ความลับของดาวเคราะห์ "ขนมสายไหม" WASP-107b
ข้อมูลที่รวบรวมโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ รวมกับการสำรวจก่อนหน้านั้นโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล ได้แสดงให้เห็นว่าในชั้นบรรยากาศ WASP-107b มีมีเธนน้อยจนน่าประหลาดใจ ซึ่งบ่งชี้ว่าภายในของดาวเคราะห์ดวงนี้จะต้องร้อนกว่า และมีแกนกลางขนาดใหญ๋กว่าที่เคยประเมินไว้
เพราะเหตุใด ดาวเคราะห์นอกระบบก๊าซยักษ์อุ่น WASP-107b จึงปุกปุยอย่างมาก ทีมนักวิจัยสองทีมต่างก็ให้คำตอบออกมา คิดว่าอุณหภูมิภายในที่สูงกว่าที่คาด อันเนื่องจากความร้อนจากแรงบีบฉีก(tidal heating) จากวงโคจรดาวเคราะห์ที่ไม่กลมเล็กน้อย สามารถอธิบายว่า WASP-107b จึงบวมพองอย่างมาก โดยไม่จำเป็นต้องใช้ทฤษฎีสุดขั้วมาอธิบายว่ามันก่อตัวได้อย่างไร
ผลสรุปมาจากความสามารถอันพิเศษสุดของเวบบ์ในการตรวจสอบแสงที่ผ่านทะลุชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ อาจจะอธิบายความปุกปุยของดาวเคราะห์นอกระบบความหนาแน่นต่ำอีกหลายสิบดวง ช่วยไขปริศนาที่มีมานานในแขนงวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบ
ด้วยปริมาตรกว่าสามในสี่ของดาวพฤหัสฯ แต่มีมวลไม่ถึงหนึ่งในสิบ ดาวเคราะห์ WASP-107b ชนิดเนปจูนอุ่น(warm Neptune) เป็นหนึ่งในดาวเคราะห์ที่มีความหนาแน่นต่ำที่สุดเท่าที่เคยพบมาหรือที่เรียกว่าดาวเคราะห์ขนมสายไหม(cotton-candy planets) ในขณะที่ดาวเคราะห์ทีปุ่กปุยไม่ได้พบได้ยากอะไรนัก แต่เกือบทั้งหมดร้อนกว่าและมีมวลสูงกว่านี้ และสามารถอธิบายความเป็นมาได้ง่ายกว่า
จากรัศมี, มวล และอายุ เราคิดว่า WASP-107b มีแกนกลางหินขนาดเล็กมากๆ ล้อมรอบด้วยชั้นไฮโดรเจน-ฮีเลียมขนาดมหึมา Luis Welbanks จากมหาวิทยาลัยอริโซนาสเตท ผู้เขียนนำรายงานที่เผยแพร่ใน Nature อธิบาย แต่ก็ยากที่จะเข้าใจว่าแกนกลางขนาดเล็กนั้นจะสามารถดึงก๊าซจำนวนมหาศาลเข้ามา จากนั้นก็หยุดดึงก่อนที่มันจะมีมวลพอๆ กับดาวเคราะห์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ได้อย่างไร
ถ้า WASP-107b มีมวลในแกนกลางสูงกว่านั้น ชั้นบรรยากาศก็น่าจะหดตัวลงเมื่อดาวเคราะห์เย็นตัวเมื่อเวลาผ่านไปนับตั้งแต่ที่มันก่อตัวขึ้น เมื่อไม่มีแหล่งความร้อนที่ทำให้ก๊าซขยายตัวอีกครั้ง ดาวเคราะห์ก็น่าจะมีขนาดเล็กกว่านี้มาก แม้ว่า WASP-107b จะมีระยะวงโคจรเพียง 8 ล้านกิโลเมตรเท่านั้น(ราวหนึ่งในเจ็ดระยะวงโคจรดาวพุธรอบดวงอาทิตย์) แต่มันก็ไม่ได้รับพลังงานมากพอที่จะพองบวมมากขนาดนั้น
WASP-107b เป้นเป้าหมายที่น่าสนใจสำหรับเวบบ์เนื่องจากมันค่อนข้างเย็นกว่าและมีลักษณะคล้ายเนปจูนในแง่มวล มากกว่าดาวเคราะห์ความหนาแน่นต่ำอื่นๆ หรือพฤหัสร้อน ที่เราเคยได้ศึกษามา David Sing จากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ผู้เขียนนำรายงานการศึกษาอีกฉบับซึ่งก็เผยแพร่ใน Nature กล่าว ด้วยเหตุนี้ เราน่าจะสามารถตรวจจับมีเธนและโมเลกุลอื่นๆ ซึ่งจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับเคมีและพลวัตภายในของมัน ที่เราไม่เคยได้จากดาวเคราะห์ที่ร้อนกว่า
