ชั้นบรรยากาศสร้างใหม่ของดาวเคราะห์นอกระบบ GJ 1132b

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์หินขนาดพอๆ กับโลก GJ 1132b ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 40 ปีแสงที่พบรอบดาวฤกษ์แคระแดงดวงหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์ใช้กล้องฮับเบิลได้พบหลักฐานว่าดาวเคราะห์นี้อาจจะสูญเสียชั้นบรรยากาศดั่งเดิมของมันไปแต่ได้ชั้นบรรยากาศที่สองซึ่งประกอบด้วยสารพิษอย่างมีเธน, ไฮโดรเจนไซยาไนด์และก๊าซไฮโดรเจน ฮับเบิลได้พบร่องรอยก๊าซเหล่านี้ในแสงของดาวฤกษ์แม่ที่ถูกกรองผ่านชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ดาวเคราะห์อยู่ห่างไกลเกินและมืดเกินกว่าฮับเบิลจะถ่ายภาพได้ นักดาราศาสตร์เชื่อว่าภายใต้ชั้นบรรยากาศหมอกควันของดาวเคราะห์ อาจจะมีเปลือกบางๆ ที่หนาเพียงไม่กี่ร้อยเมตร ลาวาเหลวใต้พื้นผิวเอ่อขึ้นมาตามรอยแตกอย่างต่อเนื่อง ก๊าซเองก็พุ่งผ่านรอยแตกเหล่านี้ซึ่งเติมชั้นบรรยากาศอย่างต่อเนื่อง ซึ่งน่าจะถูกเป่าจนระเหยหายไปเนื่องจากวงโคจรในระยะประชิดของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ แรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์อื่นในระบบน่าจะทำให้พื้นผิว GJ 1132b แตกคล้ายกับเปลือกไข่ร้าว นี่เป็นครั้งแรกที่มีการตรวจจับสิ่งที่เรียกว่า ชั้นบรรยากาศทุติยภูมิ(secondary atmosphere) บนดาวเคราะห์อื่นนอกระบบสุริยะ

     นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้พบหลักฐานกิจกรรมภูเขาไฟที่ปรับเปลี่ยนชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หินดวงหนึ่งรอบดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ๆ

     ดาวเคราะห์ GJ 1132b มีความหนาแน่น, ขนาดและอายุใกล้เคียงกับโลก มันโคจรรอบดาวฤกษ์แคระแดงซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 40 ปีแสงจากโลกในกลุ่มดาวใบเรือ(Vela) ดาวเคราะห์ดวงนี้ถูกพบครั้งแรกโดยทีมที่นำโดยฮาร์วาร์ดในปี 2015 โดยใช้เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินขนาดเล็กเพื่อมองหาการผ่านหน้า(transit)

     ในระหว่างการผ่านหน้า นักดาราศาสตร์ก็ยังได้ศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์โดยการสำรวจว่าชั้นบรรยากาศดูดกลืนแสงจากดาวฤกษ์แม่ในความยาวคลื่นใดไว้บ้าง ด้วยการใช้วิธีการนี้ ในปี 2017 ทีมยุโรปได้รายงานชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยน้ำ อย่างไรก็ตาม การสำรวจติดตามผลโดยผู้ค้นพบดาวเคราะห์นี้ได้ตั้งคำถาม ทีมแย้งว่าข้อมูลของพวกเขาสอดคล้องกับการไม่มีชั้นบรรยากาศอยู่เลย และสภาพนี้ยังสอดคล้องกับทฤษฎีซึ่งทำนายว่าพิภพหินที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่อย่างมาก จะไม่สามารถรักษาชั้นบรรยากาศดั่งเดิมของมันไว้ได้

     ดาวเคราะห์ GJ 1132b ดูเหมือนจะเริ่มต้นชีวิตโดยเป็นพิภพก๊าซที่มีชั้นบรรยากาศห่อหนาทึบ โดยมีขนาดหลายเท่ารัศมีโลก เป็นสิ่งที่เรียกว่า กึ่งเนปจูน(sub-Neptune) ก็สูญเสียชั้นบรรยากาศดั่งเดิมที่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมอย่างรวดเร็วซึ่งถูกฉีกออกโดยการแผ่รังสีที่รุนแรงจากดาวฤกษ์แม่อายุน้อย ในเวลาสั้นๆ มันก็เหลือแค่แกนกลางเปล่าเปลือยที่มีขนาดพอๆ กับโลก

