ระบบดาวเคราะห์สี่แบบ

 

      ในระบบสุริยะของเรา ทุกๆ สิ่งดูจะเรียงตามลำดับ โดยมีดาวเคราะห์หินขนาดเล็กอย่าง ดาวศุกร์, โลกหรือดาวอังคาร โคจรอยู่ค่อนข้างใกล้กับดวงอาทิตย์ ส่วนดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ทั้งก๊าซยักษ์และน้ำแข็งยักษ์ เช่น ดาวพฤหัสฯ, ดาวเสาร์ หรือเนปจูน กลับอยู่ในวงโคจรที่กว้างรอบๆ ดวงอาทิตย์

      ในการศึกษาสองงานที่เผยแพร่ในวารสาร Astronomy & Astrophysics นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งเบิร์น และมหาวิทยาลัยแห่งเจนีวา และ NCCR PlanetS ได้แสดงว่าในมุมมองของพวกเขา ระบบดาวเคราะห์ของเรานั้นค่อนข้างเป็นอัตลักษณ์ มีงานวิจัยอีกชิ้นใน Nature Astronomy โดย Luca Maltagliati ก็ถกเกี่ยวกับรายงานทั้งสองฉบับนี้

      Lokesh Mishra ผู้เขียนหลักการศึกษา นักวิจัยที่มหาวิทยาลัยเบิร์นและเจนีวา และ NCCR Planets กล่าวว่า เมื่อสิบกว่าปีก่อน นักดาราศาสตร์ก็สังเกตได้จากการสำรวจของกล้องโทรทรรศน์เคปเลอร์ว่า ดาวเคราะห์ในระบบแห่งอื่นมักจะดูคล้ายกับเพื่อนบ้านที่เรียงต่อๆ กันมาทั้งขนาดและมวล เหมือนกันอย่างกะแกะ(pea-in-a-pod) แต่เป็นเวลานานที่ไม่แน่ชัดว่าการค้นพบเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากข้อจำกัดในวิธีการสำรวจหรือไม่

     เป็นไปไม่ได้เลยที่จะบอกว่าดาวเคราะห์ในระบบแต่ละแห่งมีความคล้ายคลึงมากพอที่จะจัดอยู่ในกลุ่มระบบ pea in a pod หรือพวกมันค่อนข้างแตกต่างกัน เหมือนกับระบบสุริยะของเรา Mishra กล่าว ดังนั้น นักวิจัยจึงพัฒนากรอบงานเพื่อตรวจสอบความแตกต่างและความคล้ายคลึงระหว่างดาวเคราะห์ในระบบแห่งเดียวกัน และเพื่อจะทำเช่นนั้น ก็ได้พบว่ามีโครงสร้างไม่เพียงแค่ 2 ชนิดแต่ถึง 4 ชนิด

     เราเรียกระบบดาวเคราะห์ทั้งสี่ดังนี้คือ คล้ายคลึง(similar), เรียงลำดับ(ordered), เรียงกลับลำดับ(anti-ordered) และคละผสม(mixed) Mishra กล่าว ระบบดาวเคราะห์ที่มีมวลดาวเคราะห์เพื่อนบ้านใกล้เคียงกันและกัน จะมีสถาปัตยกรรมแบบคล้ายคลึง ส่วนระบบที่เรียงลำดับ ก็คือ มวลของดาวเคราะห์มีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นตามระยะทางจากดาวฤกษ์ เหมือนกับระบบสุริยะของเรา

      แต่ในทางตรงกันข้าม มวลของดาวเคราะห์อาจจะลดลงตามระยะทางจากดาวฤกษ์ ในกรณีระบบเรียงกลับลำดับ และระบบแบบคละผสมก็เมื่อมวลของดาวเคราะห์ในระบบ แปรผันระหว่างดาวเคราะห์ดวงหนึ่งกับอีกดวงหนึ่ง Yann Alibert ศาสตราจารย์สาขาวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ ที่มหาวิทยาลัยเบิร์น และ NCCR PlanetS ผู้เขียนร่วมการศึกษา กล่าวว่า กรอบงานนี้ยังสามารถปรับใช้กับการตรวจสอบอื่นๆ เช่น รัศมี, ความหนาแน่น หรือสัดส่วนของน้ำ

     ขณะนี้ จึงเป็นครั้งแรกที่เรามีเครื่องมือเพื่อศึกษาระบบดาวเคราะห์โดยรวม และเปรียบเทียบพวกมันกับระบบแห่งอื่น แต่การค้นพบนี้ยังสร้างคำถามว่า สถาปัตยกรรมระบบดาวเคราะห์แบบใดพบได้บ่อยที่สุด? ปัจจัยอะไรที่ควบคุมการอุบัติของระบบแต่ละชนิด? ปัจจัยอะไรที่ไม่แสดงบทบาท? บางส่วน นักวิจัยก็พอจะตอบได้

     ผลสรุปของเราแสดงว่าระบบดาวเคราะห์แบบคล้ายกันเป็นชนิดที่พบได้บ่อยที่สุด มีระบบประมาณ 8 จาก 10 ระบบที่มีสถาปัตยกรรมแบบคล้ายคลึง Mishra กล่าว นี่ยังอธิบายว่าเพราะเหตุใด หลักฐานของสถาปัตยกรรมนี้จึงพบได้ตั้งแต่ช่วงไม่กี่เดือนแรกของปฏิบัติการเคปเลอร์ สิ่งที่สร้างความประหลาดใจให้กับทีมก็คือ แบบเรียงลำดับ ซึ่งก็เป็นแบบที่ระบบสุริยะของเราเป็น ดูจะเป็นชนิดที่หาได้ยากที่สุด

