ภาพถ่ายดาวเคราะห์นอกระบบ เบตา พิคทอริส ซี

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ก๊าซ Beta Pictoris c ดาวฤกษ์แม่ของมันมีอายุน้อยมากจึงยังมีดิสก์เศษซากฝุ่นล้อมรอบ นอกจากนี้ ยังมีดาวเคราะห์อีกดวง ในระบบแห่งนี้

ดาวเคราะห์นอกระบบเกือบทั้งหมดที่เรายืนยันการค้นพบได้จนถึงบัดนี้แทบไม่ได้ถูกพบเห็นโดยตรง เรายืนยันการมีอยู่ของพวกมันได้โดยวิธีทางอ้อม เช่น ผลกระทบที่พวกมันมีต่อดาวฤกษ์แม่ เป็นต้น แต่ขณะนี้ นักดาราศาสตร์ได้เผยภาพดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่งที่ถูกพบโดยวิธีอ้อมมาก่อนหน้าแล้ว

มันก็เป็นแค่เรื่องของความช่ำชองและเทคโนโลจีที่น่าประทับใจ การรวมวิธีการเหล่านี้ช่วยให้เรามีชุดเครื่องมือที่สุดยอดในการตรวจสอบดาวเคราะห์นอกระบบ เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบทั้งความสว่างและมวลของดาวเคราะห์นอกระบบ ซึ่งช่วยให้เรามีข้อพิสูจน์ใหม่ๆ ว่าดาวเคราะห์ก่อตัวได้อย่างไร

ดาวเคราะห์นอกระบบ Beta Pictoris c เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ดวงหนึ่งที่โคจรรอบดาวฤกษ์ Beta Pictoris ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 63 ปีแสงเท่านั้น มันเป็นดาวฤกษ์ที่สว่างมากและมีอายุน้อยมากที่ราว 23 ล้านปี ด้วยเหตุนี้ มันจึงยังมีดิสก์เศษซากฝุ่นล้อมรอบ และดาวเคราะห์นอกระบบของมันซึ่งยืนยันแล้วจนถึงบัดนี้ 2 ดวง ก็ยังเป็นเพียงทารก มีอายุเพียง 18.5 ล้านปีเท่านั้น Beta Pic c เป็นดาวเคราะห์ดวงที่สอง และถูกพบโดยวิธีการความเร็วแนวสายตา(radial velocity)

ดิสก์เศษซากฝุ่นรอบดาวฤกษ์ Beta Pictoris credit: rolfolsenastrophotography.com

ดาวฤกษ์ที่คุณเห็นไม่ได้อยู่นิ่งในขณะที่มีดาวเคราะห์โคจรรอบพวกมัน ในความเป็นจริง วัตถุทั้งสองจะโคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลร่วม ดังนั้น ถ้าคุณมองไปที่ดาวฤกษ์ดวงหนึ่งและเห็นว่ามันโคจรส่าย โดยแสงของมันจะยืดไปทางความยาวคลื่นสีแดง(redshifted) เมื่อมันเคลื่อนที่ออกห่าง และหดมาทางความยาวคลื่นสีฟ้า(blueshifted) เมื่อมันขยับเข้าใกล้มากขึ้น ก็มักจะหมายความว่ามันกำลังถูกดึงโดย

ดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่ง ยิ่งดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่ แรงโน้มถ่วงที่ส่งให้กับดาวฤกษ์แม่ก็ยิ่งรุนแรงมากขึ้น

Beta Pic b เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่มีขนาดถึง 13 เท่ามวลดาวพฤหัสฯ ถูกพบในปี 2008 ผ่านการถ่ายภาพโดยตรง(direct imaging) ดังนั้น จึงคาดหมายได้ว่า ดาวฤกษ์ก็น่าจะส่าย แต่ในขณะที่ศึกษาข้อมูลการสำรวจที่ได้ตลอด 16 ปีเพิ่มเติม Anne-Marie Lagrange นักดาราศาสตร์จากหอสังเกตการณ์เกรน๊อบ ในฝรั่งเศส และเพื่อนร่วมงาน ก็สังเกตเห็นการส่ายที่ไม่สอดคล้องกับ เบตา พิค บี ดูเหมือนว่าจะเกิดจากดาวเคราะห์นอกระบบดวงที่สองที่ยังไม่ถูกพบ ซึ่งในที่สุดก็ได้พบ Beta Pictoris c เมื่อปีที่แล้ว

