ดาวมวลสูงกลุ่มใหญ่ที่วิ่งหนีจากทางช้างเผือก

 

     ทางช้างเผือกไม่สามารถรักษาดาวฤกษ์ทั้งหมดของมันไว้ได้ บางส่วนก็ถูกผลักออกสู่ห้วงอวกาศนอกกาแลคซี และใช้ชีวิตในเส้นทางที่ไม่แน่นอน ทีมนักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบดาวมวลสูงที่สุดในกลุ่มดาววิ่งหนี(runaway stars) เหล่านี้เพื่อดูว่าพวกเขาจะทราบได้หรือไม่ว่าพวกมันถูกผลักออกมาได้อย่างไร

     เมื่อนักดาราศาสตร์สำรวจผืนดาวแห่งหนึ่งในทางช้างเผือก สิ่งหนึ่งที่ตรวจสอบก็คือ การกระจายความเร็ว(velocity distribution) การกระจายความเร็วโดยรวมของกลุ่มประชากรดาว จะสะท้อนถึงการหมุนรอบตัวของกาแลคซี และเมื่อมีดาวสักดวงที่ไม่ได้สอดประสานกับการหมุนรอบตัวของกาแลคซี ก็ดึงดูดความสนใจของนักดาราศาสตร์

     ทีมนักดาราศาสตร์ที่ทำงานกับบัญชีรายชื่อดาวมวลสูง 2 กลุ่มได้พบดาวชุดใหม่เอี่ยมที่กำลังเคลื่อนที่แตกต่างจากทางช้างเผือก พวกมันเป็นดาววิ่งหนีที่กำลังเดินทางออกจากกาแลคซี การค้นพบเผยแพร่เป็นรายงานชื่อเรื่อง Galactic runaway O and Be stars found using Gaia DR3 ในวารสาร Astronomy & Astrophysics ผู้เขียนนำคือ Mar Carretero Castrillo นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่แผนกควอนตัมฟิสิกส์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์อวกาศ มหาวิทยาลัยบาร์เซโลนา

     Castrillo และเพื่อนร่วมงานของเธอทำการวิจัยกับบัญชีรายชื่อดาว 2 กลุ่ม คือ Galactic O-Star Catalog(GOSC) และ Be Star Spectra(BeSS) ซึ่งต่างก็เป็นบัญชีรายชื่อดาวมวลสูงแต่ต่างชนิดกัน คือ เป็นดาวชนิดโอและบีอี และกลุ่มย่อยของพวกมัน นักวิจัยยังใช้ข้อมูลจากไกอา(Gaia) ซึ่งเป็นปฏิบัติการที่ตรวจสอบดาว โดยใช้วิธี astrometry ตรวจสอบตำแหน่ง, ระยะทาง และการเคลื่อนที่ของดาวราวหนึ่งพันล้านดวง   

Zeta Ophiuchi ดาววิ่งหนีดวงหนึ่งที่สำรวจโดยกล้องสปิตเซอร์ ดาวกำลังสร้างคลื่นกระแทกรูปโบว์(bow shock) เมื่อมันเดินทางผ่านเมฆฝุ่นในห้วงอวกาศ การศึกษาใหม่ได้พบดาววิ่งหนีใหม่ๆ หลายสิบดวงในทางช้างเผือก

     ปฏิบัติการไกอากำลังเปลี่ยนแปลงแขนงดาราศาสตร์โดยใช้ข้อมูลที่เที่ยงตรงจำนวนมาก ซึ่งนักวิจัยคนอื่นๆ สามารถใช้เพื่องานวิจัยของตนเองได้ รายงานนี้จึงมีพื้นฐานจากการรวมข้อมูลของไกอา กับข้อมูลจากบัญชีทั้งสอง

     ไม่มีใครเคยทราบว่ามีดาววิ่งหนีกำลังเดินทางออกจากกาแลคซีของเรามากแค่ไหน แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังคงพบดาวเหล่านี้เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ บางคนประเมินว่ามีดาววิ่งหนีราว 10 ล้านดวงที่หนีออกจากทางช้างเผือก แต่เราก็ยังคงไม่ทราบอย่างแน่ชัด อาจจะต้องขึ้นอยู่กับกลไกที่ผลักพวกมันออกมา และสิ่งนั้นเองก็เป็นสิ่งที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ยังคงไม่เข้าใจดีนัก การศึกษานี้จึงมุ่งเป้าไปที่การแง้มความลับของดาววิ่งหนีโดยพิจารณาเฉพาะดาวมวลสูง

     ผู้เขียนอธิบายว่า มีดาวฤกษ์มวลสูงในสัดส่วนพอสมควรที่เป็นดาววิ่งหนี ดาวเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่แปลกประหลาดพอสมควรเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมของมัน พวกเขาจึงเริ่มค้นหาและแจกแจงคุณลักษณะของดาววิ่งหนีมวลสูงในบัญชีทั้งสอง โดยตรวจสอบกับข้อมูลจากไกอา ดาวมวลสูงโอบีเป็นดาวที่สว่างที่สุดในทางช้างเผือก พวกเขาอธิบาย ดาวโอบีไม่เพียงแต่มีมวลสูงและอายุน้อย พวกมันยังร้อนจัดมาก มักจะก่อตัวในกลุ่มที่ยึดจับกันเองอย่างหลวมๆ ซึ่งเรียกว่า OB associations

     เนื่องจากพวกมันมีอายุน้อยและร้อน จึงคงอยู่ไม่นาน จึงมีความสำคัญในทางดาราศาสตร์เนื่องจากมีมวลสูงมาก และยังเพราะดาวเหล่านี้ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา จึงเป็นเหตุผลที่ต้องมีบัญชีรายชื่อพิเศษที่อุทิศให้กับพวกมัน