     Mishra บอกว่า มีข้อบ่งชี้ว่าทั้งมวลของดิสก์ก๊าซและฝุ่น จากที่ดาวเคราะห์อุบัติขึ้น กับปริมาณของธาตุหนักในดาวก็แสดงบทบาท จากดิสก์ที่มีมวลค่อนข้างต่ำและมีขนาดเล็ก และดาวที่มีธาตุหนักจำนวนเล็กน้อย ระบบแบบคล้ายคลึงจะเกิดขึ้น ส่วน ดิสก์มวลสูงที่มีขนาดใหญ่กับดาวที่มีโลหะหนักจำนวนมาก จะให้กำเนิดระบบที่เป็นเรียงลำดับ และกลับลำดับ

     ส่วนระบบแบบคละผสมกำเนิดจากดิสก์ขนาดกลาง ปฏิสัมพันธ์พลวัตระหว่างดาวเคราะห์ เช่น การชน หรือการผลัก ส่งอิทธิพลต่อสถาปัตยกรรมสุดท้ายของระบบ Mishra อธิบาย ความคาดหวังที่น่าสนใจจากผลสรุปเหล่านี้ก็คือ มันเชื่อมโยงกับสภาวะเริ่มต้นของการก่อตัวดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ เข้ากับคุณสมบัติที่ตรวจสอบได้ กลายเป็นสถาปัตยกรรมของระบบดาวเคราะห์

      วิวัฒนาการหลายพันล้านปีที่คั่นอยู่ จึงเป็นครั้งแรกที่เราประสบความสำเร็จในการเชื่อมช่องว่างขนาดมโหฬารเหล่านี้ และทำการทำนายที่ทดสอบได้ จึงน่าตื่นเต้นที่ได้เห็นว่าจะให้อะไรออกมา Alibert สรุป

 

แหล่งข่าว phys.org : four classes of planetary systems  

ดาวคู่ที่น่าจะสร้างกิโลโนวา

 

    เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้จำแนกระบบคู่ที่หาได้ยากมากแห่งหนึ่ง ซึ่งมีชะตากรรมที่ในอนาคตข้างหน้าจะกลายเป็นกิโลโนวา(kilonova) ซึ่งเป็นการระเบิดอันเป็นผลจากการชนของดาวนิวตรอนดวงหนึ่ง

     นักดาราศาสตร์ได้จำแนกระบบดาวคู่แห่งหนึ่งที่สว่างในช่วงรังสีเอกซ์ และมีมวลสูง ประกอบกับรายละเอียดวงโคจรที่กลมอย่างน่าพิศวงซึ่งเป็นสิ่งที่ประหลาดในระบบดาวคู่ อยู่ห่างจากโลกออกไป 11400 ปีแสง ระบบคู่นี้ดูจะก่อตัวเมื่อดาวที่ระเบิดดวงหนึ่งหรือซุปเปอร์โนวาไม่ปัง คล้ายกับที่ประทัดด้าน

      ระบบคู่ที่น่าสนใจมากแห่งนี้จริงๆ แล้วมีโอกาสพบเพียงหนึ่งในหนึ่งหมื่นล้านแห่ง Andre Nicolas Chene นักดาราศาสตร์ที่ศูนย์วิจัย NOIRLab ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ และผู้เขียนร่วมการศึกษาใหม่ กล่าวในแถลงการณ์ ในระบบคู่ CPD-29 2176 ซุปเปอร์โนวาแบบไม่ปังหรือที่เรียกว่า ultra-stripped supernova ทิ้งดาวนิวตรอนอยู่กับดาวข้างเคียงในระบบคู่ที่โคจรในระยะประชิด ซึ่งเป็นดาวที่นักวิจัยเองก็ทำนายว่า วันหนึ่งข้างหน้ามันจะกลายเป็นดาวนิวตรอนเช่นกัน จึงกลายเป็นตัวอย่างระบบดาวแห่งแรกสุดที่จะนำไปสู่การสร้างกิโลโนวา ซึ่งเป็นการระเบิดเมื่อดาวนิวตรอนสองดวงชนและควบรวมกัน

      แม้ว่ากิโลโนวาจะถูกพบเป็นครั้งแรกในปี 2017 นักดาราศาสตร์ก็เพียงได้แต่บันทึกผลจากเหตุการณ์นี้ ต้องขอบคุณการสำรวจคลื่นแสงและคลื่นความโน้มถ่วง งานวิจัยใหม่จึงเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้จำแนกระบบคู่ที่พวกเขาทราบว่ามันจะไปจบที่ระเบิดเป็นกิโลโนวา ยิ่งกว่านั้น นักดาราศาสตร์เคยคิดว่าน่าจะมีระบบลักษณะนี้เพียงหนึ่งหรือสองแห่งในกาแลคซีกังหันที่คล้ายทางช้างเผือกของเรา แต่นักวิจัยจากการศึกษาล่าสุดเพิ่มการประมาณการไปที่ 10 แห่ง การสำรวจเหล่านี้จะช่วยพวกเขาให้เข้าใจประวัติ, วิวัฒนาการและการตายของดาวแบบเงียบผิดปกติในระบบลักษณะดังกล่าวนี้ได้

กิโลโนวาที่เกี่ยวข้องกับ GW 170817

      Chene กล่าวในแถลงการณ์ว่า บางครั้ง นักดาราศาสตร์ก็สงสัยถึงสภาวะที่แน่ชัดที่สุดท้ายจะนำไปสู่กิโลโนวา ผลสรุปใหม่เหล่านี้จึงแสดงให้เห็นว่า อย่างน้อยในบางกรณี ดาวนิวตรอนพี่น้องสองดวงก็อาจจะควบรวมกัน เมื่อหนึ่งในนั้นถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีซุปเปอร์โนวาในแบบที่เราคุ้นเคย

     ดาวฤกษ์ในระบบ CPD-29 2176 มีมวลสูง โคจรรอบดาวนิวตรอนทุกๆ 60 วัน นักวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังงานวิจัยล่าสุดได้ศึกษาดาวฤกษ์นี้เพื่อให้เข้าใจการก่อตัวของระบบดาวปัจจุบัน เช่นเดียวกับอาจจะเผยถึงอนาคตของมันด้วย

