กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ ไขปริศนาดาวเคราะห์นอกระบบ “ซับ-เนปจูน”

นักวิทยาศาสตร์พบดาวเคราะห์นอกระบบ หรือดาวที่ไม่ได้โคจรรอบดวงอาทิตย์ของเรา มากมายในกาแล็กซี ในจำนวนนั้น ดาวเคราะห์ที่พบได้บ่อยที่สุดคือ “ซับ-เนปจูน” (sub-Neptunes) ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่เป็นก๊าซ

ถึงแม้จะพบได้บ่อย แต่ดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ก็ยังเป็นปริศนาสำหรับนักวิทยาศาสตร์ พวกมันมักจะถูกปกคลุมไปด้วยหมอกควัน ทำให้ยากต่อการศึกษา

ล่าสุด กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ของนาซา (NASA’s James Webb Space Telescope) ได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ได้มากขึ้น โดยการสังเกตดาวเคราะห์นอกระบบที่มีชื่อว่า TOI-421 b

เอลิซา เคมป์ตัน (Eliza Kempton) นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ คอลเลจพาร์ค (University of Maryland, College Park) กล่าวว่า เธอรอคอยกล้องเวบบ์มานานมาก เพื่อที่จะได้ศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ขนาดเล็กเหล่านี้ การศึกษาชั้นบรรยากาศจะช่วยให้เข้าใจว่าดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ก่อตัวและพัฒนาอย่างไร รวมถึงทำไมถึงไม่มีดาวเคราะห์แบบนี้ในระบบสุริยะของเรา

ซับ-เนปจูน: เล็ก เย็น และมีหมอกควัน

การค้นพบดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ (Kepler space telescope) ของนาซา เป็นผู้ค้นพบดาวเคราะห์เหล่านี้เมื่อประมาณ 10 ปีที่แล้ว ตอนนี้นักดาราศาสตร์กำลังพยายามหาคำตอบว่า ดาวเคราะห์เหล่านี้มาจากไหน และทำไมถึงพบได้บ่อย

ก่อนกล้องเวบบ์ นักวิทยาศาสตร์มีข้อมูลเกี่ยวกับดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน น้อยมาก ดาวเคราะห์เหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าโลกไม่กี่เท่า แต่ก็ยังเล็กกว่าดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซ และมีอุณหภูมิต่ำกว่าดาวพฤหัสบดีร้อน (hot Jupiters) ทำให้สังเกตได้ยากกว่า

สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์เคยเห็นจากดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ส่วนใหญ่คือชั้นบรรยากาศที่เรียบๆ ไม่มีอะไรให้สังเกต หมายความว่า เวลาที่พวกเขาดูแสงที่ส่องผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ พวกเขาจะไม่เห็นร่องรอยของสารเคมี เห็นเพียงเส้นตรง

จากข้อมูลนี้ นักดาราศาสตร์คิดว่า ดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน อย่างน้อยบางดวง อาจถูกปกคลุมไปด้วยเมฆหรือหมอกควันหนา

ภาพข้อมูลสเปกตรัมของ TOI-421 b

ภาพนี้แสดงข้อมูลสเปกตรัม ที่กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ บันทึกได้จากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ TOI-421 b ซึ่งเผยให้เห็นว่ามีสารเคมีอะไรอยู่ในนั้นบ้าง

ดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ที่ไม่เหมือนใคร?

เคมป์ตันกล่าวว่า นักวิทยาศาสตร์เลือกศึกษาดาวเคราะห์ TOI-421 b เพราะคิดว่ามันอาจจะไม่มีหมอกควัน เนื่องจากมีข้อมูลก่อนหน้านี้ที่บอกว่า ดาวเคราะห์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าระดับหนึ่ง จะมีหมอกควันหรือเมฆน้อยกว่า

อุณหภูมิที่ว่านี้คือประมาณ 577 องศาเซลเซียส ถ้าอุณหภูมิต่ำกว่านี้ นักวิทยาศาสตร์คิดว่า จะเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างแสงอาทิตย์กับก๊าซมีเทน ทำให้เกิดหมอกควัน แต่ดาวเคราะห์ที่ร้อนกว่านี้ ไม่น่าจะมีก๊าซมีเทน และไม่น่าจะมีหมอกควัน

