ดาวเคราะห์พเนจรดวงน้อยในทางช้างเผือก

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์พเนจร(rogue planet) หรือดาวเคราะห์ที่ล่องลอยเป็นอิสระ(free-floating planet) โดยปราศจากดาวฤกษ์แม่ ที่พบใหม่ในทางช้างเผือก ผ่านวิธีการเลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค

     กาแลคซีของเราอาจจะเต็มไปด้วยดาวเคราะห์พเนจร(rogue planets) ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่ไม่ได้ยึดเกาะด้วยแรงโน้มถ่วงกับดาวฤกษ์ใดเลย ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยนักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์ ได้ประกาศการค้นพบดาวเคราะห์ที่ล่องลอยอย่างเป็นอิสระขนาดพอๆ กับโลกที่ดวงเล็กที่สุดเท่าที่เคยพบมา

     ในบรรดาดาวเคราะห์นอกระบบมากกว่า 4 พันดวงที่ได้พบจนถึงบัดนี้ แม้ว่าดาวเคราะห์นอกระบบที่พบหลายๆ ดวงจะไม่เหมือนกับดาวเคราะห์ในระบบของเรา แต่ก็ยังมีจุดร่วมอย่างหนึ่งก็คือ พวกมันทั้งหมดโคจรรอบดาวฤกษ์ อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีการก่อตัวและวิวัฒนาการดาวเคราะห์ได้ทำนายการมีอยู่ของดาวเคราะห์ที่ล่องลอยพเนจรอย่างเป็นอิสระ โดยไม่ได้ยึดโยงด้วยแรงโน้มถ่วงกับดาวฤกษ์ใดๆ เลย

      แท้ที่จริงแล้วเมื่อไม่กี่ปีก่อนนี้เอง นักดาราศาสตร์ชาวโปแลนด์จากทีม OGLE(Optical Gravitational Lensing Experiment) จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยวอร์ซอว์ ได้พบหลักฐานแรกที่แสดงการมีอยู่ของดาวเคราะห์ดังกล่าวในทางช้างเผือกของเรา และนักดาราศาสตร์ OGLE ได้ประกาศการค้นพบดาวเคราะห์พเนจรที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่เคยพบมาใน Astrophysical Journal Letters

     ยากที่จะสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบได้โดยตรง โดยปกติ นักดาราศาสตร์จะพบดาวเคราะห์ได้ผ่านการสำรวจแสงของดาวฤกษ์แม่ของดาวเคราะห์ ยกตัวอย่างเช่น ถ้ามีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งโคจรผ่านหน้า(transit) ดาวฤกษ์แม่ของมัน ความสว่างของดาวฤกษ์ที่สำรวจได้ก็จะลดลงจำนวนเล็กน้อยอย่างเป็นคาบเวลา นักดาราศาสตร์ยังสามารถตรวจสอบการเคลื่อนที่ขยับไปมาของดาวฤกษ์อันเนื่องจากดาวเคราะห์ได้ด้วย

วิธีการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบแบบต่างๆ ที่ใช้ ซึ่งมีข้อดีข้อด้อยที่แตกต่างกัน 

     ดาวเคราะห์ที่ล่องลอยอย่างเป็นอิสระนั้นไม่เปล่งรังสีใดๆ ให้เห็นเลย โดยนิยามแล้ว พวกมันไม่ได้โคจรรอบดาวฤกษ์ใดๆ ดังนั้นจึงไม่สามารถตรวจจับได้โดยการใช้วิธีการตรวจสอบทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์แบบที่คุ้นเคย อย่างไรก็ตาม สามารถตรวจจับดาวเคราะห์พเนจรได้โดยใช้ปรากฏการณ์ประหลาดในทางดาราศาสตร์อย่างหนึ่งที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค(gravitational microlensing) เลนส์แบบจุลภาคเป็นผลที่เกิดจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ เมื่อวัตถุมวลสูง(ทำหน้าที่เป็นเลนส์) อาจจะบิดเบนแสงจากวัตถุพื้นหลังที่สว่าง(แหล่งแสง) แรงโน้มถ่วงของเลนส์ทำหน้าที่เป็นแว่นขยายขนาดใหญ่ซึ่งจะบิดเบนและขยายแสงจากดาวฤกษ์ที่ห่างไกล

     Przemek Mroz นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) และผู้เขียนนำการศึกษา กล่าวว่า ถ้าวัตถุมวลสูง(ดาวฤกษ์หรือดาวเคราะห์) ผ่านระหว่างผู้สังเกตการณ์บนโลก กับแหล่งแสงที่อยู่ห่างไกล แรงโน้มถ่วงของมันก็อาจจะเลี้ยวเบนและรวมแสงจากแหล่งแสง ผู้สังเกตการณ์จะตรวจสอบความสว่างของแหล่งที่เพิ่มขึ้นเป็นเวลาสั้นๆ โอกาสในการสำรวจเลนส์แบบจุลภาคนั้นมีน้อยมากๆ เนื่องจากวัตถุทั้งสามคือ แหล่งแสง, เลนส์ และผู้สังเกตการณ์ จะต้องเรียงตัวอย่างพอดิบพอดี ถ้าเราสำรวจแหล่งแสงจากดาวเพียงแหล่งเดียว เราก็น่าจะต้องรอเกือบหนึ่งล้านปีเพื่อที่จะเห็นว่าแหล่งแสงเกิดเลนส์แบบจุลภาคขึ้น

