นักดาราศาสตร์ต้องเขียนตำราใหม่ : ดาวเคราะห์จอมขบถแหกทุกกฎ

โดย 0000000

ประมาณ 650 ปีแสงจากโลก ดาวเคราะห์ ก๊าซยักษ์เคลต์-9b (KELT-9b) กำลังโคจรรอบดาวแม่หรือดาวฤกษ์ของระบบดาวเคราะห์ที่มันโคจรอยู่อย่างใกล้ชิดมากจน 1 ปีมี 18 ชั่วโมงเท่านั้น และมันยังหันหน้าเดียวเข้าหาดาวเสมอด้วยด้านที่หันเข้าหาดาวนั้นร้อนถึง 4,600 องศาเซลเซียส ซึ่งร้อนกว่าดาวฤกษ์ขนาดเล็กหลายดวงด้วยซ้ำ ความร้อนอย่างนี้ทำให้อะตอมไม่อาจรวมตัวเป็นโมเลกุล และเมฆก๊าซก็จะระเหยออกไปพ้นบรรยากาศกลายเป็น “หาง” ยาวดูน่าตื่นตาตื่นใจในอวกาศ

ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ร้อนแรงเป็นตัวอย่างสุดขั้วของดาวเคราะห์ต่างระบบชนิดที่นักดาราศาสตร์ เรียกว่าดาวพฤหัสบดีร้อน (Hot Jupiter) แต่ทว่าภูมิอากาศสุดขั้วของดาวเคราะห์ไม่ใช่สิ่งที่ดึงดูด นักวิทยาศาสตร์มากที่สุด หากในทางทฤษฎีของนักดาราศาสตร์แล้ว มันไม่ควรจะมีอยู่เลย

ถึงกระนั้น ดาวเคลต์-9b ก็ไม่ใช่ของแปลก เพียงดวงเดียวที่แหกกฎพื้นฐานในทฤษฎีกำเนิดดาวเคราะห์ดวงแล้วดวงเล่าของนักดาราศาสตร์ โลกที่พบใหม่ในหลายปีที่ผ่านมาในดาราจักรของเราพากันล้มล้างทฤษฎีของนักดาราศาสตร์ จนนักวิทยาศาสตร์ไม่เหลืออะไรไว้อธิบายกำเนิดของ
ดาวเคราะห์ ถึงเวลาที่นักดาราศาสตร์ต้องเขียนตำราใหม่แล้ว

ทฤษฎีเริ่มจากระบบสุริยะ

ความรู้ของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับกำเนิดของดาวเคราะห์มีที่มาจากการศึกษาจุดกำเนิดของระบบสุริยะของเรานี่เอง

ดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์เกิดขึ้นในจานก๊าซ รูปร่างแบนที่หมุนวน ดาวเคราะห์ชั้นในสุด เช่น โลกและดาวอังคารเป็นดาวเคราะห์หิน เพราะความร้อนจากดวงอาทิตย์ในระยะก่อกำเนิดนั้นร้อนมากจนวัตถุที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น เหล็ก และหินเท่านั้นจึงจะอยู่ได้ ก้อนวัตถุขนาดใหญ่เหล่านี้
ชนกันและพอกพูนเป็นดาวเคราะห์ แต่จำนวนวัสดุดาวเคราะห์ในบริเวณชั้นในของระบบสุริยะมีไม่มาก ดังนั้นการพอกพูนดาวเคราะห์จึงหยุดลง ทำให้ได้ดาวเคราะห์ขนาดค่อนข้างเล็ก

ดาวเคราะห์ก๊าซอย่างดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ซึ่งอยู่ในระบบสุริยะชั้นนอกมีขนาดใหญ่มาก เนื่องจากวัสดุดาวเคราะห์ของมันไม่ระเหยไปไหน นอกเหนือจากหินและเหล็ก แก่นของดาวเคราะห์เหล่านี้ยังมีวัตถุเช่นน้ำแข็งที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ ซึ่งมีอยู่ได้เฉพาะในที่ไกลจากดาวแม่ เมื่อแก่นโตขึ้นจนใหญ่มาก ดาวเคราะห์จะเพิ่มขนาดได้มากขึ้นอีกด้วยความโน้มถ่วงของแก่นที่ดึงดูดก๊าซเป็นกำเนิดของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์

