ฤดูที่แตกต่างบนดาวเคราะห์ และหลักชัยใหม่ของ TESS

 

ดาวเคราะห์ XO-3b ดาวเคราะห์นอกระบบชนิดพฤหัสร้อน ในวงโคจรที่รี

     ลองจินตนาการว่าอยู่ในที่ที่ลมมีความรุนแรงมากถึงความเร็วเสียง นี่เป็นสิ่งที่คาดว่าเกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศของ XO-3b หนึ่งในดาวเคราะห์นอกระบบชนิดหนึ่งที่เรียกว่า พฤหัสร้อน(hot Jupiters)

     วงโคจรที่รีของดาวเคราะห์ยังชักนำให้มีการแปรผันตามฤดูกาลที่รุนแรงกว่าที่เราพบบนโลกหลายร้อยเท่า ในรายงานล่าสุด ทีมวิจัยที่นำโดยมหาวิทยาลัยแมกกิลล์ ได้ให้แง่มุมใหม่ว่าฤดูกาลบนดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะสักดวงจะมีสภาพอย่างไร นักวิจัยยังบอกว่า วงโคจรรูปไข่, อุณหภูมิพื้นผิวที่สูงสุดขั้วถึง 2000 องศาเซลเซียส และความปุกปุย(puffiness) ของ XO-3b ยังเผยให้เห็นความเป็นมาของดาวเคราะห์ การค้นพบนี้น่าจะช่วยพัฒนาทั้งความเข้าใจว่าดาวเคราะห์นอกระบบก่อตัวและพัฒนาอย่างไร และให้บริบทสู่ดาวเคราะห์ในระบบของเราด้วย

     ดาวเคราะห์ชนิดพฤหัสร้อน เป็นพิภพก๊าซขนาดใหญ่พอๆ กับดาวพฤหัส ซึ่งโคจรอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่ของพวกมัน มากกว่าวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ แม้ว่าจะไม่พบดาวเคราะห์ชนิดนี้ในระบบของเรา แต่ก็ดูเหมือนว่าจะพบได้ทั่วทั้งกาแลคซีทางช้างเผือก แต่แม้จะเป็นดาวเคราะห์นอกระบบชนิดที่ถูกศึกษามากที่สุด แต่คำถามหลักก็ยังคงมีอยู่ว่าพวกมันก่อตัวขึ้นได้อย่างไร จะมีพฤหัสร้อนกลุ่มย่อยที่มีเรื่องราวการก่อตัวที่แตกต่างออกไปหรือไม่ ยกตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์เหล่านี้ก่อตัวขึ้นไกลจากดาวฤกษ์แม่ในระยะทางที่เย็นมากพอที่โมเลกุลอย่างน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งได้ หรือก่อตัวขึ้นใกล้กว่านั้น ลำดับเหตุการณ์แบบแรกสอดคล้องกับทฤษฎีการก่อตัวดาวเคราะห์ในระบบของเรามากกว่า แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าอะไรที่ผลักดันให้ดาวเคราะห์ชนิดนี้อพยพเข้ามาใกล้กับดาวฤกษ์แม่อย่างมาก

ดาวเคราะห์ชนิดพฤหัสร้อน(hot-Jupiters) เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ในระบบของเรา แต่โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ในวงโคจรที่ใกล้กว่าดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ จากองค์ประกอบที่เป็นก๊าซ บ่งบอกว่าดาวเคราะห์ชนิดนี้น่าจะก่อตัวไกลจากดาวฤกษ์แม่ออกไปและอพยพเข้ามาใกล้ โดยไม่ทราบสาเหตุ บางส่วนอาจจะถูกดึงจนถูกทำลายโดยดาวฤกษ์

     เพื่อทดสอบแนวความคิดเหล่านั้น ผู้เขียนจากทีมที่นำโดยแมกกิลล์ได้ใช้ข้อมูลจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์ซึ่งปลดเกษียณแล้ว ซึ่งตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ XO-3b พวกเขาสำรวจฤดูกาลของวงโคจรรี และตรวจสอบความเร็วลมบนดาวเคราะห์ ด้วยการสำรวจช่วงดาวเคราะห์เป็นเสี้ยวเมื่อมันโคจรครบรอบดาวฤกษ์แม่ 

