้ค้น

พบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกที่โคจรรอบดาวแคระขาวดวงหนึ่ง ในสภาพที่ยังไม่บุบสลาย เราไม่คาดคิดว่าจะได้พบดาวเคราะห์ที่มีสภาพดีครบถ้วน Vanderburg กล่าว เราคาดว่าจะได้พบดาวเคราะห์ที่ถูกทำลายมากกว่า ดาวเคราะห์ดวงนี้ดูเหมือนจะหาทางผ่านช่วงที่อันตรายที่สุดในวิวัฒนาการมาได้

ดาวเคราะห์ WD 1856b อยู่ห่างจากโลกออกไป 80 ปีแสงในกลุ่มดาวมังกร(Draco) มันมีขนาดใหญ่กว่าดาวแม่ 7 เท่า และโคจรใกล้มากๆ จนมันผ่านหน้าดาวแคระขาวซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลางราว 18,000

กิโลเมตรทุกๆ 34 ชั่วโมง ซึ่งมีมวลราวครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์และอาจมีอายุเก่าแก่ถึง 1 หมื่นล้านปี และเป็นสมาชิกที่อยู่ไกลๆ ของระบบไตรดาราแห่งหนึ่งซึ่งประกอบด้วยดาวฤกษ์ชนิดแคระแดงสองดวง

คือ G229-20A และ B

ระบบรอบ WD 1856 เปรียบเทียบกับระบบสุริยะของเรา

Vanderburg และเพื่อนร่วมงานพบดาวเคราะห์โดยใช้ TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) ซึ่งตามล่าหาพิภพต่างด้าวโดยการจับตาดูการหรี่แสงลงเล็กน้อยซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวเคราะห์ผ่านหน้าดาวฤกษ์จากมุมมองของยาน จากนั้นทีมก็ศึกษาระบบแห่งนี้ในช่วงอินฟราเรดโดยใช้สปิตเซอร์ ข้อมูลได้แสดงว่าว่าที่ดาวเคราะห์ไม่ได้เปล่งอินฟราเรดใดๆ ซึ่งบอกว่า วัตถุนี้เป็นดาวเคราะห์ไม่ใช่ดาวฤกษ์มวลต่ำ หรือดาวแคระน้ำตาล(brown dwarf) ซึ่งเป็นวัตถุที่อยู่ในเขตที่ขุ่นเลือน

ระหว่างดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์

เราทราบมานานแล้วว่าหลังจากดาวแคระขาวก่อตัวขึ้น วัตถุขนาดเล็กที่อยู่ห่างไกลอย่างเช่น ดาวเคราะห์น้อยและดาวหางจะถูกดึงเข้าหาดาว ซึ่งโดยปกติจะถูกฉีกออกโดยแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงของดาวแคระขาวและกลายเป็นดิสก์เศษซาก Siyi Xu ผู้เขียนร่วมการศึกษา นักดาราศาสตร์จากหอสังเกตการณ์นานาชาติเจมิไนในฮาวาย กล่าว นั้นจึงเป็นเหตุผลที่ผมตื่นเต้นมากๆ เมื่อ Andrew เล่าเกี่ยวกับระบบแห่งนี้ เราได้เห็นร่องรอยว่าดาวเคราะห์ก็อาจจะถูกดึงเข้าข้างในด้วย แต่นี่เป็นครั้งแรกที่พบดาวเคราะห์ที่อยู่ในสภาพเดิมๆ

แต่ว่าดาวเคราะห์หนีจากความอลหม่านในการตายของดาวฤกษ์แม่อย่างไร้รอยขีดข่วนได้อย่างไร? และการศึกษาพิภพลักษณะนี้จะช่วยขยายแขนงงานวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบอย่างไร Vanderburg และเพื่อนร่วมงานประเมินว่าดาวเคราะห์จะต้องมีกำเนิดไกลจากที่มันอยู่ในปัจจุบันอย่างน้อย 50 เท่า ค่อยๆ หมุนเข้ามาหยุดที่หน้าประตูดาวฤกษ์แม่และจากนั้นก็อยู่ในตำแหน่งปลอดภัยที่เสถียร

ภาพจากศิลปินทุ่งเศษซากที่มักพบรอบดาวแคระขาว

ยังคงไม่แน่ชัดว่าอะไรที่ผลัก WD 1856b ให้เข้ามา ความเป็นไปได้รวมถึง แรงดึงจากดาวฤกษ์อีกสองดวงในระบบ WD 1856 และปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นในเวลาสั้นๆ กับดาวฤกษ์เร่ร่อนดวงหนึ่ง สมาชิกทีมเขียนไว้ในการศึกษา แต่กรณีที่เป็นไปได้มากที่สุดเกี่ยวข้องกับวัตถุขนาดพอๆ กับดาวพฤหัสฯ อีกหลายดวงที่อยู่ใกล้วงโคจรเดิมของ WD 1856b อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของวัตถุที่ใหญ่ขนาดนั้นช่วยให้เกิดความไร้เสถียรภาพที่คุณจะใช้ผลักดาวเคราะห์เข้ามาข้างในได้อย่างง่ายดาย แต่ ณ จุดนี้ เรายังมีแค่ทฤษฎีมากกว่าข้อมูล

