การค้นพบชั้นบรรยากาศสตาโตสเฟียร์ของ Exoplanet

25 ปีหลังจากการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรก การหาดาวเคราะห์นอกระบบดวงใหม่ ไม่ใช่เรื่องที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักดาราศาสตร์ เนื่องจากในปัจจุบันนักดาราศาสตร์ได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบมากกว่า 3,400 ดวง และคาดว่าจะมีการค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบดวงใหม่เพิ่มขึ้นอีกจำนวนมากภายหลังจากจากส่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ในวันที่ 20 มีนาคม 2561 กล้องโทรทรรศน์อวกาศ CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) ในปลายปี 2561 และ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ PLATO (Planetary Transits and Oscillations of stars) ในปี 2569

จำนวนดาวเคราะห์นอกระบบที่เพิ่มขึ้นนั้นช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจถึงคุณสมบัติ การกำเนิด และวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ได้ดียิ่งขึ้น แต่นั่นก็ยังไม่ได้ตอบคำถามที่ว่า “มีสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่นนอกจากโลกหรือไม่?” ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงมีความพยายามที่จะศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ ชั้นบรรยากาศเป็นคุณสมบัติหนึ่งที่สำคัญต่อการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิต ซึ่งวิธีการหนึ่งที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบคือเทคนิค Transmission spectroscopy ซึ่งการศึกษาการผ่านหน้าของดาวเคราะห์นอกระบบในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ

เมื่อดาวเคราะห์นอกระบบมีการเคลื่อนที่ผ่านหน้าดาวฤกษ์ แสงดาวฤกษ์จะมีการลดลง เช่นเดียวกับการเกิดสุริยุปราคาที่ดวงจันทร์เคลื่อนผ่านหน้าดวงอาทิตย์ โดยขนาดการลดลงของแสงดาวฤกษ์นั้นขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างรัศมีกำลังสองของดาวเคราะห์ต่อรัศมีกำลังสองของดาวฤกษ์ กล่าวคือถ้าดาวเคราะห์มีขนาดเล็กจะทำให้เกิดการลดลงของแสงน้อยกว่าดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่ เนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ของดาวฤกษ์ที่ถูกดาวเคราะห์บังมีขนาดน้อยกว่า

ถ้าดาวเคราะห์มีชั้นบรรยากาศ ธาตุหรือโมเลกุลในชั้นบรรยากาศของเคราะห์นั้นจะมีคุณสมบัติในการดูดกลืนแสงบางช่วงความยาวคลื่น ซึ่งถ้าเราทำการศึกษากราฟแสงการผ่านหน้าของดาวเคราะห์ในช่วงความยาวคลื่นที่มีการดูดกลืนแสง เราจะสามารถสังเกตเห็นว่าดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่ขึ้นในช่วงความยาวคลื่นดังกล่าว จากการที่แสงในช่วงความยาวคลื่นดังกล่าวมีการลดลงในช่วงเวลาที่ดาวเคราะห์ผ่านหน้ามากกว่าช่วงความยาวคลื่นอื่น

รูปที่ 1 : ภาพจำลองการดูดกลืนแสงของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ (a) แสดงชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่ประกอบด้วยเมฆซึ่งจะทำให้แสงของดาวฤกษ์ไม่สามารถส่องผ่านได้ ทำให้สเปคตรัมที่สังเกตได้ไม่มีการดูดกลืนแสงบางความคลื่นดังเช่น (b) ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่ไม่มีมฆ ซึ่งจำให้ธาตุหรือโมเลกุลในชั้นบรรยากาศมีการดูดกลืนแสงบางความยาวคลื่น [Image credit: Kempton, E.M.R., 2014, Nature, 513, 493]

ดาวเคราะห์ WASP-121b เป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ WASP-121 ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 900 ปีแสง WASP-121b เป็นดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่ถูกเรียกว่าดาวเคราะห์ “hot Jupiter” เนื่องจากดาวเคราะห์ WASP-121b มีมวลและรัศมีใกล้เคียงกับดาวพฤหัสบดี (มวล 1.2 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี และรัศมี 1.9 เท่าของรัศมีดาวพฤหัสบดี) แต่ดาวเคราะห์ WASP-121b มีคาบการโคจรรอบดาวฤกษ์ WASP-121 ที่สั้นเพียง 1.3 วัน (ดาวพฤหัสบดีใช้เวลาในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ 12 ปี) ทำให้มีการคาดการว่าชั้นบรรยากาศชั้นบนของดาวเคราะห์ WASP-121b จะมีอุณหภูมิถึง 2,500 องศาเซลเซียล