      นี่จึงเป็นเหตุผลว่าเพราะเหตุใดการสำรวจในยุคใหม่ที่ตามล่าเหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาคจึงจับตาดูดาวฤกษ์หลายร้อยล้านดวงในใจกลางทางช้างเผือก ซึ่งมีโอกาสที่จะเกิดเลนส์แบบจุลภาคได้สูงที่สุด การสำรวจ OGLE ซึ่งนำโดยนักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวอร์ซอว์ก็ทำการทดลองลักษณะนี้ OGLE เป็นการสำรวจท้องฟ้าที่ยาวนานที่สุดและมีขนาดใหญ่ที่สุดโครงการหนึ่ง โดยเริ่มดำเนินงานมาตั้งแต่เมื่อ 28 ปีก่อน ในตอนนี้ นักดาราศาสตร์ OGLE ใช้กล้องโทรทรรศน์วอร์ซอว์ขนาด 1.3 เมตร ที่หอสังเกตการณ์ลาสกัมปานาส ในชิลี ในแต่ละคืนที่ท้องฟ้าปลอดโปร่ง พวกเขาจะหันกล้องไปที่พื้นที่ใจกลางกาแลคซี และสำรวจดาวฤกษ์หลายร้อยล้านดวง เพื่อสำรวจหาดวงใดก็ตามที่มีการเปลี่ยนแปลงความสว่าง

การตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบโดยวิธีการเลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค เมื่อดาวฤกษ์ที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ มีดาวเคราะห์โคจรรอบ ดาวเคราะห์เองก็จะทำหน้าที่เลนส์ทุติยภูมิด้วย ซึ่งจะปรากฏในกราฟแสงของเหตุการณ์

     เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาคไม่ได้ขึ้นอยู่กับความสว่างของตัวเลนส์ ดังนั้นมันจึงช่วยให้ศึกษาวัตถุที่สลัวหรือมืดอย่างดาวเคราะห์ได้ ช่วงเวลาที่เกิดเลนส์จุลภาคขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุเลนส์เอง ยิ่งเลนส์มีมวลต่ำ ก็เกิดปรากฏการณ์เลนส์ด้วยเวลาที่สั้นตามไปด้วย เหตุการณ์ที่สำรวจพบเกือบทั้งหมดมักจะยาวนานหลายวันซึ่งมีสาเหตุจากดาวฤกษ์ แต่เลนส์แบบจุลภาคที่มาจากดาวเคราะห์พเนจรมักจะยาวนานเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น ด้วยการตรวจสอบช่วงเวลาการเกิดเลนส์แบบจุลภาคเหตุการณ์หนึ่ง(และรูปร่างของกราฟแสง) เราก็สามารถประเมินมวลของวัตถุที่เป็นเลนส์ได้

     นักวิทยาศาสตร์ได้ประกาศการค้นพบเหตุการณ์เลนส์แบบจุลภาคที่เกิดด้วยเวลาสั้นที่สุดเท่าที่เคยพบมา เรียกว่า OGLE-2016-BLG-1928 ซึ่งเกิดนานเพียง 42 นาทีเท่านั้น Radoslaw Poleski จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยวอร์ซอว์ ผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าวว่า เมื่อเราได้เห็นเหตุการณ์นี้ครั้งแรก มันก็ชัดเจนว่ามันจะต้องเกิดขึ้นจากวัตถุที่มีขนาดเล็กมากๆ

     แท้ที่จริงแล้ว แบบจำลองเหตุการณ์บ่งชี้ว่าวัตถุที่เป็นเลนส์จะต้องมีมวลต่ำกว่าโลกเล็กน้อย ซึ่งอาจมีมวลถึงระดับดาวอังคาร ยิ่งกว่านั้น เลนส์ยังน่าจะเป็นดาวเคราะห์พเนจรดวงหนึ่ง ถ้าวัตถุเลนส์กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง เราก็น่าจะตรวจจับการมีอยู่ของมันได้จากกราฟแสงของเหตุการณ์ Poleski กล่าว เราสามารถตัดความเป็นไปได้ที่ดาวเคราะห์จะมีดาวฤกษ์อยู่ภายในระยะทาง 8 เท่าระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์(au) ได้

