ละครเงารอบๆ TW Hydrae

 

ภาพจากศิลปินแสดงวงแหวนและดิสก์ฝุ่นรอบๆ TW Hydrae 

     ในปี 2017 นักดาราศาสตร์ได้รายงานการค้นพบเงาสายหนึ่งที่กวาดไปทั่วผิวหน้าของดิสก์ก๊าซและฝุ่นแบนที่ล้อมรอบดาวฤกษ์แคระแดง TW Hydrae เงานี้ไม่ได้มาจากดาวเคราะห์แต่มาจากดิสก์วงในที่เอียงที่เทียบกับดิสก์วงนอกที่มีขนาดใหญ่กว่ามาก เป็นสาเหตุให้ทิ้งเงาบนดิสก์วงใหญ่

       คำอธิบายหนึ่งก็คือ แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ที่มองไม่เห็นดวงหนึ่งกำลังดึงฝุ่นและก๊าซเข้าสู่วงโคจรที่เอียงของมัน ขณะนี้ เกิดเงาสายที่สองแบบผลุบๆ โผล่ๆ ในเวลาเพียงไม่กี่ปีระหว่างการสำรวจของกล้องฮับเบิลที่เก็บไว้ที่คลังมิคัลสกี้ นี่อาจจะมาจากดิสก์อีกวงที่ฝังตัวอยู่ในระบบ ดิสก์ทั้งสองน่าจะเป็นหลักฐานว่ามีดาวเคราะห์คู่หนึ่งกำลังก่อร่างสร้างตัว

     TW Hydrae มีอายุไม่ถึง 10 ล้านปี และอยู่ไกลออกไป 200 ปีแสง มันยังถือเป็นทารกอายุน้อยซึ่งยังไม่ได้เริ่มหลอมไฮโดรเจนในแกนกลางด้วยซ้ำ แต่เมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน ระบบสุริยะของเราอาจจะคล้ายกับระบบ TW Hydrae นี้ เนื่องจากระบบแห่งนี้กำลังเอียงเกือบหันหน้า(face-on) พอดีเมื่อมองจากโลก มันเป็นเป้าหมายที่เหมาะสมในการมองภาพพื้นที่ก่อสร้างระบบดาวเคราะห์จากมุมสูง

      เงาที่สองถูกพบในการสำรวจที่ทำเมื่อวันที่ 6 มิถุนายน 2021 อันเป็นส่วนหนึ่งของโครงการต่อเนื่องหลายปีซึ่งออกแบบมาให้ตามรอยเงาในดิสก์สสารรอบดาวฤกษ์ John Debes จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ(STScI) ได้เปรียบเทียบการสำรวจ TW Hydrae หลังสุดเหล่านี้กับการสำรวจที่ทำเมื่อหลายปีก่อนหน้า เราได้พบว่าเงานั้นได้สร้างสิ่งที่แตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง Debes ผู้นำโครงการและผู้เขียนหลักการศึกษาที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal กล่าว

ภาพจากกล้องฮับเบิลแสดงวงแหวนก๊าซฝุ่นรอบ TW Hydrae ที่ถูกถ่ายภาพในปี 2016 และ 2021 ภาพเป็นมุมมองดิสก์จากด้านบน ภาพซ้าย จะมีเงาสายหนึ่งอยู่ที่ตำแหน่ง 11 นฬก(A) ส่วนภาพขวา แสดงเงาสองสายที่ 11 นฬก(B) และ 7 นฬก(C) เป็นหลักฐานว่ามีวงแหวนสองวงฝังตัวเอียงด้วยมุมที่แตกต่างกัน

     เมื่อผมเริ่มพิจารณาข้อมูล เราคิดว่ามีบางสิ่งที่ผิดพลาดจากการสำรวจเนื่องจากมันไม่ใช่สิ่งที่ผมคิดไว้เลย ตอนแรกผมก็ฉงนแล้วเพื่อนร่วมงานของผมก็ถาม เกิดอะไรขึ้น เราทั้งหมดต้องเกาศีรษะและใช้เวลาสักพักเพื่อหาคำอธิบาย Rebecca Nealon สมาชิกทีมจากมหาวิทยาลัยวอร์วิค สหราชอาณาจักร กล่าวเสริมว่า เราต้องสร้างทฤษฎีอธิบายสิ่งที่อาจจะเป็นสาเหตุให้เงาเปลี่ยนไป แต่เพื่อทดสอบเราก็ต้องทำแบบจำลองเมื่อเราปรับจำนวนและความเอียงของดิสก์ เพื่อพยายามสร้างผลที่ได้จากฮับเบิลขึ้นมาอีกครั้ง

      คำตอบที่ดีที่สุดที่ทีมได้ก็คือ มีดิสก์สองวงที่เอียงกันและกันกำลังทิ้งเงา พวกมันอยู่ใกล้กันมากในการสำรวจช่วงต้นจนมองไม่เห็น เมื่อเวลาผ่านไป ก็เริ่มแยกตัวออกและแยกเป็น 2 เงา เราไม่เคยได้เห็นอะไรแบบนี้กับดิสก์กำเนิดดาวเคราะห์มาก่อน มันทำให้ระบบนี้มีความซับซ้อนมากกว่าที่เราคิดไว้อย่างมาก Debes กล่าว

