WASP-189b ดาวเคราะห์ที่มีชั้นบรรยากาศยิบย่อย

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ WASP-189b 

     ชั้นบรรยากาศของโลกนั้นไม่ได้เป็นชั้นห่อหุ้มที่เป็นเนื้อเดียวกันตลอด แต่ประกอบด้วยชั้นย่อยที่แตกต่าง โดยแต่ละชั้นก็มีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ ยกตัวอย่างเช่น โทรโพสเฟียร์(troposphere) อยู่ล่างสุดซึ่งแผ่ตั้งแต่ระดับน้ำทะเลเลยยอดเขาที่สูงที่สุดบนโลกไปอีก ประกอบด้วยไอน้ำเกือบทั้งหมด และจึงเป็นชั้นที่ปรากฏการณ์ประหลาดทางภูมิอากาศเกือบทั้งหมดปรากฏขึ้น ชั้นที่อยู่สูงขึ้นมาเป็น สตราโตสเฟียร์(stratosphere) เป็นชั้นที่มีโอโซนที่ปกป้องเราจากการแผ่รังสีอุลตราไวโอเลตจากดวงอิทตย์ที่เป็นอันตราย

     ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Nature Astronomy วันที่ 27 มกราคม ทีมนักวิจัยนานาชาติซึ่งนำโดยมหาวิทยาลัยลุนด์ในสวีเดน โดยมีมหาวิทยาลัยเบิร์นและมหาวิทยาลัยเจนีวาร่วมทีม ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่สุดขั้วที่สุดดวงหนึ่ง อาจจะมีชั้นย่อยที่คล้ายๆ กันนี้ด้วยเช่นกัน แม้ว่าจะมีคุณลักษณะที่แตกต่างออกไปมาก

     WASP-189b เป็นดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะของเรา อยู่ห่างจากโลกออกไป 322 ปีแสง การสำรวจดาวเคราะห์ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศคีออปส์(CHEOPS) ในปี 2020 อย่างเข้มข้นได้เผยให้เห็นสิ่งต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ใกล้กว่าโลกรอบดวงอาทิตย์ราว 20 เท่า โคจรครบรอบในเวลาเพียง 2.7 วัน และมีอุณหภูมิด้านกลางวัน 3200 องศาเซลเซียส การสำรวจการผ่านหน้า(transit) สามครั้งล่าสุดด้วยสเปคโตรกราฟ HARPS ที่หอสังเกตการณ์ลา ซิลญา ในชิลี เป็นครั้งแรกที่ช่วยให้นักวิจัยได้ตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์คล้ายดาวพฤหัสฯ ดวงนี้อย่างใกล้ชิดมากขึ้น

ชั้นบรรยากาศโลกแบ่งเป็นชั้นย่อยได้ดังในภาพ 

     เราตรวจสอบแสงที่มาจากดาวฤกษ์แม่ของดาวเคราะห์เมื่อมันผ่านทะลุชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ ก๊าซในชั้นบรรยากาศนี้ดูดกลืนแสงดาวฤกษ์บางส่วนไว้ คล้ายกับที่โอโซนในชั้นบรรยากาศโลกได้ดูดกลืนแสงอาทิตย์ไว้บางส่วน ซึ่งจะทิ้งรอยนิ้วมือที่เป็นเอกลักษณ์ไว้ ด้วยความช่วยเหลือจาก HARPS เราก็สามารถจำแนกองค์ประกอบได้ Bibiana Prinoth ผู้เขียนนำการศึกษา และนักศึกษาปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยลุนด์ อธิบาย ก๊าซที่ทิ้งร่องรอยในชั้นบรรยากาศ WASP-189b ประกอบด้วยเหล็ก, โครเมียม, วาเนเดียม, มักนีเซียม และมังกานีส แม้มนุษย์อย่างเรามักจะไม่ได้นึกถึงว่าโลหะเหล่านี้จะอยู่ในรูปก๊าซ แต่ไม่ใช่เรื่องที่น่าประหลาดใจเมื่อพิจารณาจากอุณหภูมิที่ร้อนจัดของ WASP-189b  

