สำรวจการลุกจ้าของดาวแคระแดง

      งานวิจัยใหม่จากมหาวิทยาลัยนอร์ธคาโรไลนา ที่ชาเพลฮิลล์ จะช่วยนักดาราศาสตร์ชีววิทยาให้เข้าใจว่าดาวเคราะห์จะต้องพบกับปริมาณรังสีมากแค่ไหนในระหว่างที่เกิดการลุกจ้าครั้งใหญ่ และน่าจะมีชีวิตอยู่บนพิภพนอกระบบสุริยะของเราหรือไม่

     ดวงอาทิตย์ของเราจัดได้ว่าค่อนข้างเงียบสงบ แม้จะมีการลุกจ้าของดวงอาทิตย์(solar flare) และการผลักมวลจากชั้นโคโรนา(coronal mass ejection) เกิดขึ้นบ้าง แต่ดวงอาทิตย์ก็ยังมีการลุกจ้าที่ค่อนข้างเบาเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์บางชนิด ดาวบางดวงมีการลุกจ้าพิเศษ(super flares) เป็นการปะทุพลังงานที่ใหญ่กว่าการลุกจ้าของดวงอาทิตย์ครั้งรุนแรงที่สุดตั้งแต่ 10 ถึง 1000 เท่า

ภาพจากศิลปินแสดงการลุกจ้าพิเศษ(superflare) เหตุการณ์หนึ่งที่ดาวฤกษ์ไกลโพ้นดวงหนึ่งปะทุออกมา

     เมื่อเกิดการลุกจ้า ดาวจะสว่างขึ้นอย่างฉับพลันและทำนายไม่ได้ ซึ่งเป็นผลจากพลังงานแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศดาวฤกษ์ ความสว่างนี้เห็นในตลอดช่วงความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึงรังสีอุลตราไวโอเลต ซึ่งมาอาบดาวเคราะห์ในปริมาณที่สูงพอที่จะทำลายโอกาสของชีวิตที่อยู่อาศัยที่นั้นไป และยังฉีกชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่โคจรค่อนข้างใกล้ออกไป เรื่องราวเหล่านี้มีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับพิภพที่โคจรรอบดาวแคระแดง(red dwarfs) ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ขนาดเล็กและมืดที่มีอยู่ถึง 75% ของประชากรดาวทั้งหมดในทางช้างเผือก และยังเป็นระบบที่พบดาวเคราะห์ได้บ่อยที่สุด

      ดาวฤกษ์แคระแดงหรือแคระชนิดเอ็ม(M dwarfs) นั้นมีกิจกรรมถี่กว่าดาวฤกษ์ขนาดใหญ่กว่าอย่างดวงอาทิตย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันมีอายุน้อย และเนื่องจากแคระแดงแต่ละดวงมืดมาก เขตเอื้ออาศัยได้(habitable zone) ซึ่งเป็นช่วงระยะทางการโคจรที่จะมีน้ำของเหลวคงอยู่เสถียรบนพื้นผิวดาวเคราะห์หินได้ นั้นจึงอยู่ใกล้กว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับกรณีดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์  

     นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอร์ธคาโรไลนา ที่ชาเพลฮิลล์ ได้ตรวจสอบอุณหภูมิของการลุกจ้าพิเศษในแคระแดงกลุ่มใหญ่ และยังมีการเปล่งคลื่นอุลตราไวโอเลตที่น่าจะเป็นการลุกจ้าด้วย การค้นพบซึ่งเผยแพร่ใน Astrophysical Journal วันที่ 5 ตุลาคม จะช่วยให้นักวิจัยได้ตั้งขีดจำกัดความสามารถในการเอื้ออาศัยได้(habitability) ของดาวเคราะห์ที่เป็นเป้าหมายในปฏิบัติการตามล่าดาวเคราะห์ที่กำลังจะออกสำรวจ

