เทคนิคการค้นหาดาวเคราะห์คล้ายโลกที่มีสิ่งมีชีวิต

ในเดือนมิถุนายนที่จะถึงนี้ Michael Mayor กับ Didier Queloz แห่งมหาวิทยาลัย Geneva ในสวิสเซอร์แลนด์จะเข้ารับรางวัล Wolf สาขาฟิสิกส์ของมูลนิธิ Wolf แห่งอิสราเอลที่มีมูลค่า 3,500,000 บาท นี่เป็นรางวัลที่ยิ่งใหญ่ เพราะบุคคลหลายคนที่ได้รับรางวัลนี้ จะได้รับรางวัลโนเบลในเวลาต่อมา นักดาราศาสตร์ทั้งสองได้สร้างผลงานอมตะด้วยการพบดาวเคราะห์ดวงแรกที่อยู่นอกระบบสุริยะ ในปี 1995 ซึ่งโคจรอยู่รอบดาวฤกษ์ที่มีมวลใกล้เคียงดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ดวงนั้นชื่อ 51 Pegasi ดังนั้นดาวเคราะห์จึงชื่อ 51 Pegasi b

ผลงานนี้ได้เปิดโลกวิทยาการสาขาใหม่คือ ดาราศาสตร์ของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ (exoplanet) ที่ทำให้เราได้ “เห็น” ดาวเคราะห์จำนวนประมาณ 4,000 ดวงแล้ว และที่กำลังรอการยืนยันว่าใช่อีก 3,600 ดวง จำนวนดังกล่าวนี้ได้นับรวมผลงานของ Mayor และ Queloz ประมาณ 250 ดวงด้วยแล้ว แต่กระทั่งถึงวันนี้ก็ยังไม่มีใครพบดาวเคราะห์ดวงใดที่เหมือนโลกเลย

การค้นพบของ Mayor กับ Queloz เกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ทำให้เรารู้ว่า ดาวเคราะห์ประเภทนี้มีความหลากหลายทางกายภาพ เช่น บางดวงมีวงโคจรที่รีมาก จึงมีวิถีโคจรที่ไม่เหมือนกับดาวเคราะห์ของระบบสุริยะที่ส่วนใหญ่มีวงโคจรเกือบจะเป็นวงกลม และบางดวงมีขนาดใหญ่มาก แต่กลับโคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มาก เป็นต้น

สำหรับเทคนิคพื้นฐานที่นักดาราศาสตร์นิยมใช้ในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ได้แก่ การวัดความเร็วของดาวฤกษ์ในแนวรัศมีวงโคจรของดาวเคราะห์ เพราะขณะดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์ แรงโน้มถ่วงที่ดาวเคราะห์กระทำต่อดาวฤกษ์จะทำให้ดาวฤกษ์ดวงนั้นโคจรไปรอบจุดศูนย์กลางมวลของระบบที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ ซึ่งตามปกติจุดนี้จะอยู่ภายในดาวฤกษ์ (เพราะดาวเคราะห์มีมวลน้อยมาก เมื่อเปรียบเทียบกับดาวฤกษ์) ดังนั้นเวลานักดาราศาสตร์สังเกตดูดาวฤกษ์จะเห็นมันเคลื่อนที่ย้อนไปย้อนมา จึงมีความเร็ว (ในกรณีของโลกกับดวงอาทิตย์ โลกจะดึงดูดดวงอาทิตย์ให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วประมาณ 0.09 เมตร/วินาที) การมีความเร็วเช่นนี้ทำให้แสงจากดาวฤกษ์ที่เดินทางมาโลกมีการเปลี่ยนแปลงความถี่ และความยาวคลื่น นี่คือ ปรากฏการณ์ Doppler

ตามปกติเวลาที่สังเกตการเปลี่ยนแปลงนี้ นักดาราศาสตร์จะใช้อุปกรณ์ spectrograph ที่มีความไวในการรับแสง และต้องสังเกตดูเหตุการณ์นี้นานนับ 500-1000 ครั้ง จึงจะสามารถสรุปได้ว่า ดาวฤกษ์มีดาวเคราะห์โคจรอยู่รอบๆ มันจริง

หอดูดาว Geneva ที่สวิสเซอร์แลนด์ และหอดูดาว La Silla ที่ Chile ใช้เทคนิคนี้ในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