นักดาราศาสตร์เชื่อมั่นมาหลายสิบปีแล้วว่าระบบดาวเคราะห์ทั้งปวงเกิดขึ้นด้วยวิธีเดียวกับระบบสุริยะ เพราะกฎและหลักการทางฟิสิกส์มีผลทั่วทั้งเอกภพ ตามทฤษฎีการเกิดดาวเคราะห์ฉบับดั้งเดิม องค์ประกอบของระบบดาวใดๆ ควรเหมือนระบบสุริยะ แต่เมื่อนักดาราศาสตร์ศึกษาดาราจักรของเรา ระบบดาวเคราะห์ต่างระบบที่ค้นพบใหม่ก็ดูเหมือนไม่เป็นไปตามทฤษฎีเสมอไป

ทฤษฎีปัจจุบันบอกไว้ว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ไม่ควรเกิดใกล้ดาวแม่อย่างที่ดาวเคลต์-9b เป็นเพราะแก่นของมันต้องเกิดจากน้ำแข็งและวัตถุอื่นปริมาณมากที่พอกพูนขึ้น จนสร้างความโน้มถ่วงให้ดึงดูดก๊าซได้มากพอ ทว่าน้ำแข็งอยู่ใกล้ดาวไม่ได้

ถึงอย่างไรดาวพฤหัสบดีร้อนก็ไม่ใช่ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ซึ่งดูเหมือนไม่น่ามีอยู่เพียงชนิดเดียวที่นักดาราศาสตร์ค้นพบดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์มีอยู่ในที่สุดแสนไกลของระบบดาวด้วยในที่ซึ่งมันไม่ควรเกิดได้เช่นกัน ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ใหญ่ (Super gas giant) HD 106906 b มีมวลมากกว่าดาวพฤหัสบดี 11 เท่า และโคจรรอบดาวแม่ไกลกว่าระยะทางจากดวงอาทิตย์ถึงดาวพฤหัสบดีกว่า20 เท่า ดาว HD 106906 b และดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ใหญ่ดวงอื่นที่นักดาราศาสตร์พบล้วนมีวงโคจรเป็นวงกลม บ่งว่ามันเกิดขึ้นในวงโคจรนั่นเอง แต่ปัญหาคือในทฤษฎีปัจจุบัน ไม่มีวัสดุดาวเคราะห์มากพอในที่ห่างไกลนั้น ก๊าซไกลศูนย์กลางเบาบางเกินกว่าจะพอกพูนรอบแก่นจนเป็นดาวเคราะห์ยักษ์ได้

ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงประดิษฐ์ทฤษฎีพิสดารที่บอกว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์และดาวเคราะห์ก๊าซ ยักษ์ใหญ่เกิดขึ้นได้อย่างไร แทนที่จะก่อตัวขึ้นอย่างช้าๆ จากจุดเริ่มต้น ดาวเคราะห์ชนิดนี้อาจเกิดขึ้นอย่างกะทันหันในการยุบตัวของเมฆก๊าซ ทำนองเดียวกับการเกิดดาวแคระน้ำตาล ซึ่งมีมวลมากกว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เพียงเล็กน้อยเงื่อนไขเบื้องต้นของทฤษฎีใหม่คือก๊าซที่อยู่ในจานพอกพูนวัสดุ ดาวเคราะห์ต้องมีการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ โดยมีบางจุดที่หนาแน่นกว่า หากก้อนก๊าซหนาแน่นสักก้อนหนึ่งจะเย็นพอ เช่นที่ชายขอบของระบบดาว ก๊าซก้อนนั้นจะหดตัวลงอย่างมากจนกลายเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ทั้งดวงได้ทันทีโดยไม่ต้องเริ่มจากแก่นขนาดใหญ่แต่อย่างใด

ขณะนี้นักดาราศาสตร์ต้องค้นหาว่าทฤษฎีใหม่นี้ใช้ได้จริงหรือไม่ พวกเขาทำได้โดยการวัดปริมาณรังสีอินฟราเรดจากดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ในระบบดาวอายุน้อย ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่ค่อยๆ ก่อตัวจะเย็นลงเร็วกว่า เพราะความร้อนจะสูญไปทีละชั้น ส่วนดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่เกิดจากการยุบตัวจะเย็นลงช้ากว่ามากในช่วง 100 ล้านปีหลังการก่อตัว เพราะความร้อนจากก๊าซที่ยุบตัวจะแผ่ออกไปช้ากว่า