     เราพบว่าดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์(แคระแดง-ผู้แปล) อายุน้อย อาจจะพบกับรังสียูวีในระดับที่ยับยั้งชีวิตได้ แม้ว่าอาจจะมีจุลชีพบางชนิดที่อยู่รอดได้ก็ตาม Ward S. Howard ผู้เขียนนำการศึกษา นักศึกษาปริญญาเอกที่แผนกฟิสิกส์และดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยนอร์ธคาโรไลนา(UNC) ที่ชาเพลฮิลล์ กล่าว Howard และเพื่อนร่วมงานที่ UNC ตรวจสอบอุณหภูมิจากการลุกจ้าพิเศษ 42 ครั้งจากแคระแดง 27 ดวง โดยใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์เอฟรี่สโคปของ UNC-ชาเพลฮิลล์เองที่หอสังเกตการณ์เซร์โรโตโลโล อินเตอร์-อเมริกัน ในชิลี และปฏิบัติการ TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) ของนาซา เพื่อสำรวจการลุกจ้าพิเศษกลุ่มใหญ่ที่สุดไปพร้อมๆ กัน

superflare ของพรอกซิมา เซนทอไร(Proxima Centauri) ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด และเป็นดาวฤกษ์ชนิดแคระแดง การลุกจ้าพิเศษที่เกิดขึ้นสามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่า 

     งานวิจัยของทีมยังได้ขยายจากงานศึกษาก่อนหน้านี้ซึ่งมุ่งเป้าส่วนใหญ่ไปที่อุณหภูมิและการแผ่รังสีจากการลุกจ้าจากการลุกจ้าพิเศษเพียงจำนวนหนึ่ง จากดาวฤกษ์เพียงไม่กี่ดวง ในงานวิจัยที่ขยายออกไป ทีมได้พบความสัมพันธ์ในทางสถิติระหว่างขนาดของการลุกจ้าพิเศษ กับอุณหภูมิของมัน อุณหภูมิมีความสัมพันธ์อย่างแนบแน่นกับปริมาณการแผ่รังสียูวีที่น่าจะกระทบถึงชีวิตบนพื้นผิวดาวเคราะห์

     การลุกจ้าพิเศษมักจะแผ่รังสียูวีเกือบทั้งหมดออกมาในช่วงพีคที่นานตั้งแต่ 5 ถึง 15 นาที การสำรวจเอฟรีสโคปและ TESS พร้อมกันจะทำเป็นเวลา 2 นาที เพื่อให้แน่ใจว่าการตรวจสอบต่างๆ เกิดขึ้นในระหว่างช่วงพีคของการลุกจ้าพิเศษแต่ละครั้ง นี่เป็นครั้งแรกที่มีการศึกษาอุณหภูมิการลุกจ้าพิเศษกลุ่มใหญ่อย่างนี้ ความถี่ของการสำรวจช่วยให้ทีมได้พบปริมาณเวลาที่การลุกจ้าพิเศษสามารถทำให้ดาวเคราะห์ไหม้เกรียมด้วยการแผ่รังสียูวีที่เข้มข้นสูง การลุกจ้าพิเศษที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งสามารถกัดกร่อนชั้นโอโซนในชั้นบรรยากาศที่คล้ายโลก และทำให้มีกระแสยูวีไหลลงสู่พื้นผิวในระดับที่พิฆาตชีวิต รายงานเขียนไว้ ในทางตรงกันข้าม พลังงานจากการลุกจ้าบางส่วนก็อาจจะช่วยขับเคลื่อนการปรากฏของชีวิตบนดาวเคราะห์ได้ ในทางกลับกัน การลุกจ้าที่เกิดขึ้นไม่กี่ครั้งอาจจะเป็นผลให้มีระดับรังสีที่พื้นผิวไม่เพียงพอที่จะขับดันปฏิกิริยาเคมีที่สร้างสารตั้งต้นทางชีวภาพ(prebiotic)   

