กล้องเวบบ์ตรวจสอบสารเคมีทั้งหมดในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ร้อน WASP-39b

 

ภาพจากศิลปินแสดง WASP-39b ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ก๊าซร้อน ขนาดใกล้เคียงกับดาวเสาร์(0.94 เท่ามวลดาวเสาร์) และมีขนาดกายภาพที่บวมพองมาก 1.3 เท่าเส้นผ่าศูนย์กลาง 

     กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้สร้างประวัติศาสตร์ครั้งแรกของมันขึ้นอีกรายการ เป็นการตรวจสอบองค์ประกอบโมเลกุลและเคมีที่มีในชั้นบรรยากาศพิภพที่ห่างไกลดวงหนึ่ง

     ในขณะที่กล้องเวบบ์และกล้องโทรทรรศน์อวกาศอื่นๆ ซึ่งรวมถึงกล้องฮับเบิลและสปิตเซอร์ เคยเผยให้เห็นองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ที่เดือดพล่านดวงนี้มาก่อน แต่การสำรวจครั้งใหม่จากเวบบ์ได้ให้บัญชีอะตอม, โมเลกุลและแม้แต่ร่องรอยของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นอย่างครบถ้วน รวมทั้งร่องรอยของเมฆด้วย ข้อมูลล่าสุดยังให้เงื่อนงำว่าเมฆเหล่านี้เมื่อมองใกล้ๆ จะมีสภาพอย่างไร กล่าวคือ แตกออกแทนที่จะเป็นผืนเดียวปกคลุมไปทั่วดาวเคราะห์

      เครื่องมือที่มีความไวสูงบนเวบบ์จัดจ้องไปที่ชั้นบรรยากาศของ WASP-39b ดาวเคราะห์ชนิดเสาร์ร้อน(hot Saturn; ดาวเคราะห์ที่มีขนาดพอๆ กับดาวเสาร์แต่อยู่ในวงโคจรประชิดมากกว่าดาวพุธ) ซึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์ดวงหนึ่งที่มีขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์เล็กน้อย อยู่ห่างออกไปราว 700 ปีแสง ที่ระยะทาง 7 ล้านกิโลเมตร(หนึ่งในแปดส่วนวงโคจรดาวพุธ) ด้วยคาบเพียง 4 วัน การค้นพบนี้ตอกย้ำความสามารถของเครื่องมือบนเวบบ์ในการทำการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบได้ทุกชนิดได้ในช่วงกว้าง เป็นความหวังของประชาคมวิทยาศาสตร์ ซึ่งรวมถึงการตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หินอย่างที่พบในระบบ TRAPPIST-1 ด้วย

     เราสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบดวงนี้ด้วยอุปกรณ์หลายชนิดซึ่งเมื่อทำงานร่วมกัน จะให้สเปคตรัมอินฟราเรดที่กินความยาวคลื่นกว้างมาก และเผยให้เห็นร่องรอยทางเคมีที่เข้าไม่ถึงก่อนหน้านี้ Natalie Batalha นักดาราศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ ซึ่งมีส่วนในการวิจัยใหม่และช่วยประสานงาน กล่าว ข้อมูลแบบนี้เป็นตัวเปลี่ยนเกมส์เลย

การตรวจสอบสเปคตรัมแบบส่องผ่าน ใช้ตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เมื่อผ่านหน้าดาวฤกษ์ ซึ่งสารเคมีในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์จะดูดกลืนแสงดาวอย่างเป็นอัตลักษณ์ 

     การค้นพบเผยแพร่รายละเอียดเป็นรายงานวิทยาศาสตร์ชุด 5 ฉบับ สามในห้าได้แถลงออกมาแล้ว และอีกสองที่เหลือก็อยู่ในการทบทวนโดยผู้รู้เสมอกัน ในบรรดาการค้นพบใหม่ๆ ที่มีก็คือ การตรวจพบกำมะถันไดออกไซด์(SO2) ในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบได้เป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ถูกสร้างจากปฏิกริยาเคมีที่เหนี่ยวนำโดยแสงพลังงานสูงจากดาวฤกษ์แม่ บนโลก ชั้นโอโซนในชั้นบรรยากาศส่วนบนของโลกก็ถูกสร้างในแบบคล้ายๆ กันนี้

     นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นหลักฐานแสดงการสังเคราะห์สารเคมีด้วยแสง(photochemistry) อย่างชัดเจน เป็นปฏิกิริยาเคมีที่เริ่มจากแสงดาวที่มีต่อดาวเคราะห์นอกระบบ Shang-Min Tsai นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ในสหราชอาณาจักร และผู้เขียนนำรายงานอธิบายกำเนิดของกำมะถันไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ WASP-39b กล่าว ผมมองว่านี่เป็นสิ่งที่ควรจะได้จากปฏิบัติการ เพื่อขยับขยายความเข้าใจเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ

      การค้นพบนี้ยังนำไปสู่การค้นพบครั้งแรกอื่นอีก เมื่อนักวิทยาศาสตร์ปรับใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์การสังเคราะห์เคมีด้วยแสง กับข้อมูลที่ได้มา การพัฒนาการทำแบบจำลองจะช่วยสร้างองค์ความรู้ทางเทคโนโลจีในการแปลสัญญาณความสามารถในการเอื้ออาศัยในอนาคต ดาวเคราะห์ถูกสลักเสลาและแปรสภาพเมื่อโคจรภายในอ่างรังสีของดาวฤกษ์แม่ Batalha กล่าว บนโลก การแปรสภาพเหล่านั้นช่วยให้ชีวิตดำรงอยู่ได้

     ดาวเคราะห์ซึ่งโคจรใกล้ดาวฤกษ์แม่อย่างมาก(ใกล้กว่าดาวพุธรอบดวงอาทิตย์แปดเท่า) ยังทำให้มันกลายเป็นห้องทดลองเพื่อการศึกษาผลจากการแผ่รังสีจากดาวฤกษ์แม่ที่มีต่อดาวเคราะห์ ความรู้เกี่ยวกับความเชื่อมโยงดาวฤกษ์-ดาวเคราะห์ที่ดีขึ้นน่าจะนำไปสู่ความเข้าใจว่ากระบวนการเหล่านี้ส่งผลต่อความหลากหลายของดาวเคราะห์ที่พบในกาแลคซีอย่างไร ให้ลึกขึ้น

     เพื่อที่จะดูแสงจาก WASP-39b กล้องเวบบ์ต้องตามรอยดาวเคราะห์เมื่อมันผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ ทำให้แสงดาวฤกษ์บางส่วนถูกกรองและดูดกลืนในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ สารเคมีในชั้นบรรยากาศที่ต่างชนิดกันจะดูดกลืนสเปคตรัมแสงดาวที่แตกต่างกัน ดังนั้นสีที่หายไปจะบอกนักดาราศาสตร์ว่ามีโมเลกุลชนิดใดอยู่ ด้วยการมองเอกภพในแสงอินฟราเรด กล้องเวบบ์สามารถเก็บร่องรอยทางเคมีที่ไม่สามารถตรวจพบในช่วงตาเห็นได้

ภาพกราฟฟิคแสดงการตรวจสอบสเปคตรัมแบบส่องผ่าน(transmission spectroscopy) 4 ชนิดโดยมีภาพดาวเคราะห์และดาวฤกษ์แม่ของมันอยู่ที่พื้นหลัง กราฟสเปคตรัมทั้งสี่ชนิดแสดงปริมาณแสงที่ถูกกันไว้เป็นเปอร์เซนต์ในแกน y เทียบกับความยาวคลื่นแสงเป็นไมครอนในแกน x แกน y มีตั้งแต่ 2% จนถึง 2.35%  แกน x มีความยาวคลื่น 0.1 ถึง 5.5 ไมครอน จุดข้อมูลเป็นวงกลมสีขาวที่มีระดับความคลาดเคลื่อนสีเทา เส้นหยักสีฟ้าแสดงแบบจำลองที่สอคดล้องกับข้อมูลมากที่สุด กราฟแต่ละอันเน้นรายละเอียดที่แตกต่างกัน

      องค์ประกอบอื่นๆ ในชั้นบรรยากาศที่เวบบ์พบ ยังรวมถึง โซเดียม, โพทัสเซียม และไอน้ำ ยืนยันการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศและภาคพื้นดินก่อนหน้านี้ เช่นเดียวกับการพบร่องรอยของน้ำเพิ่มเติม ในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวกว่า ซึ่งไม่เคยพบเห็นมาก่อน เวบบ์ยังพบคาร์บอนไดออกไซด์ในความละเอียดที่สูงขึ้น ให้ข้อมูลมากเป็นสองเท่าของที่เคยสำรวจไว้ก่อนหน้านี้

     ในขณะเดียวกัน แม้จะพบคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วย แต่สัญญาณของทั้งมีเธนและไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่พบก่อนหน้านี้ ก็ไม่พบในข้อมูลเวบบ์ ซึ่งถ้ามีโมเลกุลเหล่านั้นอยู่จริง ก็คงมีปริมาณที่ต่ำมากๆ

     เพื่อที่จะเก็บสเปคตรัมชั้นบรรยากาศ WASP-39b ครอบคลุมให้กว้าง ทีมนานาชาตินับหลายร้อยคนต่างก็แยกย้ายกันวิเคราะห์ข้อมูลจากรูปแบบการทำงานที่เทียบมาตรฐาน(calibrate) แบบละเอียดเรียบร้อยแล้ว 4 โหมดจากเครื่องมือสามในสี่ชิ้นบนเวบบ์ กล้องหลัก NIRCam และสเปคโตรสโคปอีกสองตัวคือ NIRISS และ NIRSpec