     ดาวเคราะห์นี้เป็นกรณีศึกษาที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับพลวัตชั้นบรรยากาศและวิวัฒนาการภายใน เมื่อมันอยู่ในช่วงรอยต่อมวลดาวเคราะห์ที่ปกติแล้วจะเกิดกับพฤหัสร้อนที่มีมวลเบากว่านี้ Lisa Dang ผู้เขียนคนแรกในรายงานที่เผยแพร่ใน Astronomical Journal นักศึกษาปริญญาเอกที่แผนกฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยแมกกิลล์ XO-3b มีวงโคจรรูปไข่แทนที่จะเป็นวงโคจรกลมแบบพฤหัสร้อนอื่นๆ เกือบทั้งหมด นี่บอกว่ามันเพิ่งอพยพเข้าหาดาวฤกษ์แม่เมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งถ้าเป็นเช่นนั้น สุดท้าย มันก็จะไปอยู่ในวงโคจรที่กลม

      วงโคจรรีของดาวเคราะห์ยังนำไปสู่การแปรผันของฤดูกาลซึ่งรุนแรงกว่าที่เกิดบนโลกหลายร้อยเท่า Nicolas Cowan ศาสตราจารย์ที่แมกกิลล์ อธิบายว่า ดาวเคราะห์ทั้งดวงจะได้รับพลังงานเมื่อมันอยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่ในช่วงฤดูร้อนอันสั้นๆ มากเป็นสามเท่าของช่วงที่มันอยู่ไกลจากดาวฤกษ์ นักวิจัยยังได้ประเมินมวลและรัศมีของดาวเคราะห์ใหม่ และพบว่าดาวเคราะห์ปุกปุยกว่าที่คาดไว้อย่างน่าแปลกใจ พวกเขาบอกว่า แหล่งความร้อนที่เป็นไปได้น่าจะมาจากการหลอมนิวเคลียสที่ยังเหลืออยู่

ภาพจากศิลปินแสดงพฤหัสร้อนที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่อย่างมาก จนชั้นบรรยากาศระเหยออกมา ทำให้ดาวเคราะห์มีขนาดทางกายภาพใหญ่มากแต่ปุกปุยมาก

     การสำรวจโดยไกอาได้พบว่า ดาวเคราะห์ปุกปุยมากกว่าที่คาดไว้ซึ่งบ่งชี้ว่าภายในของมันจะต้องมีพลังอย่างท่วมท้น การสำรวจโดยสปิตเซอร์ยังบอกใบ้ว่าดาวเคราะห์ผลิตความร้อนจำนวนมากของมันได้ เนื่องจากการแผ่ความร้อนของดาวเคราะห์ไม่ได้แปรผันตามฤดูกาล การแผ่ความร้อนพบได้ตลอดทั้งปีของ XO-3b เป็นไปได้ที่ความร้อนส่วนเกินมาจากภายในของดาวเคราะห์เอง ผ่านกระบวนการที่เรียกว่า tidal heating แรงบีบความโน้มถ่วงจากดาวฤกษ์ที่มีต่อดาวเคราะห์ แปรผันไปตามวงโคจรรี ซึ่งนำดาวเคราะห์ออกไปไกลและจากนั้นก็เข้าใกล้ดาวฤกษ์ การเปลี่ยนแปลงแรงดันภายในเป็นผลให้เกิดการสร้างความร้อน

    สำหรับ Dang พฤหัสร้อนที่ไม่ปกติดวงนี้ ได้ให้โอกาสในการทดสอบความคิดว่ากระบวนการก่อตัวอันใดที่อาจจะสร้างคุณลักษณะจำเพาะของดาวเคราะห์เหล่านี้ขึ้นมา ยกตัวอย่างเช่น tidal heating ในพฤหัสร้อนดวงอื่นๆ ก็เป็นสัญญาณของการอพยพที่เพิ่งเกิดขึ้นไม่นานหรือไม่ XO-3b เพียงดวงเดียวไม่อาจไขปริศนานี้ได้ แต่มันจะทำหน้าที่เป็นชุดทดสอบสำหรับแนวคิดที่มีเกี่ยวกับยักษ์ร้อนระอุเหล่านี้

