จากมินิเนปจูนกลายสภาพเป็นซุปเปอร์เอิร์ธ

 

     นักดาราศาสตร์ได้จำแนกกรณีดาวเคราะห์ “มินิเนปจูน” ที่แตกต่างกัน 2 กรณี ซึ่งกำลังสูญเสียชั้นบรรยากาศพองฟูของพวกมันออกไป และน่าจะแปรสภาพเป็นดาวเคราะห์ “ซุปเปอร์เอิร์ธ” การแผ่รังสีจากดาวฤกษ์แม่ของดาวเคราะห์กำลังฉีกชั้นบรรยากาศของพวกมันออก ผลักดันให้ก๊าซร้อนหนีออกมาราวกับเป็นไอน้ำจากหม้อต้มน้ำเดือดพล่าน การค้นพบนี้เผยแพร่เป็นรายงานสองฉบับใน Astronomical Journal ช่วยเติมแต่งภาพที่ว่าพิภพที่น่าพิสวงเหล่านั้นก่อตัวและพัฒนาตัวอย่างไร

     มินิเนปจูน(mini-Neptune) เป็นดาวเคราะห์นอกระบบ(exoplanet) ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นนอกระบบสุริยะของเรา พิภพเหล่านี้เป็นเนปจูนในแบบที่มีขนาดเล็กกว่า, หนาแน่นสูงกว่า ประกอบด้วยแกนกลางที่เป็นหินขนาดใหญ่ ล้อมรอบด้วยชั้นก๊าซหนาทึบ ในการศึกษาใหม่ ทีมนักาดราศาสตร์ที่นำโดยสถาบันเทคโนดลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย ได้ใช้หอสังเกตการณ์เคก บนยอดเมานาคี ฮาวาย เพื่อศึกษาหนึ่งในสองมินิเนปจูนในระบบดาวเคราะห์ที่เรียกว่า TOI 560 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 103 ปีแสง และพวกเขาใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเพื่อตรวจสอบมินิเนปจูนอีก 2 ดวงที่โคจรรอบ HD 63433 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 73 ปีแสง

ดาวเคราะห์นอกระบบชนิดต่างๆ แบ่งตามขนาด ในระบบสุริยะของเราจะไม่มีดาวเคราะห์ชนิด ซุปเปอร์เอิร์ธ ซึ่งเป็นพิภพหินขนาดใหญ่กว่าโลก และมินิเนปจูนซึ่งเป็นพิภพก๊าซที่มีขนาดเล็กกว่าเนปจูน 

     ผลสรุปได้แสดงว่าก๊าซในชั้นบรรยากาศกำลังหนีออกจากมินิเนปจูนวงในสุดในระบบ TOI 560 ที่เรียกว่า TOI 560.01 และจาก HD 63433c มินิเนปจูนวงนอกสุดในระบบ HD 63433 สิ่งนี้บอกว่าพวกมันน่าจะกำลังเปลี่ยนเป็นซุปเปอร์เอิร์ธ(super-Earth) ซึ่งเป็นพิภพหินที่มีขนาดได้ถึงเกือบสองเท่ารัศมีโลก นักดาราศาสตร์เกือบทุกคนสงสัยว่า มินิเนปจูนขนาดเล็กจะต้องมีชั้นบรรยากาศที่กำลังระเหยไป Michael Zhang ผู้เขียนนำในรายงานทั้งสองฉบับ นักศึกษาที่คาลเทค กล่าว แต่ไม่มีใครเคยพบกระบวนการนี้แบบคาหนังคาเขาจนกระทั่งบัดนี้

     การศึกษายังพบว่า ก๊าซรอบๆ TOI 560.01 กำลังหนีเข้าสู่ดาวฤกษ์แม่ของมันซึ่งเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ Heather Knutson ศาสตาจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ อาจารย์ที่ปรึกษาของ Zhang และผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าวว่า นี่เป็นเรื่องที่ไม่คาดถึงเมื่อแบบจำลองเกือบทั้งหมดได้ทำนายว่าก๊าซน่าจะไหลออกห่างจากดาวฤกษ์ เรายังต้องเรียนรู้อีกมากว่าการไหลออกเหล่านี้เกิดได้อย่างไร