     Hannah Wakeford นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยบริสตอล ในสหราชอาณาจักร กล่าวว่า เราได้ทำนายสิ่งที่กล้องน่าจะโชว์ให้เราเห็น แต่มันกลับแม่นยำกว่า, หลากหลายกว่า และสวยงามกว่าที่ฉันจะเชื่อว่าจะเป็น

     เมื่อมีรายชื่อสารเคมีทั้งหมดที่พบในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์แล้ว ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นปริมาณของธาตุแต่ละชนิดในเชิงเปรียบเทียบ เช่น อัตราส่วนคาร์บอน-ออกซิเจน, กำมะถัน-ไฮโดรเจน หรืออัตราส่วน โพทัสเซียม-ออกซิเจน เป็นต้น ซึ่งก็จะให้แง่มุมว่าดาวเคราะห์ดวงนี้(หรืออาจจะดวงอื่นๆ ด้วย) ก่อตัวขึ้นจากดิสก์ก๊าซและฝุ่นรอบดาวฤกษ์แม่ในช่วงวัยเยาว์อย่างไร ซึ่งคลังทางเคมีของ WASP-39b ได้บอกถึงประวัติการชนและควบรวมของวัตถุขนาดเล็กที่เรียกว่า วัตถุก่อกำเนิดดาวเคราะห์(planetesimals) เพื่อเติบโตใหญ่โตจนกลายเป็นดาวเคราะห์

องค์ประกอบในชั้นบรรยากาศ WASP-39b จากการทำงาน 4 โหมด บนซ้าย ข้อมูลจาก NIRISS แสดงร่องรอยของโพทัสเซ๊ยม(K), ไอน้ำ(H2O) และคาร์บอนมอนอกไซด์(CO) ; บนขวาข้อมูลจาก NIRCam แสดงสัญญาณไอน้ำที่เห็นได้ชัด; ล่างซ้าย ข้อมูลจาก NIRSpec แสดงน้ำ, กำมะถันไดออกไซด์(SO2), คาร์บอนไดออกไซด์(CO2) และ CO; ล่างขวา ข้อมูลเพิ่มเติมจาก NIRSpec เผยให้เห็นโมเลกุลทั้งหมดเช่นเดียวกับโซเดียม(Na)  

     ปริมาณของกำมะถัน(เทียบกับ) ไฮโดรเจนบ่งชี้ว่าดาวเคราะห์อาจจะพบกับการสะสมมวลสารจากวัตถุก่อกำเนิดดาวเคราะห์พอสมควร ซึ่งส่ง(องค์ประกอบเหล่านั้น) ขึ้นสู่ชั้นบรรยากาศ Kazumasa Ohno นักวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบที่ยูซี ซานตาครูซ กล่าว ข้อมูลยังบ่งชี้ว่ามีปริมาณออกซิเจนมากกว่าคาร์บอนในชั้นบรรยากาศอย่างมาก นี่อาจจะบ่งชี้ว่า WASP-39b มีกำเนิดไกลจากดาวฤกษ์แม่ออกไปจากนั้นก็อพยพเข้ามา

     ทีมยังบอกได้ว่าในชั้นบรรยากาศมีเมฆที่ประกอบด้วยซัลไฟด์และซิลิเกต แต่แทนที่จะปกคลุมเป็นผืนทั่วดาวเคราะห์ เมฆกลับกระจัดกระจายแตกเป็นปื้นเป็นริ้ว  

     ด้วยการเผยให้เห็นรายละเอียดในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบอย่างแม่นยำ เครื่องมือบนเวบบ์ทำงานได้ดีเกินกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดหมายไว้ และยังนำการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบก้าวไปอีกขั้น Laura Flagg นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยคอร์เนล และสมาชิกทีมนานาชาติ กล่าวว่า เรากำลังได้เห็นชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบในภาพรวมขนาดใหญ่ นี่น่าตื่นเต้นอย่างไม่น่าเชื่อที่ได้รู้ว่าจะต้องคิดใหม่ทั้งหมดโดยสิ้นเชิง นี่เป็นหนึ่งในส่วนที่ดีที่สุดในการเป็นนักวิทยาศาสตร์

     การสำรวจนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ “Transiting Exoplanet Community Early Release Science Program” การสำรวจในช่วงต้นเหล่านี้เป็นการชิมลางการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่จะยิ่งน่าทึ่งมากขึ้นจากกล้องเวบบ์ Laura Kreidberg ผู้อำนวยการสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ ซึ่งเป็นสมาชิกทีมโครงการสำรวจนี้ กล่าวในแถลงการณ์ เราใช้กล้องเวบบ์ทดสอบการทำงานของมัน และก็แทบหาข้อผิดพลาดไม่ได้เลย ดีกว่าที่เราเคยหวังด้วยซ้ำ

แหล่งข่าว esawebb.org : Webb reveals an exoplanet atmosphere as never seen before
                iflscience.com : JWST delivered the most detailed analysis yet of an exoplanet’s atmosphere
                space.com : James Webb Space Telescope reveals alien planet’s atmosphere like never before