Kepler-138 c และ d: ดาวเคราะห์แห่งน้ำ

 

ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์นอกระบบดวงหนึ่งที่มีไอน้ำในชั้นบรรยากาศ

     ทีมที่นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมอนทรีออลได้พบหลักฐานว่าดาวเคราะห์นอกระบบสองดวงที่โคจรรอบดาวฤกษ์แคระแดงดวงหนึ่ง เป็นพิภพแห่งน้ำ(water worlds) โดยมีน้ำเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ของดาวเคราะห์ พิภพเหล่านั้นอยู่ในระบบดาวเคราะห์แห่งหนึ่งซึ่งอยู่ห่างออกไป 218 ปีแสงในกลุ่มดาวพิณ(Lyra) ไม่เหมือนกับดาวเคราะห์ใดๆ ที่มีในระบบสุริยะของเรา

     ทีมที่นำโดย Caroline Piaulet จากสถาบันทรอตติเยร์เพื่อการวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบ(i RE x) ที่มหาวิทยาลัยมอนทรีออล ได้เผยแพร่การศึกษาระบบดาวเคราะห์ Kepler-138 นี้ในรายละเอียด ในวารสาร Nature Astronomy Piaulet และเพื่อนร่วมงานได้สำรวจดาวเคราะห์ Kepler-138c และ Kepler-138d ด้วยกล้องฮับเบิลและกล้องสปิตเซอร์ และพบว่าดาวเคราะห์น่าจะประกอบด้วยน้ำเป็นส่วนใหญ่

     ดาวเคราะห์ทั้งสองและดาวเคราะห์เพื่อนบ้านอีกดวงที่มีขนาดเล็กกว่าและโคจรใกล้ดาวฤกษ์แม่มากกว่า Kepler-138b ถูกพบโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ การค้นพบใหม่ได้พบหลักฐานดาวเคราะห์ดวงที่สี่ในระบบนี้ด้วย

      ไม่ได้ตรวจพบน้ำบน Kepler-138c Kepler-138d โดยตรง แต่จากการเปรียบเทียบขนาดและมวลของดาวเคราะห์ กับแบบจำลอง นักดาราศาสตร์ก็สรุปได้ว่าปริมาตรดาวเคราะห์ในสัดส่วนพอสมควร(ราวครึ่งหนึ่ง) น่าจะเป็นวัสดุสารที่เบากว่าหินแต่ก็หนักกว่าไฮโดรเจนหรือฮีเลียม วัสดุสารที่เป็นไปได้มากที่สุดตามเงื่อนไขนี้ก็คือน้ำ

     เราเคยคิดว่าดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่กว่าโลกเล็กน้อย น่าจะเป็นลูกบอลโลหะและหินลูกใหญ่ เหมือนกับโลกในขนาดที่ใหญ่ขึ้นมาจึงเป็นเหตุผลที่เราเรียกพวกมันว่า ซุปเปอร์เอิร์ธ(super-Earths) Björn Benneke ผู้เขียนร่วมการศึกษาและศาสตราจารย์สาขาดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยมอนทรีออล อธิบาย อย่างไรก็ตาม ขณะนี้เราได้แสดงว่าดาวเคราะห์ทั้งสองในระบบ Kepler-138 มีธรรมชาติที่ค่อนข้างแตกต่างออกไป และปริมาตรส่วนใหญ่ของพิภพก็น่าจะประกอบด้วยน้ำ นี่เป็นหลักฐานที่ดีที่สุดของพิภพแห่งน้ำ ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ชนิดหนึ่งที่นักดาราศาสตร์เคยตั้งทฤษฎีว่าน่าจะมีอยู่

ภาพตัดขวางโลก(ซ้าย) และดาวเคราะห์นอกระบบ Kepler-138d(ขวา) เช่นเดียวกับโลก ดาวเคราะห์ดวงนี้ก็มีภายในที่ประกอบด้วยโลหะและหิน(ส่วนสีน้ำตาล) แต่ดาวเคราะห์มีชั้นน้ำความดันสูงในสถานะต่างๆ ทั้งของไหลวิกฤติยิ่งยวด และอาจจะมีน้ำของเหลวลึกลงไปในดาวเคราะห์ และมีชั้นไอน้ำขนาดใหญ่(สีฟ้า) เหนือขึ้นไป ชั้นน้ำเหล่านี้มีปริมาตรเกิน 50% หรือมีความลึกราว 2 พันกิโลเมตร เมื่อเทียบกับโลก ที่มีน้ำของเหลวเพียงเล็กน้อย มีมหาสมุทรที่ลึกไม่ถึง 4 กิโลเมตร

     ด้วยปริมาตรที่มากกว่าโลก 3 เท่า รัศมี 1.5 เท่าและมวลสูงกว่า 2 เท่า ดาวเคราะห์ c และ d จึงมีความหนาแน่นที่ต่ำกว่าโลกอย่างมาก(3.6 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) นี่เป็นเรื่องที่สร้างความประหลาดใจเนื่องจากเมื่อมีการศึกษาดาวเคราะห์เกือบทั้งหมดที่มีขนาดใหญ่กว่าโลกเล็กน้อยในรายละเอียดแล้ว โดยรวมดูจะเป็นพิภพหินที่คล้ายกับโลก สิ่งที่ใกล้เคียงกับพิภพแห่งน้ำมากที่สุด น่าจะเป็นดวงจันทร์น้ำแข็งในระบบสุริยะส่วนนอกบางดวง ซึ่งก็ประกอบด้วยน้ำจำนวนมากล้อมรอบแกนกลางหินแข็ง

