ตรวจสอบด้านกลางคืนของดาวเคราะห์นอกระบบ
ดาวเคราะห์นอกระบบชนิด "พฤหัสร้อน"(hot Jupiter) เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่คล้ายกับดาวพฤหัสฯ ในระบบของเรา แต่อยู่ในวงโคจรใกล้ชิดดาวฤกษ์ มากกว่าวงโคจรของดาวพุธรอบดวงอาทิตย์ของเรา
นับตั้งแต่ที่นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์ดวงแรกที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์ เราได้พบพิภพหลายแห่งที่ไม่ได้ใกล้เคียงกับพิภพที่เราคุ้นเคยในระบบสุริยะเลย มีดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนมากที่เป็นดาวเคราะห์ก๊าซขนาดใหญ่พอๆ กับดาวพฤหัสฯ แต่โคจรอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์ของพวกมันอย่างมาก ด้วยคาบเพียงไม่กี่วันเท่านั้น
แม้ว่าเราจะไม่สามารถมองเห็น “พฤหัสร้อน”(hot Jupiters) เหล่านี้ได้โดยตรงเนื่องจากพวกมันซ่อนอยู่ภายใต้แสงแรงกล้าจากดาวฤกษ์แม่ แต่พวกมันก็เป็นดาวเคราะห์ที่ตรวจจับได้ง่ายมากที่สุดโดยใช้วิธีการผ่านหน้า(transit method) ซึ่งบอกการมีอยู่ของพวกมันได้โดยอ้อม เมื่อพวกมันผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่และกันแสงดาวบางส่วนไว้เมื่อมองจากโลก
ในระหว่างการผ่านหน้า เรายังสามารถตรวจสอบองค์ประกอบชั้นบรรยากาศได้โดยการตรวจจับก๊าซต่างๆ ในแสงของดาวที่ถูกกรองผ่านชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ แต่ก็จะบอกเราได้เพียงสภาวะในพื้นที่หนึ่งๆ บนดาวเคราะห์เท่านั้น แต่ในการศึกษาใหม่ที่ทำกับดาวเคราะห์นอกระบบ WASP-121b ซึ่งเผยแพร่ใน Nature Astronomy เราสามารถตรวจสอบชั้นบรรยากาศทั่วดาวเคราะห์ชนิดพฤหัสร้อนนี้ด้วยรายละเอียดได้โดยตรง
ภาพจากศิลปินแสดง WASP-121b
ดาวเคราะห์ที่โคจรใกล้กับดาวฤกษ์แม่อย่างมาก จะถูกล๊อคไว้(tidal locked) โดยด้านหนึ่งจะเป็นกลางวันอย่างถาวร ในขณะที่อีกด้านก็เป็นกลางคืนชั่วนิรันดร์ ด้านกลางวันจะมีอุณหภูมิที่สูงสุดขั้วขึ้นอยู่กับว่าวงโคจรนั้นใกล้แค่ไหน บางครั้งอุณหภูมิอาจสูงกว่าดาวฤกษ์ที่เย็นที่สุดด้วยซ้ำ เราสามารถตรวจสอบอุณหภูมิด้านกลางวันได้โดยการหาความแตกต่างในปริมาณแสงรวมระหว่างดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์เมื่ออยู่ด้วยกัน แล้วเอาแสงจากดาวฤกษ์ลำพังมาลบออก
WASP-121b ถูกพบโดยกล้องโทรทรรศน์ SuperWASP ในปี 2015 เป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์มหึมาด้วยมวลประมาณ 1.18 เท่าดาวพฤหัสฯ แต่กลับมีขนาดเกือบสองเท่าของดาวพฤหัสฯ โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงหนึ่งซึ่งอยู่ไกลออกไปราว 850 ปีแสง เป็นหนึ่งในดาวเคราะห์ที่มีคาบการโคจรสั้นที่สุดเท่าที่เคยพบมาด้วยคาบเพียง 30 ชั่วโมงเท่านั้น ดาวเคราะห์เป็นพวกพฤหัสร้อนจัด(ultra-hot Jupiter) ด้านกลางวันของมันมีอุณหภูมิถึง 2226.85 องศาเซลเซียส Tansu Daylan นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่เอ็มไอที ผู้เขียนร่วมการศึกษากล่าวว่า เป็นที่รู้กันดีว่าพฤหัสร้อนมีด้านกลางวันที่สว่างมาก แต่ด้านกลางคืนก็เป็นคนละเรื่องเลย ด้านกลางคืนของ WASP-121b มืดกว่าด้านกลางวันของมันประมาณสิบเท่า
