กล้องเวบบ์สำรวจระบบยูเรนัส

 

     ตามรอยภาพเนปจูนที่เผยแพร่ในปี 2022 มาติดๆ เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้ถ่ายภาพดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์อีกดวงในระบบสุริยะ คือ ยูเรนัส ภาพใหม่แสดงรายละอียดวงแหวน เช่นเดียวกับรายละเอียดสว่างในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์

      ข้อมูลกล้องเวบบ์ได้แสดงถึงความไวที่น่าเหลือเชื่อของเวบบ์โดยเผยให้เห็นวงแหวนฝุ่นที่สลัวที่สุดของระบบ ซึ่งเคยถูกถ่ายภาพได้อีกเพียง 2 ครั้งจากต่างอุปกรณ์ คือ ยานวอยยาจเจอร์ 2(Voyager 2) เมื่อมันบินผ่านยูเรนัสในปี 1986 จากระยะทาง 81500 กิโลเมตร และจากกล้องเคกที่ติดตั้งระบบปรับกระจก(adaptive optics) ชั้นสูง

      ดาวเคราะห์ดวงที่เจ็ดนับจากดวงอาทิตย์ มีความเป็นอัตลักษณ์ มันหมุนรอบตัวแบบตะแคงข้าง ด้วยมุมเกือบ 90 องศาจากระนาบที่ดาวเคราะห์โคจร ซึ่งเป็นสาเหตุให้เกิดฤดูกาลที่สุดโต่งเมื่อขั้วของดาวเคราะห์ต้องอาบด้วยแสงอาทิตย์อย่างคงที่อยู่หลายปี ตามด้วยความมืดมิดยาวนานพอๆ กัน อากาศในซีกทั้งสองของยูเรนัสที่สุดโต่งเป็นผลให้ความเร็วลมพัดแรงถึง 900 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ในบางตำแหน่งบนยูเรนัส ยังเย็นกว่าเนปจูนที่อยู่ไกลออกไปอีก แม้ว่าจะยังไม่ทราบสาเหตุ

     ยูเรนัสใช้เวลา 84 ปีโคจรรอบดวงอาทิตย์ ในขณะนี้ เป็นช่วงปลายฤดูใบไม้ผลิที่ขั้วเหนือ ซึ่งจะเห็นได้ในภาพ ฤดูร้อนทางเหนือของยูเรนัสจะมาถึงในปี 2028 เมื่อเทียบแล้ว เมื่อวอยยาจเจอร์ 2 บินผ่านยูเรนัส ยังเป็นช่วงฤดูร้อนที่ขั้วใต้ ซึ่งขณะนี้ ขั้วใต้อยู่ในด้านมืดของดาวเคราะห์ มองไม่เห็นและเผชิญกับความมืดมิดของอวกาศ

      ภาพอินฟราเรดจากกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์นี้ รวมข้อมูลจากฟิลเตอร์ 2 ชนิดที่ 1.4 และ 3.0 ไมครอน ซึ่งแสดงให้ภาพเป็นสีฟ้า และส้ม ตามลำดับ ดาวเคราะห์แสดงโทนสีฟ้าเป็นสีที่ได้ เมื่อวอยยาจเจอร์ 2 ตรวจสอบยูเรนัส กล้องของมันได้เห็นลูกบอลสีเขียวฟ้าที่แทบจะไร้รายละอียดใดๆ ในช่วงความยาวคลื่นที่ตาเห็น แต่ในช่วงอินฟราเรดและด้วยความไวของเวบบ์ เราได้เห็นรายละเอียดเพิ่มขึ้น แสดงว่าชั้นบรรยากาศยูเรนัสนั้นแท้จริงแล้วมีพลวัตอย่างไร

ภาพซูมยูเรนัสโดยกล้องอินฟราเรดใกล้(NIRCam) ของเวบบ์จับภาพในวันที่ 6 กุมภาพันธ์ ด้านขวาของดาวเคราะห์เป็นพื้นที่สว่างกว่าแห่งหนึ่งที่ขั้วที่กำลังหันเข้าหาดวงอาทิตย์เรียกว่า ขั้วหมวก(polar cap) ที่ขอบขั้วหมวกมีเมฆสว่างก้อนหนึ่งและรายละเอียดฝ้าที่สลัวกว่าอีกสองสามแห่งที่ซ้อนทับบนขอบขั้วหมวก และยังมีเมฆสว่างมากก้อนที่สองเห็นได้ที่ฝั่งซ้ายของดาวเคราะห์

      ทางด้านขวาของดาวเคราะห์ เป็นพื้นที่ที่สว่างขึ้นที่ขั้วที่หันเข้าหาดวงอาทิตย์ ซึ่งเรียกว่า ขั้วหมวก(polar cap) ขั้วหมวกของยูเรนัสมีความเป็นอัตลักษณ์ ซึ่งดูเหมือนจะปรากฏขึ้นเมื่อขั้วได้รับแสงอาทิตย์ตรงๆ ในช่วงฤดูร้อน และจะหายไปในช่วงฤดูใบไม้ร่วง ข้อมูลจากเวบบ์เหล่านี้จะช่วยนักวิทยาศาสตร์ให้เข้าใจกลไกประหลาดปัจจุบันเบื้องหลังรายละเอียดนี้

      เวบบ์ได้เผยให้เห็นมุมมองที่น่าประหลาดใจที่ขั้วหมวกนี้ คือที่ใจกลางขั้วหมวกมีความสว่างสูงขึ้นเล็กน้อย ความไวของ NIRCam และช่วงความยาวคลื่นที่เวบบ์มองเห็นที่ยาวกว่า อาจจะอธิบายว่าเพราะเหตุใดเราจึงมองเห็นรายละเอียดยูเรนัสเช่นนี้เมื่อมันไม่ถูกพบจากกล้องอื่นๆ เช่นกล้องฮับเบิล และกล้องเคก