นอกจากวิธีนี้แล้ว นักดาราศาสตร์ยังใช้วิธีวัดความเข้มของแสงจากดาวฤกษ์ที่จะลดลงทุกครั้งที่มีดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า ในกรณีที่ดาวฤกษ์ ดาวเคราะห์ และโลกอยู่ในแนวเส้นตรงเดียวกัน ถ้าดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่มาก ความเข้มแสงที่ลดลงจะปรากฏให้เห็นชัด แต่ถ้าดาวเคราะห์มีขนาดเล็ก การสังเกตความเข้มที่ลดลงจะทำได้ยาก

กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Kepler ของ NASA ที่ถูกส่งขึ้นโคจรในอวกาศในปี 2009 ใช้เทคนิควัดความเข้มแสงนี้ในการสำรวจดาวฤกษ์จำนวนกว่า 150,000 ดวง และได้เห็นดาวเคราะห์จำนวนมากกว่า 3,000 ดวงแล้ว ซึ่งทุกดวงได้รับการยืนยันว่าเป็นของจริงด้วยกล้องโทรทรรศน์ต่างๆ บนโลก

การพบดาวเคราะห์มากมายที่มีสมบัติทางกายภาพแตกต่างกัน ได้ชักนำให้นักดาราศาสตร์ตั้งชื่อดาวเคราะห์เหล่านี้ต่างกัน เช่น hot Jupiter เป็นดาวเคราะห์ที่มีมวลประมาณ 50 เท่าของโลก แต่โคจรใกล้ดาวฤกษ์มาก จนไม่น่าจะมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้ ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ 51 Pegasi b คือตัวอย่างของ hot Jupiter

หรือดาวเคราะห์ hot Neptune ที่มีมวลตั้งแต่ 10-50 เท่าของโลก และโคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มาก ส่วน mini Neptune นั้นเป็นดาวเคราะห์ที่มีมวลน้อยกว่า Neptune และมีบรรยากาศที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน กับฮีเลียม

หรือดาวเคราะห์ super Earth ที่มีมวลตั้งแต่ 2-10 เท่าของโลก แต่อาจไม่มีสิ่งมีชีวิต ด้าน exo Earth ซึ่งมีมวลประมาณ 10 เท่าของโลก มีผิวดาวเป็นหินแข็ง และโคจรรอบดาวฤกษ์ที่ระยะไกลที่พอเหมาะ จนอาจมีสิ่งมีชีวิตบนดาวจึงมีชื่อเรียกว่า twin Earth, Earth 2.0 หรือ Earth analog

เมื่อวันที่ 24 สิงหาคม ค.ศ.2016 Guillam Analada-Escude แห่ง Queen Mary University of London ได้แถลงให้โลกทราบว่า เธอกับคณะวิจัยได้พบดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่กว่าโลกเพียงเล็กน้อย และอยู่ห่างจากโลกเพียง 4.25 ปีแสง ซึ่งนับว่าใกล้จนนักดาราศาสตร์สามารถใช้กล้องโทรทรรศน์ส่องดูดาวดวงนี้จากโลกได้ โดยดาวกำลังโคจรรอบดาวแคระแดง Proxima Centauri ที่มีมวลประมาณ 12% ของดวงอาทิตย์ จึงตั้งชื่อดาวเคราะห์ที่พบว่า Proxima b ในการค้นพบครั้งนี้เธอใช้เทคนิควัดความยาวคลื่นแสงที่เปลี่ยนไป โดยปรากฏการณ์ Doppler และใช้กล้องโทรทรรศน์ European Southern Observatory (ESO) ในการสังเกต รวมถึงใช้กล้องโทรทรรศน์ High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 3.6 เมตรที่ Chile ในการยืนยันการเห็น