     ทีมตรวจสอบข้อมูลไกอากับบัญชี GOSC และ BeSS และได้พบดาวชนิดโอ 417 ดวง และชนิดบีอี 1335 ดวงที่พบทั้งในไกอาและบัญชีรายชื่อ ในกลุ่มดังกล่าว พวกเขาพบดาววิ่งหนีชนิดโอ 106 ดวง ซึ่งคิดเป็น 25.4% ของดาวใน GOSC มี 42 ดวงที่เพิ่งจำแนกได้ใหม่ และยังพบดาววิ่งหนีชนิดบีอี 69 ดวง ซึ่งคิดเป็น 6.9% ของดาวในบัญชีดาวกลุ่มบีอีด้วย มี 47 ดวงที่เพิ่งจำแนกได้ใหม่ และโดยรวมแล้ว ดาวชนิดโอเคลื่อนที่เร็วกว่าดาวชนิดบีอี

ภาพจากกล้องเวบบ์แสดงเนบิวลาทารันทูลา(Tarantula nebula) ซึ่งมีกระจุกดาวอายุน้อย R136 อยู่ในใจกลาง R136 มีดาวมวลสูงที่สุดเท่าที่เคยพบมาอยู่หลายดวง พื้นที่ที่แออัดเต็มไปด้วยดาวมวลสูงอายุน้อย เป็นสภาพแวดล้อมแบบที่อาจนำไปสู่การผลักทางพลวัต สร้างดาววิ่งหนีได้

     เพราะเหตุใด จึงพบดาวมวลสูงเป็นสัดส่วนที่สูงในดาววิ่งหนี มีทฤษฎีคู่แข่ง 2 งานที่พยายามอธิบายดาววิ่งหนี และทั้งสองงานก็เกี่ยวข้องกับดาวมวลสูงเช่นกัน อันแรกเป็นลำดับเหตุการณ์การผลักทางพลวัต(Dynamical Ejection Scenarios; DES) และอีกอันเป็นลำดับเหตุการณ์ซุปเปอร์โนวาในระบบคู่(Binary Supernova scenarios; BSS)

    ดาวชนิดโอบีมักจะก่อตัวเป็นคู่ ใน BSS ดาวดวงหนึ่งระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวา และการระเบิดได้ผลักดาวอีกดวงในคู่ออกมา ถ้าลำดับเหตุการณ์นี้ถูกต้อง ดาวที่เหลืออยู่ก็ได้รับพลังงานเพียงพอในทิศทางที่ใช่ เพื่อหนีออกจากแรงยึดเกาะของดาวคู่หูซึ่งระเบิดกลายเป็นดาวนิวตรอน หรือไม่ก็หลุมดำ มันยังหลุดจากแรงโน้มถ่วงของทางช้างเผือกด้วย ถ้าเกิดขึ้นได้จริง ก็จะเริ่มเดินทางไกลออกสู่ห้วงอวกาศนอกกาแลคซี

     สำหรับ DES ไม่มีการระเบิดรุนแรงกลายเป็นซุปเปอร์โนวาแต่อย่างใด แต่ ดาวจะอยู่ในพื้นที่ขนาดเล็กอย่างแออัด ได้พบกับปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับดาวอื่น การผ่านเข้าใกล้ระหว่างดาวฤกษ์เดี่ยวกับดาวในระบบคู่ อาจจะสร้างดาววิ่งหนีออกมา เช่นเดียวกับระบบคู่สองแห่งด้วย ในสภาพแวดล้อมของ OB associations นั้นเป็นสภาพแวดล้อมที่อยู่กันอย่างแออัดจนสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดดาววิ่งหนีได้ เนื่องจากดาวเกือบทั้งหมดเป็นดาวมวลสูง ดาววิ่งหนีก็จึงมวลสูงด้วย

     นักวิทยาศาสตร์สนใจในลำดับเหตุการณ์ทั้งสองและโต้แย้งกันมานานหลายสิบปี ลำดับเหตุการณ์ทั้งสองสร้างดาวที่มีความเร็วมากพอที่จะหนีออกจากกาแลคซี ในการศึกษาตัวอย่างดาววิ่งหนี 175 ดวง นักวิจัยพบว่าข้อมูลโน้มเอียงไปทางลำดับเหตุการณ์อันหนึ่ง มากกว่าอีกอัน สัดส่วนของดาววิ่งหนีชนิดโอที่มีมากกว่า และมีความเร็วสูงกว่า เมื่อเทียบกับดาวชนิดบีอี ได้เน้นไปถึงการผลักทางพลวัตว่าน่าจะเป็นไปได้ ได้มากกว่าซุปเปอร์โนวาในระบบคู่ พวกเขาเขียนไว้ในรายงาน

ภาพจากศิลปินแสดงดาวที่ระเบิดเป็นซุปเปอร์โนวาในระบบดาวคู่ และส่งแรงผลักรุนแรงต่อดาวคู่หูของมัน ถ้าสภาวะเหมาะสม ดาวคู่หูก็อาจถูกผลักออกจากกาแลคซีกลายเป็นดาววิ่งหนี(runaway star)

     สัดส่วนของดาวมวลสูงแต่ละชนิดสเปคตรัมที่เป็นดาววิ่งหนี ได้ช่วยอธิบายข้อสรุปนี้ โดยตัวอย่างดาวกลุ่มโอ มี 25% ที่วิ่งหนี เทียบกับ 5% ในกลุ่มของดาวบีอี การศึกษางานอื่นได้ตัวเลขที่แตกต่างออกไป แต่ผู้เขียนได้ชี้ว่า ก็ยังสอดคล้องในแง่ที่ว่าสัดส่วนของดาววิ่งหนีชนิดโอ มีสูงกว่าชนิดบีหรือบีอีอย่างมาก

