เมื่อวันที่ 5 ธันวาคมที่ผ่านมานี้ องค์การบินและอวกาศแห่งสหรัฐอเมริกา (NASA) ได้ออกแถลงการณ์ว่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศชื่อ Kepler ได้เห็นดาวเคราะห์ดวงใหม่ชื่อ Kepler 22b ซึ่งมีรัศมีใหญ่กว่าโลกประมาณ 2.4 เท่า กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ชื่อ Kepler 22 โดยใช้เวลานาน 290 วัน (โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์โดยใช้เวลานาน 365 วัน) และอุณหภูมิที่ผิวดาวประมาณ 22 องศาเซลเซียส จากข้อมูลนี้จึงเป็นไปได้มากว่า ดาวเคราะห์ดวงนี้อาจมีสิ่งมีชีวิต เพราะดาวมีสภาพทางกายภาพที่มีลักษณะเหมือนโลกมาก แต่การจะไปเยี่ยมเยือนดาวเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้ เพราะดาวอยู่ห่างจากโลกประมาณ 587 ปีแสงทำให้การไปด้วยจรวดธรรมดาจะต้องใช้เวลานานถึง 22 ล้านปี
มนุษย์รู้จักดาวเคราะห์มาตั้งแต่สมัยโบราณว่าเป็นดาวที่เห็นเคลื่อนที่ไปในท้องฟ้า และมีขนาดใหญ่กว่าดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อย และการที่ตาเห็นดาวเหล่านี้ได้เป็นเรื่องยาก เพราะดาวได้รับแสงสะท้อนที่น้อยนิดจากดาวฤกษ์ที่ดาวโคจรอยู่รอบๆ ส่วนดาวฤกษ์จะปรากฏอยู่กับที่ (ในความเป็นจริงดาวฤกษ์ก็เคลื่อนที่ด้วย แต่เพราะมันอยู่ไกลจากโลกมาก ดังนั้น ตาของเราจึงสังเกตไม่เห็น) และดาวเคราะห์ที่คนโบราณรู้จักมี 6 ดวงคือ พุธ ศุกร์ โลก อังคาร พฤหัสบดี กับดาวเสาร์ แต่ Epicurus ผู้เป็นปราชญ์กรีกในสมัยพุทธกาลเชื่อว่า เอกภพของเรายังมีดาวเคราะห์อีกจำนวนมากนับไม่ถ้วน ทั้งที่เหมือนโลก และแตกต่างจากโลก แต่เขาไม่มีหลักฐานใดๆ มายืนยัน ดังนั้นจึงไม่มีใครเชื่อตาม
ในเวลาต่อมาจำนวนดาวเคราะห์ในระบบสุริยะก็มีเพิ่มขึ้นๆ จนทำให้เรารู้ว่าไกลออกไปจากวงโคจรของดาวเสาร์มีดาวยูเรนัส ดาวเนปจูน และดาวเคราะห์แคระพลูโต
นับจากปี 1930 ที่ C. Tombaugh พบพลูโตก็ยังไม่มีใครเห็นดาวเคราะห์อีกเลย จนกระทั่งถึงวันที่ 6 ตุลาคม 1995 Didier Queloz และ Michel Mayor แห่งหอดูดาว Geneva Observatory ในสวิสเซอร์แลนด์ก็ได้ทำให้โลกตื่นเต้นด้วยข่าวการพบดาวเคราะห์ดวงแรกที่โคจรรอบดาวฤกษ์ชื่อ 51 Pegasi ที่มิใช่ดวงอาทิตย์ แต่ดาวเคราะห์ที่พบใหม่นี้มีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดาวพฤหัสบดี (ดาวพฤหัสบดีมีมวล 318 เท่าของโลก) ตัวดาวประกอบด้วยแก๊สร้อนและมีอุณหภูมิที่ผิวสูงประมาณ 1,000 องศาเซลเซียส ดาวดวงใหม่นี้โคจรเร็วมากเพราะใช้เวลาเพียง 4.2 วันในการโคจรรอบดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ดวงนี้จึงไม่น่าสนใจ เพราะนักดาราศาสตร์รู้ว่าไม่มีสิ่งมีชีวิตใดๆ สามารถอุบัติบนดาวดวงนี้ได้เลย