      ที่ขอบของขั้วหมวกมีเมฆสว่างก้อนหนึ่ง และมีรายละเอียดจางๆ อีกสองสามแห่งซึ่งมองเห็นที่ส่วนก้ำกึ่งกับขอบของขั้วหมวก จะเห็นเมฆสว่างมากก้อนที่สองที่ด้านซ้ายของดาวเคราะห์ เมฆลักษณะนี้พบได้ทั่วไปบนยูเรนัสในช่วงอินฟราเรด และน่าจะมีความเกี่ยวข้องกับกิจกรรมพายุ

     ดาวเคราะห์ดวงนี้ถูกจำแนกเป็นดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ เนื่องจากองค์ประกอบเคมีภายในของมัน มวลเกือบทั้งหมดของมันเป็นของไหลเยือกแข็งที่หนาแน่นและร้อน ซึ่งอาจเป็นน้ำ, มีเธน และอัมโมเนีย อยู่เหนือแกนกลางขนาดเล็กที่เป็นหิน

      ยูเรนัสมีวงแหวนที่พบแล้ว 13 วง และมี 11 วงในจำนวนนั้นที่มองเห็นได้ในภาพเวบบ์นี้ วงแหวนเหล่านี้บางส่วนสว่างมากเมื่อมองด้วยเวบบ์ เมื่อพวกมันอยู่ใกล้กันมากจนดูเหมือนจะหลอมรวมกลายเป็นวงแหวนขนาดใหญ่ขึ้น มีเก้าวงที่ถูกจัดเป็นวงแหวนหลักของดาวเคราะห์ และอีกสองวงเป็นวงแหวนฝุ่นสลัวกว่า(อย่างเช่น วงแหวนเซตา; Zeta ring ซึ่งอยู่ใกล้ดาวเคราะห์มากที่สุด) ที่เพิ่งถูกพบเมื่อการบินผ่านในปี 1986 โดยวอยยาจเจอร์ 2

ภาพมุมกว้างออกมาแสดงระบบยูเรนัส ตั้งแต่ดาวเคราะห์จนถึงดวงจันทร์หกจากยี่สิบเจ็ดดวงที่พบ ยังมองเห็นวัตถุที่พื้นหลังอีกจำนวนหนึ่งซึ่งรวมถึงกาแลคซีหลายแห่งด้วย

     นักวิทยาศาสตร์คาดว่าภาพยูเรนัสจากกล้องเวบบ์ในอนาคต จะเผยให้เห็นวงแหวนรอบนอกอีกสองวง ที่ถูกพบโดยกล้องฮับเบิลในระหว่างที่วงแหวนตัดผ่านระนาบ กล้องเวบบ์ยังจับภาพดวงจันทร์มากมายในจำนวน 27 ดวงของยูเรนัส ซึ่งเกือบทั้งหมดมีขนาดเล็กและสลัวเกินกว่าจะมองเห็นได้ในภาพ ในภาพมุมกว้างจำแนกดวงที่สว่างที่สุดได้ 6 ดวง

      นี่เป็นเพียงภาพเปิดหน้ากล้องสั้น(12 นาที) ผ่านสองฟิลเตอร์เท่านั้น จึงเป็ฯเพียงยอดของภูเขาน้ำแข็งที่เวบบ์จะทำได้เมื่อสำรวจดาวเคราะห์ปริศนานี้ กำลังมีการศึกษายูเรนัสเพิ่มเติม และที่วางแผนไว้อีกในการดำเนินงานวิทยาศาสตร์ปีแรกของเวบบ์

แหล่งข่าว esawebb.org : Webb adds another ringed world with new image of Uranus  
                skyandtelescope.com : James Webb Space Telescope captures another ringed planet

โอมูอามูอา ดาวหางที่อาจปล่อยก๊าซไฮโดรเจน

 

     วัตถุข้ามระบบดวงหนึ่งซึ่งขณะนี้กำลังเดินทางไกลกลับออกจากระบบสุริยะของเรา แม้จะมีความประหลาดอยู่บ้าง แต่ในที่สุดก็หาคำอธิบายแบบเป็นธรรมชาติได้สมบูรณ์แบบ

      งานวิจัยใหม่ได้ยืนยันว่า ความเร็วที่เพิ่มขึ้น(มีความเร่ง) ของโอมูอามูอาสามารถอธิบายได้โดยการปล่อยโมเลกุลก๊าซไฮโดรเจน(H2) ตามที่นักดาราศาสตร์เคมี Jennifer Bergner จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Darryl Seligman จากมหาวิทยาลัยคอร์เนล บอกว่ายิ่งเป็นหลักฐานว่าก้อนหินที่เป็นรูปทรงซิการ์เรียวยาวนี้ เป็นวัตถุดิบสำหรับการก่อตัวดาวเคราะห์(planetesimals) น้ำแข็งที่คล้ายๆ กับพลูโต ก่อนที่จะถูกดีดหลุดจากระบบของมัน ออกมาเพ่นพล่านในทางช้างเผือก

     นักวิจัยเขียนไว้ว่า เป็นคำตอบที่ตรงไปตรงมา ซึ่งสามารถอธิบายคุณสมบัติอันแปลกประหลาดของโอมูอามูอาได้โดยไม่ต้องปรับแต่งใดๆ เพิ่มเติม Bergner ผู้ช่วยศาสตราจารย์สาขาเคมี ที่ยูซี เบิร์กลีย์ ผู้ซึ่งศึกษาปฏิกิริยาเคมีที่เกิดบนหินน้ำแข็งบนสภาพสูญญากาศที่เย็นในอวกาศ เธอถกหัวข้อนี้กับเพื่อนร่วมงาน Seligman ซึ่งขณะนี้เป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่คอร์เนล และพวกเขาก็ตัดสินใจทำงานด้วยกันเพื่อทดสอบแนวคิด