     งานวิจัยก่อนหน้านี้แสดงว่าดาววิ่งหนีชนิดโอ มีความเร็วสูงกว่าชนิดบี หรือบีอี งานวิจัยยังแสดงว่าการผลักทางพลวัตมักจะเป็นเหตุให้เกิดดาววิ่งหนีที่เร็วกว่า มีมวลสูงกว่า แบบซุปเปอร์โนวาในระบบคู่  

     ดาว GOSC-Gaia DR3 มีความเร็วสูงกว่าดาว BeSS-Gaia DR3 ผู้เขียนอธิบาย ซึ่งเป็นไปในทางเดียวกันกับงานวิจัยก่อนหน้านี้ นี่ตอกย้ำความเหนือของลำดับเหตุการณ์ DES เมื่อเทียบกับ BSS พวกเขาสรุปไว้   

แหล่งข่าว sciencealert.com : dozens of massive “runaway” stars found fleeing the Milky Way
                phys.org : astronomers find dozens of massive stars fleeing the Milky Way

Kepler-385 ระบบดาวเคราะห์เจ็ดดวง

 

ภาพจากศิลปินแสดง Kepler-385 และดาวเคราะห์อีกสองดวงของมัน

     ปฏิบัตการเคปเลอร์ของนาซาซึ่งปิดตัวในปี 2018 หลังจากตามล่าดาวเคราะห์นอกระบบได้อย่างเป็นกอบเป็นกำกว่า 9 ปีของการทำงาน กล้องโทรทรรศน์อวกาศได้พบดาวเคราะห์หลายพันดวง โดยมีจำนวนมากที่ได้รับการตั้งชื่อ แต่ก็ยังมีข้อมูลอีกมหาศาลที่นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบยังคงทำการวิเคราะห์อยู่

     ขณะนี้ ทีมนักวิจัยได้เปิดหน้าต่างสู่ระบบดาวเคราะห์ 7 ดวงในทะเลข้อมูลจากเคปเลอร์ ดาวฤกษ์ซึ่งเรียกว่า Kepler-385 อยู่ห่างออกไปราว 4670 ปีแสง มีการยืนยันดาวเคราะห์บางส่วนของมันย้อนกลับไปในปี 2014 ในขณะที่อีกหลายดวงยังคงเป็นเพียงว่าที่ดาวเคราะห์ แต่ในบัญชีรายชื่อที่เพิ่งปรับปรุงขึ้นใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้ยืนยันว่าที่ส่วนที่เหลือ และเผยให้เห็นรายละเอียดใหม่ๆ ในระบบดาวเคราะห์ที่พบได้ยากแห่งนี้

     รายงานที่ประกาศบัญชีรายชื่อใหม่ มี Jack Lissauer เป็นผู้เขียนนำ ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์วิจัยที่ศูนย์วิจัยเอมส์ของนาซา รายงานเผยแพร่ใน Journal of Planetary Science เราได้รวบรวมบัญชีว่าที่ดาวเคราะห์จากเคปเลอร์และคุณสมบัติของพวกมันอย่างเที่ยงตรงที่สุดเท่าที่เคยทำมา Lissauer กล่าว ดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนมากถูกพบโดยปฏิบัติการเคปเลอร์ของนาซา และบัญชีรายชื่อใหม่ก็จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้เรียนรู้อีกมากเกี่ยวกับคุณลักษณะของพวกมัน

     นักวิทยาศาสตร์เบื้องหลังบัญชีรายชื่อใหม่บอกว่าบัญชีรวมว่าที่ดาวเคราะห์จากเคปเลอร์ทั้งหมดที่พบ ที่โคจรและผ่านหน้า(transit) ดาวฤกษ์เดี่ยว หนึ่งในระบบที่น่าสนใจคือ Kepler-385 ซึ่งมีดาวเคราะห์ 7 ดวงแออัดกันรอบดาวฤกษ์แม่ ทั้งหมดมีขนาดใหญ่กว่าโลกแต่ก็ยังเล็กกว่าเนปจูน ดาวฤกษ์แม่ Kepler-385 คล้ายกับดวงอาทิตย์ของเรา แต่เพียงใหญ่กว่า(10%) และร้อนกว่า(5%) เล็กน้อย เป็นหนึ่งในดาวฤกษ์เพียงไม่กี่ดวงที่พบดาวเคราะห์หรือว่าที่ดาวเคราะห์มากกว่า 6 ดวงในวงโคจร ตัวอย่างอีกระบบที่เป็นที่รู้จักก็คือ ระบบ TRAPPIST-1 ที่มีดาวเคราะห์ขนาดพอๆ กับโลก 7 ดวง

ภาพจากศิลปินเปรียบเทียบขนาดในระบบ Kepler-385

     ดาวเคราะห์วงในสุด 2 ดวงต่างก็มีขนาดใหญ่กว่าโลกเล็กน้อย ที่ระยะทางราว 10% วงโคจรโลกรอบดวงอาทิตย์ จากบัญชีใหม่ Kepler-385b(12.8 เท่ามวลโลก คาบการโคจร 10 วัน) และ Kepler-385d(13.2 เท่ามวลโลก คาบการโคจร 15 วัน) ทั้งคู่น่าจะเป็นหิน และอาจจะมีชั้นบรรยากาศแต่ก็น่าจะบางมากๆ ส่วนอีก 5 ดวงที่เหลือมีรัศมีราว 2 เท่าของโลก และน่าจะมีชั้นบรรยากาศหนาทึบ