      Clarissa Pavao นักศึกษาปริญญาตรีที่มหาวิทยาลัยการบิน เอมบรี-ริดเดิล ในอริโซนา ได้พบระบบแห่งนี้ในขณะที่กลั่นกรองข้อมูลที่ได้จากหอสังเกตการณ์ เซร์โร โทโลโล อินเตอร์-อเมริกัน(CTIO) ในชิลีเมื่อไปที่สำนักงานของ Noel Richardson ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่ เอมบรี-ริดเดิล เพื่อขอข้อมูลวิจัย ก็บังเอิญที่ Richardson มีข้อมูลจาก CTIO อยู่จากดาวฤกษ์สว่างสีฟ้าดวงหนึ่งที่เรียกว่าดาวฤกษ์ชนิด บีอี(Be-type star) บีอีดวงนี้อยู่ในตำแหน่งบนท้องฟ้าใกล้กับอีกแหล่งที่สร้างรังสีเอกซ์ แสงวาบนั้นซึ่งเรียกว่า soft gamma repeater  

     โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เธอกำลังพล๊อตสเปคตรัมของดาวในคู่ ซึ่งวิเคราะห์ว่าดาวเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นที่จำเพาะมากน้อยแค่ไหน หลังจากกำจัดสัญญาณรบกวน(noise) ในข้อมูล เธอก็พบเส้นสเปคตรัมเส้นหนึ่ง ซึ่งบอกว่าดาวมวลสูงอยู่ในวงโคจร 60 วันที่กลมอย่างมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ปกติในระบบดาวคู่

ภาพจากศิลปินแสดงระบบดาวแห่งหนึ่งซึ่งประกอบด้วยดาววิถีหลักดวงยักษ์สีฟ้า และดาวนิวตรอนที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งสุดท้ายพวกมันก็จะกลายเป็นดาวนิวตรอนคู่ ที่จะสร้างกิโลโนวา ผลิตทองคำและโลหะหนักอื่นๆ กระจายไปทั่วกาแลคซี

     นี่เป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่ช่วยทีมให้สรุปได้ว่าดาวนิวตรอนจบชีวิตจากซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลว โดยปกติ เมื่อดาวดวงหนึ่งในระบบคู่เผาไหม้ไฮโดรเจนและใกล้สิ้นสุดสถานะวิถีหลัก(main-sequence stage) มันจะเริ่มถ่ายเทมวลไปให้กับดาวข้างเคียง การระเบิดที่จะจบชีวิตก็มักจะผลักดาวข้างเคียงออกจากระบบ หรืออยู่ในวงโคจรที่มีความรีสูง แต่สิ่งเหล่านี้ไม่ได้เกิดในระบบที่น่าสนใจแห่งนี้

      เพื่อให้เข้าใจสิ่งที่อาจเกิดขึ้นให้ดีขึ้น Richardson ได้ร้องขอไปที่ Jan J. Eldridge จากมหาวิทยาลัยออกแลนด์ ซึ่งเชี่ยวชาญระบบดาวคู่และวิวัฒนาการ นักดาราศาสตร์ได้ใช้แบบจำลองหลายพันงานเพื่ออธิบายระบบดาวคู่ที่คล้ายระบบแห่งนี้ ซึ่งพบเพียงสองงานที่สอดคล้องกับระบบที่พบ จากนั้น ทีมก็ตามรอยประวัติความเป็นมาของดาวและสรุปพฤติกรรมของมัน โดยเป็นไปตามวิถีที่ดาวมวลสูงเกือบทั้งหมดเป็นเมื่อหมดเชื้อเพลิงลง แต่ในช่วงยุติชีวิต ดาวได้ถ่ายเทมวลสารให้กับดาวข้างเคียงจนกลายเป็นดาวมวลต่ำ ที่มีแกนกลางฮีเลียม

      เมื่อดาวสูญเสียมวลมากเกินไปจนซุปเปอร์โนวาที่ยุติชีวิตของมันไม่ได้มีพลังงานมากพอที่จะผลักวงโคจรของดาวคู่หูให้มีรูปร่างรีมากขึ้นอย่างที่พบในระบบคู่ที่คล้ายๆ กัน ดาวที่ตายลงยังไม่มีพลังงานมากพอที่จะผลักคู่หูออกจากระบบ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ดาวทั้งสองยังคงมีวงโคจรที่แนบชนิดกันต่อไป Richardson กล่าวในแถลงการณ์ สุดท้าย ดาวบีอีก็จะจบชีวิตกลายเป็นดาวนิวตรอนในซุปเปอร์โนวาล้มเหลวที่คล้ายกัน สร้างระบบคู่ดาวนิวตรอนซึ่งมีการสลายตัวของวงโคจรจนทำให้เกิดการชนของดาวนิวตรอนขึ้น ซึ่งอาจจะสร้างทั้งดาวนิวตรอนมวลหนัก หรือหลุมดำขึ้นได้

      นอกเหนือจากการเรียนรู้เกี่ยวกับกิโลโนวาให้มากขึ้น งานวิจัยใหม่ยังช่วยนักดาราศาสตร์ให้เข้าใจกำเนิดของธาตุที่หนักมากที่สุดในเอกภพบางส่วน ซุปเปอร์โนวาแบบเงียบเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อไม่กี่ล้านปีก่อน และนักดาราศาสตร์ก็คาดว่าระบบ CPD-29 2176 จะยังคงเป็นเช่นนี้ไปอีกอย่างน้อย 1 ล้านปี แบบจำลองได้แสดงว่า ดาวข้างเคียงเองก็จะเหมือนกับดาวนิวตรอนหลัก ที่จะกลายเป็นซุปเปอร์โนวาเปลือย และสุดท้ายยุบตัวกลายเป็นดาวนิวตรอนอีกดวงหนึ่ง

