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