     นับตั้งแต่การค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ ถูกพบในกลางทศวรรษ 1990 ก็มีการค้นพบดาวเคราะห์อีกหลายพันดวง หลายๆ ดวงในนี้โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ในระยะใกล้ และพิภพหินที่มีขนาดเล็กก็มักจะแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มคือ มินิเนปจูน และซุปเปอร์เอิร์ธ ดาวเคราะห์ชนิดเหล่านี้ไม่พบในระบบของเรา โดยซุปเปอร์เอิร์ธอาจมีขนาดใหญ่ได้ถึง 1.6 เท่าโลก(หรืออาจจะถึง 1.75 เท่าโลก) ในขณะที่มินิเนปจูนจะอยู่ระหว่างสองถึงสี่เท่ารัศมีโลก แต่กลับมีการค้นพบดาวเคราะห์ไม่กี่ดวงที่มีขนาดอยู่ระหว่างกลาง ราว 1.75 ถึง 2 เท่ารัศมีโลก(เรียกว่า ช่องว่างมวลฟูลตัน; Fulton gap) ของทั้งสองกลุ่มนี้

Fulton Gap

      คำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับช่องว่างขนาด ก็คือ มินิเนปจูนกำลังแปรสภาพเป็นซุปเปอร์เอิร์ธ มินิเนปจูนนั้นในทางทฤษฎีเป็นรังของชั้นบรรยากาศที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด ไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นสิ่งที่เหลืออยู่จากการก่อตัวดาวฤกษ์แม่ซึ่งก่อตัวขึ้นจากเมฆก๊าซ ถ้ามินิเนปจูนมีขนาดเล็กพอและอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มากพอ การแผ่รังสีอุลตราไวโฮเลตและรังสีเอกซ์ที่รุนแรงจากดาวฤกษ์แม่ก็สามารถฉีกชั้นบรรยากาศของมันออกไปได้ในเวลาเพียงไม่กี่ร้อยล้านปี ซึ่งนี่น่าจะเหลือทิ้งไว้แค่แกนหินซึ่งเป็นซุปเปอร์เอิร์ธที่มีรัศมีเล็กลงมา ซึ่งโดยทางทฤษฎีแล้ว ก็น่าจะยังรักษาชั้นบรรยากาศบางๆ คล้ายกับพบรอบดาวเคราะห์ของเราได้

     ดาวเคราะห์ในช่องว่างขนาดน่าจะมีชั้นบรรยากาศเพียงพอที่จะพองตัวออก ทำให้มันได้รับการแผ่รังสีจากดาวฤกษ์แม่มากขึ้น และก็เกิดการสูญเสียมวลอย่างรวดเร็ว Zhang กล่าว แต่ชั้นบรรยากาศก็ยังเบาบางพอที่จะหายไปอย่างรวดเร็ว นี่เป็นเหตุผลว่า เพราะเหตุใดดาวเคราะห์จึงไม่ได้อยู่ในช่องว่าง(มวล) นี้นานนัก

       แต่นักดาราศาสตร์ก็บอกว่ายังมีลำดับเหตุการณ์อื่นๆ ก็น่าจะอธิบายช่องว่างมวล ยกตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์หินขนาดเล็กกว่าอาจจะไม่เคยรวบรวมชั้นก๊าซห่อหุ้มได้เลยตั้งแต่แรก และมินิเนปจูนก็น่าจะเป็นพิภพน้ำและไม่ได้ถูกห่อหุ้มด้วยก๊าซไฮโดรเจน การค้นพบมินิเนปจูนสองดวงล่าสุด ซึ่งมีชั้นบรรยากาศหนีออกมา ได้กลายเป็นหลักฐานโดยตรงครั้งแรกที่สนับสนุนทฤษฎีว่ามินิเนปจูนกำลังเปลี่ยนเป็นซุปเปอร์เอิร์ธ