     โอมูอามูอาปรากฏตัวขึ้นครั้งแรกในเดือนตุลาคม 2017 ประมาณหนึ่งเดือนหลังจากที่มันเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด โดยเคลื่อนที่มาตีวงและวิ่งหนีออกจากระบบสุริยะของเราไป และเข้าใกล้โลกมากที่สุดที่ระยะทาง 24 ล้านกิโลเมตร เราไม่เคยได้เห็นอะไรแบบนี้ในระบบของเรามาก่อน และนักดาราศาสตร์ก็ให้ความสนใจมันอย่างมาก ประการแรกเพราะรูปร่างของมัน โอมูอามูอาเรียวยาวแคบคล้ายกับซิการ์ โดยมีขนาดยาว 200 เมตรแต่กว้างเพียง 10 เมตร ไม่เคยมีดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อยดวงใดๆ ในระบบของเราที่มีรูปร่างแบบนี้

     โอมูอามูอาดูจะหมุนรอบตัวไปด้วย เหมือนกับขวดที่กลิ้งไปขว้างๆ และแม้ว่าวัตถุนี้ดูเหมือนจะไม่มีน้ำแข็ง และไม่ปลดปล่อยก๊าซใดๆ ให้เราได้ตรวจจับอย่างที่น่าจะเป็นถ้าเป็นดาวหาง แต่เส้นทางของมันก็ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวอย่างเส้นทางของดาวเคราะห์น้อย ดาวหางจะปล่อยก๊าซออกมาเมื่อน้ำแข็งของมันระเหิดทำให้ดาวหางมีแรงผลักเพิ่มจึงมีความเร่ง ซึ่งสอดคล้องกับสิ่งที่นักดาราศาสตร์สำรวจพบจากโอมูอามูอา นี่บอกว่ามันดูคล้ายกับทั้งดาวหางและดาวเคราะห์น้อย

     ดาวหางเกือบทั้งหมดนั้นเป็นก้อนหิมะสกปรกซึ่งเข้าใกล้ดวงอาทิตย์จากที่ขอบนอกของระบบสุริยะอย่างเป็นคาบเวลา เมื่อมันอบอุ่นขึ้นจากแสงอาทิตย์ ดาวหางจะผลักน้ำและโมเลกุลอื่นๆ ออกมา สร้างเป็นโคมาที่สว่าง และมักจะมีหางที่เป็นก๊าซและฝุ่นด้วย ก๊าซที่ผลักออกมาทำหน้าที่เหมือนเป็นจรวดบนยานอวกาศ ทำให้ดาวหางมีแรงผลักเพิ่มเติมอีกเล็กน้อยจนส่งผลต่อเส้นทาง ให้เบี่ยงเบนจากวงโคจรรีที่พบโดยทั่วไปกับวัตถุในระบบสุริยะอื่นๆ เช่น ดาวเคราะห์น้อยและดาวเคราะห์

     เมื่อถูกพบ โอมูอามูอายังไม่มีชั้นก๊าซฝุ่นหรือหาง และยังมีขนาดเล็กเกินไปและอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์มากเกินไปที่จะมีพลังงานมากพอที่จะผลักน้ำจำนวนมากออกมาได้ ทำให้นักดาราศาสตร์สงสัยเกี่ยวกับองค์ประกอบของมัน และสิ่งที่ผลักออกมา หรือจะเป็นภูเขาไฮโดรเจนแข็งที่ปะทุเป็นก๊าซไฮโดรเจนออกมา จะมีเกล็ดหิมะปุกปุยขนาดใหญ่ที่แรงดันแสงจากดวงอาทิตย์ผลักออกจากดาวหางหรือไม่ หรือมันจะเป็นยานล่องสุริยะ(solar sail) ที่สร้างโดยอารยธรรมต่างดาว หรือเป็นยานอวกาศที่มีพลังในตัวยานเอง

     ในช่วงหลายปีมานี้ นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบว่าโอมูอามูอาน่าจะเป็นชิ้นส่วนที่แตกหักของวัตถุดิบก่อตัวดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ทารกที่กำลังอยู่ในกระบวนการการก่อตัวโดยจะชนกับวัตถุอื่นๆ การชนลักษณะนั้นเป็นเรื่องปกติในระบบดาวเคราะห์ที่กำลังก่อตัว โลกของเราเองก็ถูกชนโดยวัตถุอีกดวง ฉีกเศษซากบางส่วนออกไปก่อตัวเป็นดวงจันทร์ ในกรณีของโอมูอามูอา ชิ้นส่วนถูกผลักออกจากระบบโดยสิ้นเชิง

     ในปี 2020 Seligman ได้ร่วมทีมเขียนรายงานฉบับหนึ่งที่เสนอว่าความเร่งของโอมูอามูอาน่าจะเกิดจากการระเหิดของก๊าซไฮโดรเจน โมเลกุลก๊าซไฮโดรเจนนั้นตรวจจับในอวกาศได้ยากมาๆ เนื่องจากมันไม่เปล่งหรือสะท้อนแสงใดๆ โอมูอามูอาเมื่อปล่อยไฮโดรเจนออกมา เราก็ไม่น่าจะได้เห็นมันในแบบที่เรามักจะได้เห็นตัวระบุกิจกรรมดาวหาง

     ในทางตรงกันข้าม ก็พบว่าเป็นไปไม่ได้ที่โอมูอามูอาจะมีภูเขาน้ำแข็งไฮโดรเจนโมเลกุลตามที่นักวิจัยเคยเสนอไว้ในปี 2020 ดังนั้น Bergner และ Seligman จึงย้อนกลับไปทำแบบจำลองเพื่อตรวจสอบว่าวัตถุน่าจะมี(และระเหิด) ไฮโดรเจนออกมาได้อย่างไร พวกเขาพบว่าคำอธิบายนี้สมเหตุสมผลถ้ามีการฉายรังสีให้กับวัตถุที่อุดมไปด้วยน้ำแข็ง เมื่อรังสีอย่างรังสีคอสมิคกระทบวัตถุ จะเกิดกระบวนการแยกน้ำสร้างไฮโดรเจนโมเลกุลออกมา