     การลุกจ้าที่สำรวจได้ช่วยให้ TESS ในช่วงภาคต่อได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบหลายพันดวงในวงโคจรรอบดาวแคระที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้า ขณะนี้ TESS มีเป้าหมายที่ดาวที่ปะทุการลุกจ้าซึ่งสำรวจจากตัวอย่างของ UNC-ชาเพลฮิลล์ เพื่อสำรวจให้ถี่มากขึ้น Nicholas M. Law ผู้เขียนร่วมการศึกษา รองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่ UNC-ชาเพลฮิลล์ และผู้นำทีมกล้องโทรทรรศน์เอฟรี่ กล่าวว่า ในระยะยาว ผลสรุปเหล่านี้อาจจะบอกถึงตัวเลือกระบบดาวเคราะห์ที่จะถูกสำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์ โดยมีพื้นฐานจากกิจกรรมการลุกจ้าในระบบ

     การศึกษาใหม่ตามรอยงานศึกษาของทีมเกี่ยวกับการลุกจ้าของแคระแดงและผลกระทบที่อาจมีต่อชีวิต ยกตัวอย่างเช่น รายงานในปี 2018 ที่นำโดย Howard บอกว่าการลุกจ้าพิเศษได้ทำให้ศักยภาพทางดาราศาสตร์ชีววิทยาของ Proxima b ลดลงไป ดาวเคราะห์ดังกล่าวเป็นดาวเคราะห์หินขนาดเท่าโลกที่โคจรในเขตเอื้ออาศัยได้ของแคระแดง พรอกซิมา เซนทอไร(Proxima Centauri) เพื่อนบ้านที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด

เพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดของดวงอาทิตย์ ส่วนใหญ๋จะเป็นดาวฤกษ์แคระแดง และดาวฤกษ์แคระน้ำตาลหรือดาวฤกษ์แท้ง(failed star) ซึ่งมีมวลสูงไม่พอที่จะกลายเป็นดาวฤกษ์ที่แท้จริงได้ 

    นอกจากนี้ งานวิจัยอีกชิ้นที่ทำกับดาวแคระแดงอีกดวงที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุดดวงหนึ่ง คือ ดาวของบาร์นาร์ด(Barnard’s Star) ซึ่งเป็นแคระแดงอายุ 1 หมื่นล้านปีที่มีมวล 16% ของดวงอาทิตย์ อยู่ห่างออกไปเพียง 6 ปีแสงเท่านั้น รอบดาวนี้ก็พบดาวเคราะห์แล้ว 1 ดวง ซึ่งเป็นพิภพที่ร้อนราวนรก มีมวลราว 3 เท่าของโลก โคจรด้วยระยะทางใกล้เคียงกับวงโคจรดาวพุธรอบดวงอาทิตย์

      งานวิจัยใหม่โดย Tommi Koskinen จากมหาวิทยาลัยอริโซนา และผู้ร่วมเขียนงานวิจัยเผยแพร่ใน Astronomical Journal ใช้หอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราและกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ทราบว่าแคระแดงที่มีอายุมากมีพฤติกรรมเมื่อเทียบกับแคระแดงที่มีอายุน้อยกว่าและมีกิจกรรมสูงกว่า อย่างไร เมื่อเป็นที่ทราบกันดีว่า แคระแดงที่อายุน้อยในระดับไม่กี่พันล้านปีจะแผ่รังสีพลังงานที่เผาดาวเคราะห์ใกล้เคียง ทำให้ยากที่จะมีชีวิตอยู่(แต่ก็ไม่ใช่ว่าเป็นไปไม่ได้) แต่สำหรับสภาพแวดล้อมรอบแคระแดงอายุมากกลับไม่ทราบนัก

     การสำรวจใหม่แสดงว่าประมาณหนึ่งในสี่ ดาวจะเกิดการลุกจ้าที่ทรงพลังซึ่งก็เป็นเรื่องปกติสำหรับแคระแดงทุกดวง ที่น่าจะสร้างอันตรายให้กับชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ๆ Girish Duvvuri ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากมหาวิทยาลัยโคโลราโด กล่าวว่า ถ้าช่วงเวลาที่สำรวจแค่นี้เป็นตัวแทนว่าดาวของบาร์นาร์ดมีกิจกรรมเช่นไรได้ เราก็บอกได้ว่ามันปล่อยรังสีอันตรายจำนวนมากทีเดียว ระดับกิจกรรมสูงอย่างน่าประหลาดใจสำหรับแคระแดงอายุมาก