ความจริงเธอกับคณะได้ติดตามสังเกตดาวเคราะห์ดวงนี้ตั้งแต่ปี 2000 จนถึงปี 2008 จึงหยุด เพื่อรวบรวมข้อมูลมาวิเคราะห์ ในที่สุดทีมวิจัยก็ได้ข้อสรุปว่า ดาวเคราะห์ที่เห็นมีมวล 1.3 เท่าของโลก โคจรรอบดาวฤกษ์ทุก 11.2 วัน และมีอุณหภูมิใกล้เคียงโลกมาก เพราะดาวฤกษ์ที่มันกำลังโคจรโดยรอบเป็นดาวแคระแดงที่ไม่สว่างมาก ดังนั้น บรรยากาศบนดาวเคราะห์จึงอาจมีไอน้ำ แต่เมื่อระยะทางที่มันอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มีค่าประมาณ 5% ของระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์ ดังนั้น ความร้อนจากดาวฤกษ์จะทำให้ผิวด้านหนึ่งของดาวเคราะห์ดวงนี้ร้อนจัด และอีกด้านหนึ่งเย็นจัด แต่บรรยากาศที่มีอยู่บ้างบนดาวเวลาเคลื่อนไหว จะทำให้อุณหภูมิของบรรยากาศไม่ร้อนมากหรือหนาวมาก ทว่าการอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มาก อาจทำให้บรรยากาศของดาวเคราะห์ได้รับรังสีอัลตราไวโอเลท และรังสีเอ็กซ์จากดาวฤกษ์ในปริมาณมากประมาณ 400 เท่าของโลก ซึ่งนับว่ามากจนสิ่งมีชีวิตไม่สามารถจะถือกำเนิดได้ นอกจากนี้นักดาราศาสตร์ก็ยังไม่รู้อีกว่า ดาวเคราะห์ดวงนี้มีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงเพียงพอจะผลักอนุภาคคอสมิกพลังงานสูงที่มาจากอวกาศออกไปได้หรือไม่ เพราะถ้าดาวเคราะห์ไม่มีสนามแม่เหล็ก สิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ก็จะตายหมด เพราะถูกรังสีคอสมิกสังหาร

ดังนั้นเป้าหมายต่อไปในการสำรวจดาวเคราะห์ดวงนี้คือติดตามดูด้วยกล้องโทรทรรศน์ เพราะการจะเดินทางไปสำรวจดาวเคราะห์ด้วยจรวดนั้น จรวดต้องเดินทางไกลนับล้าน ล้านกิโลเมตร ซึ่งทำไม่ได้

เมื่อเดือนกุมภาพันธ์ที่ผ่านมานี้ ทีมวิจัยของ Michael Gallon แห่งมหาวิทยาลัย Liege ในเบลเยี่ยมกับ Aniaury Triaud แห่งมหาวิทยาลัย Cambridge ในอังกฤษ ได้ร่วมกันออกแถลงการณ์ว่า ได้เห็นดาวเคราะห์จำนวน 7 ดวงโคจรรอบดาวเคราะห์แดงชื่อ Trappist-1 ซึ่งดาวฤกษ์ในกระจุกดาว Aquarius นี้อยู่ห่างจากโลก 39 ปีแสง

ทีมนักดาราศาสตร์ชุดนี้ได้พบดาวเคราะห์ Trappist 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g และ 1h โดยการสังเกตความเข้มแสงขณะดาวเคราะห์โคจรตัดหน้าดาวฤกษ์ Trappist-1 ด้วยกล้อง Spitzer Space Telescope ของ NASA โดยได้วัดมาตั้งแต่ปี 2010 จนถึงปี 2017 จึงได้ข้อสรุปว่า ถ้าเรายืนอยู่บน Trappist 1d แสงจากดาวเคราะห์แดงที่เดินทางถึงเราในเวลาเที่ยงวัน จะมีความเข้มน้อยกว่าแสงอาทิตย์ที่เราได้รับบนโลกประมาณ 200 เท่า ดังนั้นท้องฟ้าในเวลาเที่ยงวันบนดาวเคราะห์ดวงนั้นจะดูเป็นสีแดง เสมือนว่า ดาวเคราะห์แดงกำลังจะตกดิน ทั้งๆ ที่มันอยู่เหนือศีรษะพอดี

การค้นพบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า กาแล็กซีทางช้างเผือกของเราอาจมีดาวเคราะห์ที่มีลักษณะคล้ายโลกอย่างน้อย 1 ล้านดวง

ในอนาคต NASA มีโครงการจะส่งดาวเทียมขึ้นสู่อวกาศเพื่อค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะอีกหลายโครงการดังต่อไปนี้

