น้ำ (Water)

นักวิทยาศาสตร์วัดบรรยากาศของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะอื่น 340 ปีแสง

แนวคิดของศิลปินเกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบ “ดาวพฤหัสบดีร้อน” เครดิต: NASA, ESA และ L. Hustak (STScI) ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่ใช้กล้องโทรทรรศน์ Gemini Observatory ภาคพื้นดินในชิลี เป็นทีมแรกที่วัดปริมาณน้ำและคาร์บอนมอนอกไซด์ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้โดยตรง ในระบบสุริยะอื่นที่อยู่ห่างออกไปประมาณ 340 ปีแสง ทีมงานนำโดยผู้ช่วยศาสตราจารย์ Michael Line จาก School of Earth and Space Exploration ของ Arizona State University และผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวันนี้ (27 ตุลาคม พ.ศ. 2564) ในวารสาร Nature มีดาวเคราะห์หลายพันดวงที่รู้จักนอกระบบสุริยะของเรา (เรียกว่าดาวเคราะห์นอกระบบ) นักวิทยาศาสตร์ใช้ทั้งกล้องโทรทรรศน์อวกาศและกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินเพื่อตรวจสอบว่าดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านี้ก่อตัวอย่างไรและแตกต่างจากดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราอย่างไร สำหรับการศึกษานี้ Line และทีมของเขามุ่งเน้นไปที่ดาวเคราะห์ “WASP-77Ab” ซึ่งเป็นดาวเคราะห์นอกระบบประเภทหนึ่งที่เรียกว่า “ดาวพฤหัสบดีร้อน” เพราะพวกเขาเป็นเหมือนดาวพฤหัสบดีในระบบสุริยะของเรา แต่มีอุณหภูมิสูงกว่า 2,000 องศาฟาเรนไฮต์ จากนั้นพวกเขาจึงมุ่งเน้นไปที่การวัดองค์ประกอบของบรรยากาศเพื่อพิจารณาว่ามีองค์ประกอบใดบ้าง เปรียบเทียบกับดาวที่โคจรรอบ “เนื่องจากขนาดและอุณหภูมิของมัน ดาวพฤหัสบดีร้อนจึงเป็นห้องปฏิบัติการที่ยอดเยี่ยมสำหรับการวัดก๊าซในบรรยากาศและทดสอบทฤษฎีการก่อตัวดาวเคราะห์ของเรา” Line กล่าว ในขณะที่เรายังไม่สามารถส่งยานอวกาศไปยังดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเราได้ นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาแสงจากดาวเคราะห์นอกระบบด้วยกล้องโทรทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์ที่พวกเขาใช้ในการสังเกตแสงนี้สามารถอยู่ในอวกาศ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล หรือจากพื้นดิน เช่น กล้องโทรทรรศน์ Gemini Observatory Line และทีมของเขามีส่วนร่วมอย่างกว้างขวางในการวัดองค์ประกอบบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบโดยใช้ฮับเบิล แต่การได้มาซึ่งการวัดเหล่านี้ถือเป็นเรื่องท้าทาย ไม่เพียงแต่จะมีการแข่งขันสูงสำหรับเวลากล้องโทรทรรศน์เท่านั้น เครื่องมือของฮับเบิลจะวัดน้ำ (หรือออกซิเจน) เท่านั้น และทีมงานจำเป็นต้องรวบรวมการวัดคาร์บอนมอนอกไซด์ (หรือคาร์บอน) ด้วยเช่นกัน นี่คือจุดที่ทีมหันไปใช้กล้องโทรทรรศน์ Gemini South “เราจำเป็นต้องลองสิ่งที่แตกต่างออกไปเพื่อตอบคำถามของเรา” ไลน์กล่าว “และการวิเคราะห์ความสามารถของราศีเมถุนใต้ระบุว่าเราสามารถได้รับการตรวจวัดบรรยากาศที่แม่นยำเป็นพิเศษ” Gemini South เป็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.1 เมตรที่ตั้งอยู่บนภูเขาในเทือกเขา Andes ของชิลีที่เรียกว่า Cerro Pachón ที่ซึ่งอากาศแห้งมากและมีเมฆปกคลุมเพียงเล็กน้อยทำให้เป็นตำแหน่งที่สำคัญของกล้องโทรทรรศน์ ดำเนินการโดย NOIRLab ของมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) การใช้กล้องโทรทรรศน์ Gemini South กับเครื่องมือที่เรียกว่า Immersion GRating INfrared Spectrometer (IGRINS) ทีมงานได้สังเกตการเรืองแสงจากความร้อนของดาวเคราะห์นอกระบบในขณะที่โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ จากเครื่องมือนี้ พวกเขารวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการมีอยู่และปริมาณสัมพัทธ์ของก๊าซต่างๆ ในบรรยากาศของมัน เช่นเดียวกับดาวเทียมสภาพอากาศและสภาพอากาศที่ใช้ในการวัดปริมาณไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศของโลก นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้สเปกโตรมิเตอร์และกล้องโทรทรรศน์ เช่น IGRINS บน Gemini South เพื่อวัดปริมาณก๊าซต่างๆ บนดาวเคราะห์ดวงอื่น “การพยายามหาองค์ประกอบของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ก็เหมือนกับการพยายามแก้ไขอาชญากรรมด้วยลายนิ้วมือ” Line กล่าว “รอยนิ้วมือที่เปื้อนคราบไม่ได้จำกัดขอบเขตให้แคบลงมากนัก แต่ลายนิ้วมือที่สะอาดและสวยงามช่วยให้สามารถระบุตัวผู้ที่ก่ออาชญากรรมได้” ในกรณีที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลทำให้ทีมมีลายนิ้วมือคลุมเครือได้หนึ่งหรือสองลายนิ้วมือ IGRINS ในราศีเมถุนใต้ได้จัดเตรียมลายนิ้วมือที่ชัดเจนสมบูรณ์แบบให้ทีมครบชุด และด้วยการวัดที่ชัดเจนทั้งน้ำและคาร์บอนมอนอกไซด์ในบรรยากาศของ WASP-77Ab ทีมงานจึงสามารถประมาณปริมาณออกซิเจนและคาร์บอนสัมพัทธ์ในบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบได้ โดยการวัดการเคลื่อนตัวของดอปเปลอร์ที่แสดงในคอลัมน์ด้านขวาของรูปนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างความเร็วการโคจรของดาวเคราะห์ขึ้นใหม่ได้ทันเวลาจากโลก ความแรงของสัญญาณดาวเคราะห์ตามที่แสดงในคอลัมน์กลาง ตามความเร็วที่คาดหวัง (เส้นโค้งเส้นประสีน้ำเงิน) ของดาวเคราะห์ขณะที่โคจรรอบดาวฤกษ์ มีข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณก๊าซต่างๆ ในชั้นบรรยากาศ เครดิต: P. Smith/M. สาย/ส. เซลเคิร์ก/เอเอสยู “จำนวนเหล่านี้สอดคล้องกับความคาดหวังของเราและใกล้เคียงกับดาราเจ้าภาพ” ไลน์กล่าว การได้รับก๊าซปริมาณมากที่แม่นยำเป็นพิเศษในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบไม่ได้เป็นเพียงความสำเร็จทางเทคนิคที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน มันยังอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ค้นหาสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้อีกด้วย “งานนี้แสดงให้เห็นถึงการสาธิตของผู้เบิกทางสำหรับวิธีที่เราจะวัดก๊าซชีวภาพเช่นออกซิเจนและมีเทนในโลกที่อาจอาศัยอยู่ได้ในอนาคตอันใกล้นี้” Line กล่าว สิ่งที่ Line และทีมงานคาดว่าจะทำต่อไปคือทำการวิเคราะห์นี้ซ้ำสำหรับดาวเคราะห์อีกหลายดวง และสร้าง “ตัวอย่าง” ของการตรวจวัดบรรยากาศบนดาวเคราะห์อีกอย่างน้อย 15 ดวง “ตอนนี้เราอยู่ในจุดที่เราสามารถได้รับความแม่นยำของปริมาณก๊าซที่เทียบเคียงได้กับดาวเคราะห์เหล่านั้นในระบบสุริยะของเราเอง การวัดปริมาณคาร์บอนและออกซิเจนในปริมาณมาก (และองค์ประกอบอื่นๆ) ในชั้นบรรยากาศของตัวอย่างดาวเคราะห์นอกระบบที่มีขนาดใหญ่กว่านั้น ทำให้เกิดบริบทที่จำเป็นมากในการทำความเข้าใจต้นกำเนิดและวิวัฒนาการของก๊าซยักษ์ของเรา เช่น ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์” Line กล่าว พวกเขายังตั้งตารอว่ากล้องโทรทรรศน์ในอนาคตจะสามารถนำเสนออะไรได้บ้าง “ถ้าเราสามารถทำเช่นนี้ได้ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน ลองนึกถึงสิ่งที่เราสามารถทำได้กับกล้องโทรทรรศน์ที่กำลังมาแรงอย่างกล้องโทรทรรศน์ยักษ์มาเจลแลน” ไลน์กล่าว “เป็นไปได้จริงที่เราจะใช้วิธีเดียวกันนี้ภายในสิ้นทศวรรษนี้เพื่อดมกลิ่นลายเซ็นของชีวิต ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอนและออกซิเจนบนดาวเคราะห์คล้ายโลกที่เป็นหินนอกระบบสุริยะของเรา” ข้อมูลอ้างอิง: “C/O แสงอาทิตย์และโลหะย่อยของดวงอาทิตย์ในบรรยากาศดาวพฤหัสร้อน” โดย Michael R. Line, Matteo Brogi, Jacob L. Bean, Siddharth Gandhi, Joseph Zalesky, Vivien Parmentier, Peter Smith, Gregory N. Mace, เมแกน แมนส์ฟิลด์, เอลิซา เอ็ม.-อาร์. Kempton, Jonathan J. Fortney, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience, Emily Rauscher, Jean-Michel Désert และ Joost P. Wardenier, 27 ตุลาคม 2021, ธรรมชาติ DOI: 10.1038/s41586-021-03912-6 นอกจาก Line แล้ว ทีมวิจัยยังรวมถึง Joseph Zalesky, Evgenya Shkolnik, Jennifer Patience และ Peter Smith จาก School of Earth and Space Exploration ของ ASU; Matteo Brogi และ Siddharth Gandhi จาก University of Warwick (สหราชอาณาจักร); Jacob Bean และ Megan Mansfield จากมหาวิทยาลัยชิคาโก; Vivien Parmentier และ Joost Wardenier จาก University of Oxford (UK); Gregory Mace จากมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสติน; Eliza Kempton จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์; Jonathan Fortney จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ; Emily Rauscher จากมหาวิทยาลัยมิชิแกน; และ Jean-Michel Désert จากมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม

Back to top button