การค้นหาดาวเคราะห์ในเวลาต่อมาทำให้นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์อีกเป็นจำนวนมากซึ่งมีรูปร่าง และลักษณะการโคจรที่น่าสนใจ เช่น พบดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้โลกที่สุดว่าอยู่ไกลประมาณ 10 ปีแสง แต่บางดวงอยู่ไกลถึง 17,000 ปีแสง บางดวงมีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ 20 เท่า และดาวฤกษ์บางดวงมีดาวเคราะห์หลายดวงเป็นบริวาร ณ วันนี้ เราได้พบดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะแล้วประมาณ 400 ดวง จึงเป็นว่า ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่รู้จัก ณ วันนี้มีจำนวนมากกว่าดาวเคราะห์ในระบบสุริยะแล้ว
ความยากลำบากในการเห็นดาวเคราะห์นั้น เกิดจากหลายสาเหตุ เช่น ดาวเคราะห์บริวารตามปกติมักมีขนาดเล็กมากเมื่อเปรียบเทียบกับดาวฤกษ์แม่ เพราะมวลของดาวเคราะห์:ดาวฤกษ์ = 1:106และความสว่างก็น้อยมากในอัตราส่วน 1:107– 1010เท่า ดังนั้น เมื่อนักดาราศาสตร์ดูดาวเคราะห์จากที่ไกลตั้งแต่ 100 ปีแสงขึ้นไป ความสว่างของดาวฤกษ์จะบดบังดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ใกล้ๆ อย่าง “สมบูรณ์” นักดาราศาสตร์เปรียบเทียบความพยายามนี้ว่า เสมือนกับการต้องการจะเห็นยุงที่บินอยู่รอบโคมไฟที่เปิดสว่างจ้าจากที่ไกล 100 กิโลเมตร
ด้วยเหตุนี้นักดาราศาสตร์จึงต้องคิดหาวิธีจะดูดาวเคราะห์ให้เห็น และได้พบหลายวิธี เช่น
(1) วิธีวัดความสว่างของดาวฤกษ์ที่เปลี่ยนไปเวลามีดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า (วิธี Transit) เพราะเวลาดาวเคราะห์โคจรผ่านระหว่างโลกกับดาวฤกษ์อย่างช้าๆ ดาวเคราะห์จะบดบังแสงจากดาวฤกษ์ที่มาสู่โลก ทำให้ความสว่างของดาวฤกษ์ลดลง แล้วจะกลับไปสว่างเท่าเดิม เมื่อดาวเคราะห์ดวงนั้นโคจรผ่านดาวฤกษ์ไป ถ้าดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่ มันจะบดบังแสงได้มากและความสว่างของดาวฤกษ์จะลดลงมาก ในทางตรงกันข้ามถ้าดาวเคราะห์มีขนาดเล็ก ความสว่างที่ลดลงก็จะมีค่าน้อยด้วย นักดาราศาสตร์ได้พบว่า ความสว่างที่ลดลงนี้เป็นปฏิภาคโดยตรงกับปริมาณ (Rp/Rs)2เมื่อ Rp และ Rs คือรัศมีของดาวเคราะห์ และดาวฤกษ์ตามลำดับ ดังนั้น ในกรณีดาวพฤหัสบดีโคจรผ่านหน้าดวงอาทิตย์ของเรา ความสว่างของดวงอาทิตย์ที่วัดได้บนโลกจะลดลงประมาณ 1%
แต่ข้อเสียของวิธีนี้ก็มีหลายประการ คือ ความสว่างที่เปลี่ยนแปลงอย่างน้อยนิดนี้อาจถูกบดบังโดยอิทธิพลของบรรยากาศของโลก ซึ่งจะทำให้ผู้สังเกตไม่สามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงได้เลย ดังนั้นเพื่อขจัดอิทธิพลของบรรยากาศ นักดาราศาสตร์จึงต้องใช้วิธีส่งกล้องโทรทรรศน์ขึ้นไปโคจรในอวกาศ เพื่อวัดความเข้มแสงที่เปลี่ยนแปลงไป โดยไม่มีอิทธิพลภายนอกใดๆ รบกวน