     คำอธิบายที่ง่ายๆ ที่สุดก็คือ ดิสก์ที่เอียงทั้งสองน่าจะเกิดจากแรงดึงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ 2 ดวงที่อยู่ในระนาบโคจรที่แตกต่างกันไป ฮับเบิลจึงปะติดปะต่อโครงสร้างสถาปัตยกรรมของระบบแห่งนี้ ดิสก์อาจจะเป็นตัวระบุว่าดาวเคราะห์กำลังวิ่งไล่กวดกันไปรอบๆ ดาวฤกษ์ ก็คล้ายๆ กับแผ่นเสียงไวนิล 2 แผ่นที่กำลังหมุนด้วยความเร็วที่ต่างกันเล็กน้อย บางครั้งปกแผ่นก็ไปเรียงตัวกัน แต่บางครั้งอันหนึ่งจะล้ำหน้าอีกอันได้

     มันได้บอกว่าดาวเคราะห์ทั้งสองจะต้องอยู่ค่อนข้างใกล้กันและกัน ถ้าดวงหนึ่งกำลังเคลื่อนที่เร็วกว่าอีกดวงอย่างมาก ก็น่าจะสังเกตเห็นได้ในการสำรวจก่อนหน้านี้ มันก็เหมือนกับรถแข่งสองคันที่อยู่ใกล้กัน แต่อีกคันจะค่อยๆ แซงอีกคันไป Debes กล่าว ดาวเคราะห์ที่ต้องสงสัยอยู่ในพื้นที่พอๆ กับระยะทางจากดาวพฤหัสฯ ถึงดวงอาทิตย์ และเงาก็หมุนไปรอบดาวฤกษ์ครบรอบทุกๆ 15 ปีในทิศตามเข็มนาฬิกา ซึ่งเป็นคาบการโคจรที่น่าจะเป็นของดาวเคราะห์จากระยะทางดังกล่าว

ไดอะแกรมอธิบายโครงสร้างของระบบ TW Hydrae รวมถึงระยะทางและความเอียงของดิสก์ด้วย

     ข้อมูลบอกว่า วงแหวนส่วนในอยู่ที่ระยะทางระหว่าง 5 ถึง 6 AU(Astronomical units; ระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย์) จาก TW Hydrae และวงแหวนที่สองอยู่ที่ระหว่าง 6 ถึง 7 AU เมื่อพวกมันโคจร แรงโน้มถ่วงจะเป็นสาเหตุให้ดิสก์หมุนเอียงเล็กน้อยเมื่อเทียบต่อกันและกัน สร้างเงาที่ทำให้ส่วนไกลของดิสก์วงใหญ่มืดลง ความลึกของเงาบอกว่าดิสก์วงใน 2 วงเอียงราว 5 ถึง 7 องศาเมื่อเทียบกับระนาบของดิสก์วงนอก

     นี่เทียบได้กับช่วงความเอียงของวงโคจรภายในระบบสุริยะ นี่เป็นเรื่องปกติในโครงสร้างสถาปัตยกรรมระบบสุริยะทั่วไป Debes กล่าว แม้ว่าดาวเคราะห์ทั้งหมดในระบบของเราอาจจะดูกระจุกในระนาบที่แบนๆ แต่ความเอียงก็สูงได้ถึง 7 องศาในกรณีของดาวพุธ และถ้านับพลูโตด้วย ก็ที่ 17 องศา  

     ดิสก์วงนอกที่เงาทอดลงมา ก็อาจจะแผ่ไปได้ไกลหลายเท่ารัศมีของแถบไคเปอร์(Kuiper Belt) รอบระบบของเรา ดิสก์วงใหญ่นี้มีช่องว่างแห่งหนึ่งที่ราว 2 เท่าระยะทางเฉลี่ยของพลูโตรอบดวงอาทิตย์ ซึ่งอาจเป็นหลักฐานของดาวเคราะห์ดวงที่สามในระบบแห่งนี้

      ดาวเคราะห์วงในใดๆ ในระบบนี้น่าจะตรวจจับได้ยากเนื่องจากแสงของพวกมันน่าจะหายไปในแสงจ้าของดาวฤกษ์ นอกจากนี้ ฝุ่นในระบบเองก็น่าจะทำให้แสงสะท้อนจากดาวเคราะห์มืดลงด้วย ดาวเทียมไกอาอาจจะสามารถตรวจสอบการส่าย(wobble) ของดาวฤกษ์ถ้ามีดาวเคราะห์มวลพอๆ กับดาวพฤหัสฯ กำลังดึงดาวฤกษ์อยู่ แต่นั้นก็ต้องใช้เวลาหลายปีจากคาบการโคจรที่ยาวนาน กล้องเวบบ์เองก็อาจจะแสดงเงาในรายละเอียดที่มากขึ้นได้

แหล่งข่าว esahubble.org : Hubble follows shadow play around planet-forming disc
                sciencealert.com : mysterious shadow pattern in space reveals an off-kilter surprise