ร่องรอยสนามแม่เหล็กบนดาวเคราะห์นอกระบบ

 

ภาพจากศิลปินแสดง HAT-P-11b เป็นดาวเคราะห์ขนาดพอๆ กับเนปจูนซึ่งเป็นดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงแรกที่พบว่ามีสนามแม่เหล็ก

     นักวิจัยได้จำแนกสัญญาณสนามแม่เหล็กรอบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้เป็นครั้งแรก สนามแม่เหล็กของโลกทำหน้าที่เป็นเหมือนเกราะต้านทานอนุภาคทรงพลังจากดวงอาทิตย์ที่เรียกว่า ลมสุริยะ สนามแม่เหล็กบนดาวเคราะห์อื่นๆ ก็น่าจะมีบทบาทที่คล้ายๆ กันนี้

     ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้ใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลได้พบสัญญาณของสนามแม่เหล็กบนดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่อยู่นอกระบบสุริยะของเรา การค้นพบนี้เผยแพร่เป็นรายงานในวารสาร Nature Astronomy ฉบับวันที่ 16 ธันวาคม 2021 เป็นครั้งแรกที่มีการพบเห็นรายละเอียดลักษณะนี้บนดาวเคราะห์นอกระบบ

     สนามแม่เหล็กเป็นคำอธิบายที่ดีที่สุดในการสำรวจพบพื้นที่อนุภาคคาร์บอนมีประจุที่แผ่ล้อมดาวเคราะห์ และไหลเป็นกระแสออกจากดาวเคราะห์เป็นหางยาว สนามแม่เหล็กแสดงบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการปกป้องชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ดังนั้น ความสามารถในการตรวจจับสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์นอกระบบจึงเป็นก้าวย่างที่สำคัญสู่ความเข้าใจว่าพิภพต่างด้าวเหล่านี้อาจจะมีลักษณะอย่างไร ได้ดีขึ้น

     ทีมใช้ฮับเบิลในการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบ HAT-P-11b ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ขนาดพอๆ กับเนปจูนอยู่ห่างออกไป 123 ปีแสงจากโลก มันผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ของมันทุกๆ 5 วัน ฮับเบิลทำการสำรวจการผ่านหน้าในช่วงอุลตราไวโอเลต 6 ครั้งซึ่งเลยจากช่วงที่สายตามนุษย์มองเห็นได้ ฮับเบิลได้พบคาร์บอนไอออน เป็นอนุภาคมีประจุซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็ก ล้อมรอบดาวเคราะห์ในลักษณะที่เรียกว่า มักนีโตสเฟียร์(magnetosphere) มันเป็นพื้นที่รอบวัตถุฟากฟ้า(เช่น โลก) ที่ก่อตัวขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ของวัตถุกับลมดวงดาว(stellar wind) ที่ดาวฤกษ์แม่ปล่อยออกมา

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างลมสุริยะ(solar wind) กับสนามแม่เหล็กโลก ทำให้เกิดรายละเอียดแม่เหล็กต่างๆ ขึ้นในสภาพแวดล้อม 

     นี่เป็นครั้งแรกที่สามารถตรวจจับสัญญาณของสนามแม่เหล็กจากดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเราได้โดยตรง Gilda Ballester ศาสตราจารย์วิจัยวุฒิคุณที่ห้องทดลองดวงจันทร์และดาวเคราะห์ มหาวิทยาลัยอริโซนา และหนึ่งในผู้เขียนร่วมรายงานนี้ กล่าว สนามแม่เหล็กที่รุนแรงบนดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกสามารถปกป้องชั้นบรรยากาศและพื้นผิวของมัน จากการระดมชนโดยตรงของอนุภาคทรงพลังที่เป็นองค์ประกอบในลมสุริยะ กระบวนการเหล่านี้ส่งผลอย่างใหญ่หลวงต่อวิวัฒนาการของชีวิตบนดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกเนื่องจากสนามแม่เหล็กปกป้องสิ่งมีชีวิตจากอนุภาคทรงพลังเหล่านี้

     การค้นพบมักนีโตสเฟียร์ของ HAT-P-11b เป็นก้าวย่างที่สำคัญสู่ความเข้าใจความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดาวเคราะห์นอกระบบสักดวงที่ดีขึ้น ไม่ใช่ว่าดาวเคราะห์และดวงจันทร์ทั้งหมดในระบบของเราจะมีสนามแม่เหล็กของมันเอง และยังต้องศึกษาความเชื่อมโยงระหว่างสนามแม่เหล็กกับความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดาวเคราะห์เพิ่มเติม นักวิจัยบอก HAT-P-11b ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นเป้าหมายที่น่าตื่นเต้นเนื่องจากการสำรวจการผ่านหน้าในช่วงยูวีของฮับเบิล ได้เผยให้เห็นมักนีโตสเฟียร์, เห็นทั้งองค์ประกอบไอออนที่แผ่ขยายออกไปรอบดาวเคราะห์ และไอออนที่หนีออกมาเป็นหางยาว Ballester กล่าว วิธีการทั่วไปจะสามารถใช้เพื่อตรวจจับมักนีโตสเฟียร์บนดาวเคราะห์นอกระบบได้หลากหลาย และเพื่อประเมินบทบาทของพวกมันในศักยภาพความสามารถในการเอื้ออาศัยได้