     พวกเขาเขียนไว้ในรายงานว่า ในแบบจำลองนี้ โอมูอามูอาเริ่มต้นในฐานะวัตถุดิบก่อตัวดาวเคราะห์น้ำแข็งซึ่งได้รับรังสีคอสมิคที่อุณหภูมิต่ำในระหว่างการเดินทางข้ามระบบ และเมื่อพบกับความอบอุ่นในระหว่างที่มันเดินทางเข้ามาในระบบสุริยะ หลักฐานจากการทดลองที่มีอยู่แสดงว่าการแยกน้ำแข็ง(H2O) นั้นสอดคล้องและแยก H2 ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดจะยังถูกกักเก็บไว้ในโครงสร้างน้ำจนกว่าจะร้อนขึ้นจนถึงอุณหภูมิที่อบอ่อน(annealed) ไฮโดรเจนก็จะหนีออกมา

อินโฟกราฟฟิคแสดงความเป็นมาที่น่าจะเป็นของโอมูอามูอา

     ที่น่าประหลาดใจก็คือเธอพบว่า งานวิจัยจากการทดลองที่เผยแพร่ในทศวรรษ 1970 จนถึง 1990 ต่างก็ได้แสดงว่าเมื่อน้ำแข็งชนกับอนุภาคพลังงานสูงที่คล้ายกับรังสีคอสมิค ได้สร้างโมเลกุลไฮโดรเจนขึ้นจำนวนมากและถูกเก็บไว้ในน้ำแข็ง ในความเป็นจริงแล้ว รังสีคอสมิคสามารถทะลุลงสู่น้ำแข็งได้ลึกหลายสิบเมตร เปลี่ยนน้ำอย่างน้อยหนึ่งในสี่ให้กลายเป็นก๊าซไฮโดรเจนได้และเก็บกักไว้

      สำหรับดาวหางที่มีความกว้างไม่กี่กิโลเมตร การปล่อยก๊าซน่าจะมาจากเปลือกที่บางเมื่อเทียบกับวัตถุส่วนที่เหลือ ดังนั้นในแง่ทั้งองค์ประกอบและการมีความเร่ง ก็อาจจะไม่จำเป็นต้องให้ผลที่ตรวจจับได้ แต่เนื่องจากโอมูอามูอานั้นมีขนาดเล็กมากๆ เราคิดว่าจริงๆ แล้วมันสร้างผลมากพอที่จะทำให้เกิดความเร่งนี้

      นักวิจัยบอกว่า การระเหิดของน้ำแข็งเองเพียงลำพังก็สร้างความเร่งได้เกือบครึ่งของความเร่งที่สำรวจพบ อย่างไรก็ตาม ก๊าซไฮโดรเจนอธิบายได้อย่างดีเยี่ยม ขณะนี้เมื่อโอมูอามูอาอยู่ค่อนข้างไกล และเดินทางอย่างรวดเร็ว จึงไม่มีความเป็นไปได้ใดๆ ที่จะได้ตรวจสอบใกล้อย่างที่เคยมีอีก ดังนั้น ที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนโมเลกุลจึงยังคงเป็นคำถามต่อไป

     Alan Fitzsimmon จากมหาวิทยาลัยควีนส์ เบลฟาสต์ ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับงานวิจัยนี้ ให้ความเห็นอย่างประทับใจว่า มันเป็นวิทยาศาสตร์ที่ดี มันอาจจะไม่ได้ยุติการโต้แย้งทั้งหมดเกี่ยวกับวัตถุนี้ได้ แต่ก็ให้ภาพโอมูอามูอาที่สอดประสานกับองค์ความรู้ปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม มันได้ตอบคำถามทุกข้อที่มีและสามารถทดสอบได้โดยตรวจสอบวัตถุอื่น ทั้งวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะส่วนนอก และวัตถุข้ามระบบดวงอื่นๆ ที่อาจจะพบในอนาคต ซึ่งแสดงความเร่งที่ไม่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วง(non-gravitational acceleration) โดยตรวจไม่พบร่องรอยกิจกรรมดาวหางใดๆ

     Fitzsimmon คิดว่ากระบวนการนี้น่าจะเกิดขึ้นกับดาวหางขนาดเล็กจากดงเมฆออร์ต(Oort cloud) ในระบบของเราเอง สิ่งที่ต้องทำก็คือจับตาดูวัตถุขนาดเล็กในวงโคจรคาบยาวมากให้ใกล้ชิดขึ้น ซึ่งอาจจะเป็นไปได้ด้วยหอสังเกตการณ์รูบิน(Vera Rubin Observatory) และกล้องโทรทรรศน์ใหญ่สุดขั้ว(Extremely Large Telescope) โดยทั้งสองชิ้นน่าจะเริ่มทำงานในอีกห้าปีข้างหน้า

      การตรวจจับวัตถุขนาดเล็กที่มีความเร่งที่ไม่เกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงในอนาคต และมีโคมาที่สลัวก็น่าจะให้แง่มุมสู่กำเนิดของโอมูอามูอาแม้ว่ามันจะจากระบบสุริยะไปนานแล้ว Bergner และ Seligman เขียนไว้ในรายงานซึ่งเผยแพร่ใน Nature

      ในวันที่ 19 ตุลาคม 2017 บนเกาะเมาอิ นักดาราศาสตร์ที่ใช้กล้อง Pan-STARRS ซึ่งดำเนินงานโดยสถาบันเพื่อดาราศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาวายในมาเนา เป็นกลุ่มแรกที่สังเกตเห็นสิ่งที่พวกเขาคิดว่าเป็นดาวหางหรือไม่ก็ดาวเคราะห์น้อย แต่ทันทีที่รู้ว่าโอมูอามูอามีวงโคจรที่เอียงและเป็นไฮเปอร์โบลิค(hyperbolic; เส้นทางที่เหมือนบูมเมอแรงซึ่งบ่งชี้ว่าก้อนหินไม่ใช่เป็นวัตถุท้องถิ่นในระบบสุริยะ) และความเร็วที่สูง 87 กิโลเมตรต่อวินาที ก็บอกว่ามันมาจากนอกระบบของเรา โฉบเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์และจะไม่พบเห็นอีกต่อไป