เราทราบว่าดาวเคราะห์อพยพเข้ามาในบางช่วง ก็จากดาวเคราะห์ชนิด พฤหัสร้อน(hot Jupiters) Thea Kozakis จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งเดนมาร์ก สมาชิกทีม

การศึกษาข้างเคียงที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 20 กันยายน กล่าว เมื่อเราได้พบพิภพเหล่านี้เป็นครั้งแรก เราไม่คิดเลยว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร เนื่องจากดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ไม่สามารถก่อตัวขึ้นใกล้กับดาวฤกษ์แม่ได้ขนาดนี้ เมื่อเวลาผ่านไป เราก็ตระหนักว่าพวกมันก่อตัวขึ้นไกลออกไป และจากนั้นก็เคลื่อนที่เข้ามา

WD 1856b อาจจะเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ และถ้าพิภพยักษ์นี้สามารถอยู่รอดจากการเดินทางอันยาวไกลจากที่ขอบนอกของระบบได้ แล้วจะมีเหตุผลใดว่าพิภพที่คล้ายโลกจะทำสิ่งเดียวกันนี้ไม่ได้ ซึ่งเป็นเป้าหมายของรายงานข้างเคียงที่เรียกว่า The White Dwarf Opportunity ซึ่งมี Vanderburg ด้วย นำทีมโดย Lisa Kaltenegger และ Ryan MacDonald จากมหาวิทยาลัยคอร์เนล ทั้งคู่

ภาพจากศิลปินแสดงลำดับเหตุการณ์ที่เป็นไปได้ในระบบรอบ WD 1856

การศึกษาได้ประเมินว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์น่าจะเก็บข้อมูลองค์ประกอบอย่าง คาร์บอนไดออกไซด์ และออกซิเจน ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกที่โคจรรอบดาวแคระขาวได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีกำหนดส่งในเดือนตุลาคม 2021 ซึ่งเกิดขึ้นได้ก็เพราะดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับดาวแคระขาว ซึ่งทำให้เห็นชั้นบรรยากาศของพวกมันได้ง่ายดายขึ้นมาก นอกจากนี้ วงโคจรในระยะประชิดยังทำให้ช่วงเวลาการผ่านหน้าเกิดขึ้นสั้น ก็สามารถสำรวจการผ่านหน้าได้หลายครั้งในเวลาที่สั้นมากๆ ในความเป็นจริง นักวิจัยบอกว่าแค่การผ่านหน้า 5 รอบก็พบสัญญาณก๊าซเหล่านั้นแล้ว และที่น่าประทับมากขึ้นก็คือ เวบบ์สามารถตรวจจับการผสมของก๊าซที่อาจบ่งชี้ถึงกิจกรรมทางชีววิทยาบนพิภพดังกล่าวในเพียง 25 รอบการผ่านหน้าเท่านั้น

รายงานของเราเป็นฉบับแรกที่ศึกษาความสามารถในการตรวจจับโมเลกุลในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ของดาวแคระขาวได้ตั้งแต่ต้นจนหมด MacDonald กล่าว เราหวังว่ามันจะช่วยกระตุ้นให้มีกิจกรรมในการสำรวจหาดาวเคราะห์หินรอบดาวแคระขาวมากขึ้น

ดาวแคระขาวนั้นร้อนสุดขั้วเมื่อก่อตัวขึ้นมาในทีแรกในระดับประมาณ 1 แสนเคลวิน พวกมันจะค่อยๆ เย็นตัวลงอย่างช้าๆ เปล่งความร้อนที่หลงเหลือจากการก่อตัวออกมา แต่จะเป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีพิภพหินที่มีชีวิตในสถานที่แบบนี้ ในทางทฤษฎี เศษซากที่เหลือจากเนบิวลาดาวเคราะห์ของดาวยักษ์แดง น่าจะเป็นเมล็ดพันธุ์ให้กับดาวเคราะห์หินรุ่นที่สองได้

อย่างไรก็ตาม มีดาวแคระขาวประมาณครึ่งหนึ่งที่แสดงร่องรอยของธาตุหนักใกล้กับพื้นผิวของพวกมัน เป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า สิ่งปนเปื้อนหรือมลพิษ(pollution) ซึ่งอาจเกิดจากแรงโน้มถ่วงที่เหลือจากการก่อตัวของมัน เมื่อดาวเคราะห์วงในถูกทำลายในสถานะยักษ์แดง มันจะรบกวนเพื่อนบ้านทั้งปวง ส่งวัตถุหินเข้าหาดาวแม่ ทำให้สิ่งอื่นๆ หลุดออกจากระบบโดยสิ้นเชิง และในกรณีที่พบได้ยาก ก็ขยับดาวเคราะห์เข้าสู่วงโคจรที่ใกล้ขึ้น