      การหวนกลับมาพิจารณาบัญชีรายชื่อดาวเคราะห์นอกระบบของเคปเลอร์ ได้ให้การวิเคราะห์คุณสมบัติดาวเคราะห์นอกระบบในทีเดียว Jason Rowe ผู้เขียนร่วม ประธานกลุ่มวิจัยดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดาวเคราะห์นอกระบบแห่งคานาดา และศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยบิชอป ในควิเบค คา

นาดา กล่าว การปรับปรุงคุณสมบัติทั้งดาวฤกษ์ดาวเคราะห์ทั้งหมดได้ช่วยให้เราได้ทำการศึกษาคุณสมบัติพื้นฐานของระบบดาวเคราะห์ในเชิงลึก เพื่อให้เข้าใจดาวเคราะห์นอกระบบได้ดีขึ้น และเปรียบเทียบพิภพห่างไกลเหล่านี้โดยตรงกับระบบของเรา และเพื่อจับตาดูรายละเอียดของระบบแต่ละแห่งเช่น Kepler-385

     แต่บัญชีรายชื่อใหม่ก็ยังมีอะไรมากกว่าแค่ระบบที่หาได้ยากและน่าสนใจแห่งนี้ Kepler-385 เป็นเพียงหนึ่งในความโดดเด่นท่ามกลางว่าที่ดาวเคราะห์เกือบ 4400 ดวงและระบบพหุดาวเคราะห์อีกราว 700 แห่งในงานนี้ ด้วยการตรวจสอบดาวฤกษ์ที่เป็นต้นสังกัดของดาวเคราะห์ทั้งหมดเหล่านี้ ที่ปรับปรุงใหม่ โดยเฉพาะจากปฏิบัติการไกอา นักวิจัยจึงสามารถวิเคราะห์การกระจายของช่วงเวลาการผ่านหน้าได้ดีขึ้น

ภาพจากศิลปินแสดง Kepler-385 ระบบของดาวเคราะห์เจ็ดดวงที่พบในบัญชีรายชื่อว่าที่ดาวเคราะห์ที่พบโดยกล้องเคปเลอร์ฉบับใหม่

    ช่วงเวลาการผ่านหน้า(transit duration) เป็นเครื่องมือที่สำคัญในการตรวจสอบการกระจายตัวของดาวเคราะห์ เมื่อมีความเกี่ยวข้องกับความรี(eccentricity) ของวงโคจร ตั้งแต่ที่วงโคจรเป็นวงกลม(ความรีเป็น 0) จนถึงพวกที่มีวงโคจรเรียวยาว ดาวเคราะห์เกือบทั้งหมดมีข้อมูลไม่เพียงพอที่จะระบุความรีของพวกมันได้ทีละดวง แต่นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการที่สามารถแจกแจงการกระจายความรีในกลุ่มประชากรดาวเคราะห์ที่ผ่านหน้า นี่เป็นส่วนที่สำคัญของบัญชีเคปเลอร์ และก็ทำให้นักวิจัยได้ข้อสรุปใหม่ๆ มา หนึ่งในนั้นก็คือ ธรรมชาติของวงโคจรดาวเคราะห์ในระบบพหุดาวเคราะห์

      ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้านี้ได้บอกว่าดาวเคราะห์ขนาดเล็กและระบบที่มีดาวเคราะห์ผ่านหน้ามากกว่า ดูจะมีความรีวงโคจรที่น้อยกว่า แต่ผลสรุปเหล่านั้นพึ่งพาแบบจำลองที่สลับซับซ้อน Eric Ford ผู้เขียนร่วมจากแผนกดาราศาสตร์และดาราศาสตร์ฟิสิกส์ ที่เพนน์สเตท กล่าว ผลสรุปใหม่ของเราแสดงโดยตรงและไม่ได้พึ่งพาแบบจำลอง โดยบอกว่าระบบที่มีดาวเคราะห์ผ่านหน้ามากกว่า จะมีวงโคจรที่กลมมากกว่า

      ส่วนในแง่ของศักยภาพความสามารถในการเอื้ออาศัยได้นั้น Kepler-385 เป็นข้อยกเว้น ดาวเคราะห์ทั้ง 7 ดวงทั้งหมดอยู่ในเขตเอื้ออาศัยได้และอาบด้วยรังสีที่เข้มข้น ในความเป็นจริง ทั้งเจ็ดได้รับความร้อนจากดาวฤกษ์แม่ของพวกมันต่อพื้นที่ มากกว่าดาวเคราะห์ใดๆ ในระบบของเรา แต่งานใหม่ไม่ได้เกี่ยวข้องกับความสามารถในการเอื้ออาศัย มันเป็นแค่บัญชีรายชื่อเคปเลอร์อันใหม่ที่มีรายละเอียดและความเที่ยงตรงมากกว่าที่ทำก่อนหน้านี้

     ก็ผ่านไปกว่าทศวรรษแล้วนับตั้งแต่ที่เคปเลอร์หยุดรวบรวมข้อมูลจากพื้นที่สำรวจเป้าหมายของมัน ผู้เขียนเขียนในรายงาน อย่างไรซะ บัญชีรายชื่อว่าที่ดาวเคราะห์จากเคปเลอร์ก็ยังคงเป็นชุดข้อมูลดาวเคราะห์นอกระบบที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยทำมา ขณะนี้ เมื่อเรามีข้อมูลดาวเคราะห์ทั้งหมดเหล่านี้ที่ดีขึ้น ใครจะรู้ว่ามันจะสร้างผลงานอะไรออกมาอีก