     คาร์บอนไอออนที่พบในหางยาวยังหนีออกจากดาวเคราะห์ด้วยความเร็วเฉลี่ย 160,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หางมีความยาวในอวกาศอย่างน้อย 1 หน่วยดาราศาสตร์(astronomical unit; ระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์) นักวิจัยที่นำโดยผู้เขียนคนแรกในรายงาน Lotfi Ben-Jaffel จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์ในปารีส ได้ใช้แบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์สามมิติเพื่อจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่ในชั้นบรรยากาศส่วนบนสุดของดาวเคราะห์และสนามแม่เหล็ก กับลมดวงดาวที่วิ่งเข้ามา

การสำรวจจากฮับเบิลได้พบพื้นที่ที่มีอนุภาคคาร์บอนมีประจุแผ่ล้อมรอบดาวเคราะห์นอกระบบ HAT-P-11b และกระแสไอออนที่ไหลออกมาเป็นหางยาว ซึ่งอธิบายได้ดีที่สุดด้วยการมีสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นการค้นพบโดยตรงเป็นครั้งแรกบนดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเรา ดาวเคราะห์แสดงเป็นวงกลมขนาดเล็กใกล้กลางภาพ คาร์บอนไอออนพบอยู่ในพื้นที่รอบดาวเคราะห์ ในมักนีโตเทลซึ่งไม่ได้แสดงตามสัดส่วนจริง ไอออนหนีออกมาด้วยความเร็วประมาณ 160,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง หางยาวไปประมาณ 1 AU หรือระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์

     เช่นเดียวกับสนามแม่เหล็กของ HAT-P-11b และสภาพแวดล้อมอวกาศรอบๆ โลกที่มีปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะที่หลั่งไหลเข้ามา ก็ประกอบด้วยอนุภาคมีประจุที่เดินทางด้วยความเร็วประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กของ HAT-P-11b และสภาพแวดล้อมอวกาศรอบๆ ดาวเคราะห์ กับลมดวงดาวจากดาวฤกษ์แม่ เป็นเรื่องที่ซับซ้อน Ballester อธิบาย อย่างไรก็ตาม ฟิสิกส์ในมักนีโตสเฟียร์ของโลกกับ HAT-P-11b ก็คล้ายกัน อย่างไรก็ตาม ดาวเคราะห์อยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่อย่างมาก เพียงหนึ่งในยี่สิบส่วนระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ เป็นสาเหตุให้ชั้นบรรยากาศส่วนบนของมันอบอุ่นและแทบจะเดือดระเหยออกสู่อวกาศ เป็นผลให้เกิดการก่อตัวของหางแม่เหล็ก(magnetotail) และเมื่อห้าปีก่อน ยังได้พบสัญญาณวิทยุมาจาก HAT-P-11b ด้วยซึ่งน่าจะเป็นเพราะฟ้าผ่ารุนแรงบ่อยครั้งได้สร้างไฮโดรเจนไซยาไนด์ในชั้นบรรยากาศ

     นักวิจัยยังพบว่าความเป็นโลหะ(metallicity) ในชั้นบรรยากาศของ HAT-P-11b ซึ่งเป็นปริมาณของธาตุทางเคมีที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียมบนวัตถุ ก็ต่ำกว่าที่คาดไว้ ในระบบสุริยะของเรา ดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์(ice giant) อย่างเนปจูนและยูเรนัส นั้นอุดมไปด้วยโลหะแต่มีสนามแม่เหล็กที่อ่อน ในขณะที่ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์(gas giant) ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอย่างดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ มีความเป็นโลหะที่ต่ำและสนามแม่เหล็กที่รุนแรง ความเป็นโลหะในชั้นบรรยากาศของ HAT-P-11b ที่ต่ำ ท้าทายแบบจำลองการก่อตัวดาวเคราะห์นอกระบบปัจจุบัน

     แม้ว่า HAT-P-11b จะมีมวลเพียง 8% ของดาวพฤหัสฯ แต่เราคิดว่าดาวเคราะห์ดวงนี้ดูเหมือนพฤหัสฯ จิ๋วมากกว่าเนปจูน Ballester กล่าว องค์ประกอบในชั้นบรรยากาศของ HAT-P-11b ที่เราได้เห็นบอกว่ายังต้องทำงานอีกมากเพื่อปรับปรุงทฤษฎีปัจจุบันว่าด้วยดาวเคราะห์นอกระบบก่อตัวอย่างไรโดยรวม

แหล่งข่าว phys.org : astronomers detect signature of magnetic field on an exoplanet
               iflscience.com : first magnetic field found on a planet outside our solar system