ชะตากรรมโดยคร่าวๆ ของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะในช่วงต่างๆ ของวิวัฒนาการดวงอาทิตย์

ในขณะที่ระบบรอบดาวแคระขาวที่ปนเปื้อนนั้น น่าจะวุ่นวายเกินกว่าที่วัตถุหินจะก่อตัวขึ้นเป็นพิภพที่เอื้ออาศัยได้ แต่ดาวแคระขาว WD 1856 ก็ดูเหมือนจะไม่ถูกปนเปื้อน และ MacDonald บอกว่าวัตถุหินในทางทฤษฎีนั้นมีกำเนิดที่ชายขอบของระบบแห่งนี้ ซึ่งโชคดีที่อยู่รอดจากวิวัฒนาการของดาวฤกษ์แม่ และต่อมาก็ย้ายวงโคจร ดาวเคราะห์หินในเขตเอื้ออาศัยได้(habitable zone) รอบดาวแคระขาวซึ่งเป็นระยะทางที่อาจจะมีน้ำบนพื้นผิว ก็น่าจะเอื้ออาศัยต่อชีวิตได้นานกว่าโลกถึงสองเท่าด้วย เคล็ดลับก็คือพิภพลักษณะนั้นจะต้องโคจรใกล้กับดาวแคระขาวอย่างมาก อย่างน้อยที่ 0.01 AU หรือใกล้กว่าดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ประมาณ 40 เท่า สมมุติว่าดาวเคราะห์หินดวงหนึ่งสามารถหาวงโคจรที่เสถียรที่ระยะทางดังกล่าวนั้นได้ มันก็น่าจะมีเวลามากพอที่ชีวิตจะอุบัติขึ้น

ความเป็นไปได้ทางหนึ่งสำหรับ(ดาวเคราะห์) รุ่นสองก็น่าจะเป็นชั้นบรรยากาศตติยภูมิ ซึ่งก่อตัวขึ้นหลังจากการย้ายเข้าสู่เขตเอื้ออาศัยได้ ผ่านการกลายเป็นก๊าซของสารระเหยจากภายในดาวเคราะห์เอง Mac Donald กล่าว

 

ในทางทฤษฎี การรบกวนคล้ายๆ กันนี้ก็น่าจะเกิดขึ้นภายในระบบสุริยะของเรา หลังจากดวงอาทิตย์ตายลง ดาวพฤหัสฯ ก็น่าจะขยับเข้าสู่วงโคจรส่วนในและกลายเป็น พฤหัสร้อน Juliette Becker จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) ซึ่งเป็นหนึ่งในนักวิจัยในรายงานการค้นพบ กล่าวว่า ก๊าซยักษ์น่าจะมีชีวิตที่แตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิงเมื่อดาวแม่ของเราตายลง ดังนั้นจึงไม่มีเหตุผลใดๆ ที่จะไม่เกิดสิ่งเดียวกันนี้กับดาวเคราะห์ขนาดเล็ก(ที่อยู่ไกลเช่นกัน) ด้วย

เขตเอื้ออาศัยได้(habitable zone) รอบดวงอาทิตย์ เทียบกับ ดาวแคระขาว

ลำดับเหตุการณ์นี้อาจจะขยายไปถึงดวงจันทร์ของดาวเคราะห์ยักษ์ด้วย ไททัน(Titan), ยูโรปา (Europa), เอนเซลาดัส(Enceladus) หรือวัตถุขนาดพอๆ กับดาวเคราะห์และวัตถุกำเนิดดาวเคราะห์ (planetesimals) อื่นๆ อีกนับร้อยที่ชายขอบของระบบสุริยะ ก็น่าจะอยู่รอดผ่านช่วงที่ดวงอาทิตย์พองตัวเป็นดาวยักษ์แดง, อพยพเข้าสู่เขตเอื้ออาศัยได้ และพัฒนากลายเป็นพิภพที่มีชีวิตอาศัย

Becker กล่าวว่า ผู้คนคิดว่าเมื่อดวงอาทิตย์ตายลง ก็เป็นการสิ้นสุดระบบสุริยะ แต่สิ่งที่การค้นพบนี้แสดงก็คือไม่ใช่แบบนั้น ในความเป็นจริง คุณสามารถสร้างระบบดาวเคราะห์ใหม่ที่แตกต่างโดยสิ้นเชิงรอบๆ สิ่งที่ดาวแคระขาวเหลือทิ้งไว้ให้ได้

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : giant planet found around a white dwarf

space.com : big find! Scientists spot giant alien planet orbiting close to dead star’s corpse

spaceref.com : the first possible planet hugging a white dwarf star