     ลองจินตนาการยูโรปา(Europa; 3.0 g/cm^3) หรือเอนเซลาดัส(Enceladus) ซึ่งเป็นดวงจันทร์ที่อุดมด้วยน้ำของดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ ตามลำดับ ในขนาดที่ใหญ่ขึ้นมากแต่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์มากกว่า แทนที่จะมีพื้นผิวน้ำแข็ง พวกมันก็น่าจะมีชั้นไอน้ำขนาดใหญ่ห่อหุ้มไว้

     นักวิจัยยังเตือนว่าดาวเคราะห์แห่งน้ำอาจจะไม่ได้มีมหาสมุทรอย่างบนพื้นผิวโลก บนพื้นผิวดาวเคราะห์ อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศ Kepler-138d นั้นน่าจะอยู่เหนือจุดเดือดของน้ำ และเราคาดว่าบนดาวเคราะห์นี้จะมีชั้นบรรยากาศที่หนาทึบที่เป็นไอน้ำ เพียงแต่ข้างใต้ชั้นบรรยากาศไอน้ำที่อาจจะมีน้ำของเหลวในสภาพความดันสูง หรือแม้แต่น้ำในสถานะอื่นที่เกิดในสภาพความดันสูง ที่เรียกว่า ของไหลวิกฤติยิ่งยวด(supercritical fluid) ความลึกของน้ำอาจจะลงไปจนถึงระดับความลึกราว 2 พันกิโลเมตร Piaulet กล่าว

     ในปี 2014 ข้อมูลจากกล้องเคปเลอร์ช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ประกาศการค้นพบดาวเคราะห์สามดวงที่โคจรรอบ Kepler-138 โดยอ้างอิงจากแสงดาวฤกษ์ที่หรี่ลงเล็กน้อยเพื่อดาวเคราะห์ผ่านหน้า(transit) และบังแสงดาวบางส่ววนไว้ Benneke และเพื่อนร่วมงาน Diana Dragomir จากมหาวิทยาลัยนิวเมกซิโก เกิดแนวคิดที่จะสำรวจระบบดาวเคราะห์แห่งนี้ซ้ำอีกครั้งด้วยกล้องฮับเบิลและสปิตเซอร์ระหว่างปี 2014 ถึง 2016 เพื่อจับการผ่านหน้าของ Kepler-138d ให้ได้มากขึ้นเพื่อศึกษาชั้นบรรยากาศของมัน

      ในขณะที่การสำรวจจากกล้องเคปเลอร์ก่อนหน้านี้ แสดงเพียงแค่การผ่านหน้าของดาวเคราะห์ขนาดเล็กสามดวงรอบ Kepler-138 Piaulet และทีมต้องประหลาดใจที่พบว่าการสำรวจจากฮับเบิลและสปิตเซอร์บอกถึงการมีอยู่ของดาวเตราะห์ดวงที่สี่ในระบบแห่งนี้ Kepler-138e

อินโฟกราฟฟิคแสดงดาวเคราะห์ Kepler-138b ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ดวงเล็กที่สุดเท่าที่เคยพบมา 

      ดาวเคราะห์ที่เพิ่งพบใหม่นี้มีขนาดเล็กและอยู่ไกลจากดาวฤกษ์แม่มากกว่าดาวเคราะห์สามดวง ใช้เวลา 38 วันเพื่อโคจรครบรอบ ดาวเคราะห์ใหม่อยู่ในเขตเอื้ออาศัยได้(habitable zone) ของดาวฤกษ์ ซึ่งเป็นพื้นที่ที่มีสภาวะเหมาะสมไม่ร้อนหรือไม่เย็นเกินไป ช่วยให้มีน้ำของเหลวคงสภาพได้

     อย่างไรก็ตาม ธรรมชาติของดาวเคราะห์ที่เพิ่งพบใหม่เพิ่มเติมก็ยังคงเป็นคำถามเนื่องจากดูเหมือนมันจะไม่ได้ผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ การสำรวจการผ่านหน้าของดาวเคราะห์นอกระบบดวงนี้น่าจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ตรวจสอบขนาดทางกายภาพของมันได้ เมื่อมี Kepler-138e อยู่ จึงสามารถตรวจสอบมวลของดาวเคราะห์สามดวงได้อีกครั้งผ่านวิธีการความคลาดเคลื่อนของเวลาการผ่านหน้า(transit timing-variation method) ซึ่งเป็นการตามรอยความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในเวลาที่ดาวเคราะห์ผ่านหน้าดาวฤกษ์ อันเนื่องจากแรงดึงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ข้างเคียง

     นักวิจัยยังพบเรื่องประหลาดใจอื่นคือ พวกเขาพบว่าพิภพแห่งน้ำสองดวง Kepler-138c และ d เป็นดาวเคราะห์แฝด โดยมีขนาดและมวลใกล้เคียงกัน ในขณะที่เคยคิดว่ามันน่าจะมีความแตกต่างกันพอสมควร ในทางตรงกันข้าม ดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้กว่า Kepler-138b ก็ยืนยันได้ว่าเป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่มีมวลพอๆ กับดาวอังคาร เป็นหนึ่งในดาวเคราะห์นอกระบบที่มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่เคยพบมา

      เมื่อเครื่องมือและเทคนิคของเราเริ่มไวพอที่จะค้นหาและศึกษาดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลจากดาวฤกษ์แม่ของพวกมันออกมา เราก็อาจจะได้พบพิภพแห่งน้ำอย่าง Kepler-138c และ d อีกจำนวนมาก

แหล่งข่าว phys.org : astronomers find that two exoplanets may be mostly water
                sciencealert.com : two worlds orbiting a nearby star could be more than half water
                space.com : astronomers discover strange twin planets might be water worlds