ซูเปอร์เอิร์ทที่ไม่ควรมีอยู่

อย่างไรก็ตาม การค้นพบที่น่าแปลกใจที่สุดของนักวิทยาศาสตร์กลับเป็นเรื่องดาราจักรเต็มไปด้วยพิภพที่โตเกินไปซูเปอร์เอิร์ท (Super Earth) คือ ดาวเคราะห์ที่มวลมากกว่าโลก 2-10 เท่า และโคจรใกล้ดาวแม่แบบเดียวกับโลก

ทฤษฎีดั้งเดิมเกี่ยวกับกำเนิดดาวเคราะห์ไม่อาจอธิบายว่าดาวเคราะห์หินขนาดใหญ่อย่างนั้นก่อตัวขึ้นมาได้อย่างไรที่ชั้นในสุดของระบบสุริยะ วัสดุ ดาวเคราะห์ เช่น เหล็ก หิน เป็นของหายากมาก ทำให้ดาวเคราะห์ชั้นในทั้งสี่ดวงพลอยเล็กไปหมด คำอธิบายที่ง่ายที่สุดคือจานฝุ่นและก๊าซที่มีซูเปอร์เอิร์ทล้อมรอบดาวที่เพิ่งเกิดนั้นเป็นจานที่หนาแน่นกว่าของระบบสุริยะ 10 เท่า เหล็กและหินที่มีอยู่ใกล้ตัวดาวจึงมากพอจะสร้างพิภพเหล่านั้น แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังพัฒนาทฤษฎีที่ต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง ซึ่งอธิบายการเกิดซูเปอร์เอิร์ทโดยมีดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เป็นตัวการอีกเหมือนเคย นักดาราศาสตร์บอกว่าซูเปอร์เอิร์ทอาจเป็นแก่นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่ก่อตัวขึ้นไกลจากดาวแม่ แล้วจึงเคลื่อนเข้าใกล้มาอยู่ในตำแหน่งปัจจุบัน เมื่อดาวเคราะห์ก๊าซเข้าใกล้ดาวแม่ ก๊าซจะระเหยออก น้ำแข็งในแก่นก็ละลายไป เหลือแต่หินและดิน คือกลายเป็นซูเปอร์เอิร์ทไปในที่สุด

ดาวเคราะห์มีตัวช่วยจากภายนอก

การที่มีวัสดุมากกว่าหรือเป็นดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่ระเหยได้ ก็ยังไม่พอสำหรับการอธิบายการเกิดดาวเคราะห์ในระบบดาวที่มีดาวเคราะห์คล้ายโลกจำนวนมาก เช่น รอบดาวแคระแทรปพิสต์-1 (TRAPPIST-1) ที่มีดาวเคราะห์หิน 7 ดวงโคจรรอบ ในระยะประชิดถึงขนาดมีคาบการโคจรเพียงแค่ 1.5-1.9 วันเท่านั้น แม้จะเป็นไปได้ว่าความหนาแน่นของวัสดุดาวเคราะห์ใกล้ดาวแคระนั้นสูงกว่าของดวงอาทิตย์ แต่ก็ไม่มีหินและเหล็กมากพอที่จะก่อตัวเป็นดาวเคราะห์หินทั้งเจ็ดดวงได้เลย

ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงพัฒนาทฤษฎีทางเลือกขึ้นอีกทฤษฎีหนึ่ง คำอธิบายคราวนี้บอกว่าวัสดุดาวเคราะห์ส่วนใหญ่เป็น “กรวด” ขนาดเล็กที่มีน้ำแข็งแทรกอยู่และก่อตัวขึ้นที่ชายขอบของระบบดาว แล้วเคลื่อนตัวสู่ศูนย์กลางเมื่อถูกแรงโน้มถ่วงของฝุ่นและก๊าซใกล้ดาวแคระดึงดูด ครั้นเมื่อวัตถุเหล่านั้นเคลื่อนเข้าไปพ้นเขตเยือกแข็งน้ำแข็งจะละลายและระเหยไปเหลือแต่กรวด ซึ่งจะถูกดูดซับเข้าไปในดาวเคราะห์ที่กำลังก่อตัว ครั้นดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดดวงโตถึงขนาดใกล้เคียงโลก มันก็กวาดวัสดุดาวเคราะห์ในวงโคจรไปจนหมด จึงไม่โตต่อไปอีก

วงโคจรแปลกๆ เป็นเรื่องธรรมดา

ดาวเคราะห์ต่างระบบแปลกๆ ไม่เพียงละเมิดกฎการกำเนิดดาวเคราะห์ในทฤษฎีเดิมเท่านั้น หากมันยังละเมิดกฎควบคุมความประพฤติด้วย

