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”