รัศมีขนาดใหญ่ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศที่ขยายใหญ่ของ WASP-107b และวงโคจรแบบหันข้าง(edge-on) ทำให้มันเป็นดาวเคราะห์ที่เหมาะสมที่จะตรวจสอบสเปคตรัมแบบส่องผ่าน(transmission spectroscopy) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้เพื่อจำแนกก๊าซต่างๆ ในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบโดยมีพื้นฐานจากรูปแบบที่ก๊าซเหล่านี้ส่งผลต่อแสงดาว
สเปคตรัมแบบส่องผ่านจาก WFC3 ของฮับเบิล และ NIRCam และ MIRI ของเวบบ์
เมื่อรวมการสำรวจจาก NIRCam และ MIRI ของเวบบ์ กับการสำรวจจาก WFC3 ของฮับเบิล ทีมของ Welbank ก็สามารถแถบสเปคตรัมดูดกลืนแสงโดยชั้นบรรยากาศ WASP-107b ที่กว้างตั้งแต่ 0.8 ถึง 12.2 ไมครอน ส่วนทีมของ Sing ใช้ NIRSpec ของเวบบ์เพื่อตรวจสอบสเปคตรัมต่างหากซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ 2.7 ถึง 5.2 ไมครอน
ความแม่นยำของข้อมูลที่ได้ทำให้ไม่เพียงแต่ตรวจจับก๊าซได้ แต่ยังตรวจสอบปริมาณโมเลกุลจำนวนมากได้ ซึ่งรวมถึง ไอน้ำ(H2O), มีเธน(CH4), คาร์บอนไดออกไซด์(CO2), คาร์บอนมอนอกไซด์(CO), กำมะถันไดออกไซด์(SO2) และอัมโมเนีย(NH3) ด้วยการตรวจสอบสเปคตรัมจาก NIRSpec ของเวบบ์ เราได้แง่มุมสู่องค์ประกอบเคมีของ WASP-107b โดยตรง Stephan Birkmann จากองค์กรอวกาศยุโรป และผู้นำการสำรวจ NIRSpec ในงานศึกษานี้ การสำรวจช่วยให้เราได้ตรวจสอบองค์ประกอบในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นี้ และเสริมส่งกับการสำรวจด้วย MIRI และ NIRCam
สเปคตรัมทั้งสองงานได้แสดงการขาดแคลนมีเธนอย่างน่าประหลาดใจในชั้นบรรยากาศ WASP-107b โดยคาดว่ามีปริมาณเพียงหนึ่งในพันอ้างอิงจากอุณหภูมิที่สันนิษฐานไว้ นี่เป็นหลักฐานว่าก๊าซร้อนจากเบื้องลึกในดาวเคราะห์จะต้องผสมรวมอย่างรุนแรงกับชั้นบนๆ ที่เย็นกว่า Sing อธิบาย มีเธนนั้นไม่เสถียรที่อุณหภูมิสูง ความจริงที่เราพบมีเธนเพียงน้อยนิด แม้ว่าเราจะพบโมเลกุลที่มีคาร์บอนอื่นๆ ด้วย ได้บอกเราว่าภายในดาวเคราะห์จะต้องร้อนกว่าที่เราเคยคิดไว้พอควร
แหล่งความร้อนพิเศษภายใน WASP-107b น่าจะเป็นความร้อนจากแรงบีบฉีก ซึ่งเกิดจากวงโคจรที่รีเล็กน้อย เมื่อระยะทางจากดาวฤกษ์ถึงดาวเคราะห์เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตลอดวงโคจร 5.7 วัน แรงโน้มถ่วงก็เปลี่ยนแปลงไปด้วย ยืดบิดดาวเคราะห์และทำให้มันร้อนขึ้น ก่อนหน้านี้ นักวิจัยเคยเสนอว่า ความร้อนจากแรงบีบฉีกอาจเป็นสาเหตุของความปุกปุยของ WASP-107b แต่ก็เพิ่งพบหลักฐานแน่ชัดก็จากผลสรุปของเวบบ์
สเปคตรัมแบบส่องผ่านจาก NIRSpec ของเวบบ์
คุณสมบัติทางเคมีของดาวเคราะห์กำลังเริ่มเผยให้เห็นชิ้นส่วนหลักในปริศนาว่าชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์มีพฤติกรรมในสภาพสุดขั้วอย่างไรบ้าง Sing กล่าว ทีมของเขาจะทำการสำรวจคล้ายๆ กันนี้กับดาวเคราะห์อีก 25 ดวงด้วยเวบบ์ในปีหน้า
เราไม่เคยจะสามารถศึกษากระบวนการผสมรวมในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบในรายละเอียดแบบนี้มาก่อน ดังนั้น นี่จะเป็นหนทางอีกยาวไกลสู่ความเข้าใจว่าปฏิกิริยาเคมีที่มีพลวัตเหล่านี้ดำเนินไปได้อย่างไร เขากล่าว ซึ่งจะเป็นสิ่งที่เราต้องมีถ้าเราจะเริ่มมองตรวจสอบดาวเคราะห์หินและสัญญาณของตัวระบุทางชีววิทยา(biomarker)