ภาพอธิบายดาวเคราะห์ดวงหนึ่งโคจรรอบดาวฤกษ์ และแสงที่มาจากระบบนี้ตามตำแหน่งของมัน
ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์โดยปกติจะประกอบด้วยโมเลกุลไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นส่วนใหญ่ โดยมีก๊าซอื่นๆ เช่น ไอน้ำ ปะปนอยู่เล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ภายใต้อุณหภูมิที่สุดขั้วเช่นนั้น โมเลกุลก็จะเริ่มแตกออกจากกันเป็นอะตอมเดี่ยวๆ และกระทั่งอิเลคตรอนถูกดึงออกจากนิวเคลียสอะตอม ชักนำให้องค์ประกอบเคมีในชั้นบรรยากาศแตกต่างอย่างยิ่งกับสิ่งที่เราได้เห็นบนดาวเคราะห์อื่น
คำถามข้อใหญ่ก็คือ แล้วเกิดอะไรขึ้นบนด้านกลางคืนของดาวเคราะห์ร้อนจัดอย่าง WASP-121b ด้านนี้ไม่ได้แสงใดๆ จากดาวฤกษ์แม่เลยนอกจากหันหน้าสู่ความเย็นเยือกของอวกาศ หนทางเดียวที่มันจะอุ่นขึ้นก็โดยลมในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ที่พัดพาความร้อนมาจากด้านกลางวัน แต่กระนั้น แม้ว่าจะมีลมที่รุนแรงอย่างมาก เราก็คาดหวังได้ว่าจะมีความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างรุนแรงระหว่างด้านกลางวันและด้านกลางคืนของดาวเคราะห์ที่ร้อนที่สุด และก็น่าจะมีผลกระทบในการทำลายสารเคมีในชั้นบรรยากาศด้วยเช่นกัน
หนทางเดียวที่จะบอกได้ถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในด้านกลางคืนก็คือ พยายามและสำรวจดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ด้วยกันอย่างน้อยก็ตลอดหนึ่งวงโคจรเต็ม จากนั้นเราก็ตรวจสอบหาความแตกต่างเล็กน้อยในแสงที่มาจากระบบในช่วงความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน เมื่อด้านต่างๆ ของดาวเคราะห์หมุนเข้ามาให้เห็น นี่ช่วยให้เราทำแผนที่ชั้นก๊าซของดาวเคราะห์ได้ และเปรียบเทียบสภาวะในช่วงกลางวันและกลางคืน ซึ่งในตอนนี้ทำได้กับดาวเคราะห์จำนวนหนึ่งเท่านั้น เนื่องจากสัญญาณที่มองหานั้นน้อยมากๆ
ภาพจากศิลปินแสดง phase ของดาวเคราะห์นอกระบบ WASP-121b การตรวจสอบชั้นบรรยากาศในแต่ละช่วงของวงโคจร จะบอกถึงสภาพในชั้นบรรยากาศ
ทีมสามารถทำการตรวจสอบ WASP-121b ได้โดยการสำรวจดาวเคราะห์ตลอดสองวงโคจรเต็มๆ ในปี 2018 และ 2019 ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ทีมใช้อุปกรณ์บนฮับเบิลซึ่งตรวจสอบในช่วงอินฟราเรดใกล้ ซึ่งไวต่อไอน้ำภายในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ และเปรียบเทียบการสำรวจในแต่ละช่วงของวงโคจร กับแบบจำลองที่สร้างโดยคอมพิวเตอร์เพื่อตรวจสอบปริมาณไอน้ำที่มีอยู่ และดูการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ระดับความสูงที่แตกต่างกันในส่วนดังกล่าวของชั้นบรรยากาศ พวกเขายังตามรอยว่าไอน้ำหมุนเวียนระหว่างด้านกลางวันและด้านกลางคืนได้อย่างไร เป็นครั้งแรกด้วย
