ความหลากหลายด้านลักษณะและวงโคจรของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

เมื่อ 20 ปีก่อนนี้นักดาราศาสตร์แทบทุกคนคิดว่า ทฤษฎีและกฎฟิสิกส์ที่ทุกคนรู้ดีสามารถอธิบายวิวัฒนาการและความเป็นมาของระบบดาวเคราะห์ในสุริยจักรวาลได้ทุกประเด็น เช่นว่า เหตุใดดาวเคราะห์ทุกดวงจึงโคจรไปรอบดวงอาทิตย์ในทิศทางเดียวกัน เหตุใดวงโคจรทั้งหลายจึงเป็นวงรี และระนาบของวงโคจรแทบทุกวงผ่านเส้นศูนย์สูตรของดวงอาทิตย์ เหตุใดดาวเคราะห์วงใน (พุธ ศุกร์ โลก อังคาร) จึงมีขนาดเล็ก และมีองค์ประกอบหลักเป็นของแข็งเช่น หินกับเหล็ก แต่ดาวเคราะห์วงนอก (พฤหัสบดี เสาร์ ยูเรนัส และเนปจูน) มีขนาดใหญ่ และประกอบด้วยแก๊สไฮโดรเจนกับฮีเลียม ฯลฯ และเมื่อนักฟิสิกส์เชื่อว่า กฎฟิสิกส์เป็นจริงตลอดเวลา และใช้ได้ทุกหนแห่งในเอกภพ ดังนั้น ดาวฤกษ์อื่นใดที่มีดาวเคราะห์เป็นบริวารก็ย่อมมีรูปลักษณ์เหมือนสุริยะระบบของเรา

แต่ความเชื่อเช่นนี้เริ่มมีปัญหาในปี 1995 เมื่อ Didier Queloz และ Michel Mayor แห่งมหาวิทยาลัย Geneva ในสวิสเซอร์แลนด์ได้เห็นดาวเคราะห์ดวงแรกที่อยู่นอกระบบสุริยะ (exoplanet) โคจรรอบดาวฤกษ์ชื่อ 51 Pegasi ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 50 ปีแสง ดาวเคราะห์ชื่อ 51 Pegasi b ดวงนี้ มีมวลประมาณ 150 เท่าของโลก หรือประมาณครึ่งหนึ่งของดาวพฤหัสบดี แต่กลับโคจรรอบดาวฤกษ์ที่ระยะใกล้มาก คือ 7.5 ล้านกิโลเมตร (คิดเป็นระยะทาง 0.05 AU ในขณะที่ดาวพุธอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 0.47 AU และ 1 AU คือระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์) มันจึงโคจรเร็วมาก โดยใช้เวลาเพียง 4.2 วันเท่านั้นเอง ในขณะที่ดาวพฤหัสบดีต้องใช้เวลานานถึง 12 ปี การโคจรใกล้ดาวฤกษ์มากทำให้ 51 Pegasi b มีอุณหภูมิสูงถึง 2000 เคลวิน มันจึงได้รับการจัดประเภทเป็นดาวเคราะห์ชนิด hot Jupiter ที่มีอัตลักษณ์ไม่เหมือนดาวเคราะห์ดวงใดของระบบสุริยะเลย

หลังจากนั้นความก้าวหน้าในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะก็ได้เพิ่มอย่างรวดเร็ว เมื่อ NASA ส่งดาวเทียม Kepler ขึ้นอวกาศ ในปี 2009 เพื่อค้นหาดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ โดยใช้วิธีวัดความเข้มแสงจากดาวฤกษ์ที่ลดลง เวลามีดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า และใช้วิธีศึกษาความยาวคลื่นของแสงจากดาวฤกษ์ที่เปลี่ยนแปลงไป เพราะถูกดาวเคราะห์ที่โคจรรอบมันดึงดูดให้เคลื่อนที่ไป-มาเป็นระยะทางสั้นๆ ด้วยความเร็วน้อยๆ จนกระทั่งถึงวันนี้ดาวเทียม Kepler ได้เห็นดาวเคราะห์จำนวนกว่า 5,000 ดวงแล้ว อีกทั้งมีเอกลักษณ์ต่างๆ กันที่ไม่เหมือนดาวเคราะห์ใดในระบบสุริยะเลย อาทิเช่น