     ชั้นบรรยากาศใดๆ ที่ก่อตัวขึ้นในช่วงต้นของความเป็นมาของดาวเคราะห์ในเขตเอื้ออาศัยได้ น่าจะถูกกัดกร่อนโดยการแผ่รังสีพลังงานสูงจากแคระแดงในวัยเยาว์ซึ่งเดือดดาล อย่างไรก็ตาม ต่อมาอาจมีการสร้างชั้นบรรยากาศขึ้นมาใหม่เมื่อดาวมีอายุมากขึ้นและมีกิจกรรมน้อยลง กระบวนการสร้างชั้นบรรยากาศใหม่อาจจะเกิดจากก๊าซที่ปล่อยออกมาโดยการชนของวัสดุสารแข็ง หรือเป็นก๊าซที่ปล่อยออกมาในกิจกรรมภูเขาไฟ

     อย่างไรก็ตาม การลุกจ้ารุนแรงอย่างในรายงานใหม่ซึ่งเกิดขึ้นซ้ำๆ ทุกหลายร้อยล้านปี อาจจะกัดกร่อนชั้นบรรยากาศที่สร้างใหม่ของพิภพหินในเขตเอื้ออาศัยได้ ซึ่งน่าจะลดโอกาสที่พิภพเหล่านี้จะค้ำจุนชีวิตได้ จากการค้นพบนี้ ทีมจึงหาความเป็นไปได้อื่นๆ สำหรับชีวิตบนดาวเคราะห์รอบแคระแดงอายุมากซึ่งพิจารณาไปที่ดาวเคราะห์ในระยะทางที่ห่างออกมาจากดาวฤกษ์แม่ ซึ่งระดับการแผ่รังสีพลังงานสูงจะต่ำกว่า และที่ระยะทางไกลออกมา เป็นไปได้ที่ปรากฏการณ์เรือนกระจกจากก๊าซอื่นๆ นอกเหนือจากคาร์บอนไดออกไซด์ เช่น ไฮโดรเจน จะช่วยให้มีน้ำของเหลวได้

การสำรวจดาวของบาร์นาร์ด(Barnard’s Star) ด้วยจันทราในเดือนมิถุนายน 2019 ได้พบการลุกจ้าในช่วงรังสีเอกซ์
 1 ครั้ง(แสดงในภาพเล็ก) และการสำรวจด้วยฮับเบิลในเดือนมีนาคม 2019 เผยให้เห็นการลุกจ้าพลังงานสูงในช่วงยูวี
 2 ครั้ง(แสดงในกราฟฟิค) การสำรวจทั้งสองมีความยาวประมาณ 7 ชั่วโมงและกราฟทั้งคู่ก็แสดงความสว่างรังสีเอกซ์หรือยูวี ลงจนถึงระดับศูนย์ จากความยาวของการลุกจ้าเทียบกับการสำรวจ ผู้เขียนสรุปว่าดาวเกิดการลุกจ้าในระดับอันตรายราว 25% ของเวลา

     ขณะนี้ ทีมกำลังศึกษาการแผ่รังสีพลังงานสูงจากแคระแดงอื่นๆ ให้มากขึ้นเพื่อตรวจสอบว่าดาวของบาร์นาร์ดนั้นเป็นตัวแทนของกลุ่มได้หรือไม่ Koskinen กล่าวว่า มันอาจจะกลายเป็นว่าแคระแดงเกือบทุกดวงนั้นโหดร้ายต่อสิ่งมีชีวิต ในกรณีเช่นนั้น ดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ที่มีขนาดใหญ่กว่าอย่างดวงอาทิตย์ อาจจะเป็นสถานที่ที่เหมาะสมที่จะสำรวจหาพิภพที่จะเอื้ออาศัยได้ด้วยกล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไป   

แหล่งข่าว sciencedaily.com : new research explores how super flares affect planets’ habitability
                space.com : “superflares” may make it hard for life to begin around dwarf stars
                universetoday.com : just how bad are superflares to a planet’s habitability?
                astronomynow.com : red dwarfs may be more hazardous to one’s health than previously thought    
                nasa.gov : assessing the habitability of planets around old red dwarfs