1. Gemini Planet Imager เพื่อถ่ายภาพ วัดมวล และอุณหภูมิของดาวเคราะห์ รวมถึงวิเคราะห์หาองค์ประกอบของบรรยากาศบนดาวเคราะห์

2. Next Generation Transit Survey จะสำรวจหาดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ในอวกาศทางซีกโลกใต้ ด้วยการวัดความเข้มแสงที่เปลี่ยนไป เวลาดาวฤกษ์ถูกดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า

3. Transiting Exoplanet Survey Sattelite เป็นดาวเทียมที่จะถูกส่งขึ้นอวกาศในปี 2017 เพื่อค้นหาดาวเคราะห์ที่มีสมบัติกายภาพเหมือนโลกมากที่สุด แล้วติดตามสังเกตดาวดวงนั้นด้วยกล้องโทรทรรศน์บนโลก

4. James Webb Space Telescope ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่จะเริ่มทำงานในปี 2018 โดยการวิเคราะห์องค์ประกอบของบรรยากาศบนดาวเคราะห์ว่า เหมาะสำหรับสิ่งมีชีวิตหรือไม่

5. ยานอวกาศ Plato ที่จะเริ่มทำงานในปี 2024 เพื่อค้นหาดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อีกประมาณ 1 ล้านดวง

ดังนั้น เราจึงเห็นได้ว่า การค้นหาดาวเคราะห์ที่มีสมบัติทางกายภาพคล้ายโลก ไม่ใช่เรื่องที่ยากอีกต่อไป แต่การจะพบโลกที่มีสิ่งมีชีวิตด้วยเป็นเรื่องที่ยากกว่ามาก เพราะโลกเป็นดาวเคราะห์บริวารของดวงอาทิตย์ มีอุณหภูมิไม่สูง และไม่ต่ำคือพอดี และมีผิวดาวเป็นหินแข็งให้สิ่งมีชีวิตสามารถเดินไป-มาได้ มีน้ำให้สิ่งมีชีวิตใช้ในการดำรงชีวิต และมีบรรยากาศที่ปกป้องสิ่งมีชีวิตจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่เป็นอันตราย ซึ่งสิ่งต่างๆ ที่โลกเรามีในขณะนี้ ล้วนพอเหมาะพอดีที่จะให้สิ่งมีชีวิตสามารถอุบัติได้ แต่ระบบสุริยะก็เป็นเพียงระบบหนึ่งในแสนล้านของกาแล็กซีทางช้างเผือก ซึ่งมีอายุไม่มาก และไม่น้อยจนเกินไป (เพราะเกิดหลัง Big Bang ประมาณ 3,000 ล้านปี) จึงมีแต่ไฮโดรเจน และฮีเลียม ส่วนบรรดาธาตุที่หนักกว่าอันได้แก่ ออกซิเจน เหล็ก โปแตสเซียม ทอเรียม และยูเรเนียม ฯลฯ ก็ได้ถือกำเนิดตามมาทีหลัง ธาตุกัมมันตรังสีที่โลกมีทำหน้าที่ขับเคลื่อนการทำงานของหินเหลวใต้ผิวโลก ให้ความร้อนและสนามแม่เหล็กแก่โลก

สำหรับระบบสุริยะที่มีโลกเป็นสมาชิกนั้นก็อยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม คือ ห่างจากจุดศูนย์กลางของกาแล็กซีประมาณครึ่งหนึ่งของรัศมี เพราะถ้าระบบสุริยะอยู่ใกล้ศูนย์กลางของกาแล็กซีมากเกินไป ดาวฤกษ์ที่มีอยู่อย่างหนาแน่นและแออัดในบริเวณนั้น จะแผ่รังสีอำมหิตออกมาเผาผลาญสิ่งมีชีวิตจนหมด และถ้าระบบสุริยะอยู่ไกลจากจุดศูนย์กลางมากเกินไป คือ อยู่ที่บริเวณขอบของกาแล็กซีซึ่งเป็นบริเวณที่มีจำนวนดาวฤกษ์ค่อนข้างน้อยการถือกำเนิดของธาตุกัมมันตรังสีที่จำเป็นสำหรับดาวเคราะห์ก็เกิดขึ้นได้ยาก