นอกจากนี้ วิธีนี้ก็ยังมีข้อจำกัดอีกประการหนึ่งคือ สามารถใช้ได้ดี เมื่อดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์และผู้สังเกตบนโลกอยู่ในระนาบเดียวกันเท่านั้น ซึ่งเป็นเหตุการณ์ที่เกิดไม่บ่อยนัก
เทคนิคการวัดความสว่างที่เปลี่ยนแปลงนี้ สามารถบอกรัศมีของดาวเคราะห์ รวมถึงอุณหภูมิ เวลาในการโคจรครบรอบ และมวลของดาวเคราะห์ อีกทั้งสามารถบอกชนิดและปริมาณของธาตุที่มีในบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้ โดยการวิเคราะห์แสงของดาวฤกษ์ที่ผ่านขอบของดาวเคราะห์มา และเพื่อยืนยันว่า ความสว่างที่เปลี่ยนแปลงนี้มิได้เกิดจากการเคลื่อนที่ของคลื่นอย่างผิดปรกติที่ผิวดาวฤกษ์ นักดาราศาสตร์ต้องสังเกตการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องเพื่อยืนยันว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นจริงอย่างน้อย 3 ครั้ง โดยอาจจะใช้เวลานานหลายปี เพราะดาวเคราะห์ดวงนั้นต้องใช้เวลานานมากจึงจะโคจรไปครบหนึ่งรอบ
(2) วิธีวัดความยาวคลื่นของแสงจากดาวฤกษ์ที่เปลี่ยนแปลง เพราะการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ด้วยอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์จะเปลี่ยนแปลงทำให้ความยาวคลื่นแสงเปลี่ยนตาม
เวลาดาวฤกษ์มีดาวเคราะห์โคจรไปโดยรอบ แรงโน้มถ่วงที่ดาวเคราะห์กระทำต่อดาวฤกษ์จะทำให้ดาวฤกษ์มีความเร็วด้วย เพื่อให้โมเมนตัมเชิงมุมของระบบรอบจุดศูนย์กลางมวลมีค่าคงตัว เช่น ในกรณีดวงอาทิตย์กับดาวพฤหัสบดี อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีจะทำให้ดวงอาทิตย์มีความเร็วประมาณ 12.5 เมตร/วินาที ดังนั้น ถ้าดวงอาทิตย์เคลื่อนที่เข้าหาโลกด้วยความเร็วนี้ ความยาวคลื่นแสงจากดวงอาทิตย์จะสั้นลง แต่ถ้าดวงอาทิตย์เคลื่อนที่หนีจากโลก ความยาวคลื่นแสงจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ถ้าดาวฤกษ์มีดาวเคราะห์โคจรอยู่รอบๆ ดาวฤกษ์ก็จะเคลื่อนที่เข้าหาโลกบ้าง และหนีจากโลกบ้าง ทำให้ความยาวคลื่นแสงสั้นเข้าและยาวออกเป็นจังหวะๆ การวัดความยาวคลื่นแสงที่เปลี่ยนแปลงนี้ จึงบอกข้อมูลเกี่ยวกับเวลาการโคจรของดาวเคราะห์ครบรอบ รวมถึงบอกมวล และระยะทางที่ดาวเคราะห์อยู่ห่างจากดาวฤกษ์ด้วย
ความถูกต้องแม่นยำของวิธีนี้จึงขึ้นกับความสามารถในการวัดความเร็วของดาวฤกษ์อย่างละเอียด จึงเหมาะสำหรับกรณีที่ความเร็วของดาวฤกษ์เปลี่ยนมาก นั่นคือ กรณีที่ดาวเคราะห์มีมวลมาก เพราะในกรณีดาวเคราะห์มีมวลน้อย เช่น โลก ความเร็วของดวงอาทิตย์ที่เกิดจากอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของโลกมีค่า 10 เซนติเมตร/วินาทีเท่านั้นเอง เทคนิคนี้จึงไม่เหมาะสำหรับการค้นหาดาวเคราะห์ที่มีมวลน้อย และเทคนิคนี้ยังเหมาะสำหรับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกเป็นระยะทางน้อยกว่า 160 ปีแสง ซึ่งถ้าคิดเป็นจำนวนก็มีน้อยกว่า 40,000 ดวง