ภาพจากศิลปินแสดง TESS สำรวจทั้งท้องฟ้าเพื่อหาดาวเคราะห์นอกระบบที่กำลังผ่านหน้า  

    สำหรับปฏิบัติการนักล่าดาวเคราะห์นอกระบบในปัจจุบัน TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite) ก็มาถึงหลักชัยการค้นพบสำคัญ เมื่อมันได้พบสิ่งที่ทีมเรียกว่า TESS Objects of Interests(TOIs) ผ่านหลัก 5000 ดวงแล้ว TOIs เหล่านั้นรวมว่าที่ดาวเคราะห์และสัญญาณที่น่าสนใจอื่นๆ นักดาราศาสตร์จะเลือกวัตถุจาก TOIs เหล่านี้มาเพื่อศึกษาในรายละเอียดมากขึ้นและด้วยเครื่องมืออื่นๆ เพื่อให้เข้าใจว่าจริงๆ แล้ว TESS ได้เห็นอะไร สำหรับ TOI-5000 เป็นว่าที่ดาวเคราะห์นอกระบบสองดวงในระบบดาวเคราะห์เดียวกัน เป็นพฤหัสร้อนคู่หนึ่งซึ่งมีคาบการโคจรเพียง 5.5 และ 15.3 วันตามลำดับ

     โดยรวมแล้ว มี TOIs 176 ดวงที่ได้รับการยืนยันว่าเป็นดาวเคราะห์ นับตั้งแต่ที่ส่งปฏิบัติการออกสู่อวกาศในเดือนเมษายน 2018 เนื่องจากจะต้องใช้เวลาการสำรวจมากขึ้นเพื่อยืนยันว่าที่ดาวเคราะห์เหล่านั้นหลังจากที่พบ TOI นักวิทยาศาสตร์คาดว่าการยืนยันดาวเคราะห์จะล่าช้ากว่าการตรวจจับว่าที่ดาวเคราะห์อย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น Kepler ปฏิบัติการนักล่าดาวเคราะห์ก่อนหน้า TESS ได้จำแนกว่าที่ดาวเคราะห์มากกว่าสองพันดวงซึ่งก็ยังไม่ได้ยืนยัน แม้ว่าจะทำการสำรวจเสร็จสิ้นไปตั้งแต่ปี 2013 แล้วก็ตาม(ข้อมูลปฏิบัติการเคปเลอร์มีดาวเคราะห์ที่ยืนยันแล้วมากกว่า 2700 ดวง)

แผนที่ท้องฟ้าระบุตำแหน่งว่าที่ดาวเคราะห์นอกระบบหรือ TESS objects of interest(TOIs; วงกลมสีส้ม) มากกว่า 5000 ดวง

     ปฏิบัติเดิม TESS มีกำหนดเวลาการสำรวจสองปี โดยใช้เวลาครึ่งแรกกวาดไปทั่วซีกฟ้าใต้ และจากนั้นครึ่งหลังก็สลับมาที่ซีกฟ้าเหนือ เมื่อปฏิบัติการได้ขยายเวลาในเดือนกรกฎาคม 2020 TESS ก็กลับไปทำการสำรวจรูปแบบเดิมซ้ำอีกซึ่งขณะนี้กำลังสำรวจซีกฟ้าเหนือและระนาบสุริยวิถี ทีมหวังว่า TESS จะทำการสำรวจได้จนถึงอย่างน้อยปี 2025

     และขณะนี้ เมื่อประสบความสำเร็จในการส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์(JWST) ออกสู่อวกาศและคลี่กาง นักวิทยาศาสตร์ก็วาดหวังถึงการร่วมมือระหว่าง JWST กับ TESS ตั้งแต่เริ่มต้น เมื่อ TESS มีข้อมูลพื้นฐานเกี่ยวกับพิภพเหล่านี้ ต่อมา กล้องเวบบ์ก็น่าจะรับช่วงศึกษาในเบื้องลึกขึ้น   

แหล่งข่าว phys.org : new insights into seasons on a planet outside our solar system
                phys.org : NASA’s TESS hits milestone of 5000 exoplanet candidates
                skyandtelescope.com : exoplanet hunter racks up 5000 “objects of interest”