คู่มือสำรวจดาวเคราะห์ "พฤหัสร้อน"

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ชนิด "พฤหัสร้อน" เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่มีขนาดพอๆ กับดาวพฤหัสฯ ในระบบสุริยะของเรา แต่โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของพวกมันด้วยวงโคจรที่สั้นกว่า ดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ของเรา 

     พฤหัสร้อน(hot Jupiters) เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่วิ่งรอบดาวฤกษ์แม่ของพวกมันในวงโคจรที่แนบชิดอย่างมาก ก็ดูจะเป็นปริศนาน้อยลงต้องขอบคุณการศึกษาใหม่งานหนึ่งซึ่งรวมแบบจำลองทางทฤษฎีกับการสำรวจโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

     ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้านี้เกือบทั้งหมดมุ่งเป้าไปที่พิภพแต่ละแห่งที่ถูกจำแนกเป็น “พฤหัสร้อน” เนื่องจากความคล้ายคลึงอย่างมากกับดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ในระบบสุริยะของเราเอง แต่การศึกษาใหม่เป็นงานแรกที่มองประชากรพิภพกลุ่มนี้ในมุมที่กว้างขึ้น งานวิจัยเผยแพร่ใน Nature Astronomy นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอริโซนา ได้ให้ “คู่มือสำรวจ” สู่พฤหัสร้อนในรายละเอียดแก่นักดาราศาสตร์ และยังให้แง่มุมสู่การก่อตัวดาวเคราะห์โดยรวมด้วย

     แม้ว่านักดาราศาสตร์จะคิดว่ามีดาวฤกษ์เพียง 1 ใน 10 ดวงที่มีดาวเคราะห์นอกระบบในกลุ่มพฤหัสร้อนอยู่ แต่ก็พบพิภพพิสดารชนิดนี้ในสัดส่วนพอสมควรในบรรดาดาวเคราะห์นอกระบบที่พบจนถึงบัดนี้ เนื่องจากความจริงที่ว่า พวกมันมีขนาดใหญ่กว่าและสว่างกว่าดาวเคราะห์นอกระบบชนิดอื่นๆ อย่างเช่น ดาวเคราะห์หินที่คล้ายโลก หรือดาวเคราะห์ก๊าซขนาดเล็กกว่าและเย็นกว่า ด้วยขนาดตั้งแต่ราวหนึ่งในสามของดาวพฤหัสฯ จนถึง 10 เท่ามวลพฤหัสฯ พฤหัสร้อนทั้งหมดโคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของพวกมันในระยะที่ประชิดอย่างมาก โดยปกติจะใกล้กว่าวงโคจรดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่อยู่วงในสุดของระบบสุริยะของเราด้วยซ้ำ หนึ่งปีของพฤหัสร้อน ปกติจะยาวนานเพียงหลักชั่วโมง หรืออย่างมากที่สุดก็ไม่กี่วัน เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ดาวพุธใช้เวลาเกือบ 3 เดือนเพื่อเดินทางรอบดวงอาทิตย์

     เนื่องจากวงโคจรที่ประชิด จึงคิดว่าพฤหัสร้อนเกือบทั้งหมด(แต่ไม่ทั้งหมด) ถูกล๊อคไว้ในการโอบกอดความเร็วสูงกับดาวฤกษ์แม่ โดยมีด้านหนึ่งที่หันเข้าอาบรังสีแรงกล้าจากดาวฤกษ์แม่ตลอดกาล และอีกด้านซึ่งปกคลุมด้วยความมืดมิดอันเป็นนิรันดร์ พื้นผิวพฤหัสร้อนทั่วไปอาจจะร้อนได้ถึงเกือบ 3000 องศาเซลเซียส ในขณะที่บางดวงที่ “เย็นกว่า” ก็ยังสูง 750 องศาเซลเซียส ร้อนมากพอที่จะหลอมอะลูมินัมได้

ด้วยวงโคจรที่ใกล้ชิดกับดาวฤกษ์แม่อย่างมาก ทำให้พฤหัสร้อนหลายดวงถูกล๊อคไว้ด้วยแรงโน้มถ่วง(tidal lock) ทำให้ซีกโลกด้านหนึ่งของดาวเคราะห์หันเข้าหาดาวฤกษ์ตลอดเวลา ในขณะที่อีกซีกก็หันหนีออกจากดาวฤกษ์ตลอดกาล จุดที่หันเข้าหาดาวฤกษ์โดยตรงจะกลายเป็นจุดร้อน(hot spot) ดังในภาพจากศิลปิน เมื่อดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์ ตำแหน่งของจุดร้อนก็จะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเทียบกับแนวสายตาจากโลก 

     งานวิจัยซึ่งนำโดย Megan Mansfield นักวิจัยนาซาที่หอสังเกตการณ์สจ๊วต มหาวิทยาลัยอริโซนา ใช้การสำรวจจากกล้องฮับเบิลเพื่อให้ทีมได้ตรวจสอบสเปคตรัมการเปล่งคลื่นจากพฤหัสร้อนได้โดยตรง แม้ความจริงแล้วฮับเบิลจะไม่สามารถถ่ายภาพดาวเคราะห์เหล่านี้ได้โดยตรงก็ตาม ระบบเหล่านี้ทั้งดาวฤกษ์แม่และพฤหัสร้อน อยู่ห่างไกลเกินกว่าจะเห็นดาวและดาวเคราะห์ของมันได้เป็นดวงๆ Mansfield กล่าว สิ่งที่เราเห็นทั้งหมดเป็นแค่จุดๆ หนึ่ง เป็นแหล่งแสงที่รวมจากทั้งสองส่วน

     Mansfield และทีมใช้วิธีการที่เรียกว่า คราสทุติยภูมิ(secondary eclipsing) เพื่อสกัดข้อมูลจากการสำรวจซึ่งช่วยให้ทีมได้เจาะลึกสู่ชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ และช่วยให้ได้แง่มุมสู่โครงสร้างและองค์ประกอบเคมีของพวกมัน เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการสำรวจระบบแห่งเดิมซ้ำๆ จับดาวเคราะห์ในตำแหน่งต่างๆ ในวงโคจรของมัน ซึ่งรวมถึงเมื่อมันซ่อนอยู่เบื้องหลังดาวฤกษ์แม่ด้วย

     โดยปกติเราตรวจสอบแสงที่รวมจากดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ของมัน และเปรียบเทียบการตรวจสอบนั้นกับสิ่งที่เราได้เห็นเมื่อดาวเคราะห์ซ่อนอยู่หลังดาวฤกษ์ Mansfield กล่าว นี่ช่วยให้เราได้ลบแสงจากดาวฤกษ์ออก และแยกแสงที่เปล่งจากดาวเคราะห์ แม้ว่าเราจะมองไม่เห็นพวกมันโดยตรง

     ข้อมูลคราสนี้ช่วยให้นักวิจัยได้แง่มุมสู่โครงสร้างความร้อนในชั้นบรรยากาศพฤหัสร้อน และช่วยให้ทีมได้สร้างคุณสมบัติด้านอุณหภูมิและความดันของดาวเคราะห์แต่ละดวงได้ จากนั้น ทีมก็วิเคราะห์แสงช่วงอินฟราเรดใกล้ซึ่งเป็นช่วงความยาวคลื่นที่สายตามนุษย์มองไม่เห็น จากระบบที่มีพฤหัสร้อนเพื่อหาสิ่งที่เรียกว่า รายละเอียดการดูดกลืน(absorption features) เนื่องจากแต่ละโมเลกุลหรืออะตอม ก็มีคุณสมบัติการดูดกลืนแสงที่จำเพาะของมันเองเหมือนกับลายนิ้วมือ ด้วยการมองในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างจะช่วยให้นักวิจัยได้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบเคมีของพฤหัสร้อน ยกตัวอย่างเช่น ถ้ามีน้ำในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ มันจะดูดกลืนแสงที่ 1.4 ไมครอน ซึ่งจะอยู่ในช่วงที่ฮับเบิลมองเห็นได้ดี

ภาพกราฟฟิคแสดงการเกิดคราสปฐมภูมิ และคราสทุติยภูมิ 

     ด้วยวิธีนี้ เราใช้โมเลกุลเพื่อสแกนทั่วชั้นบรรยากาศของพฤหัสร้อนเหล่านั้น Mansfield กล่าว เราสามารถใช้สเปคตรัมที่สำรวจได้เพื่อให้ได้ข้อมูลว่ามีอะไรในชั้นบรรยากาศบ้าง และเรายังได้ข้อมูลว่าชั้นบรรยากาศมีสภาพอย่างไรด้วย

