กล้องฮับเบิล ตรวจพบบรรยากาศของดาวเคราะห์ นอกระบบสุริยะเป็นครั้งแรก

ภาพวาดโดย G. Bacon แห่ง Space Telescope Science Institute จากมุมมองด้านหลังของดาวเคราะห์ในขณะที่กำลังจะโคจรตัดหน้าดาวฤกษ์แม่

ทีมงานนักดาราศาสตร์ ที่นำโดย David Charbonneau แห่งสถาบันเทคโนโลยี่แคลิฟอร์เนีย (ในเมืองพาสซาดีน่า รัฐแคลิฟอร์เนีย) และศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด-สมิธโซเนี่ยน(ในเมืองเคมบริดจ์ รัฐแมสสาชูเส็ตต์) และผู้ร่วมทีมคือ Timothy Brown แห่งศูนย์ศึกษาบรรยากาศแห่งชาติ (ในเมืองโบลเด้อร์ รัฐโคโลราโด้) ได้ใช้อุปกรณ์วัดสเปคตรัมบนยานฮับเบิล ตรวจพบบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะเป็นครั้งแรก

ดาวเคราะห์ที่ว่านี้ โคจรรอบดาวฤกษ์สีเหลืองคล้ายดวงอาทิตย์ของเรา ที่นักดาราศาสตร์ให้ชื่อว่า HD209458 ใน กลุ่มดาวเพกาซุส และอยู่ห่างจากโลกประมาณ ๑๕๐ ปีแสง ดาวเคราะห์ดวงนี้ยังไม่มีชื่อ ถูกค้นพบเมื่อปี ค.ศ. ๑๙๙๙ ด้วยผลวิเคราะห์การเคลื่อนตัวของดาวฤกษ์ ที่ส่ายไปเล็กน้อยด้วยแรงดึงดูดจากดาวเคราะห์ ต่อมานักดาราศาสตร์ได้ใช้เทคนิคใหม่ ที่วัดแสงจากดาวฤกษ์ แต่ในขณะที่ดาวเคราะห์เคลื่อนตัวตัดหน้าดาวฤกษ์ จากมุมมองบนโลก ดาวเคราะห์จะบดบังแสงจากดาวฤกษ์ไปเล็กน้อย อาศัยวัดความหรี่ตัวของแสงจากดาวฤกษ์ ก็สามารถวิเคราะห์ขนาดของดาวเคราะห์บริวารได้ ว่ามีขนาดประมาณ ๗๐ เปอร์เซ็นต์ของดาวพฤหัสของเรา คือมีมวลมากกว่าโลก ๒๒๐ เท่า


ภาพแสดงการวัดบรรยากาศของดาวเคราะห์ เมื่อโคจรตัดหน้าดาวฤกษ์แม่ บรรยากาศของดาวเคราะห์จะกรองแสงจากดาวฤกษ์ให้เครื่องวัดสเปคตรัมจับได้ว่า สเปคตรัมที่ถูกดูดไปมาจากธาตุอะไร

ดาวเคราะห์ดวงนี้ นับว่าเหมาะที่สุดต่อการสังเกตการณ์แบบนี้ เพราะโคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์แม่มากๆ คืออยู่ห่างจากดาวฤกษ์แม่เพียง ๔ ล้านไมล์เท่านั้น(เทียบกับโลกที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ถึง ๙๓ ล้านไมล์) และความที่ระนาบวงโคจรของมัน อยู่ในแนวเดียวกับโลก ทำให้การสังเกตการณ์ของเรา เป็นการมองจากขอบตรงๆ จึงมองเห็นความหรี่ของแสงจากดาวฤกษ์ได้มากที่สุด แม้สภาวะจะเหมาะสมขนาดนี้ แสงจากดาวฤกษ์ในขณะที่ดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า ก็หรี่ลงเพียง ๑ เปอร์เซ็นต์เท่านั้น อุปกรณ์ของเรายังไม่ละเอียดมากพอที่จะสังเกตความหรี่ลงน้อยๆมากกว่านี้ได้ จึงต้องเลือกสังเกตการณ์จากดาวเคราะห์ที่

๑. มีขนาดใหญ่พอๆกับดาวพฤหัสหรือดาวเสาร์ของเรา
๒. ต้องอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มากๆ เพื่อจะได้บังแสงได้มากพอที่เราจะสังเกตได้
๓. ระนาบโคจรของดาวฤกษ์นี้ ต้องอยู่เกือบจะแนวเดียวกับระนาบโคจรของโลก จึงจะเห็นการบังแสงได้ชัดเจนพอ
๔. มีคาบการโคจรสั้นๆ เพื่อจะได้สังเกตได้หลายๆครั้งในระยะเวลาพอสมควร เพื่อให้ได้ข้อมูลมากพอที่จะวิเคราะห์ได้ ยานฮับเบิลได้สำรวจการโคจรตัดผ่าน ๔ ครั้ง ดาวเคราะห์ดวงนี้มีคาบการโคจรรอบดาวฤกษ์แม่เพียงรอบละ ๓.๕ วันเท่านั้น

จากการสังเกตการณ์ก่อนๆโดยอุปกรณ์บนยานฮับเบิล ก็ได้ข้อมูลว่า ดาวเคราะห์ดวงนี้เป็นก๊าซ ไม่ใช่ของแข็งหรือของเหลว เพราะคำนวณความหนาแน่นได้น้อยกว่าของน้ำ (ในขณะที่โลกเรามีความหนาแน่นเฉลี่ยมากกว่าน้ำประมาณห้าเท่า) และความที่อยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่มากถึงขนาดนี้(ใกล้กว่าระยะทางระหว่าง ดาวพุธ กับดวงอาทิตย์เสียอีก!) ทำให้อุณหภูมิพื้นผิวของดาวเคราะห์คงร้อนระอุถึง ๑๑๐๐ องศาเซลเซียส!