นอกจากนี้เทคนิคนี้ก็ยังขึ้นกับปริมาณ sin i ด้วย เมื่อ i คือมุมระหว่างระนาบวงโคจรของดาวเคราะห์กับแนวที่สังเกต ดังนั้นวิธีนี้จึงใช้ได้ดีเมื่อระนาบการโคจรของดาวเคราะห์อยู่ในแนวสายตา และใช้ไม่ได้เลย เมื่อระนาบการโคจรของดาวเคราะห์ตั้งฉากกับแนวสายตา เพราะแสงจากดาวฤกษ์จะพุ่งตั้งฉากกับแนวที่มอง ความยาวคลื่นแสงที่เห็นจึงไม่เปลี่ยนเลย
(3) ใช้เทคนิค Gravitational Microlensing ซึ่งเหมาะสำหรับกรณีที่มีดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง โคจรผ่านหน้าดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่ง แรงโน้มถ่วงของดาวฤกษ์ดวงข้างหน้าทำให้แสงจากดาวฤกษ์ดวงข้างหลังเบนโค้งลงสู่ตาผู้สังเกต ดาวจึงดูสว่างขึ้นกว่าปรกติ แต่ถ้าดาวฤกษ์ดวงข้างหน้ามีดาวเคราะห์โคจรอยู่ด้วย อิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ก็จะเสริมทำให้แสงจากดาวฤกษ์ดวงข้างหลังดูเข้มขึ้น คือสว่างมากขึ้น จนปรากฏเป็นยอดแหลมเสริมในกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มแสงของดาวฤกษ์กับเวลา
(4) ใช้เทคนิค Astrometry วัดตำแหน่งของดาวฤกษ์ที่มีดาวเคราะห์เป็นบริวารโดยเปรียบเทียบตำแหน่งกับของดาวฤกษ์ดวงนั้นกับเหล่าดาวฤกษ์เบื้องหลัง
เพราะถ้าดาวฤกษ์ดวงนั้นไม่มีดาวเคราะห์โคจรรอบๆ ตำแหน่งของดาวฤกษ์จะไม่เปลี่ยนแปลงเลย แต่ถ้าดาวฤกษ์ดวงนั้นมีดาวเคราะห์ แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์จะทำดาวฤกษ์เคลื่อนที่เล็กน้อย ดังนั้นการวัดตำแหน่งของดาวฤกษ์ ณ เวลาต่างๆ กันนานเป็นเดือนหรือปีจะทำให้นักดาราศาสตร์รู้ว่า ดาวฤกษ์นั้นมีดาวเคราะห์เป็นบริวารหรือไม่ และดาวเคราะห์ที่มองไม่เห็นมีมวลมากเพียงใด รวมถึงจะทำให้รู้ระยะห่างระหว่างดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์ด้วย เช่น ในกรณีดาวพฤหัสบดีกับดวงอาทิตย์ ถ้าสังเกตจากระยะห่าง 32.6 ปีแสง ดวงอาทิตย์จะถูกดาวพฤหัสบดีดึงดูดทำให้เห็นดวงอาทิตย์เลื่อนไปทำมุม 0.5x10-3ฟิลิปดา (1 ฟิลิปดา = 1/3600 องศา) NASA มีดาวเทียม Hippacos ที่สามารถวัดมุมเล็กระดับ 2x10-3ฟิลิปดาได้
ในการค้นหาดาวเคราะห์จริงๆ นักดาราศาสตร์จะใช้เทคนิคหลายๆ รูปแบบ เพื่อยืนยันและตรวจสอบซึ่งกันและกัน
ในกรณีของกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Kepler กล้องถูกส่งไปโคจรรอบดวงอาทิตย์ ดังนั้นกล้องจึงไม่ถูกบรรยากาศโลกรบกวนเวลาดูดาว ตัวกล้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 95 เซนติเมตร มี digital sensor 42 ตัว มี photometer วัดความเข้มแสง 95 megapixel จึงสามารถเห็นดาวเคราะห์ที่มีขนาดเล็กกว่าดาวอังคารได้ NASA ได้กำหนดให้กล้อง Kepler ถ่ายภาพดาวฤกษ์ในกาแล็กซีทางช้างเผือกในบริเวณกลุ่มดาวหงส์ Cygnus จำนวน 150,000 ดวง เป็นเวลานาน 4 ปี โดยให้เฝ้าดูดาวเหล่านี้ตลอดเวลา ว่าดาวฤกษ์ดวงใดมีการเปลี่ยนแปลงความเข้มแสงเพียงใด และเป็นเวลานานเพียงใด และพบว่าบางดวงต้องใช้เวลาสังเกตนานเป็นปี แต่บางดวงก็ใช้เวลาดูนานพียง 1-2 วัน โดยให้คอมพิวเตอร์บนโลกบันทึกข้อมูลความสว่างของดาวฤกษ์ตลอดเวลา และพบว่ากล้อง Kepler สามารถวัดความสว่างที่เปลี่ยนแปลงระดับ 0.01% ได้อย่างไม่มีปัญหาใดๆ
