พิภพหินทั้งเจ็ดใน TRAPPIST-1 มีความหนาแน่นใกล้เคียงกัน

      ดาวฤกษ์ชนิดแคระแดง TRAPPIST-1 เป็นที่อยู่ของดาวเคราะห์ขนาดพอๆ กับโลกกลุ่มใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยพบในระบบดาวเคราะห์แห่งเดียว ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 40 ปีแสง พิภพหินทั้งเจ็ดได้ให้ตัวอย่างหนึ่งในความหลากหลายของระบบดาวเคราะห์ที่น่าจะพบได้ในเอกภพ

     การศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Planetary Science Journal ได้แสดงว่าดาวเคราะห์ใน TRAPPIST-1 มีความหนาแน่นที่ใกล้เคียงกันอย่างน่าประทับใจ นี่อาจจะหมายความว่าพวกมันทั้งหมดมีอัตราส่วนวัสดุสารที่คิดว่าประกอบอยู่ในดาวเคราะห์หินเกือบทั้งหมด เช่น เหล็ก, ออกซิเจน, มักนีเซียม และซิลิกอน เท่าๆ กัน และถ้าเป็นกรณีนี้ อัตราส่วนนี้ก็จะต้องแตกต่างจากอัตราส่วนของโลกอย่างเห็นได้ชัด ดาวเคราะห์ของ TRAPPIST-1 มีความหนาแน่นต่ำกว่าองค์ประกอบในโลกประมาณ 8% จากข้อสรุปนี้ ผู้เขียนรายงานตั้งสมมุติฐานว่าคงมีองค์ประกอบที่ผสมในอัตราส่วนที่ต่างกันเล็กน้อยซึ่งทำให้ดาวเคราะห์ของ TRAPPIST-1 มีความหนาแน่นอย่างที่ตรวจสอบได้

      ดาวเคราะห์เหล่านี้บางส่วนถูกพบตั้งแต่ปี 2016 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้ประกาศว่าพวกเขาได้พบดาวเคราะห์ 3 ดวงรอบ TRAPPIST-1 โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ TRAPPIST(Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope) ในชิลี การสำรวจต่อมาโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ของนาซาที่ปลดเกษียณแล้ว ร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ได้ยืนยันดาวเคราะห์สองในสามดวง และพบดาวเคราะห์เพิ่มอีก 5 ดวง สปิตเซอร์ซึ่งดำเนินงานโดยห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซาในพาซาดีนา ได้สำรวจระบบนี้กว่า 1000 ชั่วโมงก่อนที่จะปลดประจำการในเดือนมกราคม 2020 กล้องฮับเบิลและกล้องเคปเลอร์ซึ่งเกษียณแล้วเช่นกัน ก็ได้ศึกษาระบบแห่งนี้

     ดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดดวงของ TRAPPIST-1 ทั้งหมดอยู่ใกล้ชิดดาวฤกษ์แม่อย่างมากจนพวกมันน่าจะแออัดอยู่ในวงโคจรดาวพุธได้ทั้งหมด ก็ถูกพบผ่านวิธีการผ่านหน้า(transit method) เมื่อนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถเห็นดาวเคราะห์ได้โดยตรง(พวกมันมีขนาดเล็กเกินปและสลัวเกินไปเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์แม่) ดังนั้น พวกเขาจึงมองหาการมืดหรี่ลงในแสงสว่างจากดาวฤกษ์แม่ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีดาวเคราะห์เคลื่อนที่ผ่านหน้ามัน

คุณสมบัติทางกายภาพของดาวเคราะห์ในระบบ TRAPPIST-1

     การสำรวจแสงดาวฤกษ์ที่หรี่ลงซ้ำๆ ร่วมกับการตรวจสอบช่วงเวลาการโคจรของดาวเคราะห์ ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ประเมินมวลและเส้นผ่าศูนย์กลางของดาวเคราะห์ได้ ซึ่งก็จะใช้เพื่อคำนวณความหนาแน่นของพวกมันได้ การคำนวณก่อนหน้านี้บอกว่าดาวเคราะห์มีขนาดและมวลพอๆ กับโลก และจึงจะต้องเป็นหิน(terrestrial) แทนที่จะเป็นดาวเคราะห์ที่อุดมไปด้วยก๊าซอย่างดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ รายงานฉบับใหม่ได้ให้การตรวจสอบความหนาแน่นที่แม่นยำที่สุดเท่าที่ทำกับดาวเคราะห์นอกระบบกลุ่มใดๆ มา