จากการศึกษาที่ถูกตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์ Nature เมื่อวันที่ 3 สิงหาคม 2560 กลุ่มนักดาราศาสตร์ นำโดย Thomas Evans จากมหาวิทยาลัย Exeter ประเทศสหราชอาณาจักร ได้ทำการศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ WASP-121b ด้วยเทคนิค Transmission spectroscopy ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล และได้ค้นพบชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ (Stratosphere) ในบรรยากาศของของดาวเคราะห์ WASP-121b ซึ่งเป็นการค้นพบชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ของดาวเคราะห์นอกระบบเป็นครั้งแรก ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์นั้นเป็นเขตชั้นบรรยากาศที่อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศมีการเพิ่มขึ้นตามความสูงจากพื้นผิวที่สูงขึ้น

รูปที่ 2 : ภาพจำลองชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ของโลก แสดงอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่ความสูงที่สูงขึ้น [Image credit:Randy Russell, UCAR]

โดยการค้นพบชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ได้ถูกค้นพบจากการเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นของโมเลกุลของน้ำในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ WASP-121b เนื่องจากอุณหภูมิของชั้นบรรยากาศที่สูงขึ้น ความร้อนทำอิเล็คตรอนของโมเลกุลของน้ำขึ้นไปอยู่ในระดับชั้นพลังงานที่สูงขึ้น และเมื่ออิเล็คตรอนมีการปลดปล่อยพลังงานออกมาจะทำให้เกิดการเปล่งออกมา สำหรับโมเลกุลของน้ำนั้นจะมีการเปล่งแสงในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด

ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ถูกค้นพบในดาวเคราะห์ในระบบสุริยะหลายดวง เช่น โลก ดาวพฤหัสบดี หรือไททันซึ่งเป็นดวงจันทร์ดวงหนึ่งของดาวเสาร์ แต่สำหรับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์จะมีการเปลี่ยนแปลงเพียงประมาณ 50 องศาเซลเซียล แต่สำหรับดาวเคราะห์ WASP-121b ชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิสูงถึง 500 องศาเซลเซียล โดยนักดาราศาสตร์ยังคงไม่ทราบถึงธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักของชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ของดาวเคราะห์ WASP-121b แต่คาดว่าอาจเป็นโมเลกุลของ วานาเดียมออกไซด์ (VO) หรือไททาเนียมออกไซด์ (TiO) โดยการศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ WASP-121b ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บปในอนาคตจะทำให้เราทราบถึงองค์ประกอบชั้นบรรยากาศชั้นสตราโตสเฟียร์ของดาวเคราะห์ดังกล่าวได้ดียิ่งขึ้น

รูปที่ 3 : ภาพจำลองระบบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ WASP-121 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงชั้นบรรยากาศสตราโตสเฟียร์ของดาวเคราะห์ WASP-121b [Image credit: Engine House VFX, At-Bristol Science Centre, University of Exeter]

• [1] T.M. Evans et al. (2017), An ultrahot gas-giant exoplanet with a stratosphere, Nature, 548, 58-61
• [2] E Howell (2016). Exoplanets: Worlds Beyond Our Solar System. สืบค้นจาก https://www.space.com/17738-exoplanets.html. 2 มิถุนายน 2560
• [3] The Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). สืบค้นจาก https://tess.gsfc.nasa.gov/
• [4] M Richmond (2016). Spectroscopy of exoplanets. สืบค้นจาก http://spiff.rit.edu/classes/extrasol/lectures/spectra/spectra.html. 2 มิถุนายน 2560
• [5] N.B. Cowan et al (2015). Characterizing Transiting Planet Atmospheres through 2025. arXiv:1502.00004 [astro-ph.EP]

เรียบเรียงโดย ดร. นายศุภชัย อาวิพันธุ์ สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (NARIT)