ในอดีตที่ผ่านมาร่วม 17 ปีนักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยแก๊ส และมีมวลระดับดาวพฤหัสบดีหรือมากกว่า นี่จึงเป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์พบ Kepler 22b ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าโลกเล็กน้อย จึงเรียกว่าเป็น super Earth และเป็นดาวเคราะห์ที่มีสิทธิ์จะมีสิ่งมีชีวิตบนดาว
ดังนั้นงานที่จะต้องทำขั้นต่อไป คือพยายามสังเกตดูสเปกตรัมของแสงจากดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ดวงนี้ เพื่อวิเคราะห์หาสารประกอบบนดาว เช่น น้ำ, มีเทน และธาตุต่างๆ เช่น ออกซิเจน โพแตสเซียม ลิเธียม โซเดียม ฯลฯ เพื่อตอบข้อสงสัยว่า สิ่งมีชีวิตสามารถอุบัติบนดาวดวงนี้ได้หรือไม่ และเมื่อปริมาณแสงจากดาวเคราะห์ดวงนี้มีเพียง 1 ใน 1 พันล้านของแสงจากดาวฤกษ์ ความยากลำบากนี้จึงเปรียบเสมือนการพยายามฟังเสียงยุง ขณะพายุทอร์นาโดพัด นอกจากนี้นักดาราศาสตร์ต้องวิเคราะห์วงโคจรของดาวเคราะห์ เพื่อให้มั่นใจว่ามันอยู่ในบริเวณที่สิ่งมีชีวิตสามารถอาศัยอยู่ได้
ย้อนอดีตไปเมื่อ 400 ปี ก่อนนี้ Copernicus ได้เคยทำให้โลกลดความสำคัญ เมื่อเขาแถลงว่าโลกมิได้เป็นศูนย์กลางของเอกภพ เพราะโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ และนักดาราศาสตร์ในยุคต่อๆ มาก็ได้พบว่า ดวงอาทิตย์ของเราเป็นเพียงดาวฤกษ์ดวงหนึ่งในจำนวนแสนล้านดวงที่มีในกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งก็เป็นเพียง 1 ใน แสนล้านกาแล็กซีที่มีในเอกภพ
ดังนั้นโลกจึงเป็นเพียงดาวเคราะห์เล็กๆ ดวงหนึ่งในเอกภพ หาได้มีความพิเศษอันใดไม่ และก็เป็นไปได้มากว่า เอกภพน่าจะมีโลกที่มีมนุษย์อาศัยอยู่อีกนับพันล้านโลก แต่จะอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ดวงใดบ้าง กล้องโทรทรรศน์ Kepler จะพยายามตอบคำถามนี้
เมื่อถึงปี 2014 กล้องโทรทรรศน์ Darwin ก็จะถูกส่งขึ้นฟ้าบ้าง เพื่อช่วยกล้อง Kepler ค้นหาโลกใหม่ให้รู้ชัดว่า โลกเรามีเพื่อนหรือไม่ และอยู่ที่ใด
อ่านเพิ่มเติมจาก The Crowded Universe: The Search for Living Planets โดย Alan Boss จัดพิมพ์โดย Basic Book ปี 2009
*********************
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน - ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์
ประวัติการศึกษา - ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