     การสำรวจหลักของเคปเลอร์ยุติในปี 2013 และตามมาด้วยปฏิบัติการภาคต่อ K2 ซึ่งดำเนินงานจนถึงปี 2018 ข้อมูลจากเคปเลอร์ยังคงสร้างการค้นพบใหม่ๆ อย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับกาแลคซีของเรา หลังจากที่ปฏิบัติการได้แสดงให้เราเห็นว่ามีดาวเคราะห์อยู่มากกว่าดาวฤกษ์ การศึกษาใหม่นี้ได้ให้ภาพที่ชัดเจนมากขึ้นว่าดาวเคราะห์แต่ละดวงและระบบต้นสังกัดของพวกมันมีสภาพอย่างไร ช่วยให้เรามีมุมมองเกี่ยวกับพิภพมากมายนอกระบบสุริยะของเราที่ดีขึ้น

แหล่งข่าว sciencealert.com : NASA just revealed a 7-planet system hiding in old mission data
                space.com : 7 scorching-hot exoplanets discovered circling the same star
                nasa.gov : scorching, seven-planet system revealed by new Kepler exoplanet list

ชิ้นส่วนจากการชนที่สร้างดวงจันทร์

 

ภาพจากศิลปินแสดงธีอาชนกับไกอา วัตถุที่ได้จากการชนนี้กลายเป็นโลกและดวงจันทร์ ทิ้งร่องรอยความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน(heterogeneity) ในชั้นเนื้อโลก(mantle)  

     ทีมวิจัยสหวิทยาการในระดับนานาชาติเพิ่งพบว่า ก้อนที่มีความหนาแน่นผิดปกติภายในชั้นแมนเทิลของโลก อาจจะเป็นซากจากการชนที่สร้างดวงจันทร์เมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน งานวิจัยได้ให้แง่มุมใหม่ที่สำคัญไม่เพียงแต่สู่สภาพภายในของโลก แต่ยังรวมถึงวิวัฒนาการระยะยาวและการก่อตัวของระบบสุริยะส่วนใน

     งานวิจัยซึ่งพึ่งพาวิธีการพลวัตของไหลแบบคำนวณ ซึ่งคิดค้นโดยศาสตราจารย์ เติ้ง หงผิง จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ซั่งไห่(SHAO) สถาบันวิทยาศาสตร์จีน เผยแพร่ใน Nature วันที่ 2 พฤศจิกายน

    การก่อตัวของดวงจันทร์เป็นปริศนาที่อยู่ยงมานานหลายชั่วอายุนักวิทยาศาสตร์ ทฤษฎีชั้นนำได้บอกว่า ในระหว่างการเจริญขั้นสุดท้ายของโลกเมื่อราว 4.5 พันล้านปีก่อน เกิดการชนครั้งใหญ่(giant impact) ขึ้นระหว่าง โลกยุคโบราณ(หรือไกอา; Gaia) กับดาวเคราะห์ทารกขนาดพอๆ กับดาวอังคารที่เรียกว่า ธีอา(Theia) เชื่อกันว่า ดวงจันทร์ก่อตัวขึ้นจากเศษซากจากการชนนี้

    แบบจำลองเสมือนจริงมากมายได้บ่งชี้ว่าดวงจันทร์น่าจะได้รับมรดกวัสดุสารจากธีอาเป็นหลัก ในขณะที่จากโลกยุคโบราณเนื่องจากมีมวลที่สูงกว่าอย่างมาก จึงปนเปื้อนด้วยวัสดุสารจากธีอาเพียงเล็กน้อย เนื่องจากไกอาและธีอามีการก่อตัวที่ค่อนข้างเป็นอิสระต่อกัน และประกอบด้วยวัสดุสารที่แตกต่างกัน ทฤษฎีบอกว่าดวงจันทร์(ซึ่งอุดมไปด้วยวัสดุสารจากธีอา) และโลก ก็น่าจะมีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน

     อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบไอโซโทปความแม่นยำสูงในเวลาต่อมา ได้เผยว่าองค์ประกอบของโลกและดวงจันทร์มีความคล้ายคลึงกันอย่างมาก จนท้าทายทฤษฎีการก่อตัวดวงจันทร์ข้างต้น แม้ในเวลาต่อมาจะมีการนำเสนอแบบจำลองการชนครั้งใหญ่ที่ปรับแต่งมา แต่ก็ยังมีความท้าทายอยู่

     เพื่อที่จะปรับปรุงทฤษฎีการก่อตัวดวงจันทร์ ศาสตราจารย์เติ้งเริ่มทำการวิจัยการก่อตัวดวงจันทร์ในปี 2017 เขามุ่งเป้าไปที่การพัฒนาวิธีการกลศาสตร์ของไหลแบบคำนวณชนิดใหม่ที่เรียกว่า Meshless Finite Mass(MFM) ซึ่งประมวลความปั่นป่วนในแบบจำลองกับการผสมของวัสดุสารได้อย่างเที่ยงตรง ด้วยการใช้แบบจำลองเสมือนจริงการชนครั้งใหญ่อันใหม่ เติ้งจึงพบว่าโลกยุคต้นมีการแบ่งชั้นหินแล้วหลังจากการชน โดยชั้นเนื้อโลก(mantle) ส่วนบนและส่วนล่างมีองค์ประกอบและสถานะที่แตกต่างกัน

LLVPs 2 แหล่งใกล้แกนกลางโลก

     โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ชั้นเนื้อโลกส่วนบนยังมีมหาสมุทรแมกมา ซึ่งเกิดขึ้นจากการผสมอย่างทั่วถึงของวัสดุสารจากไกอาและธีอา ในขณะที่ชั้นเนื้อส่วนล่างยังคงเป็นของแข็งซะส่วนใหญ่และรักษาองค์ประกอบเดิมจากไกอาไว้ได้

    งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้ให้ความสนใจไปที่โครงสร้างของดิสก์เศษซากจากการชนมากเกินไป และได้มองข้ามผลจากการชนครั้งใหญ่ที่มีต่อโลกยุคต้น เติ้งกล่าว

     หลังจากพูดคุยกับนักธรณีฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลจีกลางแห่งสมาพันธรัฐสวิส ในซือริค(ETH Zürich) ศาสตราจารย์เติ้งและเพื่อนร่วมงานก็ตระหนักว่าการแบ่งชั้นในเนื้อโลกนี้ อาจจะปรากฏอยู่จนถึงทุกวันนี้ จากที่สะท้อนคลื่นไหวสะเทือนที่ชั้นเนื้อโลกระดับกลาง(ราว 1000 กิโลเมตรใต้พื้นผิว) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ชั้นเนื้อโลกส่วนล่างทั้งหมดอาจจะอุดมไปด้วยวัสดุสารไกอาก่อนการชน ซึ่งมีองค์ประกอบธาตุ(รวมถึงมีซิลิกอนที่สูงกว่า) ที่แตกต่างจากชั้นเนื้อโลกส่วนบนที่มีวัสดุสารจากธีอาและไกอาผสมรวมกัน  

     การค้นพบของเราท้าทายแนวคิดที่ว่าการชนครั้งใหญ่นำไปสู่การผสมรวมเป็นเนื้อเดียวกัน(homogenization) ของโลกยุคต้น เติ้งกล่าว ผมแค่พยายามจะผสมวัสดุสารจากวัตถุทั้งสองเข้าด้วยกัน แต่พวกมันไม่ยอมผสมกัน เติ้งกล่าวถึงแบบจำลอง กลับเป็นว่า การชนที่สร้างดวงจันทร์ดูจะให้กำเนิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน(heterogeneity) ของชั้นเนื้อโลกส่วนบน และกลายเป็นจุดเริ่มต้นให้กับวิวัฒนาการทางธรณีวิทยาโลกตลอด 4.5 พันล้านปี

      ตัวอย่างความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของชั้นเนื้อโลก อีกประการก็คือ มีพื้นที่แปลกประหลาด 2 แห่งซึ่งเรียกว่า LLVPs(Large Low Velocity Provinces) ที่แผ่ยาวหลายพันกิโลเมตรที่ฐานของชั้นเนื้อโลก(ลึกราว 2900 กิโลเมตรลงไป) ใกล้รอยต่อกับแกนกลางโลก แผ่นหนึ่งอยู่ใต้แผ่นแปรสัณฐานอาฟริกาใต้ และอีกแผ่นอยู่ใต้แผ่นแปรสัณฐานแปซิฟิค เมื่อคลื่นไหวสะเทือนเคลื่อนผ่านพื้นที่เหล่านี้ ความเร็วคลื่นจะลดลงอย่างมาก

ภาพจากศิลปินแสดงกำเนิดของ LLVPs ที่เกิดจากการชนครั้งใหญ่ที่สร้างดวงจันทร์

     LLVPs มีนัยสำคัญต่อวิวัฒนาการของชั้นเนื้อโลก, การแยกตัวและการเกาะกันของมหาทวีป(supercontinent) และโครงสร้างแปรสัณฐานของโลก อย่างไรก็ตาม กำเนิดของพวกมันยังเป็นปริศนา

     Dr. Yuan Qian จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) พร้อมทั้งเพื่อนร่วมงาน ได้เสนอว่า LLVPs อาจพัฒนาจากวัสดุสารธีอาจำนวนน้อยที่เข้ามาถึงชั้นเนื้อส่วนล่างของไกอา จากนั้นพวกเขาก็เชิญศาสตราจารย์เติ้งมาศึกษาการกระจายตัวและสถานะของวัสดุสารธีอาในโลกส่วนลึกหลังจากเกิดการชนครั้งใหญ่ขึ้น

      จากการวิเคราะห์แบบจำลองการชนครั้งใหญ่ก่อนหน้านี้อย่างลงลึก และทำแบบจำลองเสมือนจริงใหม่ๆ โดยมีความแม่นยำสูงขึ้น ทีมวิจัยก็พบว่ามีวัสดุสารเนื้อธีอาราว 2% มวลโลก ที่เข้ามาถึงชั้นเนื้อส่วนล่างของไกอา จากนั้น ศาสตราจารย์เติ้งก็เชิญนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์การคำนวณ Dr. Jacob Kegerreis เพื่อยืนยันข้อสรุปนี้ โดยใช้วิธีการ SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)     

      ทีมวิจัยยังคำนวณได้ว่าวัสดุสารจากชั้นเนื้อของธีอานี้ คล้ายคลึงกับหินดวงจันทร์ คืออุดมไปด้วยเหล็ก ทำให้มันมีความหนาแน่นสูงกว่าวัสดุสารไกอาที่อยู่รอบๆ ด้วยเหตุนี้ จากพื้นผิวมันจึงจมลงสู่ฐานชั้นเนื้อไกอาอย่างรวดเร็ว และการพาในชั้นเนื้อระยะยาว ก็ก่อตัวเป็นพื้นที่ LLVP 2 แห่ง LLVPs เหล่านี้ค่อนข้างเสถียรมาตลอด 4.5 พันล้านปีของวิวัฒนาการทางธรณีวิทยา

     ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในชั้นเนื้อโลกเบื้องลึก ไม่ว่าจะเป็นการสะท้อนออกจากชั้นเนื้อส่วนกลาง หรือ LLVPs ที่ฐานชั้นเนื้อโลกเอง ก็บอกว่า ภายในของโลกนั้นห่างไกลจากสภาพเป็นเนื้อเดียวกัน ในความเป็นจริงแล้ว อาจมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในส่วนลึกที่ถูกนำขึ้นมาที่พื้นผิวโดยปล่องเนื้อโลก(mantle plumes) ซึ่งเป็นกระแสความร้อนที่เอ่อขึ้นมาในรูปทรงกระบอก ที่เกิดจากการพาในชั้นเนื้อ อย่างเช่นที่น่าจะทำให้เกิดการก่อตัวของหมู่เกาะฮาวาย และไอซ์แลนด์ ขึ้น

     ยกตัวอย่างเช่น นักธรณีเคมีที่ศึกษาอัตราส่วนไอโซโทปก๊าซหายากในตัวอย่างของหินบะซอลต์จากไอซ์แลนด์ ได้พบว่าตัวอย่างเหล่านี้มีองค์ประกอบที่แตกต่างจากวัสดุสารทั่วไปที่พื้นผิว องค์ประกอบเหล่านั้นเป็นซากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในชั้นเนื้อส่วนลึกที่มีอายุย้อนไปถึง 4.5 พันล้านปี และทำหน้าที่เป็นกุญแจสู่ความเข้าใจสถานะเริ่มต้นของโลก และแม้แต่การก่อตัวดาวเคราะห์ใกล้เคียง

     ดร เติ้ง บอกว่าจากการวิเคราะห์ตัวอย่างหินที่หลากหลายมากขึ้นอย่างแม่นยำ ร่วมกับแบบจำลองการชนครั้งใหญ่ที่ปรับแต่งรายละเอียดมากขึ้น และแบบจำลองวิวัฒนาโลก เราก็สามารถระบุองค์ประกอบวัสดุสารและพลวัตการโคจรของโลกยุคดึกดำบรรพ์, ไกอา และธีอาได้ นี่จะช่วยให้เราได้ระบุความเป็นมาของการก่อตัวระบบสุริยะส่วนในได้ทั้งหมด นอกจากนี้ ยังอาจมีบทบาทที่กว้างขึ้น ถ้างานวิจัยนี้ให้แรงบันดาลใจในการเข้าใจการก่อตัวและความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของดาวเคราะห์นอกระบบ

แหล่งข่าว phys.org : massive anomaly within Earth’s mantle may be remnant of collision that formed moon
                sciencealert.com : scientists detect traces of an ancient alien world beneath Earth’s mantle
                iflscience.com : anomalies inside Earth’s mantle may come from ancient moon-forming collisions  

ขั้นแรกสุดสู่การก่อตัวดาวเคราะห์

 

ภาพความแรงการเปล่งคลื่นวิทยุจากดิสก์รอบ DG Taurus ซึ่งสำรวจโดย ALMA ยังไม่พบการก่อตัวโครงสร้างคล้ายวงแหวนขึ้นในดิสก์ ซึ่งบอกว่ามันยังไม่มีการก่อตัวดาวเคราะห์ขึ้น

      การไขปริศนาว่าดาวเคราะห์ที่คล้ายโลกก่อตัวได้อย่างไรนั้น เป็นคำถามที่สำคัญเพื่อความเข้าใจกำเนิดของสิ่งมีชีวิต คิดกันว่า ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นในก๊าซและฝุ่นในห้วงอวกาศที่รวบรวมไว้เป็นดิสก์ก่อตัวดาวเคราะห์(protoplanetary disk) รอบดาวฤกษ์ทารก(protostar) ดวงหนึ่ง แต่ก็ยังคงไม่ชัดเจนว่าการก่อตัวดาวเคราะห์เริ่มต้นที่ใด, เมื่อใด และอย่างไร

     ในทางตรงกันข้าม เป็นที่ทราบว่าเมื่อมีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งก่อตัวขึ้นในดิสก์ แรงโน้มถ่วงของมันจะสร้างรูปแบบคล้ายวงแหวนขึ้นในดิสก์ ในความเป็นจริงแล้ว การสำรวจด้วย ALMA ได้เผยให้เห็นโครงสร้างวงแหวนลักษณะเช่นนั้นในดิสก์ก่อตัวดาวเคราะห์หลายแห่ง ซึ่งบ่งบอกถึงการมีอยู่ของดาวเคราะห์

     เพื่อที่จะศึกษากระบวนการก่อตัวดาวเคราะห์ จึงจำเป็นที่ต้องพิจารณารายละเอียดในดิสก์ซึ่งยังไม่มีดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นมา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความยากลำบากในการค้นหาดิสก์ที่ไร้สัญญาณของดาวเคราะห์ และศึกษาพวกมันในรายละเอียด เราจึงไม่เคยมีภาพอันชัดเจนว่าการก่อตัวดาวเคราะห์เริ่มต้นขึ้นได้อย่างไร ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal ทีมวิจัยนานาชาติมุ่งเป้าไปที่ดาวฤกษ์ทารกอายุค่อนข้างน้อย DG Taurus และศึกษาดิสก์รอบดาวฤกษ์ทารกดวงนี้ในรายละเอียดด้วย ALMA

     พวกเขาสำรวจการกระจายของความเข้มการเปล่งคลื่นวิทยุที่ 1.3 มิลลิเมตรจากฝุ่นในดิสก์ด้วยความละเอียดสูงมากถึง 0.04 อาร์ควินาที และจำแนกรายละเอียดในดิสก์ได้ ผลที่ได้แสดงว่าดิสก์รอบ DG Tau นั้นราบเรียบและขาดแคลนรูปแบบวงแหวนอย่างที่พบในดิสก์รอบๆ ดาวฤกษ์ทารกที่มีอายุมากกว่า นี่บ่งชี้ว่ายังไม่มีดาวเคราะห์ในดิสก์ของ DG Tau และภาพที่ได้ก็อาจเป็นคืนวันก่อนการก่อตัวดาวเคราะห์