กราฟแสดงสเปคตรัมชั้นบรรยากาศของ GJ 1132b เส้นสีส้มแสดงสเปคตรัมจากแบบจำลอง เมื่อเทียบกับสเปคตรัมที่สำรวจได้เป็นจุดสีฟ้าแสดงระดับข้อมูลโดยเฉลี่ยพร้อมทั้งช่วงความคลาดเคลื่อน การวิเคราะห์สอดคล้องกับ GJ 1132b ที่มีชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยไฮโดรเจน โดยผสมกับมีเธนและไฮโดรเจนไซยาไนด์ ดาวเคราะห์ยังมีแอโรซอลซึ่งเป็นสาเหตุให้แสงกระเจิง

     แล้วนักดาราศาสตร์ก็ต้องประหลาดใจเมื่อการสำรวจใหม่จากกล้องฮับเบิลได้พบชั้นบรรยากาศที่สองหรือชั้นบรรยากาศทุติยภูมิ ซึ่งมาแทนที่ชั้นบรรยากาศปฐมภูมิของดาวเคราะห์ มันอุดมไปด้วยไฮโดรเจน, ไฮโดรเจนไซยาไนด์(มากถึง 0.5% ในชั้นบรรยากาศ), มีเธนและอัมโมเนีย และยังมีชั้นหมอกแอโรซอล(aerosol haze) ซึ่งน่าจะเกิดจากการสังเคราะห์สารเคมีด้วยแสงโดยมีไฮโดรคาร์บอนเป็นสารตั้งต้นด้วย นักดาราศาสตร์ตั้งทฤษฎีว่าไฮโดรเจนจากชั้นบรรยากาศเดิมถูกดูดกลืนเข้าสู่ชั้นหินหลอมเหลว(magma) ของดาวเคราะห์ และขณะนี้ก็ถูกปล่อยออกมาอย่างช้าๆ โดยกิจกรรมภูเขาไฟสร้างชั้นบรรยากาศใหม่ขึ้นมา ชั้นบรรยากาศที่สองนี้ก็ยังคงหลุดรั่วออกสู่อวกาศ ก็จะถูกเติมอย่างต่อเนื่องจากแหล่งของไฮโดรเจนในชั้นหินหลอมเหลว การศึกษาใหม่เผยแพร่ใน Astronomical Journal และโพสออนไลน์วันที่ 10 มีนาคมในเวบ arXiv

     Paul Rimmer สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร อธิบายว่า ชั้นบรรยากาศที่สองมาจากพื้นผิวและภายในของดาวเคราะห์ และมันจึงเป็นหน้าต่างสู่ธรณีวิทยาของพิภพอื่น ยังต้องทำอะไรอีกมากเพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากหน้าต่างนี้ได้ แต่การค้นพบหน้าต่างนี้ก็มีความสำคัญที่สุดแล้ว Raissa Estrela สมาชิกทีมจากห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ที่สถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) กล่าวว่า ตอนแรกเราคิดว่าดาวเคราะห์ที่เปล่งรังสีรุนแรงนี้คงน่าจะน่าเบื่ออยู่เพราะเราเชื่อว่ามันสูญเสียชั้นบรรยากาศไป แต่เราพิจารณาการสำรวจดาวเคราะห์ที่มีอยู่แล้วจากฮับเบิลและตระหนักว่ามีชั้นบรรยากาศอยู่ที่นั้น

     Mark Swain ผู้นำทีมจาก JPL กล่าวว่า มีดาวเคราะห์หินมากแค่ไหนที่ไม่ได้เริ่มต้นโดยเป็นดาวเคราะห์หิน บางส่วนก็เริ่มโดยเป็นกึ่งเนปจูน และพวกมันก็กลายเป็นหินผ่านกลไกที่แสง(ดาวฤกษ์) ระเหยชั้นบรรยากาศดั่งเดิมไป กระบวนการนี้เกิดขึ้นในช่วงต้นของชีวิตดาวเคราะห์เมื่อดาวฤกษ์ร้อนกว่านี้ จากนั้นดาวฤกษ์ก็เย็นลงและจากนั้นทุกอย่างก็ลงตัว และถ้าคุณสร้างชั้นบรรยากาศขึ้นมาใหม่ บางทีก็อาจจะรักษาไว้ได้