     พวกเขาให้ชื่อมันว่า 1I/’Oumuamua ซึ่งเป็นภาษาฮาวายเรียกว่า ผู้นำสารจากแดนไกลซึ่งเดินทางมาถึงเป็นคนแรก มันเป็นวัตถุข้ามระบบดวงแรกนอกเหนือจากเม็ดฝุ่น ที่เคยพบในระบบของเรา โดยวัตถุที่สองคือ 2I/Borisov ถูกพบในปี 2019 แม้ว่ามันจะดูเหมือนและมีพฤติกรรมเหมือนดาวหางทั่วไปมากกว่า

 

แหล่งข่าว sciencealert.com - strange acceleration of mysterious interstellar visitor finally explained
                skyandtelescope.com - explaining the odd behavior of interstellar object ‘Oumuamua
               space.com – sorry, E.T fans: interstellar visitor ‘Oumuamua isn’t an alien spacecraft. It’s just passing gas   

TRAPPIST-1b พิภพไร้ชั้นบรรยากาศ

 

ภาพวาดแสดงดาวเคราะห์หินร้อน TRAPPIST-1b น่าจะมีสภาพอย่างไร

     ระบบดาว TRAPPIST-1 อยู่ห่างออกไป 40 ปีแสง มีดาวเคราะห์นอกระบบที่คล้ายโลกอย่างน้อย 7 ดวง แต่การตรวจสอบครั้งใหม่โดยเครื่องมืออินฟราเรดกลาง(MIRI) บนกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้แสดงว่ามีดาวเคราะห์หินอย่างน้อยหนึ่งดวงในกลุ่มนั้นที่น่าจะร้อนเกินกว่าจะมีชั้นบรรยากาศได้

     นี่ไม่ได้กำจัดความหวังใดๆ ที่พิภพนี้อาจจะมีชีวิตอยู่ อย่างไรก็๖ม แม้ว่าข่าวที่ว่าดาวเคราะห์นี้ดูจะไม่เอื้ออาศัย แต่การสำรวจครั้งใหม่ก็ยังคงเป็นความสำคัญครั้งใหญ่ นี่เป็นเป้าหมายหนึ่งที่ผมฝันถึง Pierre-Olivier Lagage ผู้เขียนร่วมการศึกษาจาก CEA(French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) ซึ่งใช้เวลามากกว่าสองทศวรรษพัฒนา MIRI กล่าวในแถลงการณ์อีซา นี่เป็นครั้งแรกที่เราตรวจจับการเปล่งคลื่นจากดาวเคราะห์หินได้ นี่เป็นก้าวที่สำคัญอย่างมากในเรื่องราวการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบ งานวิจัยใหม่เผยแพร่ในวารสาร Nature วันที่ 27 มีนาคม

     ดาวเคราะห์นอกระบบในคำถาม TRAPPIST-1b เป็นดาวเคราะห์วงในสุดในระบบดาว TRAPPIST-1 ซึ่งนักดาราศาสตร์ได้พบว่ามีดาวเคราะห์มากกว่าครึ่งโหลในช่วงต้นปี 2017 ดาวเคราะห์ดวงนี้มีมวล 1.4 เท่าโลก แต่ก็ไม่เหมือนกับโลก มันโคจรรอบดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กกว่าดวงอาทิตย์อย่างมาก

    ดาวฤกษ์ TRAPPIST-1 ถูกพบครั้งแรกในปี 1999 เป็นดาวแคระแดงที่เย็นมาก(M dwarf) เป็ดาวฤกษ์ชนิดที่พบได้มากที่สุดในทางช้างเผือกและอาจจะรวมทั้งในเอกภพด้วย เนื่องจากขนาดที่เล็ก ดาวลักษณะดังกล่าวจึงเปล่งพลังงานออกมาน้อยกว่าดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์ แต่ก็ยังทราบกันดีว่าดาวฤกษ์แคระแดงมีลมดวงดาวที่รุนแรงและการลุกจ้าที่เกรี้ยวกราด ซึ่งได้สร้างคำถามเกี่ยวกับความน่าจะเป็นที่ดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์เหล่านี้จะอารีต่อสิ่งมีชีวิต

ภาพวาดแสดงวงโคจรของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดในระบบ TRAPPIST-1 ทั้งหมดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบและแออัดในพื้นที่ที่เล็กกว่าวงโคจรดาวพุธรอบดวงอาทิตย์

     มีแคระแดงในทางช้างเผือกมากเป็นสิบเท่าของดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์ และก็มีโอกาสมากกว่าดาวอย่างดวงอาทิตย์ 2 ที่จะมีดาวเคราะห์หิน Thomas Greene นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ศูนย์วิจัยเอมส์ของนาซา และผู้เขียนนำการศึกษา แต่พวกมันก็ยังมีกิจกรรมสูงมากด้วย ซึ่งจะสว่างมากเมื่อยังอายุน้อย และสร้างการลุกจ้าและรังสีเอกซ์ที่สามารถกวาดชั้นบรรยากาศใดๆ ทิ้งไปได้

     การสำรวจ TRAPPIST-1b ก่อนหน้านี้โดยทั้งกล้องฮับเบิลและกล้องสปิตเซอร์ ไม่พบหลักฐานชั้นบรรยากาศที่ปุกปุยรอบพิภพดวงนี้ แต่ก็ไม่ได้กำจัดความเป็นไปได้ที่จะมีชั้นบรรยากาศที่ทึบแน่น วิธีหนึ่งที่จะลดความคลาดเคลื่อนก็คือการตรวจสอบอุณหภูมิของดาวเคราะห์ Lagage กล่าวว่า ดาวเคราะห์ดวงนี้อยู่ในล๊อคบีบฉีก(tidal lock) โดยด้านหนึ่งจะหันเข้าหาดาวฤกษ์แม่อยู่ตลอดเวลา และอีกด้านก็อยู่ในความมืดมิดถาวร ถ้ามันมีชั้นบรรยากาศที่ไหลเวียนและกระจายความร้อนออกไป ด้านกลางวันก็จะเย็นกว่ากรณีที่ไม่มีชั้นบรรยากาศ