พวกเขาพบว่าด้านกลางวันมีอุณหภูมิตั้งแต่ 2500 เคลวินในส่วนที่ลึกที่สุดที่กล้องสำรวจได้ จนถึง 3500 เคลวินที่ยอดเมฆ ส่วนด้านกลางคืนก็มีตั้งแต่ 1800 เคลวินในส่วนที่ลึกที่สุดจนถึง 1500 เคลวินในชั้นบรรยากาศส่วนบน ที่น่าสนใจคือ คุณสมบัติอุณหภูมิดูจะกลับกัน ในแง่อุตุนิยมวิทยาเรียกว่า thermal inversion เมื่ออุณหภูมิในด้านกลางวันสูงขึ้นตามระดับความสูง และลดลงด้วยระดับความสูงในด้านกลางคืน
ทีมได้พบว่าอุณหภูมิระหว่างด้านกลางวันและกลางคืนที่แตกต่างกันมากกว่า 1 พันองศา จากด้านกลางคืนที่ราว 1500 เคลวิน(1226.85 องศาเซลเซียส) ไปที่เกิน 2500 เคลวิน(2226.85 องศาเซลเซียส) ในด้านกลางวันที่ระดับสูงมาก เนื่องจากความแตกต่างอุณหภูมิ ปริมาณไอน้ำที่ลอยสูงเป็นเมฆในด้านกลางวันจะลดลงเมื่อเทียบกับด้านกลางคืน เมื่อโมเลกุลไอน้ำถูกทำลายภายใต้อุณหภูมิด้านกลางวันที่สุดขั้ว แต่จะกลับไปรวมตัวกันใหม่เมื่ออากาศเย็นลงเมื่อมันเคลื่อนที่ไปสู่ด้านกลางคืน
เราได้เห็นรายละเอียดน้ำและทำแผนที่ว่ามันเปลี่ยนแปลงที่ส่วนต่างๆ ของวงโคจรดาวเคราะห์อย่างไร ซึ่งจะถอดรหัสได้เป็นข้อมูลว่าอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์เป็นอย่างไร ตามระดับความสูง Thomas Mikal-Evans ผู้เขียนนำจากสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อดาราศาสตร์ กล่าว ขณะนี้เรากำลังขยับจากภาพพื้นที่แต่ละส่วนในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ไปสู่การศึกษาพวกมันว่าในระบบที่เป็นสามมิติจะมีสภาพอย่างไร
ภาพจากศิลปินแสดงด้านกลางคืนของดาวเคราะห์ชนิดพฤหัสร้อนจัด WASP-121b
นี่หมายความว่า WASP-121b มีบางสิ่งที่คล้ายกับวัฎจักรน้ำ แต่แทนที่จะเป็นน้ำควบแน่นกลายเป็นของเหลว และก่อตัวเป็นเมฆก่อนที่จะระเหยเป็นก๊าซ อย่างที่เกิดบนโลก บน WASP-121b โมเลกุลน้ำเองที่ถูกทำลาย จากนั้นก็ไปรวมตัวใหม่อีกครั้งแต่อุณหภูมิไม่เคยต่ำพอที่จะก่อตัวเมฆไอน้ำได้เลยบนดาวเคราะห์ จากแผนที่อุณหภูมิ ทีมยังสำรวจพบว่าพื้นที่ที่ร้อนที่สุดบนดาวเคราะห์นั้นขยับไปทางตะวันออกจากพื้นที่ข้างใต้ดาว(substellar) โดยตรง การเลื่อน(shift) นี้เกิดขึ้นเนื่องจากลมที่เร็วรุนแรงมาก ก๊าซร้อนจัดที่พื้นที่ข้างใต้ดาวโดยตรงถูกพัดไปทางตะวันออกก่อนที่จะคายพลังงานออกสู่อวกาศ จากขนาดการเลื่อนนี้ ทีมคำนวณพบว่าลมพัดด้วยความเร็วมากถึง 5 กิโลเมตรต่อวินาที ลมนี้พัดแรงกว่ากระแสลมกรด(jet stream) บนโลกเสียอีก และอาจจะพัดเมฆไปทั่วดาวเคราะห์ได้ในเวลาเพียง 20 ชั่วโมงเท่านั้น