ดาวฤกษ์ Gliese 876 มีดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ 3 ดวงที่ใช้เวลาในการโคจรรอบดาวฤกษ์ในอัตราส่วน 1:2:4 ซึ่งหมายความว่า ถ้าดวงแรกโคจรไปได้ 1 รอบ ดวงที่ 2 และ 3 จะโคจรไปได้ 2 รอบ และ 4 รอบ ตามลำดับ ความสอดคล้องของตัวเลขในลักษณะที่เป็น resonance นี้ก็มีในระบบสุริยะเช่นกัน แต่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดกับดวงจันทร์ Ganymede, Europa และ Io ของดาวพฤหัสบดี มิได้เกิดกับลักษณะการโคจรของดาวเคราะห์ทั่วไป

หรือในกรณีดาวฤกษ์ HD 20782 ซึ่งมีดาวเคราะห์ขนาดใหญ่เท่าดาวพฤหัสบดีเป็นบริวาร ชื่อ HD 20782b แต่มีวงโคจรที่รีมาก เพราะโคจรเข้าใกล้ดาวฤกษ์ที่สุด ที่ระยะห่าง 1/10 ของระยะทางที่ดาวพุธอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ และระยะไกลที่สุดคือห่างจากดาวฤกษ์ 2.7 AU

สำหรับดาวฤกษ์ Kepler-56 นั้น มีดาวเคราะห์ 2 ดวงที่มีมวล 22 กับ 181 เท่าของโลกเป็นบริวาร แต่ระนาบการโคจรของดาวทั้งสองเอียงทำมุม 45° องศากับระนาบที่ผ่านเส้นศูนย์สูตรของดาวฤกษ์

ด้านระบบ Kepler-47 มีดาวเคราะห์ 2 ดวงกำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ 2 ดวง นั่นคือระบบนี้มี “ดวงอาทิตย์” 2 ดวง

ระบบ Kepler-36 ยังมีดาวเคราะห์ 2 ดวงที่โคจรรอบดาวฤกษ์ โดยมีวงโคจรอยู่ใกล้กันมาก คือมีคาบการโคจรเท่ากับ 14 วันกับ 16 วัน และดาวเคราะห์ดวงหนึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าอีกดวงหนึ่งถึง 8 เท่า ความหนาแน่นที่แตกต่างกันมากนี้ นักดาราศาสตร์ยังอธิบายไม่ได้ว่า เหตุใดดาวเคราะห์ทั้งคู่จึงโคจรอยู่ใกล้กันเช่นนั้น

ด้านระบบ Kepler-11 มีดาวเคราะห์บริวาร 6 ดวง ซึ่งมีขนาดเล็กมาก และดาว 5 ดวงโคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มาก คือ ใกล้ในระยะ 0.25 AU แต่อีกดวงที่เหลือมีขนาดใหญ่ และโคจรอยู่ห่างจากดาวฤกษ์มาก นักดาราศาสตร์ยังไม่มีเหตุผลอธิบายได้ว่า เพราะเหตุใด

ความหลากหลายของรูปแบบที่ระบบดาวเคราะห์แสดงให้เห็นนี้แสดงว่า ทฤษฎีกำเนิดดาวเคราะห์ที่นักดาราศาสตร์ปัจจุบันเชื่อ และใช้มาจนวันนี้ ยังไม่สมบูรณ์ เพราะไม่สามารถอธิบายที่มาของลักษณะเฉพาะของระบบที่เห็นได้ อีกทั้งไม่สามารถอธิบายได้ว่า super-Earth ที่มีมวลมากกว่าโลก แต่น้อยกว่าเนปจูนนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร หรืออาจจะกล่าวโดยย่อได้ว่าแบบจำลองที่นักดาราศาสตร์มีในปัจจุบันไม่สามารถอธิบายสาเหตุที่ระบบสุริยะของเราไม่มี super-Earth และ hot Jupiter ในขณะที่ระบบดาวนอกดวงอาทิตย์มี super-Earth และ hot Jupiter มากมาย หรือระบบสุริยะของเราเป็นระบบที่แปลก และระบบอื่นๆ เป็นระบบธรรมดา