     ทีมยังก้าวไปอีกขั้นโดยการกรองข้อมูลจากการสำรวจและเปรียบเทียบมันกับแบบจำลองกระบวนการทางกายภาพที่เชื่อว่าเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศพฤหัสร้อน ข้อมูลทั้งสองส่วนสอดคล้องกันอย่างดีเยี่ยม ซึ่งยืนยันว่าการทำนายหลายๆ อย่างเกี่ยวกับธรรมชาติของดาวเคราะห์ อันมีพื้นฐานจากงานทางทฤษฎีนั้น ดูจะถูกต้อง Mansfield บอกว่า การค้นพบนี้น่าตื่นเต้นเนื่องจากมันบอกทุกอย่างนอกจากการการันตี

     ผลสรุปบอกว่าพฤหัสร้อนทั้งหมด ไม่เพียงแต่ 19 ดวงในการศึกษานี้ น่าจะมีชุดของโมเลกุลที่เหมือนกัน อย่างน้ำและคาร์บอนมอนอกไซด์ พร้อมทั้งโมเลกุลอื่นๆ ในปริมาณที่น้อยกว่า ความแตกต่างของพฤหัสร้อนแต่ละดวง น่าจะเป็นโมเลกุลต่างๆ เมื่อเปรียบเทียบแล้วมีปริมาณแตกต่างกัน การค้นพบยังเผยให้เห็นว่ารายละเอียดการดูดกลืนของน้ำที่สำรวจพบ แปรผันไปเล็กน้อยในพฤหัสร้อนแต่ละดวง

      เมื่อรวมๆ เข้าด้วยกันแล้ว ผลสรุปของเราบอกว่ามีโอกาสที่ดีที่เราจะมีภาพใหญ่ที่บอกได้ว่ากำลังเกิดอะไรขึ้นกับเคมีของดาวเคราะห์เหล่านี้ Mansfield กล่าว ในเวลาเดียวกัน ดาวเคราะห์แต่ละดวงก็มีองค์ประกอบเคมีของมันเอง และยังส่งผลต่อสิ่งที่เราได้เห็นในการสำรวจด้วย ผู้เขียนบอกว่าผลสรุปที่ได้ยังสามารถใช้เพื่อคาดการณ์ว่านักดาราศาสตร์อาจจะได้เห็นอะไรเมื่อตรวจสอบพฤหัสร้อนสักดวงที่ไม่เคยถูกศึกษามาก่อน    

ภาพจากศิลปินปี 2016 แสดงว่าพฤหัสร้อนที่มีอุณหภูมิและองค์ประกอบเคมีที่แตกต่างกัน น่าจะมีลักษณะปรากฏอย่างไร เมื่อนักบินอวกาศมองมันในช่วงกลางวัน

     การส่งกล้องโทรทรรศน์เรือธงงานใหม่ของนาซา คือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ซึ่งมีกำหนดในวันที่ 18 ธันวาคม ทำให้นักล่าดาวเคราะห์นอกระบบตื่นเต้นเนื่องจากกล้องเวบบ์จะสำรวจในแสงอินฟราเรดที่กว้างกว่า และจะช่วยให้การตรวจสอบดาวเคราะห์นอกระบบซึ่งรวมถึงพฤหัสร้อน เกิดขึ้นในรายละเอียดที่สูงกว่าอย่างมาก

     ยังคงมีอะไรอีกมากที่เรายังคงไม่รู้เกี่ยวกับว่าดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นได้อย่างไรโดยรวม และวิธีหนึ่งที่เราพยายามที่จะเข้าใจว่าก่อตัวขึ้นได้อย่างไร ก็คือการตรวจสอบชั้นบรรยากาศของพฤหัสร้อนเหล่านี้ และระบุว่าพวกมันไปอยู่ที่ตำแหน่งปัจจุบันของพวกมันได้อย่างไร Mansfield กล่าว ด้วยข้อมูลจากกล้องฮับเบิล เราได้เห็นแนวโน้มโดยการศึกษาการดูดกลืนจากน้ำ แต่เมื่อเรากำลังพูดถึงองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศโดยรวม ก็ยังมีโมเลกุลที่สำคัญอื่นๆ อีกที่คุณอยากจะตรวจสอบเช่น คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ กล้องเวบบ์จะให้โอกาสแก่เราให้ได้สำรวจสิ่งเหล่านั้นด้วยเช่นกัน

 

แหล่งข่าว spaceref.com : astronomers provide a field guide to exoplanets known as hot Jupiters