ธาตุหนักบนดาวพฤหัสฯ บอกถึงการกำเนิดของดาวเคราะห์

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ทารก(protoplanet) ดวงหนึ่งกำลังก่อตัวขึ้นภายในดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ของดาวฤกษ์ทารก(protostar)

     ดาวพฤหัสฯ นั้นประกอบด้วยก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด แต่ก็ยังมีธาตุที่หนักกว่าธาตุทั้งสองอยู่บ้างในจำนวนเล็กน้อย ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติได้พบว่าเปลือกก๊าซขนาดใหญ่ของดาวพฤหัสฯ ไม่ได้มีการกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกัน เปลือกส่วนในมีโลหะสูงกว่าเปลือกชั้นนอก

     โลหะ(metal; ในทางดาราศาสตร์หมายถึงธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม)) ซึ่งรวมๆ แล้วมีมวลระหว่าง 11 ถึง 30 เท่ามวลโลก ซึ่งก็หมายถึงว่า 3 ถึง 9% มวลรวมดาวพฤหัสฯ เลยทีเดียว ซึ่งมีความเป็นโลหะสูงมากพอที่จะสรุปได้ว่า อาจจะมีวัตถุก่อตัวดาวเคราะห์ระดับกิโลเมตร มามีบทบาทในการก่อตัวของดาวเคราะห์ งานวิจัยเผยแพร่ใน Astronomy & Astrophysics วันที่ 8 มิถุนายน

     เมื่อปฏิบัติการจูโน(Juno) ของนาซา บินไปถึงดาวพฤหัสฯ ในเดือนกรกฎาคม 2016 เราได้เห็นความงามอันน่าตะลึงของดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะของเรา นอกเหนือจากจุดแดงใหญ่(Great Red Spot) แล้ว ดาวพฤหัสฯ ก็ยังมีพายุเฮอริเคนอีกมาย แทบจะทำให้มันมีลักษณะปรากฏเหมือนกับภาพเขียนของวานก๊อก แต่โดยรวมแล้ว เรายังได้เห็นเพียงแค่ระดับผิวๆ ภาพเมฆและพายุทั้งหมดมีความหนาราว 50 กิโลเมตรในส่วนนอกสุดของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์เท่านั้น  

โครงสร้างและรายละเอียดต่างๆ ของดาวพฤหัสฯ ปฏิบัติการจูโนกำลังช่วยเราให้ปะติดปะต่อความเข้าใจเกี่ยวกับภายในของดาวพฤหัสฯ ให้ดีขึ้น

     จูโนยังได้รวบรวมข้อมูลซึ่งช่วยเปลี่ยนแปลงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวพฤหัสฯ ซึ่งกุญแจสู่การก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวพฤหัสฯ ฝังอยู่ลึกในชั้นบรรยากาศซึ่งมีความลึกหลายหมื่นกิโลเมตร หนึ่งในรายละเอียดของปฏิบัติการเป็นเครื่องมือวิทยาศาสตร์แรงโน้มถ่วง จูโนรับรู้แรงโน้มถ่วงเหนือตำแหน่งต่างๆ บนดาวพฤหัสฯ โดยส่งสัญญาณคลื่นวิทยุไปและกลับระหว่างยานกับสถานีรับสัญญาณบนโลก กระบวนการนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับสนามแรงโน้มถ่วงที่แต่ละจุดและบอกถึงองค์ประกอบภายในของดาวเคราะห์

     ทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติซึ่งนำโดย Yamila Miguel ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์จากหอสังเกตการณ์ไลเดน/SRON(The Netherlands Institute for Space Reseaerch) ได้พบว่าชั้นก๊าซที่ห่อหุ้มไม่ได้ผสมคลุกเคล้าจนเป็นเนื้อเดียวกันอย่างที่เคยคิดไว้ แต่กลับมีการกระจุกของโลหะ ในทิศทางเข้าสู่ใจกลางดาวเคราะห์ เพื่อหาข้อสรุป ทีมได้สร้างแบบจำลองทางทฤษฎีจำนวนหนึ่ง เพื่อสอดคล้องกับการสำรวจที่จูโนพบ โดยแบ่งแบบจำลองออกเป็น 2 กลุ่ม กลุ่มแรกเป็นแบบจำลองว่าภายในแบ่งได้สามชั้น(3-layer model) และกลุ่มที่สองเป็นแบบจำลองแกนกลางเลือน(diluted core model)