     แต่ก๊าซที่น่าสนใจเป็นพิเศษชนิดหนึ่งที่ทีมพบเป็นก๊าซที่มีไทเทเนียมเป็นองค์ประกอบ คือ ไทเทเนียมออกไซด์ ในขณะที่ไทเทเนียมออกไซด์พบได้น้อยมากๆ บนโลก มันก็อาจแสดงบทบาทสำคัญในชั้นบรรยากาศของ WASP-189b คล้ายกับบทบาทของโอโซนในชั้นบรรยากาศโลก ไทเทเนียมออกไซด์ดูดกลืนการแผ่รังสีคลื่นสั้นเช่น ยูวี การตรวจจับมันจึงบ่งชี้ถึงชั้นในชั้นบรรยากาศของ WASP-189b ที่มีปฏิสัมพันธ์กับการแผ่รังสีของดาวคล้ายกับที่ชั้นโอโซนบนโลกมี Kevin Heng ผู้เขียนร่วมการศึกษา ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเบิร์น สมาชิก NCCR(National Centre of Competence in Research) PlanetS อธิบาย

ชั้นโอโซนในชั้นบรรยากาศโลก ช่วยสะท้อนอุลตราไวโอเลตพลังงานสูง(UV-B, C) ออกไป ยอมให้ UV-A ผ่านเข้ามาเป็นบางส่วน ในขณะที่นักบินอวกาศจะรับได้รังสียูวีเต็มๆ รวมถึงรังสีอื่นๆ ในอวกาศด้วย 

     ในความเป็นจริง นักวิจัยได้พบร่องรอยของชั้นลักษณะนี้และชั้นอื่นๆ บนดาวเคราะห์คล้ายดาวพฤหัสฯ ที่ร้อนจัด ในการวิเคราะห์ของเรา เราได้เห็นร่องรอยของก๊าซต่างๆ ส่งผลแตกต่างไปเล็กน้อยจากที่คาดไว้ HARPS ไม่สามารถแยกแยะได้โดยตรงว่าสารเคมีเรียงตัวในชั้นบรรยากาศอย่างไร และนักวิทยาศาสตร์เองก็ไม่สามารถสำรวจความเป็นชั้นนี้ได้ อย่างไรก็ตาม ร่องรอยสารเคมีที่พบได้รับอิทธิพลจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์(Doppler effect) เดียวกัน ในการวิเคราะห์ นักวิจัยได้พบผลจากดอปเปลอร์ที่แตกต่างกันเล็กน้อยในสารเคมีแต่ละชนิด ซึ่งบอกว่าพวกมันเคลื่อนที่ในชั้นบรรยากาศอย่างแตกต่างกัน และก็บอกถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนได้

     เราเชื่อว่าลมที่รุนแรงและกระบวนการอื่นๆ น่าจะสร้างการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ และเนื่องจากร่องรอยของก๊าซต่างๆ ก็มีดอปเปลอร์ในแบบที่แตกต่างกัน เราคิดว่านี่บ่งชี้ว่าพวกมันปรากฏอยู่ในชั้นที่แตกต่างกัน คล้ายกับร่องรอยของไอน้ำและโอโซนบนโลกที่น่าจะส่งผล(ดอปเปลอร์) แตกต่างกัน เมื่อสำรวจจากระยะไกล เนื่องจากพวกมันเกือบทั้งหมดปรากฏอยู่ในชั้นในชั้นบรรยากาศที่ต่างกัน Prinoth อธิบาย ผลสรุปเหล่านี้อาจจะเปลี่ยนวิธีที่นักดาราศาสตร์สำรวจดาวเคราะห์นอกระบบไป

     ในอดีต นักดาราศาสตร์มักจะสันนิษฐานว่าชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบปรากฏเป็นชั้นที่เป็นเนื้อเดียวกัน และพยายามจะเข้าใจมันทั้งอย่างนั้น แต่ผลสรุปของเราได้แสดงว่าแม้แต่ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่อาบรังสีที่รุนแรงมาก ก็มีโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน Jens Hoeijmakers ผู้เขียนร่วมการศึกษาจากมหาวิทยาลัยลุนด์ ชี้ให้เห็น เราเชื่อว่าถ้าจะสามารถเข้าใจดาวเคราะห์ชนิดนี้และชนิดอื่นๆ ซึ่งรวมถึงพวกที่คล้ายกับโลกมากกว่า ได้อย่างถี่ถ้วนแล้ว เราต้องยอมรับธรรมชาติชั้นบรรยากาศที่เป็นสามมิติ นี่ต้องการนวัตกรรมด้านเทคนิคการวิเคราะห์ข้อมูล, แบบจำลองคอมพิวเตอร์ และทฤษฎีชั้นบรรยากาศพื้นฐาน Kevin Heng กล่าวสรุป เป็นเรื่องที่น่ายินดีที่การส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ จะช่วยในการตรวจสอบชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบได้

 

แหล่งข่าว phys.org : extreme exoplanet has a complex and exotic atmosphere
                space.com : bizarre alien planet has layered atmosphere of vaporized metals