ดาวเคราะห์ทั้งหมดเกิดขึ้นในจานฝุ่นและก๊าซรูปทรงแบนรอบดาวเกิดใหม่ ดาวและจานต่างหมุนรอบตัวเองไปทางเดียวกัน ดังนั้นตามหลักเหตุผล ดาวเคราะห์จึงควรทำแบบเดียวกันและอยู่ในระนาบของจานเหมือนในระบบสุริยะซึ่งดาวเคราะห์อยู่อย่างเป็นระเบียบในวงโคจรคล้ายวงกลม แต่สำหรับ
ราว 1 ใน 10 ของระบบดาวที่ค้นพบใหม่ทั้งหมดล้วนอลวนในระบบดาวเคปเลอร์-56 ดาวเคราะห์ 2 ดวงโคจรในระนาบที่เฉียงมากถึง 45 องศาเมี่อเทียบกับระนาบเส้นศูนย์สูตรของดาว ในส่วนของดาวเคราะห์ HD 80806b ก็มีวงโคจรรูปยาวรีซึ่งทำให้ระยะไกลสุดจากดาวมีค่าเป็น 3 เท่าของระยะใกล้สุด

ก่อนนักดาราศาสตร์จะค้นพบตำแหน่งพิlดารของดาวเคราะห์ต่างระบบเหล่านั้น พวกเขาคิดว่าระบบดาวทั้งหมดเป็นเหมือนระบบสุริยะ แต่ทว่านักวิทยาศาสตร์ยังไม่เคยพบระบบดาวต่างระบบใดที่เหมือนของเรา แปลว่าระบบสุริยะไม่เหมือนใครใช่หรือไม่

เรื่องนี้อาจมีคำอธิบาย 2 วิธีหาดาวเคราะห์ ต่างระบบที่แพร่หลายที่สุดนั้นไม่สะดวกนักสำหรับ การหาคู่แฝดระบบสุริยะ เพราะการพบดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ในวงโคจรประชิดดาวแม่ทำได้ง่ายกว่า วิธีหนึ่งอาศัยความโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ในวงโคจรประชิดที่ทำให้ดาวแม่ส่าย ส่งผลให้ความยาวคลื่นของแสงดาวเปลี่ยนแปลงไปมาเป็นจังหวะ เป็นวิธีดอปเพลอร์ ซึ่งสะดวกเป็นพิเศษสำหรับการหาดาวพฤหัสบดีร้อน วิธีที่ 2 คือการสังเกตเงาของดาวเคราะห์เมื่อมันเคลื่อนผ่านหน้าดาวแม่ เรียกว่าวิธีผ่านหน้า เป็นวิธีของนักล่าดาวเคราะห์ชั้นนำ ได้แก่ กล้องโทรทรรศน์เคปเลอร์วิธีนี้เหมาะที่สุดสำหรับการหาดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ใกล้ดาวแม่ เช่น ซูเปอร์เอิร์ท

วิธีที่ 3 เป็นวิธีใหม่ เป็นการถ่ายรูปดาวเคราะห์โดยตรงแต่ใช้แผ่นคอโรนากราฟ คือแผ่นกลมที่ใช้บังเฉพาะแสงจากตัวดาว เพื่อให้เห็นแสงจางกว่าของดาวเคราะห์ได้ง่ายขึ้น ในการหาดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ใหญ่ที่อยู่ห่างดาวแม่ ยิ่งห่างมากยิ่งจำแนกแสงสะท้อนดาวมหึมานั้นจากแสงจ้าของดาวได้ง่ายขึ้น กล้องโทรทรรศน์ขนาด 8 เมตร จำนวน 2 กล้องในประเทศชิลี คือ กล้องเจมินีเซาท์ของอเมริกา และกล้องหนึ่งในชุดกล้องโทรทรรศน์วีแอลที ของยุโรป ได้ติดตั้งคอโรนากราฟไว้แล้ว

ปัจจุบันนี้นักดาราศาสตร์สามารถที่จะศึกษาดาวเคราะห์ในวงโคจรใกล้และไกลจากดาวแม่ หลังการสังเกต 23 ปี และการค้นพบดาวเคราะห์ต่างระบบที่ยืนยันแล้วกว่า 3,500 ดวง ทุกอย่างที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่ารู้เกี่ยวกับการกำเนิดของดาวเคราะห์ก็ถูกพลิกจากหน้ามือเป็นหลังมือ