ในกลุ่มความร่วมมือ ExoGRAVITY ซึ่งเป็นโครงการที่ใช้เครื่องมือ GRAVITY บนมาตรแทรกสอด(interferometer) ของ VLT เพื่อถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบโดยตรง เครื่องมือรวมแสงจากกล้อง VLT ทั้งสี่ตัว เครื่องมือซึ่งอยู่ในห้องทดลองใต้กล้องทั้งสี่ เป็นเครื่องมือที่แม่นยำมาก มันสำรวจแสงจากดาวฤกษ์แม่ด้วย VLT ทั้งสี่ในเวลาเดียวกัน และรวมการสำรวจเป็นกล้องโทรทรรศน์ตัวเดี่ยวที่มีรายละเอียดที่ต้องการในการเผยตัวตนของ Beta Pictoris c

ภาพถ่ายเหลื่อมเวลา แสดงดาวเคราะห์ Beta Pictoris b โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของมัน

ทีม ExoGRAVITY คิดว่า Beta Pictoris c น่าจะเป็นว่าที่ดาวเคราะห์นอกระบบที่เหมาะสมสำหรับการถ่ายภาพโดยตรง พวกเขาได้มองหาดาวเคราะห์นอกระบบที่มีข้อมูลความเร็วแนวสายตาที่ชัดเจน และเนื่องจากพี่น้องของ Beta Pictoris c ก็ถูกถ่ายภาพโดยตรงแล้ว ก็น่าจะถึงคราวมันบ้าง

มีดาวเคราะห์นอกระบบเพียงไม่กี่ดวงเท่านั้นที่ถูกถ่ายภาพโดยตรงด้วยเทคโนโลจีปัจจุบันของเรา พวกมันจะต้องอยู่ห่างไกลจากดาวฤกษ์แม่มากพอควร ไม่เช่นนั้นพวกมันก็จะถูกกลบหายไปในแสงจ้า วิธีการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบที่พึ่งพาได้มากที่สุดของเราที่มีใช้งานได้ดีที่สุดกับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้มาก และจะยิ่งมีประโยชน์ถ้าดาวเคราะห์มีอายุน้อย เนื่องจากดาวเคราะห์ลักษณะนี้จะยังคงอุ่นมาก

พอที่จะเปล่งคลื่นความร้อนออกมา

ด้วยเหตุผลดังกล่าวมานี้ Beta Pictoris c จึงเป็นตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบ ข้อมูลการส่ายตลอดหลายปีได้ให้รูปแบบการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ดวงนี้ ทีม ExoGRAVITY ซึ่งนำโดย Mathias Novak นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร ก็สามารถระบุตำแหน่งและถ่ายภาพของมันได้โดยตรง งานนี้ได้นำไปสู่ชุดข้อมูลของดาวเคราะห์ในแบบที่เราไม่เคยมีมาก่อน

การตรวจจับด้วย GRAVITY ได้โดยตรงก็เป็นไปได้ต่อเมื่อมีข้อมูลความเร็วแนวสายตางานใหม่ที่บอกถึงการเคลื่อนที่โคจรของ Beta Pictoris c ซึ่งนำเสนอในรายงานฉบับที่สอง ซึ่งช่วยให้ทีมได้ระบุและทำนายตำแหน่งที่คาดการณ์ของดาวเคราะห์ไว้ เพื่อที่ GRAVITY จะสามารถค้นหามันได้

ภาพชุดแสดงเรขาคณิตของระบบ Beta Pictoris ภาพซ้ายแสดงทั้งดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ทั้งสองที่ฝังตัวอยู่ในดิสก์ฝุ่นตามลักษณะการเรียงตัวเมื่อมองจากระบบสุริยะ ภาพนี้สร้างโดยใช้ข้อมูลจากการสำรวจจริง ภาพกลางเป็นภาพจากศิลปินแสดงระบบดิสก์/ดาวเคราะห์ ภาพขวาแสดงมิติของระบบเมื่อมองจากด้านบน และการสำรวจ Beta Pictoris b ก่อนหน้านี้(เพชรที่ส้มและวงกลมสีแดง) และการสำรวจ Beta Pictoris c โดยตรงครั้งใหม่(วงกลมสีเขียว) วงโคจรที่แน่นอนของ c ยังคงไม่แน่ชัด(พื้นที่สีขาว)