ทฤษฎีกำเนิดดาวเคราะห์ที่เป็นที่ยอมรับในปัจจุบัน แถลงว่า ดาวฤกษ์ถือกำเนิดตรงบริเวณแก่นกลางของกลุ่มแก๊สร้อนก่อน โดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ส่วนดาวเคราะห์เป็น “ของเหนือ” ที่ได้เกิดตามในเวลาต่อมา หลังจากที่แก๊สไฮโดรเจน และฮีเลียมในบริเวณรอบแก่นกลางได้จับกลุ่มกันจนมีความหนาแน่นมาก และมีอุณหภูมิสูงขึ้นๆ จนทำให้เกิดปฏิกิริยา fusion ภายในดาวซึ่งจะปล่อยพลังงานความร้อนและพลังงานแสงออกมา จากนั้นแก๊สที่แก่นกลางได้กลายเป็นดวงอาทิตย์ ในขณะที่แก๊สเหลือๆ ซึ่งมีอะตอมของ carbon, oxygen, nitrogen, silicon และ iron ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจะจับกลุ่มเป็นก้อนๆ ขนาดเล็ก (planetesinal) ซึ่งจะรวมตัวกันในภายหลังกลายเป็นดาวเคราะห์ (planet) ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ โดยมีวงโคจรเป็นวงรี

สำหรับดาวเคราะห์ที่โคจรใกล้ดวงอาทิตย์นั้น จะประกอบด้วยเหล็กและหิน ซึ่งเป็นธาตุหนัก ส่วนดาวเคราะห์ที่โคจรไกลจากดวงอาทิตย์จะมีอุณหภูมิต่ำกว่า และมีองค์ประกอบหลักเป็นแก๊สกับน้ำแข็ง ซึ่งได้รวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่มีมวลประมาณ 100 เท่าของโลก

ทฤษฎีกำเนิดสุริยจักรวาลที่กล่าวมานี้ ไม่สามารถอธิบายลักษณะการโคจรของ hot Jupiter ที่มีมวล 1/3 – 10 เท่าของดาวพฤหัสบดี และโคจรห่างจากดาวฤกษ์ตั้งแต่ 0.03 AU จนถึง 3 AU ได้ อีกทั้งไม่สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดดาวเคราะห์ HAT-P, -7 b จึงโคจรอบดาวฤกษ์ HAT-P -7 ในทิศตรงข้ามกับทิศที่ดาวฤกษ์หมุน และเพราะเหตุใด ดาวเคราะห์ HD 80606b จึงโคจรผ่านขั้วเหนือใต้ของดาวฤกษ์ แทนที่จะโคจรไปในระนาบที่ผ่านเส้นศูนย์สูตร

ครั้นเมื่อเราหันมาศึกษาระบบสุริยะของเรา เราก็ไม่สามารถอธิบายได้ว่า เหตุใดจึงไม่มีดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่โคจรใกล้ดวงอาทิตย์ยิ่งกว่าดาวพุธ เพราะระบบดาวเคราะห์ที่เห็นจวบจนปัจจุบันแทบทุกระบบ มีดาวเคราะห์ที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์มาก

คำตอบหนึ่งที่อาจตอบได้สำหรับคำถามทั้งหมด คือ เทคนิคที่นักดาราศาสตร์ใช้ในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ซึ่งตามปกติใช้เทคนิคหลัก 2 รูปแบบ คือ แบบวัดความเข้มแสงที่ลดลง (transit) กับแบบวัดความเร็วของดาวฤกษ์ในแนวรัศมีที่ลากระหว่างดาวฤกษ์กับดาวเคราะห์ดูปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect) เทคนิคทั้งสองนี้สามารถใช้ค้นหาดาวเคราะห์เฉพาะดาวที่ประกอบด้วยหินและแก๊ส แต่ยังไม่สามารถเห็นบรรยากาศ และน้ำของดาวเคราะห์ได้ จึงไม่สามารถตอบได้ว่าดาวนี้สามารถให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตได้หรือไม่

