ตรวจสอบชนิดไอโซโทปธาตุบนชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ

 

     นักดาราศาสตร์นานาชาติทีมหนึ่งเป็นกลุ่มแรกบนโลกที่ได้ตรวจจับไอโซโทปในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่ง เน้นย้ำถึงคาร์บอนรูปแบบที่แตกต่างกันในดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ TYC 8998-760-1b ที่อยู่ห่างออกไป 300 ปีแสงในกลุ่มดาวแมลงวัน(Musca) สัญญาณอ่อนๆ ที่ตรวจสอบได้โดยสเปคโตรกราฟ SINFONI บนกล้องโทรทรรศน์ใหญ่มาก(VLT) ในชิลี และดูเหมือนจะบ่งชี้ว่าดาวเคราะห์นี้ค่อนข้างอุดมไปด้วยคาร์บอน-13 นักดาราศาสตร์สงสัยว่านี่เป็นเพราะดาวเคราะห์ก่อตัวในระยะทางที่ไกลจากดาวฤกษ์แม่ของมัน งานวิจัยเผยแพร่ในวารสาร Nature

      ไอโซโทป(isotopes) เป็นอะตอมธาตุเดียวกันแต่มีรูปแบบที่ต่างกัน โดยมีนิวตรอนในนิวเคลียสในจำนวนที่ต่างกัน ยกตัวอย่างเช่น คาร์บอนซึ่งมี 6 โปรตอน ปกติจะมี 6 นิวตรอน(ก็คือ คาร์บอน-12) แต่บางครั้งก็มีนิวตรอน 7(คาร์บอน-13) หรือ 8(คาร์บอน-14) นี่ไม่ได้เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของคาร์บอนไปมากนัก แต่ไอโซโทปก่อตัวขึ้นด้วยวิธีที่ต่างกัน และมักจะมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันขึ้นอยู่ในสภาวะแวดล้อม ไอโซโทปจึงมักใช้ในงานวิจัยที่หลากหลายกว้างขวาง ตั้งแต่การตรวจสอบโรคระบบหัวใจและเส้นเลือด หรือมะเร็ง จนถึงการศึกษาการเปลี่ยนแปลงสภาวะอากาศ และตรวจสอบอายุของฟอสซิลและหิน

     นักดาราศาสตร์สามารถแยกแยะคาร์บอน-13 ออกจากคาร์บอน-12 ได้เนื่องจากมันดูดซับรังสีในสี(ช่วงความยาวคลื่น-ผู้แปล) ที่แตกต่างกันเล็กน้อย Yapeng Zhang นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยไลเดนในเนเธอร์แลนด์ส ผู้เขียนคนแรกในบทความนี้ กล่าวว่า นี่ค่อนข้างพิเศษที่เราสามารถตรวจสอบสิ่งนี้ได้บนชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่ง ที่อยู่ในระยะทางที่ไกลแบบนั้น

ธาตุคาร์บอนในธรรมชาติ พบได้ 3 ไอโซโทป ที่คุ้นเคยมากที่สุดก็คือ คาร์บอน-12 ในขณะที่ คาร์บอน-14 เป็นธาตุกัมมันตรังสี มีค่าครึ่งชีวิตประมาณ 5700 ปี 

     นักดาราศาสตร์คาดว่าจะตรวจพบว่าในทุกๆ 70 อะตอมของคาร์บอน จะมี 1 อะตอมที่เป็นคาร์บอน-13 แต่สำหรับดาวเคราะห์นี้ ปริมาณดูเหมือนจะมากเป็นสองเท่าซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในโมเลกุลก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ แนวคิดก็คือคาร์บอน-13 ที่สูงนั้นบางทีอาจจะมีความเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของดาวเคราะห์นอกระบบ Paul Molliere ผู้เขียนร่วมจากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ ในไฮเดลแบร์ก เจอรมนี กล่าวว่า ดาวเคราะห์ซึ่งอยู่ไกลจากดาวฤกษ์แม่ของมัน มากกว่าโลกไกลจากดวงอาทิตย์ 160 เท่า(เทียบกับพลูโตโคจรรอบดวงอาทิตย์ด้วยระยะห่างประมาณ 40 เท่าโลก-ดวงอาทิตย์) ด้วยระยะทางที่ไกลเช่นนั้น น้ำแข็งก็น่าจะก่อตัวขึ้นโดยมีคาร์บอน-13 อยู่มากกว่า เป็นสาเหตุให้มีสัดส่วนไอโซโทปนี้ในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ที่สูงในทุกวันนี้ พื้นที่นี้น่าจะอยู่เลยเส้นหิมะ(snow line) ของคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งคาร์บอนมอนอกไซด์จะควบแน่นและแข็งตัวเปลี่ยนจากก๊าซเป็นน้ำแข็ง(ก๊าซที่แตกต่างกันจะมีเส้นหิมะที่แตกต่างกัน)

     ในระบบสุริยะของเราเองก็มีปรากฏการณ์ประหลาดคล้ายๆ กันเมื่อเนปจูนและยูเรนัสนั้นอุดมไปด้วยดิวทีเรียม(deuterium) ไอโซโทปไฮโดรเจนแบบหนักที่มี 1 โปรตอนและ 1 นิวตรอน(ไฮโดรเจนปกติ ไม่มีนิวตรอน) มากกว่าดาวพฤหัสฯ นี่เป็นผลจากการก่อตัวดาวเคราะห์ที่อยู่เลยเส้นหิมะของน้ำออกไป

อัตราส่วน ดิวทีเรียม/ไฮโดรเจน(D/H ratio) ของดาวเคราะห์วงนอกและวัตถุขนาดเล็กอื่นๆ ในระบบสุริยะ จะมีรูปแบบที่บ่งบอกถึงแหล่งกำเนิด จะเห็นได้ชัดเจนว่า ดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ซึ่งจัดเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์(gas giants) มีดิวทีเรียมอยู่น้อยกว่า ยูเรนัสและเนปจูนซึ่งเป็นดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์(ice giants)  credit: esa.int

     ดาวเคราะห์นอกระบบเอง ถูกพบเมื่อสองปีก่อนนี้เองด้วยการถ่ายภาพโดยตรง ด้วยขนาดที่ใหญ่เป็นสองเท่าดาวพฤหัสฯ และมวล 14 เท่า มันจึงค่อนข้างสว่างเมื่อสะท้อนแสงจากดาวฤกษ์แม่ โดยนักศึกษาปริญญาเอกจากไลเดน Alexander Bohn ผู้เขียนร่วมบทความนี้ มันเยี่ยมไปเลยที่การค้นพบนี้เกิดขึ้นกับดาวเคราะห์ของผม มันอาจจะเป็นดวงแรกๆ ในอีกหลายดวงต่อมา Ignas Snellen ศาสตาจารย์ที่ไลเดน เป็นแรงผลักดันเบื้องหลังหัวข้อนี้ จึงภูมิใจเป็นพิเศษ ความคาดหวังก็คือไอโซโทปในอนาคตจะช่วยให้เข้าใจได้ถ่องแท้ว่า ดาวเคราะห์ก่อตัวอย่างไร, ในที่ใดและเมื่อใด นี่ยังเพิ่งแค่เริ่มต้น

 

แหล่งข่าว phys.org : first measurement of isotopes in atmosphere of exoplanet
                sciencealert.com : isotopes detected in the atmosphere of an exoplanet for the first time