      ทีมได้ศึกษาการกระจายของโลหะเนื่องจากพวกมันจะให้ข้อมูลว่าดาวพฤหัสฯ ก่อตัวขึ้นได้อย่างไร โลหะดูจะไม่ได้กระจายตัวสม่ำเสมอเป็นเนื้อเดียวกันทั่วเปลือกก๊าซ โดยมีสัดส่วนสูงในเปลือกก๊าซส่วนในมากกว่าส่วนนอก ปริมาณโลหะโดยรวมอยู่ที่ระหว่าง 11 ถึง 30 เท่ามวลโลก ก็มีกลไกสองอย่างที่ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อย่างดาวพฤหัสฯ จะได้โลหะมาในระหว่างการก่อตัว

     คือ ผ่านการสะสม(accretion) จากก้อนกรวดขนาดเล็กจำนวนมากหรือวัตถุก่อตัวดาวเคราะห์(planetesimal) ที่มีขนาดใหญ่กว่า(ในระดับกิโลเมตรเป็นต้นไป) จำนวนหนึ่ง เราทราบว่าเมื่อดาวเคราะห์ทารกมีขนาดใหญ่มากพอ มันจะเริ่มผลักก้อนกรวดออกไป ซึ่งจะไม่สามารถบรรลุถึงปริมาณโลหะที่มีอุดมสมบูรณ์ภายในดาวพฤหัสฯ ที่ได้พบ ดังนั้น เราจึงสามารถตัดลำดับเหตุการณ์การก่อตัวจากก้อนกรวดเพียงอย่างเดียวออกไปได้ ในขณะที่วัตถุก่อตัวดาวเคราะห์นั้นมีขนาดใหญ่กว่าจะถูกผลักออกไปได้ ดังนั้น มันต้องมีบทบาทในการก่อตัว

นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองดาวพฤหัสฯ ที่แตกต่างกัน 2 อย่าง แบบจำลองภายในแบ่งสามชั้น(3-layer model) จะมีพื้นที่ที่แบ่งอย่างชัดเจน โดยมีแกนกลางที่เป็นโลหะ, พื้นที่ตรงกลางที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนโลหะ(metallic hydrogen) และเปลือกส่วนนอกที่เต็มไปด้วยก๊าซไฮโดรเจน(H2) ส่วนแบบจำลองแกนกลางเลือน(dilute core model) โลหะในแกนกลางจะผสมรวมเข้าสู่พื้นที่ตรงกลาง เป็นผลให้แกนกลางเลือน 

     การค้นพบที่ว่าเปลือกก๊าซส่วนในมีโลหะสูงกว่าส่วนนอก ก็หมายความว่าปริมาณ(โลหะ) จะลดลงตามขนาดรัศมี แทนที่จะเป็นปริมาณคงที่ ก่อนหน้านี้ เราคิดว่าดาวพฤหัสฯ มีการพาความร้อน(convection) เหมือนกับน้ำเดือด ทำให้มันผสมอย่างสมบูรณ์ Miguel กล่าว แต่การค้นพบของเราบอกถึงสิ่งที่ต่างออกไป

     เราได้แสดงให้เห็นว่าปริมาณโลหะกระจายไม่เป็นเนื้อเดียวกันในชั้นก๊าซที่ห่อหุ้มดาวพฤหัสฯ ผู้เขียนเขียนไว้ในรายงาน ผลสรุปของพวกเขาบอกว่าดาวพฤหัสฯ ยังคงสะสมโลหะในปริมาณมากในขณะที่ก็สะสมชั้นก๊าซห่อหุ้มไฮโดรเจน-ฮีเลียมของมันไปด้วย ซึ่งค้านกับการทำนายจากแบบจำลองกรวด แต่โน้มเอียงไปทางแบบจำลองวัตถุก่อตัวดาวเคราะห์ หรือมีการผสมที่ซับซ้อนมากขึ้น

