โลหะหนักบนดาวหางในระบบและจากต่างระบบ

Anatomy of Comet
 

     การศึกษาใหม่โดยทีมเบลเจียมที่ใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) ได้แสดงว่ามีเหล็กและนิกเกิลอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวหางทั่วระบบสุริยะ แม้จะอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ การศึกษาอีกงานโดยทีมโปแลนด์ซึ่งก็ใช้ข้อมูล VLT เช่นกัน ได้รายงานว่าพบไอนิกเกิลในดาวหางข้ามระบบโบริซอฟ นี่เป็นครั้งแรกที่พบโลหะหนักซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมที่ร้อน ในชั้นบรรยากาศที่เย็นของดาวหางที่ห่างไกล

      Jean Manfroid จากมหาวิทยาลัยลีจ ในเบลเจียม ซึ่งนำการศึกษาดาวหางในระบบสุริยะเผยแพร่ใน Nature กล่าวว่า นี่เป็นเรื่องที่สร้างความประหลาดใจอย่างมากที่ได้พบอะตอมเหล็กและนิกเกิลในชั้นบรรยากาศของดาวหางทั้งหมดที่เราได้สำรวจในช่วงสองทศวรรษหลังนี้ ซึ่งมีประมาณ 20 ดวง และแม้แต่ดวงที่อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์ในสภาพแวดล้อมที่เย็นในอวกาศ

     นักดาราศาสตร์ทราบว่ามีโลหะหนักอยู่ในภายในที่เป็นฝุ่นและหินของดาวหาง แต่เนื่องจากโลหะแข็งมักจะไม่ระเหิดที่อุณหภูมิต่ำ พวกเขาจึงไม่คาดคิดว่าจะพบพวกมันในชั้นบรรยากาศของดาวหางเย็นที่อยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์ ขณะนี้ยังพบไอนิกเกิลและเหล็กกระทั่งบนดาวหางที่สำรวจไกลมากกว่า 480 ล้านกิโลเมตรจากดวงอาทิตย์ หรือมากกว่าระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์สามเท่าเศษ

     ทีมเบลเจียมยังพบเหล็กและนิกเกิลในชั้นบรรยากาศดาวหางในระดับที่ใกล้เคียงกัน วัสดุสารในระบบสุริยะของเรา ยกตัวอย่างเช่นที่พบในดวงอาทิตย์และในอุกกาบาต มักจะมีเหล็กอยู่มากกว่านิกเกิลราว 10 เท่า ผลสรุปใหม่นี้จึงมีนัยสำคัญต่อความเข้าใจระบบสุริยะยุคต้นของนักดาราศาสตร์ Emmanuel Jehin ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากลีจ เช่นกัน กล่าวว่า ดาวหางก่อตัวขึ้นราว 4.6 พันล้านปีก่อน ในระบบสุริยะที่ยังมีอายุน้อยมากๆ และไม่ได้เปลี่ยนแปลงเลยนับตั้งแต่เวลานั้นมา ด้วยเหตุผลนี้ พวกมันจึงเหมือนเป็นฟอสซิลสำหรับนักดาราศาสตร์

      ในขณะที่ทีมเบลเจียมกำลังศึกษาวัตถุ “ฟอสซิล” เหล่านี้ด้วย VLT มาเกือบ 20 ปี พวกเขาก็ไม่เคยพบนิกเกิลและเหล็กในชั้นบรรยากาศของพวกมันจนกระทั่งตอนนี้ การค้นพบนี้หลบสายตาเรามาหลายปี Jehin กล่าว ทีมใช้ข้อมูลจากเครื่องมือ UVES(Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) บน VLT ซึ่งใช้เทคนิคที่เรียกว่า การตรวจสอบสเปคตรัม
(spectroscopy) เพื่อวิเคราะห์ชั้นบรรยากาศดาวหางที่ระยะทางต่างๆ จากดวงอาทิตย์ เทคนิคนี้ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เห็นองค์ประกอบทางเคมีของวัตถุ โดยธาตุทางเคมีแต่ละชนิดก็มีสัญญาณ(ชุดของเส้นสเปคตรัม) ที่เป็นอัตลักษณ์

ภาพแสดงการตรวจจับโลหะหนัก เหล็ก(Fe) และนิกเกิล(Ni) ในชั้นบรรยากาศปุกปุยของดาวหางดวงหนึ่ง ซึ่งรวมสเปคตรัมแสงจาก C/2016 R2(PANSTARRS) ทางบนซ้ายทับบนภาพดาวหางจริงที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์
 SPECULOOS ที่หอสังเกตการณ์พารานัล ยอด(peak) สีขาวแต่ละจุดในสเปคตรัมแสดงธาตุที่แตกต่างกัน โดยสเปคตรัมของเหล็กและนิกเกิลระบุเป็นเส้นประสีฟ้าและสีส้ม ตามลำดับ