ดาวเคราะห์นอกระบบหิน GJ 1132b(พื้นหน้า) อยู่ใกล้ชิดกับดาวฤกษ์แม่ของมัน(ที่พื้นหลัง) โดยโคจรครบรอบในเวลาเพียง 1.6 วัน

     จากสิ่งที่เราทราบจากในระบบสุริยะของเราเอง การสร้างชั้นบรรยากาศขึ้นใหม่ทั้งหมดบนดาวเคราะห์หินไม่ใช่เรื่องที่ผิดปกติ ชั้นบรรยากาศของโลกก็ถูกสร้างใหม่ทั้งหมดสองครั้ง ครั้งแรกโดยกิจกรรมภูเขาไฟและการชนของอุกกาบาต(ในการระดมชนอย่างหนัก; heavy bombardment) และจากนั้น ก็โดยการถือกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลก ดาวอังคารเองก็อยู่กับชั้นบรรยากาศที่สองหรือที่สามของมัน แต่นี่เป็นครั้งแรกที่มีการรายงานชั้นบรรยากาศทุติยภูมิบนดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่ง  

      GJ 1132b มีความเหมือนกับโลกในหลายๆ ทาง แต่ในบางแง่ก็ยังแตกต่างกันอย่างมาก ทั้งสองมีความหนาแน่นเท่ากัน, ขนาดเท่ากัน และอายุเท่าๆ กัน โดยประมาณ 4.5 พันล้านปี ทั้งคู่เริ่มต้นด้วยชั้นบรรยากาศที่อุดมไปด้วยไฮโดรเจน และทั้งคู่ก็ร้อนก่อนที่จะเย็นลง งานของทีมยังบอกกระทั่งว่า GJ 1132b และโลกมีแรงดันชั้นบรรยากาศที่พื้นผิวที่เท่ากันด้วย

     อย่างไรก็ตาม ประวัติการก่อตัวของดาวเคราะห์ทั้งคู่ก็แตกต่างกัน เชื่อกันว่าโลกไม่ใช่แกนกลางที่เหลืออยู่ของดาวเคราะห์ชนิดกึ่งเนปจูน และโลกโคจรในระยะทางที่แสนสบายจากดาวฤกษ์แม่แคระเหลืองของเรา GJ 1132b นั้นโคจรใกล้ดาวฤกษ์แม่แคระแดงของมันอย่างมากจนโคจรครบรอบในเวลาเพียง 1.5 วันเท่านั้น ความใกล้จนประชิดทำให้ GJ 1132b ถูกล๊อคไว้(tidal lock) จนหันด้านเดียวด้านเดิมเข้าหาดาวฤกษ์อยู่ตลอดเวลา เหมือนกับดวงจันทร์ของเราที่หันด้านใกล้เข้าหาโลกตลอดเวลา

     คำถามก็คือ อะไรทำให้ชั้นหินหลอมเหลวร้อนมากพอที่จะยังคงเป็นของเหลวอยู่และสร้างกิจกรรมภูเขาไฟอยู่ได้ Swain ถาม ระบบแห่งนี้มีความพิเศษเนื่องจากมันมีโอกาสที่จะเกิดการเสียดสีจนร้อนขึ้นด้วยแรงโน้มถ่วง(tidal heating) ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นผ่านการเสียดสี เมื่อพลังงานจากการโคจรและการหมุนรอบตัวของดาวเคราะห์ถูกกระจายเป็นความร้อนอยู่ภายในดาวเคราะห์ GJ 1132b มีวงโคจรที่รี และแรงยืดฉีก(tidal force) ที่กระทำต่อมันก็รุนแรงที่สุดเมื่อมันเข้าใกล้ที่สุดหรือไกลที่สุดจากดาวฤกษ์แม่ อย่างน้อยก็มีดาวเคราะห์อีกดวงในระบบแห่งนี้ที่ยังส่งแรงโน้มถ่วงให้กับ GJ 1132b ด้วยเหตุนี้ ดาวเคราะห์จึงถูกบีบหรือยืดออกโดยแรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกันในวงโคจร กลไกนี้ทำให้ชั้นหินหลอมเหลวเป็นของเหลวอยู่ได้ยาวนาน ตัวอย่างใกล้ๆ ในระบบสุริยะของเราเองก็คือที่ดวงจันทร์ดาวพฤหัสฯ ไอโอ(Io) ซึ่งมีกิจกรรมภูเขาไฟอย่างต่อเนื่อง อันเป็นผลจากสงครามแรงโน้มถ่วงระหว่างดาวพฤหัสฯ กับดวงจันทร์เพื่อนบ้านดวงอื่นๆ