เมื่อดูเหมือนว่าจะมีอย่างอื่นนอกเหนือจากไอน้ำไหลเวียนรอบดาวเคราะห์ด้วย บนด้านกลางคืน ดาวเคราะห์ก็เย็นมากพอที่แร่ธาตุและโลหะซึ่งเป็นสารประกอบที่พบในหินแข็งบนโลก แต่จะพบในรูปก๊าซในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ที่ร้อนจัด จะควบแน่นและก่อตัวเป็นเมฆ เช่น เมฆเหล็ก, วาเนเดียม, โครเมียม และนิกเกิล แต่ที่น่าสนใจคือ ไม่พบอลูมินัมหรือไทเทเนียม
ทีมเชื่อว่าอลูมินัมอาจจะรวมตัวกับออกซิเจนเพื่อก่อตัวเป็นกะรุน(corundum) ซึ่งเป็นอลูมินัมออกไซด์รูปผลึก ซึ่งเมื่อรวมกับโลหะอื่นจำนวนเล็กน้อย เช่น วาเนเดียม, โครเมียม, เหล็ก หรือไทเทเนียม จะก่อตัวแร่ธาตุทับทิม(rubies) และซัฟไฟร์(sapphire) ทำให้ท้องฟ้าด้านกลางคืนของ WASP-121b อาจจะวาววับด้วยประกายทับทิมหรือซัพไฟร์เมื่อการตรวจสอบบอกว่า อุณหภูมิด้านกลางคืนนั้นต่ำพอที่กะรุนจะควบแน่นกลายเป็นอนุภาคฝุ่นขนาดเล็กได้ เมฆเหล่านี้ก็เช่นเดียวกับไอน้ำที่ถูกพัดไปสู่ด้านกลางวันซึ่งอุณหภูมิสูงจะระเหยโลหะกลายเป็นรูปของก๊าซ บางทีจึงอาจจะสร้างฝนประหลาด เช่น ฝนหยดอัญมณีของเหลวจากเมฆกะรุนเหล่านั้น
การสำรวจวัฏจักรน้ำของ WASP-121b ได้ช่วยยืนยันการทำนายบางส่วนเกี่ยวกับดาวเคราะห์ที่ร้อนสุดขั้ว และยังช่วยให้ทีมมีโอกาสในการเรียนรู้เพิ่มเติมว่าชั้นบรรยากาศมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้สภาวะเหล่านั้น ก้าวต่อไปก็คือการทำการตรวจสอบกับดาวเคราะห์อื่นๆ ในรูปแบบเดียวกัน และเปรียบเทียบผลที่ได้ โดยเฉพาะด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ เช่นเดียวกับการตรวจสอบซ้ำที่ WASP-121b เผื่อได้ภาพที่อาจจะชัดเจนมากขึ้น
เราหวังว่าจะได้พบคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วยกล้องเวบบ์ เพื่อที่จะได้เรียนรู้ได้มากขึ้นว่าพฤหัสร้อนจัดเหล่านี้ก่อตัวอย่างไร เราคิดว่าพวกมันไม่น่าจะก่อตัวขึ้นใกล้กับดาวฤกษ์ จากแบบจำลองการก่อตัวดาวเคราะห์ แรงโน้มถ่วง, การแผ่รังสีและลมดวงดาวที่รุนแรงควรจะพัดพาก๊าซไม่ให้เกาะกลุ่มกัน Mikal-Evans กล่าว นี่ยังอาจเป็นครั้งแรกที่เราสามารถตรวจสอบโมเลกุลที่มีคาร์บอนอยู่ในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นี้ได้ ปริมาณของคาร์บอนและออกซิเจนในชั้นบรรยากาศจะให้เงื่อนงำว่าดาวเคราะห์ชนิดเหล่านี้ก่อตัวขึ้นที่ใด
แหล่งข่าว phys.org - ruby clouds and water behaving strangly: what we found when studying an exoplanet’s dark side
sciencedaily.com – a “hot Jupiter”’s dark side is revealed in detail for first time
iflscience.com – liquid rubies and sapphires might be raining on the night-side of this hellish exoplanet
sciencealert.com – this extremely extreme exoplanet has metal vapor clouds and rains liquid jewels
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