วิวัฒนาการของ CPD-29 2176 1.ดาวยักษ์สีฟ้า 2 ดวงก่อตัวในระบบดาวคู่ 2.ดาวมวลสูงกว่าใกล้จุดจบชีวิต 3.ดาวขนาดเล็กดึงวัสดุสารออกจากดาวข้างเคียง 4.ดาวมวลสูงกลายเป็นซุปเปอร์โนวาแบบเปลือยรุนแรง(ultra-stripped supernova) 5.ดาวนิวตรอนที่ได้กำลังดึงมวลสารออกจากดาวฤกษ์ข้างเคียง 6.ดาวข้างเคียงก็กลายเป็นซุปเปอร์โนวาแบบเปลือยรุนแรงด้วยเช่นกัน 7.เหลือดาวนิวตรอนคู่หนึ่งทิ้งไว้ 8.ดาวนิวตรอนสองดวงหมุนวนเข้าหากัน 9.กิโลโนวา

     ในอีกหลายล้านปีต่อจากนี้ ทีมทำนายว่าดาวนิวตรอนทั้งสองจะค่อยๆ หมุนวนเข้าหากันและกันอย่างช้าๆ จนสุดท้ายชนกัน และสร้างกิโลโนวาขึ้นมา การระเบิดลักษณะนี้เป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นแหล่งของธาตุหนักจำนวนมหาศาล อย่างทองคำขาว(platinum), ซีนอน(xenon), ยูเรเนียม(uranium) และทองคำ ซึ่งจะกระจายไปทั่วเอกภพ Richardson กล่าว นักดาราศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่าโลหะหนักที่ปล่อยออกมาจากเหตุการณ์ลักษณะนี้จะล่องลอยในตัวกลางระหว่างดวงดาว(interstellar medium) จนกว่าจะไปเกาะกับดาวเคราะห์น้อย และจากนั้นก็ระดมชนโลกเมื่อเพิ่งก่อตัวขึ้น และนำส่งโลหะมีค่าที่เราได้พบในปัจจุบัน

     กิโลโนวาที่พบในปี 2017(จากเหตุการณ์ GW170817) เพียงเหตุการณ์เดียวก็สร้างโลหะมีค่ามากถึง 100 เท่ามวลโลกออกมา ดังนั้น จึงดูเหมือนการเป็นซุปเปอร์โนวาที่ล้มเหลว ไม่ใช่การสูญเปล่าสำหรับเอกภพแต่อย่างใด งานวิจัยใหม่เผยแพร่ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 1 กุมภาพันธ์

แหล่งข่าว space.com - astronomers identify 1^st twin stars doomed to collide in kilonova explosion
                scitechdaily.com – supernova fizzles out: rare twin star system discovered with a weirdly circular orbit    
               iflscience.com – astronomers discover a “one-in-10-billion” kilonova-in-waiting for first time
                sciencealert.com – super-rare star system is a giant cosmic accident waiting to happen

กล้องเวบบ์สำรวจระบบวงแหวนของชาริโคล

 

ภาพจากศิลปินแสดงชาริโคล และระบบวงแหวนของมัน 

     ในปี 2013 Felipe Braga-Ribas และเพื่อนร่วมงาน ได้ใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน ค้นพบว่าชาริโคล(Chariklo) มีระบบวงแหวนที่เป็นวงแหวนบางๆ สองวง เคยคาดว่าวงแหวนลักษณะดังกล่าวจะพบได้เฉพาะรอบๆ ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ เช่น ดาวพฤหัสฯ และเนปจูน เท่านั้น นักดาราศาสตร์กลุ่มนี้ได้เฝ้าดูชาริโคลผ่านหน้าดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง และปิดกั้นแสงดาวไว้ นักดาราศาสตร์เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การบังดาว(occultation) และพวกเขาก็ต้องประหลาดใจเมื่อดาวฤกษ์กระพริบถึง 2 รอบ(double blink) ก่อนที่จะหายวับไปหลังชาริโคล และกระพริบอีกสองรอบ หลังจากดาวโผล่ออกมาอีกครั้ง การกระพริบเกิดขึ้นจากวงแหวนบางๆ สองวง โดยเป็นวงแหวนระบบแรกที่พบรอบวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะ

     Pablo Santos-Sanz จากสถาบันดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งอันดาลูเชีย ในกรานาดา สเปน ได้รับโอกาสจากโครงการ Target of Opportunity(program 1271) เพื่อพยายามสำรวจการบังดาวอันเป็นส่วนหนึ่งของการสำรวจ GTO(Guaranteed Time Observations) ระบบสุริยะของเวบบ์ซึ่งนำทีมโดย Heidi Hammel จากสหพันธ์มหาวิทยาลัยเพื่อการวิจัยสาขาดาราศาสตร์

     Target of opportunity เป็นโครงการตามวาระโอกาส เมื่อมีดาวเคราะห์น้อยผ่านหน้าดาวฤกษ์ โครงการจะยอมให้นักดาราศาสตร์ได้หยุดการใช้กล้องเวบบ์ตามตารางเวลาและใช้เวบบ์เพื่อสำรวจเหตุการณ์เป็นการชั่วคราว เมื่อมีโชคเพียงพอ ก็ได้พบว่าชาริโคลกำลังอยู่บนเส้นทางที่จะเกิดการบังในเดือนตุลาคม 2022 นี่เป็นการบังดาวครั้งแรกที่สำรวจโดยกล้องเวบบ์ ต้องผ่านการทำงานอย่างหนักเพื่อจำแนกและปรับการทำนายเหตุการณ์ประหลาดนี้

      ในวันที่ 18 ตุลาคม ทีมได้ใช้กล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์เพื่อจับตาดูดาวฤกษ์ Gaia DR3 6873519665992128512 อย่างใกล้ชิด และหาร่องรอยการหรี่แสง(dip) ซึ่งบ่งชี้ถึงการบังดาวที่กำลังเกิดขึ้น ซึ่งได้ตรวจพบเงาจากวงแหวนของชาริโคลอย่างชัดเจน แสดงให้เห็นถึงหนทางใหม่ในการใช้กล้องเวบบ์เพื่อศึกษาวัตถุในระบบสุริยะ ดาวที่จะถูกเงาของชาริโคลบัง กลับอยู่นอกมุมมองของเวบบ์ การเฉียดผ่านโดยไม่เกิดการบังดาว(appulse) นี้เป็นไปตามที่ทำนายไว้หลังจากปรับเส้นทางของเวบบ์ครั้งล่าสุด

วีดีโอแสดงการสำรวจดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง(จับอยู่กลางภาพวีดีโอ) โดยกล้องเวบบ์เมื่อชาริโคลผ่านหน้ามัน วีดีโอนี้ประกอบจากการสำรวจของกล้องอินฟราเรดใกล้ 63 ครั้ง ในช่วง 1.5 ไมครอน(F150W) ที่ทำตลอด 1 ชั่วโมงเศษของวันที่ 18 ตุลาคม การวิเคราะห์ความสว่างของดาวฤกษ์ดวงนี้อย่างระมัดระวัง ได้เผยให้เห็นวงแหวนที่มีในระบบชาริโคลอย่างชัดเจน

     กราฟแสงการบังดาวจากเวบบ์ ซึ่งเป็นกราฟความสว่างของวัตถุ ได้เผยให้เห็นว่าการสำรวจประสบความสำเร็จ เมื่อพบวงแหวนตรงตามที่ทำนายไว้ กราฟแสงการบังได้ให้ข้อมูลที่น่าสนใจเกี่ยวกับวงแหวนของชาริโคล Santos-Sanz อธิบาย เมื่อเราขุดข้อมูลให้ลึกขึ้น เราก็จะศึกษาว่าเราได้เห็นวงแหวนทั้งสองอย่างชัดเจนจริงหรือไม่ สำหรับรูปร่างของกราฟแสงการบังจากวงแหวน ยังทราบความหนาของวงแหวน, รูปร่างและสีของอนุภาควงแหวน และสิ่งอื่นๆ เราหวังว่าจะได้แง่มุมสู่เหตุผลที่วัตถุขนาดเล็กเช่นนี้ก็ยังมีวงแหวนได้ และบางทีอาจจะได้พบวงแหวนอื่นๆ ที่สลัวกว่า

     วงแหวนอาจจะประกอบด้วยอนุภาคน้ำแข็งขนาดเล็กที่ผสมอยู่กับวัสดุสารสีมืด ซึ่งเป็นเศษซากจากวัตถุน้ำแข็งก้อนหนึ่งที่ชนกับชาริโคลในอดีต ชาริโคลมีขนาดเล็กเกินไปและอยู่ไกลเกินกว่าที่เวบบ์จะถ่ายภาพวงแหวนแยกออกจากชาริโคลได้โดยตรง ดังนั้น การบังดาวจึงเป็นเครื่องมือเพียงชิ้นเดียวที่จะแจกแจงคุณลักษณะของวงแหวนไว้

      ไม่นานหลังจากการบังดาว กล้องเวบบ์ก็หันไปที่ชาริโคลอีกครั้ง ครั้งนี้เพื่อรวบรวมสำรวจแสงอาทิตย์ที่สะท้อนออกจากชาริโคลและวงแหวนของมัน(GTO Program 1272) สเปคตรัมของระบบได้แสดงแถบดูดกลืนคลื่นจากน้ำแข็ง 3 แห่งในระบบชาริโคล Noemi Pinilla-Alonso ซึ่งนำทีมสำรวจสเปคตรัมชาริโคล อธิบายว่า สเปคตรัมจากกล้องภาคพื้นดินบอกใบ้ถึงน้ำแข็งนี้ แต่สเปคตรัมที่ได้จากเวบบ์ซึ่งมีคุณภาพยอดเยี่ยมได้เผยให้เห็นสัญญาณอย่างชัดเจนจากผลึกน้ำแข็งได้เป็นครั้งแรก

     Dean Hines ผู้นำ GTO Program 1272 กล่าวเสริมว่า เนื่องจากอนุภาคพลังงานสูงจะเปลี่ยนน้ำแข็งจากสถานะรูปผลึกให้กลายเป็นสถานะอสัณฐาน(amorphous; ไม่มีรูปผลึก) การพบผลึกน้ำแข็ง จึงบ่งชี้ว่าระบบชาริโคล ประสบกับการชนขนาดจิ๋วอย่างต่อเนื่อง ซึ่งอาจจะขุดวัสดุสารดั้งเดิมของชาริโคล หรือเหนี่ยวนำให้เกิดกระบวนการตกผลึกขึ้น

กราฟแสงการบังดาวจากกล้องอินฟราเรดใกล้ในช่วง 1.5 ไมครอน แสดงความสว่างของดาวที่หรี่ลงเมื่อวงแหวนชาริโคลผ่านหน้า ตามที่อธิบายในภาพเหตุการณ์การบัง จากมุมมองของเวบบ์ ดาวฤกษ์ไม่ได้ผ่านเข้าเบื้องหลังชาริโคลแต่มันหลังวงแหวน การหรี่แสงแต่ละตำแหน่งแท้จริงแล้วเกิดจากเงาของวงแหวน 2 วงรอบชาริโคล ซึ่งมีความกว้าง 6-7 กิโลเมตร และ 2-4 กิโลเมตร และคั่นด้วยช่องว่างที่กว้าง 9 กิโลเมตร

     สเปคตรัมแสงที่สะท้อนออกจากระบบนี้เกือบทั้งหมดมาจากชาริโคลเอง แบบจำลองได้บอกว่าพื้นที่วงแหวนที่เวบบ์ได้เห็นในระหว่างการสำรวจเหล่านี้ น่าจะมีพื้นที่ราวหนึ่งในห้าของวัตถุเอง ความไวที่สูงของเวบบ์ ร่วมกับแบบจำลอง อาจจะช่วยให้เราได้เห็นสัญญาณของวัสดุสารในวงแหวนที่อาจจะแปลกแยกจากวัสดุสารชาริโคล Pinilla-Alonso ให้ความเห็น