      เนื่องจากระยะเวลาอันสั้นของเหตุการณ์ จึงต้องใช้การสำรวจเพิ่มเติมที่รวบรวมโดย KMTNet(Korea Microlensing Telescope Network) เพื่อแจกแจงเหตุการณ์ KMTNet ดำเนินงานเครือข่ายที่ประกอบด้วยกล้องโทรทรรศน์สามตัวในชิลี, ออสเตรเลีย และอาฟริกาใต้

ลักษณะกราฟแสงของเลนส์แบบจุลภาค จะระบุคุณลักษณะของวัตถุที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ ในกรณีดาวเคราะห์พเนจร กราฟแสงที่ได้จะเป็นแบบ d

     นักดาราศาสตร์ OGLE ได้เคยให้หลักฐานแรกของการมีอยู่ของดาวเคราะห์พเนจรในทางช้างเผือกเมื่อไม่กี่ปีก่อน อย่างไรก็ตาม ดาวเคราะห์ที่เพิ่งพบใหม่เป็นพิภพพเนจรที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่เคยพบมา การสำรวจของเราได้แสดงว่าดาวเคราะห์ที่ล่องลอยเป็นอิสระและมวลต่ำ อาจถูกตรวจจับและแจกแจงคุณลักษณะได้โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน Andrzej Udalski ผู้นำโครงการ OGLE กล่าว

     นักดาราศาสตร์สงสัยว่าดาวเคราะห์ที่ล่องลอยเป็นอิสระนี้แท้ที่จริงแล้วก่อตัวขึ้นในดิสก์กำเนิดดาวเคราะห์(protoplanetary disk) รอบดาวฤกษ์เหมือนอย่างดาวเคราะห์ปกติ และพวกมันก็ถูกผลักออกจากระบบดาวเคราะห์บ้านเกิดหลังจากมีปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับวัตถุอื่นๆ ยกตัวอย่างเช่น กับดาวเคราะห์อื่นในระบบ ทฤษฎีการก่อตัวดาวเคราะห์ได้ทำนายไว้ว่าดาวเคราะห์ที่ถูกผลักออกมาโดยปกติควรมีขนาดเล็กกว่าโลก ดังนั้น การศึกษาดาวเคราะห์พเนจรจึงช่วยให้เราได้เข้าใจอดีตอันปั่นป่วนของระบบดาวเคราะห์อายุน้อย อย่างเช่นระบบสุริยะของเรา

     แล้วโลกมีโอกาสที่จะพบกับวัตถุพเนจรหรือไม่ นี่ก็ไม่ใช่เรื่องที่เป็นไปไม่ได้ เพิ่งจะเมื่อไม่กี่ปีที่แล้วที่เราได้พบดาวเคราะห์น้อยพเนจรอย่าง โอมูอามูอา(Oumuamua) หรือดาวหางพเนจรอย่าง โบริซอฟ(Borisov) วิ่งผ่านเข้ามาในระบบสุริยะของเรา แม้แทบจะเป็นไปได้น้อยที่จะมีดาวเคราะห์พเนจรสักดวงผ่านเข้ามาใกล้เราขนาดนั้น แต่ก็ไม่ใช่ว่าปิดประตูโอกาสได้ โลกเองก็ยึดเกาะกับดวงอาทิตย์มานาน แต่วันหนึ่งในอีกราว 4 พันล้านปีข้างหน้า โลกก็อาจจะต้องไปล่องลอยอย่างเป็นอิสระ เมื่อดวงอาทิตย์มีอายุมากขึ้น, พองตัวขึ้นและเป่ามวลสารกว่าครึ่งออกสู่อวกาศ โลกก็อาจจะถูกกลืนกินจากการพองตัว หรือถูกเหวี่ยงออกไปไกล แต่ก็คงไม่น่าจะหนีหลุดจากแรงโน้มถ่วงได้ ดังนั้นเมื่อดวงอาทิตย์ตายลงกลายเป็นดาวแคระขาว(white dwarf) โลกก็จะพบชะตากรรมไม่ต่างจากพิภพที่หนาวเย็นเยือกเหล่านั้น แม้ไม่ได้อยู่เพียงลำพังแต่ก็ไกลจากวงโคจรที่เคยอบอุ่นและสว่างไสวของดาวฤกษ์แม่

     การสำรวจหาพิภพที่ล่องลอยเป็นอิสระเป็นหนึ่งในตัวขับเคลื่อนหลักทางวิทยาศาสตร์ของกล้องโทรทรรศน์อวกาศโรมัน(Nancy Grace Roman Space Telescope) ซึ่งกำลังสร้างที่นาซา หอสังเกตการณ์มีกำหนดเริ่มทำงานในช่วงกลางทศวรรษ 2020

 

แหล่งข่าว phys.org : an Earth-sized rogue planet discovered in the Milky Way
                space.com : tiny rogue planet is the smallest free-floating exoplanet candidate yet
                phys.org – rogue planets: hunting the galaxy’s most mysterious worlds