ดังนั้นโลกในระบบสุริยะจึงเป็นดาวเคราะห์ที่อยู่ในตำแหน่งพอเหมาะพอดีในแทบทุกประเด็น คืออยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ประมาณ 150 ล้านกิโลเมตร มีวงโคจรเกือบเป็นวงกลม เพราะถ้าวงโคจรเป็นวงรี ในบางเวลา โลกอาจจะอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากเกินไป และในบางเวลาอยู่ไกลเกินไป ทำให้โลกร้อนไป และเย็นไปจนสิ่งมีชีวิตถือกำเนิดไม่ได้ หรือถ้าโลกถูกดาวเคราะห์ขนาดใหญ่เคลื่อนที่เข้ามาใกล้ แรงโน้มถ่วงระหว่างดาวเคราะห์ดวงนั้นกับโลกจะทำให้วงโคจรของโลกเบี่ยงเบนไปจากวงกลม มีผลทำให้สิ่งมีชีวิตล้มตายจนสูญพันธุ์ได้เช่นกัน

ตั้งแต่ที่นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และสังเกตเห็นวงโคจรของดาวเคราะห์บางดวงเป็นวงรีมาก จึงพยายามวิเคราะห์ธรรมชาติบนดาวเคราะห์ที่ว่านี้ ว่าสามารถให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตได้หรือไม่ โดยคำนวณสภาพของน้ำแข็ง น้ำเหลว และไอน้ำในบรรยากาศของดาวที่มีวงโคจรรีต่างกัน เช่น ถ้าวงโคจรมีลักษณะกลมดิก คือ ความเยื้องศูนย์กลาง (eccentricity) ของวงโคจรมีค่าเท่ากับ 0 ถ้าวงโคจรเป็นเส้นตรง ความเยื้องศูนย์กลางจะเท่ากับ 1 (ความเยื้องศูนย์กลางของโลกที่มีค่าเท่ากับ 0.0167) การสร้างแบบจำลองของดาวเคราะห์ที่มีความเยื้องศูนย์กลางค่าต่างๆ ได้ช่วยให้นักดาราศาสตร์รู้สภาพธรรมชาติของดาวเคราะห์ในอนาคตนับล้านปีได้ เช่น ถ้าความเยื้องศูนย์กลางของโลกเปลี่ยนไปและมีค่า 0.7 โลกจะโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ยิ่งกว่าดาวพุธ และไกลจากดวงอาทิตย์ยิ่งกว่าดาวอังคาร อีกทั้งมีเวลาเพียง 75 วันเท่านั้นที่จะมีอุณหภูมิพอเหมาะสำหรับการถือกำเนิดของสิ่งมีชีวิต นั่นคือ “โลก” ที่มีวงโคจรลักษณะรีเช่นนี้จะไม่เปิดโอกาสให้สิ่งมีชีวิตอุบัติได้

หรือถ้าความสว่างของดาวฤกษ์ดวงที่ดาวเคราะห์โคจรรอบลดลง 30% เงื่อนไขการถือกำเนิดของสิ่งมีชีวิตก็จะเปลี่ยนไปทันที เช่น จุลินทรีย์อาจถือกำเนิดได้ แต่สิ่งมีชีวิตชั้นสูงจะมีปัญหาในการดำรงชีพ นั่นคือ สิ่งมีชีวิตมีได้บนดาวดวงนั้น แต่เป็นคนละรูปแบบกับสิ่งมีชีวิตบนโลก

ตลอดเวลาร่วม 20 ปีที่ผ่านมานี้ นักดาราศาสตร์ได้เห็นดาวเคราะห์แล้วเป็นจำนวนมาก โดยวิธีสังเกตการเลื่อนตัวไป-มาของดาวฤกษ์ และความสว่างของดาวฤกษ์ที่ลดลงเวลาถูกดาวเคราะห์บดบัง ข้อมูลเหล่านี้ได้บอกขนาด และลักษณะวงโคจรของดาวเคราะห์ และเรายังไม่มีการพบดาวเคราะห์ที่เหมือนโลกเลย

การค้นหาจึงต้องเดินหน้าต่อไป ถึงจะไม่พบดาวเคราะห์เหมือนโลกที่อยู่นอกระบบสุริยะ แต่เราก็ตั้งความหวังว่าเราอาจจะพบดวงจันทร์ของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่อาจมีสิ่งมีชีวิตก็ได้

อ่านเพิ่มเติมจาก “Exoplanet Anniversary From Zero to Thousands in 20 Years” NASA news, 6, October 2015






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์