     ทีมเบลเจียมได้พบเส้นสเปคตรัมบางๆ ที่จำแนกไม่ได้ในข้อมูล UVES และเมื่อตรวจสอบใกล้ชิดมากขึ้นก็สังเกตเห็นว่าพวกมันเป็นสัญญาณแสดงการมีอยู่ของอะตอมเหล็กและนิกเกิลที่เป็นกลาง เหตุผลว่าเพราะเหตุใดธาตุหนักจึงจำแนกได้ยากก็เพราะพวกมันมีปริมาณน้อย ทีมประเมินว่าสำหรับน้ำทุกๆ 100 กิโลกรัมในชั้นบรรยากาศดาวหาง จะมีเหล็กเพียง 1 กรัม และนิกเกิลก็มีปริมาณใกล้เคียงกัน

     โดยปกติ จะมีเหล็กอยู่มากกว่านิกเกิลราว 10 เท่า และในชั้นบรรยากาศดาวหางเหล่านั้น เราพบธาตุทั้งสองในปริมาณที่ใกล้เคียงกัน เราจึงได้ข้อสรุปว่าพวกมันอาจจะมาจากสารประกอบเชิงซ้อนพิเศษชนิดหนึ่งบนพื้นผิวนิวเคลียสดาวหาง ซึ่งโลหะ 1 อะตอมถูกห้อมล้อมด้วยโมเลกุลคาร์บอนมอนอกไซด์หรือไฮโดรคาร์บอนจำนวนมาก ซึ่งสามารถระเหิดที่อุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำและปล่อยเหล็กและนิกเกิลออกมาด้วยสัดส่วนเหมือนกัน Damien Hutsemekers สมาชิกทีมเบลเจียม จากมหาวิทยาลัยลีจ เช่นกัน อธิบาย

     แม้ว่าทีมจะยังไม่แน่ใจว่าวัสดุสารนี้จะเป็นอะไร แต่ความก้าวหน้าในทางดาราศาสตร์เช่น METIS(Mid-infrared ELT Imager and Spectrometer) บนกล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(ELT) ที่กำลังก่อสร้าง จะช่วยให้นักวิจัยได้ยืนยันแหล่งของอะตอมเหล็กและนิกเกิลที่พบในชั้นบรรยากาศดาวหางเหล่านี้ได้ ทีมเบลเจียมยังหวังว่าการค้นพบของพวกเขาจะแผ้วถางทางให้กับงานวิจัยในอนาคต ขณะนี้ ผู้คนจะสำรวจหาเส้นสเปคตรัมเหล่านั้นในข้อมูลในคลังจากกล้องโทรทรรศน์อื่นๆ Jehin กล่าว เราคิดว่านี่จะกระตุ้นให้เกิดงานใหม่ๆ ในหัวข้อนี้

 

ดาวหางโบริซอฟ ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์เจมิไน

     การศึกษาที่น่าสนใจอีกงานที่เผยแพร่ใน Nature ได้แสดงว่าก็พบธาตุหนักนี้ในชั้นบรรยากาศของดาวหางข้ามระบบ(interstellar comet) โบริซอฟด้วย ทีมในโปแลนด์สำรวจดาวหางนี้(2I/Borisov) ซึ่งเป็นดาวหางเอเลี่ยนดวงแรกที่เข้ามาในระบบของเรา โดยใช้สเปคโตรกราฟ X-shooter บน VLT เมื่อดาวหางวิ่งผ่านระบบเมื่อประมาณหนึ่งปีครึ่งที่ผ่านมา พวกเขาได้พบร่องรอยทางเคมีในชั้นบรรยากาศเย็นของโบริซอฟ เป็นเส้นสเปคตรัมเปล่งคลื่น(emission lines) ในช่วงอุลตราไวโอเลตใกล้ 9 เส้น ซึ่งมาจากก๊าซนิกเกิล  

     สเปคตรัมเหล่านี้สอดคล้องกับสัญญาณคล้ายๆ กันที่พบในสเปคตรัมจากดาวหางอิเคยะ-เซกิ (C/1965 S1 Ikeya-Seki) ที่วิ่งเข้าหาดวงอาทิตย์(Sun-grazing comet) โดยสเปคตรัมถูกบันทึกเมื่อดาวหางอยู่ที่ระยะทางราว 1 ล้านกิโลเมตรจากพื้นผิวดวงอาทิตย์ซึ่งร้อนมากๆ จนกระทั่งฝุ่นในชั้นบรรยากาศดาวหางก็เริ่มระเหยปล่อยอะตอมโลหะหนักออกมา