     ต่อมา นักวิจัยก็สำรวจดิสก์ในช่วงความยาวคลื่นที่ต่างออกไป(0.87, 1.3 และ 3.1 มิลลิเมตร) และสำรวจคลื่นวิทยุและความเข้มการเกิดโพลาไรซ์ อัตราส่วนของความเข้มคลื่นวิทยุในช่วงความยาวคลื่นที่ต่างกันและความเข้มของการเกิดโพลาไรซ์ของคลื่นวิทยุที่กระเจิงโดยฝุ่น จะเปลี่ยนไปขึ้นอยู่กับขนาดของฝุ่นและความหนาแน่นของฝุ่น ดังนั้น ก็สามารถประเมินการกระจายของขนาดและความหนาแน่นโดยการเปรียบเทียบผลจากการสำรวจ กับแบบจำลองเสมือนจริงซึ่งมีขนาดฝุ่นและความหนาแน่นที่แตกต่างกันไป

(บน) แผนที่ความแรงคลื่นวิทยุของดิสก์ DG Tau ที่ความยาวคลื่น 0.87, 1.3 และ 3.1 มิลลิเมตร ซึ่งสำรวจโดย ALMA และแผนที่ความแรงของการเกิดโพลาไรซ์ในคลื่นวิทยุที่กระเจิงโดยฝุ่นที่ความยาวคลื่น 0.87 และ 3.1 มิลลิเมตร แบบจำลองเสมือนจริง(ล่าง) ที่ใช้ภาพที่สอดคล้องที่สุดกับการสำรวจด้านบน

     ผลที่ได้แสดงการแพร่กระจายของฝุ่นซึ่งเป็นวัสดุสารที่ก่อตัวดาวเคราะห์กำลังเพิ่มขึ้น แบบจำลองเสมือนจริงที่สอดคล้องที่สุดบอกว่า ฝุ่นมีขนาดใหญ่ขึ้นที่ส่วนนอกของดิสก์(เลยจากระยะทางราว 40 AU ไกลกว่าวงโคจรเนปจูนรอบดวงอาทิตย์เล็กน้อย) มากกว่าในส่วนใน ซึ่งบ่งชี้ว่ากระบวนการก่อตัวดาวเคราะห์ที่นั่นพัฒนาไปมากกว่า

     ทฤษฎีการก่อตัวดาวเคราะห์ได้บอกว่าการก่อตัวดาวเคราะห์เริ่มต้นขึ้นในดิสก์ส่วนใน แต่ผลสรุปจากการศึกษานี้ค้านกับสิ่งที่คาดไว้ และบ่งชี้ว่าการก่อตัวดาวเคราะห์อาจจะเริ่มจากดิสก์ส่วนนอก ในทางตรงกันข้าม อัตราส่วนก๊าซต่อฝุ่นในดิสก์ส่วนในก็สูงเป็น 10 เท่าของอัตราส่วนในห้วงอวกาศ แม้ว่าขนาดของฝุ่นจะเล็กกว่า ยิ่งกว่านั้น อนุภาคฝุ่นเหล่านี้ไปรวมกันอยู่ที่ระนาบกลางของดิสก์ ซึ่งบอกว่าดิสก์กำลังอยู่ในกระบวนการสะสมมวลสารเพื่อก่อตัวดาวเคราะห์ เป็นไปได้ว่าการสะสมฝุ่นนี้อาจจะเหนี่ยวนำให้เกิดการก่อตัวดาวเคราะห์ในอนาคต

     การสำรวจเหล่านี้เป็นไปได้ก็เพราะความละเอียดที่สูงสุดขั้วมากของ ALMA เช่นเดียวกับการสำรวจคลื่นวิทยุที่เปล่งออกจากฝุ่น ซึ่งรวมแสงโพลาไรซ์ใน 3 ช่วงความยาวคลื่น นี่เป็นครั้งแรกที่ได้สำรวจขนาดและความหนาแน่นของฝุ่นใน “ดิสก์เรียบ” ที่ไม่มีสัญญาณการก่อตัวดาวเคราะห์ จะเป็นข้อมูลใหม่เกี่ยวกับแหล่งก่อตัวดาวเคราะห์ ที่ไม่สามารถทำนายไว้ในการศึกษาหรือการสำรวจดิสก์ที่มีสัญญาณการก่อตัวดาวเคราะห์ก่อนหน้านี้

     เมื่อถามความเห็นถึงความสำคัญของงานวิจัยนี้ Satoshi Ohashi บอกว่า โดยรวมแล้ว ALMA ประสบความสำเร็จในการจับโครงสร้างดิสก์ที่หลากหลาย และได้เผยถึงการมีอยู่ของดาวเคราะห์ อย่างไรก็ตาม ในทางตรงกันข้ามเพื่อที่จะตอบคำถามว่า การก่อตัวดาวเคราะห์เริ่มต้นขึ้นที่ใด ก็สำคัญที่ต้องสำรวจดิสก์เรียบที่ไม่มีสัญญาณการก่อตัวดาวเคราะห์ เราเชื่อว่าการศึกษานี้มีความสำคัญอย่างมากเนื่องจากมันเผยให้เห็นสภาวะตั้งต้นสำหรับการก่อตัวดาวเคราะห์

แหล่งข่าว phys.org : astronomers discover first step toward planet formation