     ยิ่งนักวิทยาศาสตร์ทราบความหนาแน่นของดาวเคราะห์แม่นยำมากขึ้นเพียงใด ก็จะสามารถกำหนดองค์ประกอบของพวกมันได้แคบลงเท่านั้น ความหนาแน่นของดาวเคราะห์ทั้งแปดในระบบของเรานั้นแตกต่างอย่างกว้างขวาง ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่ปุกปุยคือ ดาวพฤหัสฯ, ดาวเสาร์, ยูเรนัส และเนปจูน มีขนาดใหญ่กว่าและหนาแน่นน้อยกว่า ดาวเคราะห์หินทั้งสี่ เนื่องจากพวกมันประกอบด้วยธาตุเบาเช่น ไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด แม้แต่พิภพหินวงในทั้งสี่ก็มีความหนาแน่นที่แตกต่างกันด้วย ซึ่งกำหนดโดยทั้งองค์ประกอบและการบีบตัวของดาวเคราะห์อันเนื่องจากแรงโน้มถ่วง เมื่อตัดผลจากแรงโน้มถ่วงออกไป นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถคำนวณสิ่งที่เรียกว่าเป็นความหนาแน่นแบบไม่บีบอัด(uncompressed density) ของดาวเคราะห์ และน่าจะเรียนรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของดาวเคราะห์ได้มากขึ้น

กราฟแสดงคุณสมบัติที่ตรวจสอบได้ของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดดวงในระบบ TRAPPIST-1(ระบุเป็น b จนถึง h) แสดงให้เห็นเทียบกับโลกและพิภพหินอื่นๆ ในระบบของเรา ขนาดเปรียบเทียบของดาวเคราะห์ระบุเป็นวงกลม ดาวเคราะห์ทั้งหมดใน TRAPPIST-1 มีขนาดใหญ่กว่าดาวอังคาร โดยห้าดวงในนี้อยู่ใน 15% เส้นผ่าศูนย์กลางของโลก

     ดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดของ TRAPPIST-1 มีความหนาแน่นใกล้เคียงกัน ในระดับที่แตกต่างกันไม่เกิน 3% นี่ทำให้ระบบแห่งนี้ค่อนข้างแตกต่างจากระบบสุริยะของเรา ความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างดาวเคราะห์ใน TRAPPIST-1 กับโลกและดาวศุกร์ อาจจะดูเล็กน้อย คือราว 8% แต่ก็พอสมควรในระดับดาวเคราะห์ ยกตัวอย่างเช่น ทางหนึ่งที่จะอธิบายว่าเพราะเหตุใดดาวเคราะห์ของ TRAPPIST-1 จึงมีความหนาแน่นน้อยกว่า ก็คือ พวกมันมีองค์ประกอบเหมือนกับโลกแต่มีสัดส่วนเหล็กที่ต่ำกว่า ประมาณ 21% เมื่อเทียบกับโลกที่ระดับ 32% อีกทางก็คือ เหล็กในดาวเคราะห์ของ TRAPPIST-1 อาจจะมีออกซิเจนปนอยู่ในระดับสูง ซึ่งจะสร้างเหล็กออกไซด์หรือสนิมขึ้น การมีออกซิเจนเพิ่มน่าจะลดความหนาแน่นของดาวเคราะห์ลงมา พื้นผิวของดาวอังคารก็มีสีแดงจากสนิมเหล็กนี้ แต่ก็เช่นเดียวกับพิภพหินพี่ๆ ทั้งสาม มันเองก็มีแกนกลางที่ประกอบด้วยเหล็กที่ไม่มีออกซิเจนปน เมื่อเทียบแล้ว ถ้าความหนาแน่นที่ต่ำกว่าของดาวเคราะห์ใน TRAPPIST-1 เกิดขึ้นจากการมีออกซิเจนปนอยู่กับเหล็ก ดาวเคราะห์ก็น่าจะเป็นสนิมไปทั่วและไม่น่าจะมีแกนกลางเหล็กแข็งได้

     Eric Agol นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน และผู้เขียนนำการศึกษาใหม่ บอกว่าคำตอบอาจจะเป็นสองทั้งกรณี คือ โดยรวมแล้วมีเหล็กอยู่น้อยกว่า และเหล็กก็ยังมีออกซิเจนปนด้วย ทีมยังพิจารณาว่าพื้นผิวของดาวเคราะห์แต่ละดวงอาจจะปกคลุมด้วยน้ำซึ่งก็ยิ่งเบากว่าสนิมเหล็กหรือไม่ ซึ่งจะเปลี่ยนความหนาแน่นโดยรวมของดาวเคราะห์ไป ถ้าเป็นกรณีนี้ ก็น่าจะมีน้ำประมาณ 5% ของมวลรวมดาวเคราะห์วงนอกสี่ดวง เมื่อเทียบแล้ว บนโลก มีน้ำไม่ถึง 0.1% จากมวลโลก