      นักดาราศาสตร์ได้ขยับไปอีกก้าวในการศึกษาระบบชาริโคล แต่ก็ยังคงมีสิ่งต่างๆ เกี่ยวกับวัตถุเซนทอร์ที่ยังไม่ทราบอีกมากมาย สเปคตรัมที่วิเคราะห์ล่าสุดได้รวมข้อมูลเกี่ยวกับระบบแห่งนี้โดยตรง แต่ในตอนนี้ ก็ยังยากที่จะแยกแยะข้อมูลระหว่างชาริโคลกับวงแหวนทั้งสองของมัน ยกตัวอย่างเช่น แม้ว่านักดาราศาสตร์จะพบสัญญาณผลึกน้ำแข็งอย่างชัดเจน แต่พวกเขาก็ไม่ทราบแน่ชัดว่าน้ำแข็งเหล่านี้อยู่ตรงไหนในระบบ การสำรวจชาริโคลด้วยเวบบ์ตลอดหลายปีเมื่อมุมของวงแหวนเปลี่ยนแปลงไป ก็อาจจะสามารถแยกแยะสเปคตรัมจากวงแหวนออกมาได้

    กราฟแสงการบังดาว และการสำรวจสเปคตรัมระบบชาริโคลที่ได้จากกล้องเวบบ์ ได้เปิดประตูสู่หนทางใหม่ในการจัดจำแนกคุณลักษณะของวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะที่ห่างไกลในอนาคต ด้วยความไวและความสามารถในช่วงอินฟราเรดที่สูงส่งของกล้องเวบบ์ นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้สิ่งที่ได้จากการบังดาวเพื่อต่อยอด และขยายการตรวจสอบด้วยสเปคตรัมที่เกือบชั่วคราวนี้ เครื่องมือเหล่านี้จะเป็นสมบัติสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาวัตถุขนาดเล็กที่ห่างไกลในระบบสุริยะของเรา

เวบบ์จับสเปคตรัมระบบชาริโคลด้วย NIRSpec เมื่อวันที่ 31 ตุลาคม สเปคตรัมแสดงหลักฐานของผลึกน้ำแข็งอย่างชัดเจน ซึ่งก่อนหน้านี้มีเพียงเงื่อนงำจากการสำรวจภาคพื้นดิน สเปคตรัมของระบบแสดงช่วงดูดกลืนคลื่นจากน้ำแข็ง 3 ช่วง   

     ชาริโคล(10199 Chariklo) เป็นวัตถุที่มีความกว้าง 250 กิโลเมตรและมีขนาดใหญ่ที่สุดในวัตถุกลุ่มที่เรียกว่า เซนทอร์
(Centaur) โดยมีลักษณะพื้นผิวเหมือนกับดาวเคราะห์น้อย แต่มีหางเหมือนกับดาวหาง อยู่เลยวงโคจรดาวเสาร์ออกไป ชาริโคลเป็นก้อนหินน้ำแข็งซึ่งน่าจะมีกำเนิดจากแถบไคเปอร์(Kuiper Belt) แต่ถูกรบกวนโดยแรงโน้มถ่วงของเนปจูน จนปัจจุบันมาโคจรรอบดวงอาทิตย์ระหว่างวงโคจรดาวเสาร์กับยูเรนัส ในวงโคจรที่ไม่เสถียรที่ราว 3.2 พันล้านกิโลเมตร

แหล่งข่าว blogs.nasa.gov : Webb spies Chariklo ring system with high-precision technique
                astronomy.com : James Webb Space Telescope spies rings around centaur Chariklo
                space.com : James Webb Space Telescope discovers water ice at ringed asteroid Chariklo “by remarkable luck”

ฮับเบิลตรวจสอบมวลดาวแคระขาวโดดเดี่ยว

 

ดาวแคราะขาว LAWD 37 เป็นดาวที่เผาไหม้จนหมดเชื้อเพลิงในแกนกลาง และกำลังมอดดับ ซึ่งอยู่ห่างออกไปเพียง 15 ปีแสงเท่านั้น แต่แม้ว่าเตาปฏิกรณ์จะปิดตัวลง แต่ความร้อนที่กักไว้ก็ทำให้พื้นผิวของดาวมีอุณหภูมิถึง 1 แสนองศาเซลเซียส เป็นสาเหตุให้ซากดาวนี้เรืองสว่างไสว ดาวแคระขาวยังมี “ประกายแฉก” เนื่องจากมันสว่างมากจนแสงท่วม CCD detector ของฮับเบิล ซึ่งรบกวนการสำรวจตำแหน่งของดาวพื้นหลัง  

    เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล สามารถตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวโดดเดี่ยวดวงหนึ่งได้โดยตรง

      นักวิจัยพบว่าดาวแคระขาว(white dwarf) ซึ่งเป็นซากแกนกลางของดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ที่มอดดับลง มีมวลราว 56% ดวงอาทิตย์ นี่สอดคล้องกับการทำนายมวลทางทฤษฎีก่อนหน้านี้ และสอดคล้องกับทฤษฎีปัจจุบันว่าด้วยดาวแคระขาวพัฒนาอย่างไร ในฐานะที่เป็นผลิตผลสุดท้ายจากวิวัฒนาการดาวฤกษ์ทั่วไป การสำรวจอันเป็นอัตลักษณ์นี้ได้ให้แง่มุมสู่ทฤษฎีโครงสร้างและองค์ประกอบของดาวแคระขาว

     จนกระทั่งปัจจุบันนี้ การตรวจสอบมวลดาวแคระขาวได้มาจากการสำรวจดาวแคระขาวที่อยู่ในระบบดาวคู่ ด้วยการเฝ้าดูการเคลื่อนที่ของดาวสองดวงที่มีวงโคจรร่วมกัน เป็นฟิสิกส์แบบนิวตันที่ตรงไปตรงมา ซึ่งใช้เพื่อตรวจสอบมวลของพวกมัน อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบเหล่านี้ยังมีความคลาดเคลื่อนถ้าดาวข้างเคียงของดาวแคระขาวนั้น อยู่ในวงโคจรคาบยาว ในระดับหลายร้อยจนถึงหลายพันปี การเคลื่อนที่โคจรที่กล้องโทรทรรศน์ตรวจสอบได้จึงเป็นเพียงช่วงเพียงพริบตาในการเคลื่อนที่โคจรของดาวแคระขาว