WASP-107b มีแกนกลางที่ร้อน และแหล่งความร้อนนี้กำลังปรับเปลี่ยนปฏิกิริยาเคมีของก๊าซที่อยู่ลึกลงไป แต่มันก็ยังผลักดันการผสมแบบพาที่รุนแรงจากภายใน Zafar Rustamkulov จากจอห์น ฮอบกินส์ กล่าว เราคิดว่าความร้อนนี้กำลังเป็นสาเหตุให้องค์ประกอบเคมีก๊าซเปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งทำลายมีเธน และสร้างคาร์บอนไดออกไซด์และคาร์บอนมอนอกไซด์ เพิ่มขึ้น
เมื่อพวกเขาแน่ใจว่าดาวเคราะห์มีความร้อนภายในเพียงพอที่จะกวนชั้นบรรยากาศผสมได้อย่างทั่วถึง ทีมก็ตระหนักว่าสเปคตรัมที่ได้ก็ยังให้หนทางใหม่ในการประเมินขนาดของแกนกลาง Daniel Thorngren จากจอห์น ฮอบกินส์ อธิบายว่า ถ้าเราทราบว่าในดาวเคราะห์มีพลังงานมากแค่ไหน และเราทราบว่าสัดส่วนของธาตุหนักอย่างคาร์บอน, ไนโตรเจน, ออกซิเจน และกำมะถัน ต่อไฮโดรเจนและฮีเลียม มีแค่ไหน เราก็สามารถคำนวณได้ว่าแกนกลางจะต้องมีมวลเท่าใด
กลับกลายเป็นว่าแกนกลางมีมวลอย่างน้อยเป็นสองเท่าของที่เคยประเมินไว้เดิม หรือราว 12 เท่ามวลโลก ซึ่งดูสมเหตุสมผลมากขึ้นในแง่การก่อตัวของดาวเคราะห์ เมื่อรวมๆ เข้าด้วยกันแล้ว WASP-107b ก็ไม่ได้ดูเป็นดาวเคราะห์ปริศนาอย่างที่มันเคยเป็น
การมองเข้าไปในภายในดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลออกไปหลายร้อยปีแสงฟังดูจะเป็นเรื่องที่แทบเป็นไปไม่ได้ แต่เมื่อคุณทราบมวล, รัศมี, องค์ประกอบชั้นบรรยากาศ และความร้อนภายใน ก็จะได้ชิ้นส่วนทั้งหมดที่จำเป็นเพื่อประมวลความคิดว่ามีอะไรอยู่ข้างในและแกนกลางหนักแค่ไหน Sing กล่าว เป็นสิ่งที่เราทำได้ตอนนี้กับดาวเคราะห์ก๊าซที่แตกต่างกันจำนวนมากในระบบที่หลากหลาย
ข้อมูลจากเวบบ์บอกเราว่าดาวเคราะห์อย่าง WASP-107b ไม่ได้ก่อตัวในแบบที่แปลกพิสดาร โดยมีแกนกลางที่เล็กมากกับชั้นก๊าซห่อหุ้มขนาดมหึมา Mike Line จากมหาวิทยาลัยอริโซนาสเตท อธิบาย แต่กลับเป็นว่า เราได้สิ่งที่ดูคล้ายกับเนปจูนมากขึ้น และมีหินจำนวนมาก และก๊าซไม่มากนัก แต่เพิ่มอุณหภูมิขึ้นไป มันก็จะพองออกจนมีสภาพอย่างที่เห็น
การค้นพบใหม่ยังแสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงที่ชัดเจนที่สุดที่นักวิทยาศาสตร์จะมีเกี่ยวกับภายในของดาวเคราะห์กับชั้นบรรยากาศส่วนบนสุดของมัน เมื่อปีที่แล้ว เวบบ์ได้พบกำมะถันไดออกไซด์บนดาวเคราะห์อีกดวง WASP-39 ซึ่งอยู่ไกลออกไปราว 700 ปีแสง ได้ให้หลักฐานชิ้นแรกของสารประกอบในชั้นบรรยากาศที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาที่ผลักดันโดยแสงดาวฤกษ์
ขณะนี้ ทีมจอห์น ฮอบกินส์ กำลังตั้งเป้าที่จะทดสอบว่าดาวเคราะห์กำลังถูกดึงและบิดโดยดาวฤกษ์แม่ของมันหรือไม่ และส่งผลต่อความร้อนสูงในแกนกลางดาวเคราะห์เพียงพอหรือไม่
ภาพจากศิลปินแสดงดาวเคราะห์นอกระบบก๊าซยักษ์อุ่น WASP-107b
สเปคตรัมแบบส่องผ่านจาก WFC3 ของฮับเบิล และ NIRCam และ MIRI ของเวบบ์
สเปคตรัมแบบส่องผ่านจาก NIRSpec ของเวบบ์
แหล่งข่าว esawebb.org : Webb cracks case of inflated exoplanet
webbtelescope.org : NASA’s Webb cracks case of inflated exoplanet
phys.org : Webb telescope offers first glimpse of an exoplanet’s interior
iflscience.com : the core of a super-fluffy planet, exposed by JWST
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