     เนื่องจากพวกมันอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่อย่างมากจนไม่น่ามีน้ำในสถานะของเหลวอยู่ได้ ดาวเคราะห์วงในทั้งสามของ TRAPPIST-1 น่าจะต้องมีชั้นบรรยากาศที่หนาทึบและร้อนเหมือนกับชั้นบรรยากาศดาวศุกร์ เพื่อที่น้ำจะต้องยังอยู่กับดาวเคราะห์ได้ในสถานะไอน้ำ แต่ Agol บอกว่าคำอธิบายนี้ดูเป็นไปได้น้อยกว่า เนื่องจากมันน่าจะต้องเป็นเรื่องที่บังเอิญที่ดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดจะมีน้ำเพียงพอที่จะมีความหนาแน่นที่ใกล้เคียงกันมากอย่างนี้

ภาพอธิบายแสดงโครงสร้างภายในที่เป็นไปได้ 3 แบบของดาวเคราะห์หินทั้งเจ็ดในระบบ TRAPPIST-1 จากการตรวจสอบความหนาแน่นดาวเคราะห์ที่แม่นยำ โดยรวมแล้ว พิภพของ TRAPPIST-1 มีความหนาแน่นที่ใกล้เคียงกันอย่างน่าประทับใจซึ่งบอกว่าพวกมันอาจจะมีอัตราส่วนธาตุที่ก่อตัวดาวเคราะห์พื้นฐานเหมือนกัน ความหนาแน่นของดาวเคราะห์นั้นต่ำกว่าของโลกหรือดาวศุกร์ซึ่งอาจจะหมายความว่าพวกมันมีเหล็กในสัดส่วนที่น้อยกว่า หรือมีวัสดุสารความหนาแน่นต่ำที่มากกว่าเช่นน้ำหรือออกซิเจน ในแบบจำลองแรก(ซ้าย) ภายในประกอบด้วยเหล็กผสมกับธาตุเบาเช่นออกซิเจน ก็จะไม่มีแกนกลางเหล็กแข็งอย่างในกรณีของโลกและดาวเคราะห์หินอื่นๆ ในระบบของเรา แบบที่สองแสดงองค์ประกอบโดยรวมที่ใกล้เคียงกับโลก ซึ่งวัสดุสารที่หนาแน่นที่สุดจะจมลงสู่ใจกลางดาวเคราะห์ ก่อตัวเป็นแกนกลางที่อุดมด้วยเหล็กแต่มีขนาดเล็กกว่าแกนกลางของโลก และแบบที่สามที่มีแกนกลางหนาแน่นสูงขนาดใหญ่กว่าก็จะถูกถ่วงดุลด้วยมหาสมุทรความหนาแน่นต่ำมากบนพื้นผิวดาวเคราะห์ อย่างไรก็ตาม แบบหลังนี้ใช้ได้กับดาวเคราะห์ 4 ดวงวงนอกของ TRAPPIST-1 เท่านั้น ส่วนอีกสามดวงวงใน มหาสมุทรใดๆ น่าจะระเหยไปอันเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงกว่าเมื่ออยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่ และต้องการองค์ประกอบที่แตกต่างกันด้วย เมื่อทั้งเจ็ดมีความหนาแน่นใกล้เคียงกันจึงเป็นไปได้ที่ดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดจะมีองค์ประกอบโดยคร่าวๆ ที่ใกล้เคียงกัน

     ท้องฟ้ายามค่ำคืนนั้นเต็มไปด้วยดาวเคราะห์ และก็เพิ่งเมื่อ 30 ปีหลังนี่ที่เราสามารถเผยปริศนาของพวกมันได้ Caroline Dorn นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยซือริค และผู้เขียนร่วมรายงาน กล่าว ระบบ TRAPPIST-1 นั้นน่าทึ่งเนื่องจากรอบดาวฤกษ์นี้เพียงดวงเดียวเราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับความหลากหลายของดาวเคราะห์หินได้ในระบบเดียว และจริงๆ แล้วเราจึงสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับดาวเคราะห์ได้มากขึ้น โดยการศึกษาเพื่อนบ้านของมันด้วย ดังนั้นระบบนี้จึงเป็นสถานที่ที่ดีเยี่ยมในการศึกษา

แหล่งข่าว phys.org : the seven rocky planets of TRAPPIST-1 seem to have very similar compositions
               ifscience.com : TRAPPIST-1’s seven Earth-sized planets are likely all made of the same stuff