     ผลสรุปของทีมยังสามารถขยายสู่การศึกษาดาวเคราะห์ก๊าซนอกระบบ(gas exoplanet) และความพยายามเพื่อที่จะตรวจสอบความเป็นโลหะของพวกมัน ผลสรุปของเราจะเป็นรากฐานตัวอย่างสำหรับดาวเคราะห์นอกระบบ ลักษณะชั้นก๊าซห่อหุ้มที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันจะบอกถึงว่าความเป็นโลหะที่สำรวจพบ จะเป็นค่าต่ำกว่าความเป็นโลหะโดยรวมของดาวเคราะห์

ยานจูโนของนาซาจับภาพดาวพฤหัสฯ ภาพนี้ในระหว่างการบินผ่านเข้าใกล้ดาวเคราะห์ยักษ์ครั้งที่ 40 ของปฏิบัติการเมื่อวันที่ 25 กุมภาพันธ์ 2022 เงาสีมืดขนาดใหญ่ทางด้านซ้ายของภาพเกิดขึ้นจากดวงจันทร์กานิมีด(Ganymede) ทอดลงมา

     ในกรณีของดาวพฤหัสฯ คงไม่มีทางที่จะตรวจสอบความเป็นโลหะของมันได้จากระยะไกล มีแต่เพียงเมื่อจูโนไปถึงที่นักวิทยาศาสตร์จะตรวจสอบความเป็นโลหะได้โดยอ้อม ดังนั้นแล้ว ความเป็นโลหะที่ได้จากการสำรวจชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบจากระยะไกล ก็อาจจะไม่ได้แสดงถึงความเป็นโลหะโดยรวมของดาวเคราะห์เลย เมื่อกล้องเวบบ์เริ่มงานวิทยาศาสตร์ของมัน หนึ่งในเป้าหมายหลักก็คือตรวจสอบชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบและตรวจสอบองค์ประกอบ จากงานวิจัยนี้ ข้อมูลที่เวบบ์ให้อาจจะไม่ได้บอกสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นในชั้นลึกๆ ของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เลย  

ยานจูโนของนาซาจับภาพดาวพฤหัสฯ ภาพนี้ในระหว่างการบินผ่านเข้าใกล้ดาวเคราะห์ยักษ์ครั้งที่ 40 ของปฏิบัติการเมื่อวันที่ 25 กุมภาพันธ์ 2022 เงาสีมืดขนาดใหญ่ทางด้านซ้ายของภาพเกิดขึ้นจากดวงจันทร์กานิมีด(Ganymede)

ปฏิบัติการจูโนกำลังช่วยเราให้ปะติดปะต่อความเข้าใจเกี่ยวกับภายในของดาวพฤหัสฯ ให้ดีขึ้น

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์ทารก(protoplanet) ดวงหนึ่งกำลังก่อตัวขึ้นภายในดิสก์สะสมมวลสาร(accretion disk) ของดาวฤกษ์ทารก(protostar)

นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองดาวพฤหัสฯ ที่แตกต่างกัน 2 อย่าง แบบจำลองภายในแบ่งสามชั้น(3-layer model) จะมีพื้นที่ที่แบ่งอย่างชัดเจน โดยมีแกนกลางที่เป็นโลหะ, พื้นที่ตรงกลางที่เต็มไปด้วยไฮโดรเจนโลหะ(metallic hydrogen) และเปลือกส่วนนอกที่เต็มไปด้วยก๊าซไฮโดรเจน(H2) ส่วนแบบจำลองแกนกลางเลือน(dilute core model) โลหะในแกนกลางจะผสมรวมเข้าสู่พื้นที่ตรงกลาง เป็นผลให้แกนกลางเลือน 

แหล่งข่าว phys.org : Jupiter turns out to be inhomogeneous; metallicity gives clues about origin
               sciencealert.com : new study suggests that a young Jupiter gobbled up plenty of planetesimals  
               universetoday.com : Jupiter is up to 9% rock and metal, which means it ate a lot of planets in its youth