ชั้นบรรยากาศโลกในยุคต้นถูกแต่งแต้มโดยการชนของอุกกาบาตและกิจกรรมภูเขาไฟ ตามที่เห็นในภาพจากศิลปินนี้

     ทีมเชื่อว่าเปลือกที่เย็นกว่าของ GJ 1132b จะบางมากๆ บางทีอาจจะหนาเพียงไม่กี่ร้อยเมตรเท่านั้น ซึ่งเปราะบางเกินกว่าจะค้ำจุนสิ่งอื่นๆ ที่คล้ายกับภูเขาไฟตระหง่านได้ พื้นผิที่ราบเรียบของมันอาจจะเป็นรอยแตกร้าวไปทั่วเหมือนกับเปลือกไข่จากการยืดออกด้วยแรงโน้มถ่วง ไฮโดรเจนและก๊าซอื่นๆ ก็น่าจะปล่อยออกมาจากรอยแตกลักษณะนี้ Swain อธิบายว่า ชั้นบรรยากาศนี้ถ้ามันเบาบางซึ่งก็หมายความว่าถ้ามันมีแรงดันพื้นผิวใกล้เคียงกับโลก ก็อาจจะหมายความว่าคุณจะมองเห็นจรดถึงพื้นในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด นี่หมายความว่าถ้านักดาราศาสตร์ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์เพื่อสำรวจดาวเคราะห์นี้ ก็มีความเป็นไปได้ที่พวกเขาจะไม่เห็นสเปคตรัมของชั้นบรรยากาศ แต่เป็นสเปคตรัมของพื้นผิวเลย และถ้ามีแอ่งแมกมาหรือการเกิดปะทุภูเขาไฟเกิดขึ้นอยู่ พื้นที่เหล่านั้นก็จะร้อนกว่า ซึ่งจะสร้างการเปล่งคลื่นที่รุนแรงกว่า ดังนั้นพวกเขาก็น่าจะได้เห็นกิจกรรมทางธรณีวิทยาของจริง ซึ่งก็น่าตื่นเต้น

     ผลสรุปนี้มีความสำคัญเนื่องจากมันให้หนทางแก่นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบที่จะระบุบางสิ่งเกี่ยวกับธรณีวิทยาของดาวเคราะห์จากชั้นบรรยากาศของมันได้ Rimmer กล่าวเสริม มันยังมีความสำคัญต่อความเข้าใจว่าดาวเคราะห์หินในระบบของเราอย่าง ดาวพุธ, ศุกร์, โลกและดาวอังคาร เป็นอย่างไรในดาวเคราะห์วิทยาเปรียบเทียบ ในแง่ของการมีอยู่ของไฮโดรเจนเทียบกับออกซิเจนในชั้นบรรยากาศ

     แม้จะมีนักวิจัยบางส่วนที่ไม่เห็นด้วยกับหลักฐานการระบุชั้นบรรยากาศทุติยภูมิของดาวเคราะห์ แต่พวกเขาก็คิดว่าการใช้กล้องเจมส์เวบบ์ซึ่งมีกำหนดส่งในวันที่ 31 ตุลาคม 2021 จะมีความแม่นยำที่สูงกว่าและมีความไวในการสำรวจที่ดีกว่าเครื่องมือในปัจจุบัน เพื่อแจกแจงคุณลักษณะชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ ซึ่งพิภพที่ไม่ปกติแห่งนี้แน่นอนว่าควรค่าแก่การตรวจสอบด้วยกล้องเจมส์เวบบ์ 

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ซึ่งประกอบแล้วเสร็จเตรียมออกสู่อวกาศในเดือนตุลาคมปีนี้ จะสามารถตรวจสอบชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบด้วยพลังที่คาดไม่ถึง

แหล่งข่าว spacetelescope.org : Hubble sees new atmosphere forming on a rocky exoplanet
                astronomy.com : volcanoes could have breathed new life into a super-Earth’s atmosphere