ภาพจากศิลปินแสดงมินิเนปจูน TOI 560.01 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 103 ปีแสงในกลุ่มดาวไฮดรา(Hydra) นักดาราศาสตร์ได้พบว่าดาวเคราะห์หินกำลังสูญเสียชั้นบรรยากาศที่บวมพองของมันออกไป และก๊าซนี้กลับไหลเข้าหาดาวฤกษ์อย่างไม่คาดคิด    

      นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับชั้นบรรยากาศที่หนีออกมาโดยการเฝ้าดูมินิเนปจูนผ่านหน้า(transit) ดาวฤกษ์แม่ของพวกมัน เราไม่สามารถมองเห็นดาวเคราะห์ได้โดยตรงแต่เมื่อพวกมันผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ เมื่อมองจากโลก กล้องโทรทรรศน์จะมองเห็นการดูดกลืนแสงดาวฤกษ์ โดยอะตอมในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ในกรณีของมินิเนปจูน TOI 560.01 นักวิจัยพบสัญญาณของฮีเลียม สำหรับระบบ HD 63433 ทีมได้พบสัญญาณของไฮโดรเจนในดาวเคราะห์วงนอกสุด(ดาวเคราะห์ c) แต่ไม่พบในดาวเคราะห์วงในกว่า(ดาวเคราะห์ b) ดาวเคราะห์วงในอาจจะสูญเสียชั้นบรรยากาศของมันไปเรียบร้อยแล้ว Zhang อธิบาย

      ความเร็วของก๊าซยังให้หลักฐานว่าชั้นบรรยากาศกำลังหนีออกมา ฮีเลียมที่พบรอบ TOI 560.01 กำลังเคลื่อนที่เร็วถึง 20 กิโลเมตรต่อวินาที ในขณะที่ไฮโดรเจนที่พบรอบ HD 63433c กำลังเคลื่อนที่เร็ว 50 กิโลเมตรต่อวินาที แรงโน้มถ่วงของมินิเนปจูนเหล่านี้ไม่ได้รุนแรงพอที่จะดึงก๊าซที่เคลื่อนที่เร็วเช่นนี้ได้ ขนาดของการไหลออกรอบดาวเคราะห์ก็ยังบ่งชี้ถึงชั้นบรรยากาศที่หนีออกมา โดยโคคูน(cocoon) ก๊าซรอบ TOI 560.01 มีขนาดอย่างน้อย 3.5 เท่ารัศมีดาวเคราะห์ และโคคูนรอบ HD 63433c มีขนาดอย่างน้อย 12 เท่ารัศมีดาวเคราะห์

     การสำรวจยังเผยให้เห็นว่าก๊าซที่ไหลออกจาก TOI 560.01 กำลังไหลเข้าหาดาวฤกษ์ การสำรวจมินิเนปจูนอื่นๆ ในอนาคตน่าจะเผยให้เห็นว่า TOI 560.01 เป็นตัวประหลาด หรือการไหลออกของชั้นบรรยากาศเข้าหาดาวฤกษ์เป็นเรื่องปกติ ในฐานะนักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบ เราได้เรียนรู้ที่จะพบในสิ่งที่ไม่คาดคิด Knutson กล่าว พิภพที่น่าพิศวงเหล่านี้กำลังสร้างความประหลาดใจให้เราอย่างต่อเนื่อง ด้วยฟิสิกส์ใหม่ๆ ที่อยู่นอกเหนือจากสิ่งที่เราได้สำรวจพบในระบบของเรา

 

แหล่งข่าว hubblesite.org : puffy planets lose atmospheres, become super-Earths
                skyandtelescope.com : astronomers watch the making of a super-Earth