พิภพหินรอบดาวฤกษ์อายุหมื่นล้านปี

 

ภาพจากศิลปินแสดง TOI-561 ซึ่งเป็นหนึ่งในดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดและขาดแคลนโลหะมากที่สุดในทางช้างเผือก ดาวฤกษ์มีดาวเคราะห์หินร้อนดวงหนึ่ง(กลางภาพ) เช่นเดียวกับดาวเคราะห์ก๊าซอีกสองดวง(ทางซ้าย)

     นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์สามดวงโคจรรอบดาวฤกษ์อายุมากดวงหนึ่ง ซึ่งหนึ่งในสามนั้นเป็นพิภพหินที่มีขนาดใหญ่กว่าโลก โดยวิ่งไปรอบๆ ดาวฤกษ์แม่ในวงโคจรเพียง 10.5 ชั่วโมงเท่านั้น

      ดูเหมือนว่าดาวเคราะห์นอกระบบที่โคจรอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่ของมันอย่างมากนั้นไม่น่าจะเอื้ออาศัยได้ แม้ว่ามันจะเป็นหินเหมือนกับโลก, ดาวศุกร์ และดาวอังคาร พิภพหินดวงใหม่น่าจะมีอุณหภูมิราว 2500 เคลวิน ถูกล๊อคไว้ด้วยแรงบีบฉีก(tidal lock) โดยด้านกลางวันน่าจะเป็นมหาสมุทรแมกมา

     ดาวเคราะห์ที่พบรอบ TOI-561 ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 280 ปีแสง ดาวฤกษ์แม่เป็นดาวฤกษ์แคระสีส้มซึ่งโบราณมาก โดยประเมินอายุได้ที่ 1 หมื่นล้านปี ซึ่งเก่าแก่เป็นสองเท่าของอายุระบบสุริยะของเรา และเก่าแก่เกือบใกล้เคียงกับอายุของเอกภพเอง และมีหลักฐานว่าดาวเคราะห์หินสามารถดำรงอยู่อย่างเสถียรได้เป็นเวลานานมากๆ Lauren Weiss นักดาราศาสตร์นำจากมหาวิทยาลัยฮาวาย ที่มาเนา กล่าวว่า TOI-561b เป็นดาวเคราะห์หินที่เก่าแก่มากที่สุดดวงหนึ่งเท่าที่เคยพบมา การมีอยู่ของมันได้แสดงว่าเอกภพได้ก่อตัวดาวเคราะห์หินไม่นานหลังจากที่มันอุบัติขึ้นเมื่อเกือบ 14 พันล้านปีก่อน

     ดาวเคราะห์ทั้งสาม ซึ่งมีชื่อว่า TOI-561 b, TOI-561 c และ TOI-561 d ถูกพบโดยดาวเทียม TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) ของนาซา TESS จะจับจ้องไปที่พื้นที่บนท้องฟ้า เพื่อมองหาความสว่างจากดาวฤกษ์ที่ลดลงเล็กน้อยอย่างเป็นคาบเวลา นี่คือการผ่านหน้า(transit) เมื่อดาวเคราะห์เดินทางตัดระหว่างเรากับดาวฤกษ์ TOI-561 เป็นประชากรดาวฤกษ์กลุ่มที่พบได้ยากที่เรียกว่า ดิสก์หนาของกาแลคซี(galactic thick disk) ดาวในพื้นที่นี้มีคุณลักษณะทางเคมีที่โดดเด่น โดยมีธาตุหนักเช่น เหล็กหรือมักนีเซียมที่ใช้ในการสร้างดาวเคราะห์อยู่น้อยกว่า

     จากข้อมูลนี้ และการสำรวจติดตามผล นักดาราศาสตร์ก็สามารถตรวจสอบคาบการโคจรและขนาดของดาวเคราะห์ทั้งสามได้ TOI-561 d ซึ่งเป็นดาวเคราะห์วงนอกสุด มีขนาดราว 2.3 เท่าเส้นผ่าศูนย์กลางโลก คาบการโคจร 16.3 วัน ส่วนดวงถัดเข้ามา TOI-561 c มีขนาด 2.9 เท่าโลก คาบการโคจร 10.8 วัน และดาวเคราะห์วงในสุด TOI-561 b มีขนาด 1.4 เท่าโลก คาบการโคจรเพียง 10.5 ชั่วโมงเท่านั้น

ภาพแสดงองค์ประกอบโครงสร้างของทางช้างเผือก ดาวฤกษ์ TOI-561 อยู่ในดิสก์หนา(ระบุเป็นสีแดงส้ม) ซึ่งประกอบด้วยประชากรดาวอายุมากอยู่กันอย่างเบาบาง

      ทีมยังทำการตรวจสอบความเร็วแนวสายตา(radial velocity) ด้วย เมื่อดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ ดาวฤกษ์ก็จะไม่ได้หมุนอยู่นิ่งๆ ดาวเคราะห์แต่ละดวงจะส่งแรงดึงโน้มถ่วงของมันเองต่อดาวฤกษ์แม่ เป็นผลให้เกิดการเต้นรำอันซับซ้อนเล็กน้อยซึ่งปรากฏบีบและยืดแสงของดาวฤกษ์ออก เมื่อมันเคลื่อนที่เข้าหาและออกห่างจากเราเมื่อสังเกตการณ์ ถ้าเราทราบมวลของดาวฤกษ์ เราก็สามารถสำรวจว่าดาวฤกษ์ขยับไปมากแค่ไหนเมื่อเทียบกับแรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์แต่ละดวง และคำนวณมวลของดาวเคราะห์ได้ จากค่าเหล่านี้ นักวิจัยก็สามารถคำนวณได้ว่า TOI-561 b มีมวลราว 3 เท่ามวลโลก แต่ความหนาแน่นของมันใกล้เคียงกับโลก ที่ประมาณ 5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร

     นี่เป็นเรื่องที่สร้างความประหลาดใจเนื่องจากคาดว่าความหนาแน่นจะสูงกว่านี้ Stephen Kane นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดาวเคราะห์ จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ กล่าว นี่สอดคล้องกับแนวคิดว่าดาวเคราะห์นี้โบราณมากๆ ยิ่งดาวเคราะห์เก่าแก่มากแค่ไหน มันก็น่าจะมีความหนาแน่นต่ำลงด้วย เนื่องจากไม่ได้มีธาตุหนักอยู่มากนักเมื่อก่อตัวดาวเคราะห์หินขึ้นมา

     นั้นเป็นเพราะธาตุหนักในเอกภพซึ่งเป็นโลหะที่หนักกว่าเหล็ก จะถูกหลอมขึ้นในใจกลางดาวฤกษ์, ในซุปเปอร์โนวาที่เป็นจุดจบของดาวฤกษ์มวลสูง และการชนของซากดาวมวลสูง จะมีเมื่อเพียงดาวตายลงและกระจายธาตุเหล่านี้ออกสู่อวกาศเท่านั้น ที่พวกมันจะกระจายออกมาเพื่อสร้างดาวฤกษ์และดาวเคราะห์รุ่นใหม่ได้ ดังนั้นดาวที่มีอายุเก่าแก่มากที่สุดในเอกภพจึงขาดแคลนโลหะอย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น TOI-561 ก็มีความเป็นโลหะ(metallicity) ที่ต่ำ และดาวเคราะห์ใดๆ ที่ก่อตัวขึ้นในเอกภพยุคต้นกว่านี้ก็น่าจะมีความเป็นโลหะที่ต่ำ ด้วยเช่นกัน

     งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้บอกว่าความเป็นโลหะที่ต่ำจะเป็นข้อจำกัดในการก่อตัวดาวเคราะห์หิน เนื่องจากธาตุหนักน่าจะระเหยไปน้อยกว่าเมื่อพบกับการแผ่รังสีจากดาว เม็ดมวลสารที่เหลือรอดอยู่ได้นานพอในดิสก์รอบดาวฤกษ์ จะเกาะกุมกันและก่อตัวดาวเคราะห์ขึ้นมา การพบดาวเคราะห์อย่าง TOI-561 b จึงสามารถช่วยระบุแบบจำลองเหล่านั้น ซึ่งจะช่วยเราให้หาดาวเคราะห์หินนอกระบบอายุเก่าแก่ได้เพิ่มขึ้น

     แม้ว่าดาวเคราะห์พิเศษดวงนี้ไม่น่าจะเอื้ออาศัยได้ในปัจจุบัน Kane กล่าว แต่มันก็อาจจะเป็นเพียงข้อยกเว้นในบรรดาดาวเคราะห์หินมากมายที่เรายังไม่พบรอบๆ ดาวฤกษ์โบราณที่สุดในกาแลคซีของเรา และนี่ช่วยเราในการสำรวจหาพิภพที่เอื้ออาศัยได้ โลกซึ่งมีอายุราว 4.5 พันล้านปีนั้น สัญญาณชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดเกิดขึ้นที่ราว 3.5 พันล้านปีก่อน และสัตว์มีกระดูกสันหลัง(vertebrate) ก็ยังไม่ปรากฏในบันทึกฟอสซิลจนกระทั่งเมื่อ 5 ร้อยล้านปีก่อน

     สิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนอย่างที่เรารู้จักต้องใช้เวลาเพื่ออุบัติขึ้น ดังนั้นถ้าเราต้องการหาชีวิตที่ซับซ้อนมากกว่าจุลชีพหรืออาร์เคีย(archea; จุลชีพโบราณกลุ่มหนึ่ง) ดาวเคราะห์ที่ดำรงอยู่มานานและค่อนข้างเสถียรก็น่าจะมีความเป็นไปได้ที่จะค้ำจุนชีวิตได้ ดังนั้น แม้ว่า TOI-561 b อาจจะไม่ใช่สถานที่ที่ดี แต่มันก็ให้เงื่อนงำอื่นซึ่งอาจช่วยเราในการสำรวจหาสิ่งมีชีวิตในแห่งหนอื่นในเอกภพของเราได้ งานวิจัยของทีมนำเสนอในการประชุมสมาคมดาราศาสตร์อเมริกันครั้งที่ 237 และจะเผยแพร่ใน Astronomical Journal และในเวบไซท์ก่อนตีพิมพ์ arXiv

แหล่งข่าว sciencealert.com : astronomers find an astonishing “super-Earth” that’s nearly as old as the universe  
                phys.org : “super-Earth” discovered near one of our galaxy’s oldest stars
                 skyandtelescope.com : rocky planet found around 10 billion-year-old star