ข้อมูลจากความเร็วแนวสายตาที่ใช้เพื่อคำนวณมวลและวงโคจรดาวเคราะห์ ให้ค่าที่ราว 8.2 เท่ามวลดาวพฤหัสฯ และโคจรรอบดาวฤกษ์ที่ราว 2.7 เท่าหน่วยดาราศาสตร์(AU) โดยมีคาบการโคจร 3.4 ปี โดยรวมแล้ว ก็ปกติดี แต่ข้อมูลจากการถ่ายภาพโดยตรงได้เผยให้เห็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ โดย Beta Pic c สลัวอย่างน่าแปลกใจ โดยสลัวกว่าเพื่อนบ้านของมัน 6 เท่า แม้ว่าดาวเคราะห์ทั้งสองจะมีมวลที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งบอกได้ว่ามันจะต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่า ความสว่างของ Beta Pic c บอกว่าอุณหภูมิอยู่ที่ราว 1250 เคลวิน เทียบกับ 1724 เคลวินของ Beta Pic b

นี่อาจจะบอกเงื่อนงำว่าดาวเคราะห์นอกระบบก่อตัวอย่างไร ในแบบจำลอง อุณหภูมิของดาวเคราะห์นอกระบบทารกดวงหนึ่งๆ นั้นขึ้นอยู่กับวิธีการในการก่อตัวของมัน ในแบบจำลองการก่อตัวความไร้เสถียรภาพในดิสก์(disk instability) ส่วนหนึ่งของดิสก์ฝุ่นก๊าซที่ก่อตัวดาวเคราะห์ หมุนวนไปรอบๆ ดาวฤกษ์ที่เพิ่งเกิดใหม่ ได้ยุบตัวลงโดยตรงเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ ในแบบจำลองนี้ ดาวเคราะห์นอกระบบจะไม่มีแกนกลางของแข็ง และจะก่อตัวได้ร้อนกว่าและสว่างกว่า

ส่วนในแบบจำลองการสะสมแกนกลาง(core accretion) ก้อนหินในดิสก์ก่อตัวดาวเคราะห์ยึดเกาะเข้าด้วยกัน ในตอนแรกก็ผ่านไฟฟ้าสถิต ก่อตัวเป็นกองหินที่มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ จนสร้างดาวเคราะห์จากระดับเล็กไปใหญ่ ดาวเคราะห์นอกระบบที่ได้มีแกนกลางของแข็ง และก่อตัวเย็นตัวและมืดกว่า

เปรียบเทียบ แบบจำลองการก่อตัวดาวเคราะห์ ผ่านกระบวนการสะสมแกนกลาง(core accretion-ซ้าย) และ ความไร้เสถียรภาพแรงโน้มถ่วง(gravitational instability-ขวา)

เนื่องจาก เบตา พิค ซี มีขนาดเล็กกว่าและมืดกว่าที่คาดไว้ และเนื่องจากความไร้เสถียรภาพในดิสก์ต้องการดาวเคราะห์นอกระบบที่ก่อตัวขึ้นไกลจากดาวฤกษ์แม่มากกว่าตำแหน่งของ ซี ในปัจจุบัน ทีมจึงเชื่อว่าดาวเคราะห์นอกระบบดวงนี้ก่อตัวขึ้นผ่านกระบวนการการสะสมแกนกลาง

มันจึงเป็นผลสรุปที่น่ามหัศจรรย์แต่ก็ยังมีอะไรที่ต้องทำอีกมาก เรายังไม่ได้ประเมินมวลที่น่าเชื่อถือได้ของ Beta Pictoris b เลย ซึ่งมันอาจอยู่ระหว่าง 9 ถึง 13 เท่ามวลดาวพฤหัสฯ มันโคจรรอบดาวฤกษ์ที่ระยะทางไกลกว่า ซี(คาบการโคจร 28 ปี) ซึ่งหมายความว่า เรายังไม่มีข้อมูลการส่ายที่มากเพียงพอที่จะระบุมวลของมันได้ ยิ่งการระบุการก่อตัวของมันก็ยากขึ้น นอกจากนี้ สำหรับ ซี ก็ยังมีอะไรที่ต้องทำเพิ่มเติม ก้าวต่อไปจะเป็นการเก็บสเปคตรัมแสงที่เปล่งออกจากดาวเคราะห์ จากจุดนั้น นักวิทยาศาสตร์จะสามารถบอกองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ได้ ซึ่งเป็นเทคนิคหลักที่ใช้มองหาสัญญาณของชีวิตในแห่งหนอื่นในกาแลคซี งานวิจัยเผยแพร่เป็นรายงานสองฉบับใน Astronomy & Astrophysics

แหล่งข่าว sciencealert.com : scientists reveal first direct image of an exoplanet only 63 light-years away

phys.org : astronomers reveal first direct image of Beta Pictoris c using new astronomy instrument