      นักวิจัยเข้าถึงข้อมูลนี้โดยการเฝ้าดู TRAPPIST-1b โคจรไปซ่อนอยู่ด้านหลังดาวฤกษ์แม่ ในเทคนิคที่เรียกว่า การตรวจสอบปริมาณแสงจากคราสทุติยภูมิ(secondary eclipse photometry) ด้วยการลบความสว่างของดาวฤกษ์แคระแดงเพียงลำพังออกจากความสว่างโดยรวมจากดาวฤกษ์+ดาวเคราะห์ นักวิจัยก็สามารถตรวจสอบว่ามีแสงอินฟราเรด(หรือความร้อน) ที่ดาวเคราะห์เปล่งออกมามากน้อยแค่ไหน ดาวฤกษ์ในระบบนี้มีความสว่างมากกว่าดาวเคราะห์ราว 1000 เท่า เป็นผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความสว่างไม่ถึง 0.1%

     ยังมีความกังวลว่าจะพลาดการเกิดคราสนี้ เมื่อดาวเคราะห์ทั้งหมดในระบบจะดึงกันไปมา ดังนั้นวงโคจรจึงไม่ได้ตรงเวลาเป๊ะ Taylor Bell นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สถาบันวิจัยสิ่งแวดล้อมเบย์แอเรีย ซึ่งวิเคราะห์ข้อมูล กล่าว แต่มันก็น่าทึ่งเมื่อเวลาที่เกิดคราสที่เราเห็นในข้อมูลนั้น สอดคล้องกับเวลาที่ทำนายไว้ คลาดเคลื่อนเพียงไม่กี่นาทีเท่านั้น

กราฟแสงแสดงการเปลี่ยนแปลงความสว่างของระบบ TRAPPIST-1 เมื่อ TRAPPIST-1b อยู่เคียงข้างดาวฤกษ์ แสงที่มาถึงกล้องเวบบ์จะมาจากทั้งดาวฤกษ์และด้านกลางวันของดาวเคราะห์ เมื่อดาวเคราะห์ซ่อนอยู่เบื้องหลังดาวฤกษ์(คราสทุติยภูมิ) แสงจากดาวเคราะห์จะถูกกันไว้และเหลือแต่แสงดาวฤกษ์ทำให้ความสว่างโดยรวมลดลง กราฟแสดงข้อมูลแสงที่ผ่านฟิลเตอร์ F1500W ของ MIRI วงกลมสีแดงแสดงความสว่างโดยเฉลี่ย เมื่อเกิดคราสทุติยภูมิความสว่างลดลงไม่ถึง 0.1% MIRI สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงความสว่างได้ถึง 0.027%(1/3700)

      จากการสำรวจคราสทุติยภูมิ 5 ครั้งเมื่อเดือนพฤศจิกายนและธันวาคม ปีที่แล้ว นักวิจัยคำนวณว่า TRAPPIST-1b มีอุณหภูมิด้านกลางวันที่ราว 232 องศาเซลเซียส Elsa Ducrot ผู้เขียนร่วมจาก CEA กล่าวว่า เราเปรียบเทียบผลสรุปนี้กับแบบจำลองคอมพิวเตอร์อุณหภูมิที่น่าจะเป็นในกรณีต่างๆ ผลแทบจะสอดคล้องอย่างดีเยี่ยมกับวัตถุดำมืดเป็นหินโล้นที่ไม่มีชั้นบรรยากาศเพื่อถ่ายเทความร้อน จุดที่ร้อนที่สุดบนดาวเคราะห์เป็นจุดที่หันเข้าหาดาวฤกษ์แม่โดยตรง ซึ่งถ้ามีชั้นบรรยากาศ จะสร้างลมที่ตำแหน่งดังกล่าว ซึ่งน่าจะขยับจุดที่ร้อนที่สุดบนดาวเคราะห์ให้ขยับออกไป  

     เรายังไม่เห็นสัญญาณของแสงใดๆ ที่ถูกดูดกลืนโดยคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย ซึ่งก็ไม่ใช่เรื่องที่น่าประหลาดใจจากที่ TRAPPIST-1b อยู่วงในที่สุด โคจรรอบดาวฤกษ์ครบรอบในเวลาเพียง 1.5 วันเท่านั้น และได้รับพลังงานมากกว่าที่โลกได้รับ 4 เท่า

      เพื่อยืนยันว่า TRAPPIST-1b นั้นไม่มีชั้นบรรยากาศจริงๆ ขณะนี้ นักวิจัยได้ทำการสำรวจคราสทุติยภูมิเพิ่มเติมโดยใช้ MIRI ของกล้องเวบบ์ โดยมีเป้าหมายให้ได้กราฟแสงวงโคจรโดยสมบูรณ์ซึ่งแสดงว่าความสว่างของ TRAPPIST-1b เปลี่ยนแปลงอย่างไรตลอดทั้งวงโคจร นักวิจัยมั่นใจว่าจะได้ฟันธงในไม่ช้าว่าพิภพนี้มีชั้นบรรยากาศหรือไม่

     Ducrot กล่าวเสริมว่า เป็นเรื่องง่ายกว่าที่จะจำแนกดาวเคราะห์หินรอบดาวฤกษ์ที่เล็กกว่าและเย็นกว่าด้วย เราต้องการจะเข้าใจความสามารถในการเอื้ออาศัยได้รอบดาวแคระแดง และระบบ TRAPPIST-1 ก้เป็นห้องทดลองชั้นเลิศ เป็นเป้าหมายที่ดีที่สุดที่จะมองหาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์หิน