     สำหรับดาวแคระขาวที่ไม่มีคู่หู นักวิจัยต้องใช้ความช่วยเหลือจากธรรมชาติที่เรียกว่า เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาค(gravitational microlensing) แสงจากดาวที่พื้นหลังจะถูกบิดเบนได้เล็กน้อย จากห้วงอวกาศที่บิดเบี้ยวไปด้วยแรงโน้มถ่วงของดาวแคระขาวที่พื้นหน้า เมื่อดาวแคระขาวผ่านหน้าดาวที่พื้นหลัง เลนส์แบบจุลภาคจะทำให้ดาวปรากฏขยับไปเล็กน้อยจากตำแหน่งจริงบนท้องฟ้า

     ผลสรุปเหล่านี้รายงานในวารสาร Monthly Notices of the Royal Astronomical Society ผู้เขียนหลักคือ Peter McGill อดีตสังกัดที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ในสหราชอาณาจักร และปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ McGill ใช้ฮับเบิลเพื่อตรวจสอบว่าแสงจากดาวที่อยู่ห่างไกลเลี้ยวเบนไปรอบดาวแคระขาวดวงหนึ่งอย่างแม่นยำ เป็นสาเหตุให้ดาวที่พื้นหลังขยับตำแหน่งปรากฏบนท้องฟ้าไปชั่วคราว

ภาพจากศิลปินแสดงว่าแรงโน้มถ่วงของดาวแคระขาวที่พื้นหน้าบิดผืนกาลอวกาศและทำให้แสงจากดาวที่ห่างไกลที่อยู่เบื้องหลังมัน เลี้ยวเบนได้อย่างไร เป็นครั้งแรกที่กล้องอับเบิลได้ตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวโดดเดี่ยวดวงหนึ่งได้โดยตรง ยิ่งภาพของดาวที่พื้นหลังหลุดตำแหน่งชั่วคราวนี้ ไปมากแค่ไหน ก็แสดงว่าวัตถุพื้นหน้ามีมวลสูงตามไปด้วย แต่การหลุดตำแหน่งก็เกิดขึ้นน้อยกว่าเทียบเท่ากับการสำรวจมดตัวหนึ่งที่คลานบนพื้นผิวเหรียญสลึงจากที่ไกลออกมา 2400 กิโลเมตร

      Kailash Sahu จากสถาบันวิทยาศษสตร์กล้องโททรรศน์อวกาศในบัลติมอร์ มารีแลนด์ ผู้นำทีมสำรวจด้วยฮับเบิลงานล่าสุด เป็นคนแรกที่ใช้เลนส์จุลภาคเพื่อตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวอีกดวง Stein 2051B ในปี 2017 แต่แคระดวงนั้นอยู่ในระบบดาวคู่ที่อยู่ห่างจากคู่หู การสำรวจล่าสุดกับแคระขาว LAWD 37 จึงเป็นอีกก้าวหนึ่งเนื่องจาก LAWD 37 อยู่ของมันเพียงลำพัง Sahu กล่าว

      ซากที่เหลือจากดาวที่เผาไหม้จนหมดเมื่อ 1 พันล้านปีก่อน LAWD 37 ถูกศึกษาอย่างทะลุปรุโปร่งเนื่องจากมันอยู่ห่างออกไปเพียง 15 ปีแสงในกลุ่มดาวแมลงวัน(Musca) เนื่องจากดาวแคระขาวดวงนี้อยู่ค่อนข้างใกล้เรา เราจึงมีข้อมูลจำนวนมาก ซึ่งเราได้ข้อมูลมาจากสเปคตรัมของมัน แต่สิ่งที่ขาดก็คือการตรวจสอบมวล McGill กล่าว

     ทีมตรวจสอบมวลที่แม่นยำของดาวแคระขาวดวงนี้ได้ต้องขอบคุณปฏิบัติการไกอา(Gaia) ขององค์กรอวกาศยุโรป(ESA) ซึ่งทำการตรวจสอบตำแหน่งของดาวเกือบ 2 พันล้านดวงอย่างแม่นยำสูงมาก ใช้การสำรวจจากไกอาหลายครั้งเพื่อตามรอยการเคลื่อนที่ของดาว อ้างอิงจากข้อมูลเหล่านี้ นักดาราศาสตร์ก็สามารถทำนายได้ว่า LAWD 37 น่าจะผ่านหน้าดาวที่พื้นหลังดวงหนึ่งในเดือนพฤศจิกายน 2019

     เมื่อทราบเช่นนี้ จึงใช้กล้องฮับเบิลเพิ่อตรวจสอบอย่างแม่นยำตลอดหลายปีว่า ตำแหน่งปรากฏของดาวที่พื้นหลังเบี่ยงไประหว่างที่ดาวแคระขาวดวงนี้ผ่าน อย่างไรบ้าง เหตุการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นได้ยาก และผลก็น้อยนิด McGill กล่าว ยกตัวอย่างเช่น ขนาดของความเบี่ยงที่เราได้พบก็เหมือนกับการตรวจสอบความยาวของรถยนต์บนดวงจันทร์เมื่อมองจากโลก

      เนื่องจากแสงจากดาวที่พื้นหลังสลัวอย่างมาก ความท้าทายใหญ่สำหรับนักดาราศาสตร์จึงเป็นการสกัดภาพของดาวที่พื้นหลังออกจากแสงจ้าของดาวแคระขาว ซึ่งสว่างกว่าดาวที่พื้นหลัง 400 เท่า มีแต่เพียงฮับเบิลที่สามารถทำการสำรวจที่มีความเปรียบต่าง(contrast) สูงเช่นนี้ได้ในช่วงตาเห็น