     Piotr Guzik ผู้เขียนการศึกษาจากมหาวิทยาลัยจากีลโลเนียนในโปแลนด์ กล่าวว่า ในตอนแรกเราก็ไม่อยากจะเชื่อเลยว่ามีอะตอมนิกเกิลปรากฏอยู่บนโบริซอฟซึ่งอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์จริง ต้องทดสอบและตรวจสอบหลายครั้งก่อนที่สุดท้ายเราจะยอมเชื่อ การค้นพบนี้เป็นเรื่องที่สร้างความประหลาดใจเนื่องจาก ก่อนที่การศึกษาทั้งสองจะเผยแพร่ออกมา ก๊าซอะตอมโลหะหนักจะสำรวจพบเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่ร้อน เช่น ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบที่ร้อนจัด หรือดาวหางที่ระเหยเมื่อผ่านเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์มากเกินไป ส่วนโบริซอฟนั้นถูกสำรวจเมื่ออยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ราว 350 ล้านกิโลเมตร หรือประมาณสองเท่าเศษระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ ที่ตำแหน่งดังกล่าวน้ำแข็งของดาวหางอาจจะระเหยแต่ไม่ใช่โลหะหนักอย่างนิกเกิล

     การศึกษาวัตถุข้ามระบบในรายละเอียดเป็นพื้นฐานสำคัญของวิทยาศาสตร์ เนื่องจากพวกมันนำข้อมูลอันมีค่าเกี่ยวกับระบบดาวเคราะห์ต่างด้าวที่พวกมันถือกำเนิดมาด้วย Michal Drahus จากมหาวิทยาลัยจากีลโลเนียน เช่นกัน กล่าวว่า ในทันใด เราก็เข้าใจว่ามีก๊าซนิกเกิลปรากฏในชั้นบรรยากาศดาวหางในมุมอื่นของกาแลคซีด้วย

เส้นสเปคตรัมเปล่งคลื่น(emission lines) จากอะตอมนิกเกิลในรูปก๊าซในช่วงสเปคตรัมอุลตราไวโอเลตใกล้จากดาวหางโบริซอฟ(2I/Borisov)

      การศึกษาทั้งสองงานเผยแพร่ใน Nature วันที่ 20 พฤษภาคม เมื่อทีมโปแลนด์เสนอผลการศึกษาให้กับวารสาร บรรณาธิการก็บอกพวกเขาว่ามีรายงานอีกฉบับเกี่ยวกับนิกเกิลจากดาวหางเย็นที่เพิ่งมาถึงหลังทีมโปลเพียงสัปดาห์เดียว ทั้งสองทีมไม่เคยรู้เรื่องงานวิจัยของอีกทีมมาก่อน และไม่มีใครในทีมที่ได้พูดคุยกันมาก่อน

      เช่นเดียวกับวัตถุข้ามระบบดวงแรกที่พบ 1I/’Oumuamua วงโคจรที่ไม่ปกติของโบริซอฟก็ทำให้มันถูกจำแนกเป็นวัตถุข้ามระบบ อย่างไรก็ตาม การศึกษาในช่วงต้นได้พบว่าโบริซอฟดูจะคล้ายกับดาวหางที่ก่อตัวในระบบสุริยะของเราอย่างมาก แต่เมื่อศึกษาต่อๆ ไป ก็เผยให้เห็นรายละเอียดที่ไม่ปกติบางอย่าง เมื่อสองเดือนที่แล้ว ทีมวิจัย 2 ทีมได้รายงานว่าชั้นบรรยากาศของโบริซอฟนั้นเต็มไปด้วยฝุ่นที่ละเอียดมาก ซึ่งเป็นสัญญาณว่าดาวหางดวงนี้ไม่เคยได้พบเจอความร้อนจากดาวฤกษ์อื่นใดมาก่อนที่จะเข้ามาในระบบ ดาวหางตัวอย่างเดียวที่เคยพบฝุ่นละเอียดจำนวนมากก็คือ เฮลล์-บอพพ์(C/1995 O1 Hale-Bopp) ซึ่งคิดกันว่าเคยเข้ามาในระบบสุริยะส่วนในก่อนหน้านี้หนึ่งครั้งเมื่อราว 4000 ปีก่อน  

     การตรวจพบนิกเกิลทั้งดาวหางโบริซอฟและดาวหางในระบบก็ยิ่งยืนยันความคล้ายคลึงของพวกมัน การมีอยู่ของไซยาไนด์, คาร์บอนอะตอมคู่, ไฮโดรเจนไซยาไนด์, คาร์บอนมอนอกไซด์ และสารประกอบอื่นๆ ก็บอกว่ามีองค์ประกอบที่คล้ายกับดาวหางในระบบบางดวงที่มีคาร์บอมอนอกไซด์ในปริมาณสูงผิดปกติ ทีมยังอยากจะสำรวจดาวหางข้ามระบบอื่นๆ แม้ว่าจะยังไม่เห็นวี่แววการมา

แหล่งข่าว skyandtelescope.com - interstellar and solar system comets share a surprising ingredient: nickel
                 phys.org – heavy metal vapors unexpectedly found in comets throughout our solar system – and beyond