เปรียบเทียบอุณหภูมิด้านกลางวันของ TRAPPIST-1b จาก MIRI กับแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่บอกอุณหภูมิน่าจะเป็นภายใต้สภาวะต่างๆ แบบจำลองรวมคุณสมบัติของระบบที่ทราบทั้งขนาดและความหนาแน่นดาวเคราะห์, อุณหภูมิดาวฤกษ์, ระยะวงโคจรดาวเคราะห์ ความสว่างด้านกลางวันของ TRAPPIST-1b ที่ 15 ไมครอนเทียบได้กับอุณหภูมิราว 230 องศาเซลเซียส ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิที่สันนิษฐานไว้ในกรณีดาวเคราะห์ถูกล๊อคได้ โดยมีพื้นผิวสีมืด, ไม่มีชั้นบรรยากาศ และไม่มีการกระจายความร้อนจากด้านกลางวันไปด้านกลางคืน แม้ TRAPPIST-1b จะร้อนเมื่อเทียบกับมาตรฐานบนโลก แต่ก็ยังเย็นกว่าด้านกลางวันของดาวพุธซึ่งก็เป็นหินโล้นโล่งและไม่มีชั้นบรรยากาศอย่างมีนัยสำคัญ ดาวพุธได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์มากเป็น 1.6 เท่าของ TRAPPIST-1b

     ระบบดาวเคราะห์รอบ TRAPPIST-1 ถูกพบเมื่อต้นปี 2017 เมื่อนักดาราศาสตร์ได้รายงานการพบดาวเคราะห์หิน 7 ดวงโดยสิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับดาวเคราะห์ในระบบนี้ก็คือ พวกมันมีขนาดและมวลที่ใกล้เคียงกับดาวเคราะห์หินวงในในระบบสุริยะของเรา แม้ว่าพวกมันทั้งหมดจะโคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่มากกว่ากระทั่งดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ แต่พวกมันก็ได้รับพลังงานจากดาวฤกษ์แม่ดวงน้อยพอๆ กับที่โลกได้รับ และยังมีสามในเจ็ดดวง(TRAPPIST-1e, f และ g) ที่น่าจะอยู่เขตเอื้ออาศัยได้รอบดาวฤกษ์แคระแดงนี้

แหล่งข่าว astronomy.com : rocky exoplanet around TRAPPIST-1 is too hot for an atmosphere
                esawebb.org : Webb measures the temperature of a rocky exoplanet
                sciencealert.com : JWST gives us our best look yet at Earth-sized exoplanet TRAPPIST-1b
               skyandtelescope.com : exoplanet TRAPPIST-1b has no atmosphere      

VHS 1256b ดาวเคราะห์เมฆทรายละเอียด

 

ภาพจากศิลปินแสดง VHS 1256b กับดาวฤกษ์แม่คู่ของมัน

     นักวิจัยที่สำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ ได้พบรายละเอียดเมฆซิลิเกตในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ห่างไกลดวงหนึ่ง ชั้นบรรยากาศแห่งนี้ลอย, ผสม และเคลื่อนไหวอย่างคงที่ในวันที่ยาว 22 ชั่วโมง นำพาวัสดุสารที่ร้อนลอยขึ้นและดึงวัสดุสารที่เย็นกว่าจมลง จึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความสว่างอย่างมากจนมันเป็นวัตถุขนาดพอๆ กับดาวเคราะห์ที่มีการแปรความสว่างที่รุนแรงที่สุดเท่าที่เคยพบมา

      ทีมวิทยาศาสตร์ยังได้พบน้ำ, มีเธน และคาร์บอนมอนอกไซด์ ในข้อมูลจากเวบบ์ด้วย และพบหลักฐานของคาร์บอนไดออกไซด์ นี่เป็นโมเลกุลกลุ่มใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยจำแนกพบในคราวเดียว บนดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่อยู่นอกระบบสุริยะของเรา ดาวเคราะห์ VHS 1256b อยู่ห่างออกไป 40 ปีแสงและโคจรรอบดาวฤกษ์คู่หนึ่งในคาบ 1 หมื่นปี

     Brittany Miles ผู้นำทีมวิทยาศาสตร์ จากมหาวิทยาลัยอริโซนา กล่าวว่า VHS 1256b อยู่ไกลจากดาวฤกษ์แม่ของมันราว 4 เท่าระยะทางพลูโตถึงดวงอาทิตย์ ซึ่งทำให้มันเป็นเป้าหมายที่ดีเยี่ยมสำหรับกล้องเวบบ์ ซึ่งหมายความว่าแสงของดาวเคราะห์จะไม่ผสมไปกับแสงของดาวฤกษ์คู่แม่ของมัน ในชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้นไปซึ่งพบเมฆซิลิเกตอยู่ อุณหภูมิพุ่งสูงถึง 830 องศาเซลเซียส

      ในเมฆซิลิเกตเหล่านั้น กล้องเวบบ์ได้พบเม็ดฝุ่นซิลิเกตทั้งใหญ่และเล็ก ซึ่งปรากฏในสเปคตรัม Beth Biller ผู้เขียนร่วมรายงานจากมหาวิทยาลัยเอดินเบอระ ในสหราชอาณาจักร บอกว่า เม็ดซิลิเกตที่ละเอียดมากขึ้นในชั้นบรรยากาศก็จะยิ่งดูคล้ายอนุภาคจิ๋วในควัน ส่วนเม็ดที่ใหญ่ขึ้นก็อาจจะเหมือนเม็ดทรายขนาดเล็กมากที่ร้อนมาก