การสังเกตการณ์ครั้งนี้ ก็ได้ปรับอุปกรณ์ให้หาสเปคตรัมของโซเดียม และก็ได้พบจริงๆ แต่ก็ยังมีจำนวนโซเดียมน้อยกว่าที่คาดไว้จากการคำนวณ นักดาราศาสตร์สันนิษฐานว่า ดาวเคราะห์อาจจะมีเมฆในบรรยากาศชั้นสูงที่บดบังแสงที่กรองผ่าน ทำให้ได้ปริมาณโซเดียมน้อยลง ในการสังเกตการณ์ที่วางโครงการไว้ ด้วยอุปกรณ์บนยานฮับเบิลเช่นกัน ทางทีมงานมีแผนการที่จะสำรวจหา ก๊าซมีเธน ไอน้ำ และธาตุอื่นๆในบรรยากาศต่อไป เพราะการสังเกตการณ์แต่ละครั้ง ต้องปรับช่วงคลื่นที่รับได้แคบๆเท่านั้น เนื่องจากดาวอยู่ไกลมาก จึงสังเกตปรากฏการณ์ดูดซับแสงได้ทีละสารเท่านั้น


ภาพอธิบายเทคนิคการวิเคราะห์อย่างง่ายๆ อุปกรณ์ spectograph จะแยกสเปคตรัมจากดาวฤกษ์ในขณะที่ดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า แสงที่ผ่านออกมาจะถูกดูดซับด้วยบรรยากาศของดาวเคราะห์ เป็นเส้นดำๆ ที่เมื่อเอามาเทียบหาค่าความถี่ที่เป็นเอกลักษ์ของธาตุ ก็จะตรงกับธาตุโซเดียม

ได้มีการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะมาตั้งแต่ปี ค.ศ. ๑๙๙๕ จนบัดนี้รวมกว่า ๘๐ ดวงแล้ว ประมาณหนึ่งในห้าของดาวเคราะห์เหล่านี้ ถูกจัดรวมกันต่างหากที่เรียกว่า เป็นดาวพวก "hot jupiter" คือมีขนาดพอๆกับดาวพฤหัสของเรา แต่มีอุณหภูมิพื้นผิวสูงมากๆ เนื่องจากมีวงโคจรใกล้กับดาวฤกษ์แม่มากๆ


ภาพเปรียบเทียบวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ HD209458 กับขนาดวงโคจรของโลก

นักดาราศาสตร์ไม่คิดว่า จะเป็นไปได้ที่ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ขนาดนี้ จะเกิดขึ้นใกล้กับดาวฤกษ์แม่ได้ ตามความรู้เกี่ยวกับการเกิดของระบบดาวบริวารที่เรามีอยู่ จึงสันนิษฐานว่า ดาวเคราะห์พวกนี้ คงเกิดรอบนอกๆ เช่นเดียวกับดาวพฤหัส หรือดาวเสาร์ของเรา แต่จะด้วยสาเหตุอะไรก็ตามแต่ ดาวเคราะห์เหล่านี้มีอันเป็นไปให้วงโคจรควงสว่านเป็นวงก้นหอย เข้าหาดาวฤกษ์แม่ใกล้ขึ้นๆเรื่อยๆ แต่นี่เป็นเพียงข้อสันนิษฐานเบื้องต้นเท่านั้น ยังต้องมีข้อมูลมากกว่านี้อีกมาก จึงจะสามารถให้ข้อสรุปได้

ข้อมูลที่นักดาราศาสตร์ต้องการ ในปัจจุบันเรายังไม่มีเทคโนโลยี่ใดที่จะสังเกตนำปรากฏการณ์มาไขปัญหาได้ เพราะเราต้องมีอุปกรณ์ที่สามารถจับการหรี่แสงของดาวฤกษ์แม่ เมื่อดาวเคราะห์บริวารโคจรตัดหน้า ให้ได้ถึงความหรี่ลงนับหมื่นนับแสนถึงนับล้านเท่า เราจึงจะสามารถสังเกตดาวเคราะห์มากกว่านี้ได้ เพราะดาวเคราะห์ใหญ่ๆที่อยู่ใกล้ๆดาวฤกษ์แม่ ก็ไม่มีให้สังเกตได้มากนัก นักดาราศาสตร์ต้องใช้กล้องดูดาวภาคพื้นดิน สแกนกราดฟ้าหาดาวฤกษ์ที่น่าจะมีดาวเคราะห์ได้ แล้วจึงขออนุมัติใช้อุปกรณ์ฮับเบิลมาจับภาพขยายอีกทีหนึ่ง จึงทำให้ต้องใช้เวลามาก กว่าจะได้ข้อมูลมาสักน้อยหนึ่งเช่นนี้

อ่านเพิ่มเติม
Hubble Makes First Direct Measurements of Atmosphere on World Around Another Star แถลงข่าวโดย Space Telescope Science Institute