TOI-421 b มีอุณหภูมิประมาณ 727 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าระดับที่ว่านี้มาก ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงคิดว่ามันน่าจะมีชั้นบรรยากาศที่โปร่งใส และพวกเขาก็เห็นแบบนั้นจริงๆ

สิ่งที่ค้นพบ

ไบรอัน เดเวนพอร์ต (Brian Davenport) นักศึกษาปริญญาเอก จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ (University of Maryland) กล่าวว่า พวกเขาเห็นร่องรอยของก๊าซต่างๆ ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ ซึ่งทำให้รู้ว่าชั้นบรรยากาศประกอบด้วยอะไรบ้าง ซึ่งแตกต่างจากดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน อื่นๆ ที่เคยสังเกตการณ์ไปแล้ว ซึ่งมีชั้นบรรยากาศที่ถูกหมอกควันบดบัง

ทีมงานพบไอน้ำ รวมถึงร่องรอยของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ และก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ นอกจากนี้ พวกเขายังพบว่าในชั้นบรรยากาศของ TOI-421 b มีก๊าซไฮโดรเจนอยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่น่าประหลาดใจมาก เพราะก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์คิดว่า ดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ที่กล้องเวบบ์เคยสังเกต จะมีชั้นบรรยากาศที่ประกอบด้วยโมเลกุลหนัก

สิ่งที่ค้นพบนี้ ชี้ให้เห็นว่า TOI-421 b อาจก่อตัวและพัฒนาแตกต่างจากดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ที่เย็นกว่าดวงอื่นๆ

TOI-421 b แตกต่างจากดาวเคราะห์ดวงอื่นหรือไม่?

สิ่งที่น่าสนใจอีกอย่างคือ ชั้นบรรยากาศของ TOI-421 b มีส่วนประกอบคล้ายกับดาวฤกษ์แม่ของมัน

เคมป์ตันอธิบายว่า ถ้าเรานำก๊าซที่ประกอบเป็นดาวฤกษ์แม่ มาวางไว้บนดาวเคราะห์ และทำให้อุณหภูมิต่ำลง เราจะได้ส่วนผสมของก๊าซแบบเดียวกัน ซึ่งคล้ายกับดาวเคราะห์ยักษ์ในระบบสุริยะของเรา และแตกต่างจากดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน อื่นๆ ที่กล้องเวบบ์เคยสังเกต

นอกจากจะมีอุณหภูมิสูงกว่าดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน อื่นๆ แล้ว TOI-421 b ยังโคจรรอบดาวฤกษ์ที่คล้ายกับดวงอาทิตย์ของเรา ในขณะที่ดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ส่วนใหญ่ โคจรรอบดาวฤกษ์ขนาดเล็กและเย็นกว่า ที่เรียกว่าดาวแคระแดง (red dwarfs)

นักวิทยาศาสตร์ยังไม่แน่ใจว่า TOI-421b เป็นตัวแทนของดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ร้อน ที่โคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ หรือว่าดาวเคราะห์นอกระบบมีความหลากหลายมาก

พวกเขาต้องการศึกษาดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ร้อน ให้มากขึ้น เพื่อหาคำตอบว่า TOI-421b แตกต่างจากดาวเคราะห์ดวงอื่น หรือเป็นแบบอย่างของดาวเคราะห์ประเภทนี้ พวกเขาหวังว่าจะได้เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านี้

เดเวนพอร์ตกล่าวว่า การค้นพบนี้เป็นเหมือนการเปิดโลกใหม่ในการศึกษาดาวเคราะห์ซับ-เนปจูน ดาวเคราะห์ที่มีอุณหภูมิสูง ทำให้ง่ายต่อการศึกษา และอาจช่วยให้เราเรียนรู้เกี่ยวกับดาวเคราะห์เหล่านี้ได้เร็วขึ้น

ผลการวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร The Astrophysical Journal Letters ฉบับวันที่ 5 พฤษภาคม 2568

ข้อมูลอ้างอิง: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

• NASA’s Webb Lifts Veil on Common but Mysterious Type of Exoplanet