ดาวเคราะห์ฟูฟ่อง

 

ภาพจากศิลปินแสดง WASP-107b ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่ฟองฟูมาก และโคจรใกล้ดาวฤกษ์แม่ของมันอย่างมาก จนสูญเสียชั้นก๊าซออกสู่อวกาศ

    นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยมอนทรีออลพบว่า มวลของแกนกลางดาวเคราะห์ยักษ์นอกระบบ WASP-107b นั้นยังต่ำกว่าที่คิดไว้สำหรับการสะสมเปลือกก๊าซขนาดใหญ่เพื่อห่อหุ้มจนคล้ายกับดาวเคราะห์ยักษ์อย่างดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ การค้นพบที่น่าสนใจโดยนักศึกษาปริญญาเอก Caroline Piaulet จากสถาบันเพื่อการวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบ(i REX) ของมหาวิทยาลัยมอนทรีออล(UdeM) บอกว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ก่อตัวขึ้นได้ง่ายกว่าที่เคยเชื่อกันอย่างมาก

      Piaulet เป็นส่วนหนึ่งของทีมวิจัยที่สร้างการค้นพบครั้งใหญ่ของศาสตราจารย์ Björn Benneke ซึ่งในปี 2019 เป็นครั้งแรกที่มีการประกาศการค้นพบน้ำบนดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่งที่อยู่ในเขตเอื้ออาศัยได้ของดาวฤกษ์ งานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่ใน Astronomical Journal กับเพื่อนร่วมงานจากคานาดา, สหรัฐฯ, เจอรมนี และญี่ปุ่น การวิเคราะห์โครงสร้างภายในของ WASP-107b ครั้งใหม่ มีนัยสำคัญที่ยิ่งใหญ่ Benneke กล่าว

     งานนี้ช่วยสร้างรากฐานว่าดาวเคราะห์ยักษ์สามารถก่อตัวและเจริญได้อย่างไร เขากล่าว มันให้ข้อพิสูจน์ที่หนักแน่นว่าการสะสมมวล(accretion) ชั้นก๊าซขนาดใหญ่ สามารถเหนี่ยวนำได้โดยแกนกลางที่มีขนาดเล็กกว่าที่เคยคิดไว้ก่อนหน้านั้นอย่างมาก

     WASP-107b ถูกพบครั้งแรกในปี 2017 รอบดาวฤกษ์ WASP-107 ซึ่งเป็นดาวฤกษ์แคระสีส้มที่อยู่ห่างออกไป 212 ปีแสงในกลุ่มดาวหญิงสาว(Virgo) ดาวเคราะห์อยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่ของมันอย่างมาก ใกล้กว่าวงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ถึง 16 เท่า จึงมีคาบโคจรเพียง 5.7 วัน อุณหภูมิจึงร้อนระอุที่ 462 องศาเซลเซียสและชั้นบรรยากาศของมันกำลังระเหยออกสู่อวกาศ ด้วยขนาดที่ใหญ่พอๆ กับดาวพฤหัสฯ แต่มีมวลน้อยกว่า 10 เท่า WASP-107b จึงเป็นหนึ่งในดาวเคราะห์นอกระบบที่มีความหนาแน่นต่ำที่สุดเท่าที่เคยพบ เป็นดาวเคราะห์ชนิดที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์เรียกว่าดาวเคราะห์พองฟูมาก หรือ ดาวเคราะห์ขนมสายไหม(super-puff or cotton-candy planet)

     Piaulet และทีมของเธอได้เริ่มด้วยการสำรวจ WASP-107b ที่ทำโดยหอสังเกตการณ์เคกในฮาวาย เพื่อประเมินมวลของมันให้เที่ยงตรงมากกขึ้น พวกเขาใช้วิธีการความเร็วแนวสายตา(radial velocity) ซึ่งช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบมวลของดาวเคราะห์โดยสำรวจการเคลื่อนที่ส่ายของดาวฤกษ์แม่ อันเนื่องจากแรงดึงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ พวกเขาสรุปว่ามวลของ WASP-107b มีมวลประมาณหนึ่งในสิบของดาวพฤหัสฯ หรือประมาณ 30 เท่ามวลโลก จากนั้นทีมก็ทำการวิเคราะห์เพื่อตรวจสอบโครงสร้างภายในที่เป็นไปได้มากที่สุดของดาวเคราะห์ พวกเขากลับได้ข้อสรุปที่น่าประหลาดใจ ด้วยความหนาแน่นที่ต่ำเช่นนั้นเพียง 0.13 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ดาวเคราะห์จะต้องมีแกนกลางแข็งที่มีมวลไม่เกิน 4.6 เท่ามวลโลก

Cotton-candy planet

     นี่หมายความว่า มวลมากกว่า 85% ของมันจะอยู่ในชั้นก๊าซหนาทึบที่ล้อมรอบแกนกลางไว้ เมื่อเปรียบเทียบแล้ว เนปจูนซึ่งมีมวลใกล้เคียงกับ WASP-107b มีมวลในชั้นก๊าซเพียง 5 ถึง 15% เท่านั้น เรามีคำถามมากมายเกี่ยวกับ WASP-107b Piaulet กล่าว ดาวเคราะห์ที่มีความหนาแน่นต่ำขนาดนี้ก่อตัวขึ้นได้อย่างไร และมันรักษาชั้นก๊าซขนาดมหึมาของมันไม่ให้หนีหาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่อย่างมากได้อย่างไร นี่ขับดันพวกเราให้ทำการวิเคราะห์อย่างทะลุปรุโปร่งจนถึงประวัติการก่อตัวของมัน

     ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นในดิสก์ก๊าซและฝุ่นซึ่งล้อมรอบดาวฤกษ์อายุน้อยที่เรียกว่าดิสก์กำเนิดดาวเคราะห์(protoplanetary disc) แบบจำลองการก่อตัวดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ฉบับคลาสสิคมีพื้นฐานจากดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ ในแบบจำลองเหล่านี้ ต้องใช้แกนกลางแข็งมีมวลอย่างน้อย 10 เท่าโลกเพื่อสะสมก๊าซจำนวนมากก่อนที่ดิสก์วัตถุดิบจะสลายตัวไป ถ้าไม่มีแกนกลางขนาดใหญ่ ก็ไม่คิดว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์จะสามารถข้ามเส้นวิกฤติที่สะสมและรักษาเปลือกก๊าซขนาดใหญ่ของพวกมันไว้ได้

      แล้วจะอธิบายการมีอยู่ของ WASP-107b ซึ่งมีแกนกลางมวลต่ำ ได้อย่างไร Eve Lee ศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยแมกกิลล์ และสมาชิก i REX ผู้เชี่ยวชาญระดับโลกเกี่ยวกับดาวเคราะห์พองฟูมากอย่าง WASP-107b มีสมมุติฐานหลายอย่าง สำหรับ WASP-107b ลำดับเหตุการณ์ที่สมเหตุสมผลที่สุดก็คือดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นไกลจากดาวฤกษ์ออกไป เมื่อก๊าซในดิสก์เย็นมากพอที่การสะสมก๊าซจะเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วมาก เธอกล่าว ต่อมาดาวเคราะห์ก็อพยพไปอยู่ตำแหน่งปัจจุบัน ไม่ว่าจะผ่านปฏิสัมพันธ์กับดิสก์ หรือกับดาวเคราะห์อื่นในระบบ

     การสำรวจ WASP-107b ของกล้องเคก ยังครอบคลุมช่วงเวลาที่ยาวนานกว่าการศึกษาก่อนหน้านี้ ช่วยให้ทีมมอนทรีออลได้สร้างการค้นพบเพิ่มเติมอีก คือ การมีอยู่ของดาวเคราะห์ดวงที่สอง WASP-107c ซึ่งมีมวลประมาณหนึ่งในสามของดาวพฤหัสฯ ก็มากกว่า WASP-107b เล็กน้อย สำหรับดาวเคราะห์ c ยังอยู่ไกลจากดาวฤกษ์แม่ออกมาอย่างมาก มันใช้เวลา 1088 วันเพื่อโคจรครบรอบ เมื่อเทียบกับคาบการโคจรที่ 5.7 วันของ WASP-107b และที่น่าสนใจก็คือ ความรี(eccentricity) ของดาวเคราะห์ดวงที่สองก็สูง ซึ่งหมายความว่า เส้นทางของมันรอบดาวฤกษ์มีลักษณะที่เป็นวงรีมากกว่าเป็นวงกลม

WASP-107b เทียบกับเนปจูน

     WASP-107c มีความลับความทรงจำสิ่งที่เกิดขึ้นในระบบนี้ Piaulet กล่าว ความรีที่มากของมันบอกใบ้ถึงอดีตที่ค่อนข้างวุ่นวาย ด้วยปฏิสัมพันธ์ระหว่างดาวเคราะห์ซึ่งน่าจะนำไปสู่การสลับตำแหน่งพอสมควร อย่างกรณีที่เกิดกับ WASP-107b

     นอกเหนือจากประวัติการก่อตัว ก็ยังมีปริศนามากมายที่รายล้อม WASP-107b ไว้ การศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลที่เผยแพร่เมื่อปี 2018 ได้เผยให้เห็นเรื่องที่น่าแปลกใจอย่างหนึ่งคือ มันมีมีเธนเพียงเล็กน้อยมาก Piaulet บอกว่า นี่เป็นเรื่องที่ประหลาดเนื่องจากสำหรับดาวเคราะห์ชนิดนี้ น่าจะพบมีเธนได้มากมาย ขณะนี้ เรากลับไปวิเคราะห์การสำรวจของฮับเบิลใหม่ ด้วยค่ามวลดาวเคราะห์ใหม่ เพื่อดูว่ามันจะส่งผลต่อผลสรุปอย่างไร และเพื่อตรวจสอบว่ามีกลไกใดที่อาจจะอธิบายการทำลายมีเธนได้

     นักวิจัยยังวางแผนจะศึกษา WASP-107b ต่อไป โดยความหวังอย่างยิ่งว่าจะได้ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ซึ่งมีกำหนดส่งในปี 2021 ซึ่งน่าจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ที่แม่นยำมากขึ้น ในระบบสุริยะของเราไม่มีอะไรที่เหมือนกับดาวเคราะห์นอกระบบอย่าง WASP-107b เลย ซึ่งจะช่วยให้เราได้เข้าใจกลไกการก่อตัวดาวเคราะห์โดยรวมได้ดีขึ้น และความหลากหลายของดาวเคราะห์ที่เป็นผลิตผล Piaulet กล่าว มันขับดันให้เราศึกษาพวกมันในรายละเอียดให้มากที่สุด

 

แหล่งข่าว spaceref.com : a “super-puff” planet like no other
                sciencealert.com : this extremely fluffy exoplanet is changing our understanding of planetary formation