      VHS 1256b เป็นวัตถุที่มีความซับซ้อน ด้วยมวลระหว่าง 12 ถึง 16 เท่าดาวพฤหัสฯ วัตถุนี้จึงอยู่ที่รอยต่อดาวเคราะห์-ดาวแคระน้ำตาล(brown dwarf) ซึ่งเป็นดาวฤกษ์แท้ง(failed star) มีมวลสูงไม่พอที่จะหลอมไฮโดรเจนปกติในแกนกลาง ดาวเคราะห์มีความหนาแน่นต่ำใกล้เคียงกับดาวแคระน้ำตาล ซึ่งก็หมายความว่าเมฆซิลิเกตของมันอาจปรากฏและคงอยู่สูงขึ้นไปในชั้นบรรยากาศได้อีก อีกเหตุผลที่ท้องฟ้าของมันปั่นป่วนรุนแรงมากก็เพราะอายุของดาวเคราะห์ ในทางดาราศาสตร์แล้ว มันยังค่อนข้างอายุน้อย เพียง 150 ล้านปีเท่านั้น และจะยังคงเปลี่ยนแปลงและเย็นตัวลงไปอีกหลายพันล้านปี

      ทีมบอกว่าการค้นพบเหล่านี้เป็น เหรียญทองกลุ่มแรกๆ ที่ดึงออกจากขุมทรัพย์ข้อมูลสเปคตรัม พวกเขาเพิ่งเริ่มจำแนกองค์ประกอบของมันเท่านั้น Miles กล่าวว่า เราจำแนกพบซิลิเกต แต่ความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าเม็ดฝุ่นในขนาดและรูปร่างใดที่สอดคล้องกับชนิดของเมฆ ก็ยังต้องทำงานเพิ่มเติมอีกมาก นี่ยังไม่ใช่คราวสุดท้ายที่ได้ยินเกี่ยวกับดาวเคราะห์นี้ นี่เป็นเพียงการเริ่มต้นความพยายามในการทำแบบจำลองขนาดใหญ่เพื่อให้สอดคล้องกับข้อมูลที่ซับซ้อนจากเวบบ์

      แม้ว่ารายละเอียดทั้งหมดที่ทีมได้สำรวจก็พบเห็นได้บนดาวเคราะห์อื่นๆ ทั่วทางช้างเผือกด้วย แต่ทีมวิจัยอื่นมักจะจำแนกรายละเอียดได้เพียงอย่างเดียวในช่วงเวลาหนึ่ง ไม่มีกล้องโทรทรรศน์อื่นใดที่จำแนกรายละเอียดมากมายจากวัตถุดวงเดียวได้ในคราวเดียว Andrew Skemer ผู้เขียนร่วมจากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ กล่าว เรากำลังได้เห็นโมเลกุลจำนวนมากในสเปคตรัมเดียวที่ได้จากเวบบ์ ซึ่งบอกถึงระบบเมฆและอากาศที่มีพลวัตบนดาวเคราะห์

       ทีมได้ข้อสรุปจากการวิเคราะห์ข้อมูลสเปคตรัมที่รวบรวมได้จากเครื่องมือสองชิ้นบนกล้องเวบบ์ คือ สเปคโตรกราฟอินฟราเรดใกล้(NIRSpec) และ เครื่องมือในอินฟราเรดกลาง(MIRI) เนื่องจากดาวเคราะห์โคจรอยู่ห่างจากดาวฤกษ์แม่ๆ ของมันอย่างมาก นักวิจัยจึงสามารถสำรวจมันได้โดยตรง แทนที่จะใช้เทคนิคการผ่านหน้า(transit technique) หรือใช้ม่านโคโรนากราฟ(coronagraph) เพื่อให้ได้ข้อมูลนี้

ทีมนักวิจัยใช้เครื่องมือสองชิ้นบนกล้องเวบบ์คือ NIRSpec กับ MIRI เพื่อสำรวจแสงอินฟราเรดช่วงกว้างทั้งอินฟราเรดใกล้และกลาง(1-20 ไมครอน) ที่เปล่งออกจากดาวเคราะห์ VHS 1256b กราฟแสงสเปคตรัม ได้จำแนกสัญญาณของเมฆซิลิเกต, น้ำ, มีเธน และคาร์บอนมอนอกไซด์ และยังพบหลักฐานของคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย

       ยังมีอะไรต้องเรียนรู้อีกมากเกี่ยวกับ VHS 1256b ในอีกไม่กี่เดือนและไม่กี่ปีที่จะมาถึง เมื่อทีมนี้และทีมอื่นๆ ยังคงตรวจสอบสเปคตรัมอินฟราเรดความละเอียดสูงที่ได้จากเวบบ์อย่างขะมักเขม้น เป็นสิ่งตอบแทนก้อนใหญ่มากจากเวลาการใช้กล้องที่ไม่นาน เพียงไม่กี่ชั่วโมงการสำรวจ เราก็มีสิ่งที่น่าจะนำไปสู่การค้นพบอย่างไม่รู้จบ

     แล้วจะเกิดอะไรกับดาวเคราะห์นี้ในอีกหลายพันล้านปีข้างหน้า เพราะมันอยู่ไกลจากดาวฤกษ์แม่อย่างมาก มันก็จะเย็นตัวลงเรื่อยๆ ตามเวลา และท้องฟ้าของมันก็อาจจะเปลี่ยนจากสภาพเมฆมากไปเป็นฟ้าใส

     นักวิจัยสำรวจ VHS 1256b อันเป็นส่วนหนึ่งของ Early Release Science program ของเวบบ์ ซึ่งออกแบบมาให้ช่วยเปลี่ยนแปลงความสามารถของประชาคมดาราศาสตร์เพื่อจัดจำแนกดาวเคราะห์และดิสก์ที่ก่อตัวดาวเคราะห์ รายงานของทีมเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters วันที่ 22 มีนาคม

แหล่งข่าว esawebb.org : Webb spots swirling, gritty clouds on remote planet
                iflscience.com : JWST spots hot gritty silicate clouds on nearby exoplanet orbiting two stars
                space.com : James Webb Space Telescope spies hot, gritty clouds in skies of huge exoplanet with 2 suns