กราฟแสดงว่าเลนส์แบบจุลภาคถูกใช้เพื่อตรวจสอบมวลของดาวแคระขาวโดดเดี่ยวอย่างไร ภาพเล็กจุดแสดงว่าดาวแคระขาวผ่านหน้าดาวพื้นหลังในปี 2019 อย่างไร เส้นหยักสีฟ้าตามรอยการเคลื่อนที่ปรากฏของแคระขาวบนท้องฟ้าเมื่อมองจากโลก แม้ว่าแคระจะมีเส้นทางเป็นเส้นตรง แต่การเคลื่อนที่ของโลกเมื่อโคจรไปรอบดวงอาทิตย์ก็ส่งผลเส้นทางดูเสมือนเป็นโค้งรูปคลื่น(sinusoidal) อันเนื่องจากพารัลแลกซ์(parallax) ดังนั้นจึงเคลื่อนที่ด้วยอัตราที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับพื้นหลัง เมื่อมันผ่านดาวพื้นหลังที่สลัวกว่า สนามแรงโน้มถ่วงของแคระขาวจะบิดอวกาศ และฮับเบิลก็ตรวจสอบการเลี้ยวเบนนี้ได้ด้วยความละเอียดสูงมาก ระดับการเลี้ยวเบนบอกถึงมวลดาวแคระขาวที่ 56% มวลดวงอาทิตย์

     แม้แต่คุณจะจำแนกว่าจะเป็นเหตุการณ์ที่มีโอกาสเกิดขึ้นหนึ่งในล้าน แต่ก็ยังยากอย่างสุดขั้วที่จะทำการตรวจสอบเหล่านี้ Leigh Smith จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ กล่าว แสงจ้าจากดาวแคระขาวอาจทำให้เกิดรอยขีดในทิศทางที่ทำนายไม่ได้ ซึ่งหมายความว่าเราจะต้องวิเคราะห์การสำรวจของฮับเบิลแต่ละครั้งอย่างระมัดระวังมากๆ และขีดจำกัดของพวกมัน เพื่อจำลองเหตุการณ์และประเมินมวลของ LAWD 37

     ความแม่นยำในการตรวจสอบมวลของ LAWD 37 ช่วยให้เราได้ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างมวล-รัศมีในดาวแคระขาว McGill กล่าว นี่หมายความว่าการทดสอบทฤษฎีของสสารเสื่อมถอย(degenerate matter; ) ภายใต้สภาวะที่สุดขั้วภายในดาวที่ตายแล้วนี้ McGill กล่าวเสริม

     นักวิจัยบอกว่าผลสรุปได้เปิดประตูสู่การทำนายเหตุการณ์จากข้อมูลไกอาในอนาคต นอกเหนือจากฮับเบิลแล้ว การเรียงตัวเหล่านี้ยังสามารถตรวจจับได้โดยกล้องเวบบ์ด้วย เนื่องจากเวบบ์ทำงานในช่วงอินฟราเรด แสงเรืองสีฟ้าจากดาวแคระขาวที่พื้นหน้าในช่วงอินฟราเรดจึงสลัวลง และดาวที่พื้นหลังก็จะดูสว่างขึ้น จากพลังในการทำนายของไกอา Sahu กำลังสำรวจดาวแคระขาวอีกดวง LAWD 66 ด้วยเวบบ์ การสำรวจแรกทำขึ้นในปี 2022 จะมีการสำรวจเพิ่มเติมเพื่อการเบี่ยงภาพจะเกิดสูงสุดในปี 2024 และจากนั้นก็จะค่อยๆ ลดลง

     ไกอาเป็นตัวเปลี่ยนเกมที่แท้จริง น่าตื่นเต้นที่สามารถใช้ข้อมูลของไกอาเพื่อทำนายว่าเหตุการณ์จะเกิดขึ้นเมื่อใด และจากนั้นก็สำรวจสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นได้ McGill กล่าว เราต้องการจะทำการตรวจสอบปรากฏการณ์เลนส์ความโน้มถ่วงแบบจุลภาคต่อไป และทำการตรวจสอบมวลกับดาวชนิดอื่นๆ ด้วย

      ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเมื่อปี 1915 ไอน์สไตน์ทำนายว่าเมื่อวัตถุมวลสูงขนาดเล็กผ่านหน้าดาวฤกษ์ที่พื้นหลัง แสงจากดาวก็น่าจะเลี้ยวไปรอบๆ วัตถุที่พื้นหน้า เนื่องจากห้วงกาลอวกาศที่บิดโค้งโดยสนามแรงโน้มถ่วง และในปี 1919 ทีมสำรวจซึ่งนำโดยอังกฤษ 2 ทีมมุ่งหน้าสู่ซีกโลกใต้ เป็นคนกลุ่มแรกที่ตรวจพบผลการเกิดเลนส์นี้ในระหว่างสุริยุปราคาเต็มดวงเมื่อวันที่ 19 พฤษภาคม จึงถูกยกย่องว่าเป็นครั้งแรกที่มีการพิสูจน์สัมพัทธภาพทั่วไปด้วยการทดลอง ซึ่งบอกว่าแรงโน้มถ่วงทำให้อวกาศบิดโค้งได้

     อย่างไรก็ตาม ไอน์สไตน์เองก็สงสัยว่าปรากฏการณ์จะสามารถใช้กับดาวนอกระบบสุริยะของเราได้หรือไม่ เนื่องจากต้องการความแม่นยำ การตรวจสอบของเราผลปรากฏการณ์เลนส์ที่มีขนาดเล็กกว่าที่พบในสุริยุปราคาปี 1919 ถึง 625 เท่า McGill กล่าว

แหล่งข่าว esa_hubble.org : for the first time Hubble directly measures the mass of a lone white dwarf 
                hubblesite.org : for the first time Hubble directly measures the mass of a lone white dwarf