ในเดือนสิงหาคมปี 2018 NASA จะส่งดาวเทียม TESS (จากคำเต็ม Transitory Exoplanet Survey Sattellite ขึ้นอวกาศ) เพื่อใช้เทคนิค transit ในการวิเคราะห์ดาวฤกษ์ 200,000 ดวง ภายในเวลา 2 ปี รวมถึงวิเคราะห์แสงจากดาวฤกษ์ขณะเดินทางผ่านบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่โคจรตัดหน้าว่า บรรยากาศมีธาตุหรือสารประกอบอะไรบ้าง ดาวเคราะห์ดวงนั้นมีอุณหภูมิ และอายุเท่าใด สามารถให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตบนดาวได้หรือไม่

ในปี 2020 กล้องโทรทรรศน์ที่อยู่บนโลกชื่อ Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIST) ซึ่งมีเลนส์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร จะพยายามค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ 2,600 ดวง กับดาวเคราะห์ X ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ดวงที่ 9 ของระบบสุริยะ โดยกล้องจะตอบคำถามที่น่าสนใจหลายประเด็นเกี่ยวกับการถือกำเนิดของระบบดาวเคราะห์ เช่น เหตุใดดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ GLIESE 687 จึงมีมวลมากกว่าดาวฤกษ์ และดาวฤกษ์ดวงใดมีดาวเคราะห์ที่โคจรรอบมันเป็นบริวารมากที่สุด สถิติปัจจุบันเป็นของดาวฤกษ์ Kepler-90 (ไม่นับดวงอาทิตย์) ซึ่งมีดาวเคราะห์โคจรจำนวน 7 ดวง

ในปี 2022 NASA จะส่งดาวเทียม FINESSE (จากคำเต็ม Fast Infrared Exoplanet Spectroscopy Survey Explorer) ขึ้นศึกษาองค์ประกอบ และการถือกำเนิดของบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ขณะดาวเคราะห์โคจรตัดหน้าดาวฤกษ์ ดาวเทียม FINESSE จะรวบรวมแสงจากดาวฤกษ์ที่ส่งผ่านบรรยากาศขณะดาวเคราะห์บดบังดาวฤกษ์ และศึกษาแสงสะท้อนจากผิวดาวเคราะห์ขณะมันโคจรเข้าสู่ด้านหลังของดาวฤกษ์ ข้อมูลที่ได้จะเปิดเผยเอกลักษณ์ที่สำคัญขององค์ประกอบในบรรยากาศ เช่น ไอน้ำ, methane และ carbon dioxide รวมถึงจะใช้อธิบายว่า ความร้อนเคลื่อนที่จากบริเวณที่ร้อนไปสู่บริเวณที่เย็นกว่าได้อย่างไร

องค์ความรู้ทั้งหลายทั้งปวงนี้จะถูกนำไปใช้ในการอธิบายโครงสร้างของระบบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่นักดาราศาสตร์รู้จักในช่วง 20 ปีที่ผ่านมานี้

FINESSE จะวิเคราะห์ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะประมาณ 1,000 ดวง โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กซึ่งประกอบด้วยเลนส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวเพียง 75 เซนติเมตรเท่านั้นเอง เพื่อให้นักดาราศาสตร์มีทฤษฎีการถือกำเนิดของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์เสียที

ลุถึงปี 2026 องค์การอวกาศยุโรป (ESA) จะส่งดาวเทียม ARIEL (จากคำเต็ม Atmospheric Remote – Sensing Infrared Exoplanet) ขึ้นอวกาศ กล้องโทรทรรศน์ที่มีเลนส์เส้นผ่านศูนย์กลางยาว 1 เมตรนี้ จะค้นหาดาวเคราะห์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 500 เคลวินเล็กน้อย

จึงเป็นว่าทุกวันนี้ระบบดาวเคราะห์ในเอกภพมีความหลากหลายมาก จนทำให้เรารู้สึกว่าทฤษฎีการถือกำเนิดที่สมบูรณ์ ยังไม่มี และอาจจะมี แต่ไม่มีใครรู้ว่า เมื่อใด

อ่านเพิ่มเติมจาก Exoplanet Transits and Occulations โดย J.N. Winn จัดพิมพ์โดย University of Arizona Press, Tucson ในปี 2010



เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน

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

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์