xs
xsm
sm
md
lg

ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ: ครึ่งหนึ่งของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 2019

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

Didier Queloz (Frank Augstein/AP)
เมื่อวันที่ 8 ตุลาคมที่ผ่านมานี้ สถาบันรางวัลโนเบลได้ประกาศมอบรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2019 ครึ่งหนึ่งให้แก่ Michel Mayor และ Didier Queloz แห่งมหาวิทยาลัย Geneva ในสวิสเซอร์แลนด์จากผลงานการพบดาวเคราะห์ดวงแรกที่โคจรรอบดาวฤกษ์ที่อยู่นอกระบบสุริยะตั้งแต่เมื่อปี 1995

ดาวเคราะห์ดวงนี้มีชื่อว่า 51 Pegasi b และกำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ 51 Pegasi ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 50 ปีแสง มีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดาวพฤหัสบดี และอยู่ห่างจากดาวฤกษ์ 51 Pegasi ประมาณ 7.5 ล้านกิโลเมตร จึงโคจรเร็วมาก โดยใช้เวลาเพียง 4.23 วัน ในการโคจรรอบดาวแม่ (ในขณะที่ดาวพฤหัสบดีต้องใช้เวลานานถึง 12 ปีจึงจะรอบดวงอาทิตย์) และมีอุณหภูมิที่ผิวสูงถึง 2,000 องศาเซลเซียส ข้อมูลนี้ทำให้ทุกคนตระหนักว่า ไม่มีสิ่งมีชีวิตใดๆ อาศัยอยู่บนดาวเคราะห์ดวงนี้ได้

การค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ โดย Mayor และ Queloz จึงเปิดโลกวิทยาการสาขาใหม่ในการค้นหาดาวเคราะห์ที่มีสิ่งมีชีวิตหรือมนุษย์ต่างดาว จวบจนวันนี้นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ (exoplanet) เป็นจำนวนกว่า 4,000 ดวงแล้ว แต่ยังไม่พบดวงใดที่มีสมบัติ “เหมือน” โลกเลย

M. Mayor เป็นศาสตราจารย์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์ที่สนใจเทคนิคการวิเคราะห์แสงที่ดาวฤกษ์เปล่งออกมาเพื่อให้รู้ว่าดาวดวงนั้นมีธาตุอะไรบ้างเป็นองค์ประกอบ โดยใช้อุปกรณ์ spectrograph วัดความยาวคลื่นของแสง ซึ่งนอกจากจะสามารถชี้บอกชนิดของธาตุที่มีบนดาวแล้ว ยังสามารถบอกความเร็วและทิศการเคลื่อนที่ของดาวได้ด้วย

ส่วน D. Queloz เป็นศิษย์ ซึ่งในเวลานั้น (ปี 1994) กำลังทำปริญญาเอกด้านดาราศาสตร์ฟิสิกส์อยู่ที่มหาวิทยาลัย Geneva โดยมี Mayor เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา เพราะ Mayor กำลังสนใจใช้เทคนิค spectroscopy ค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่ไม่มีใครเคยเห็นมาก่อน Mayor จึงประกาศหานิสิตมาร่วมวิจัย และได้ Queloz มาร่วมทำงานในเดือนพฤษภาคม ค.ศ.1994 หลังจากนั้นไม่นาน Mayor ก็ได้ลาไปเพิ่มประสบการณ์วิจัย (sabbatical) ที่มหาวิทยาลัย Hawaii ในสหรัฐอเมริกา และบอกให้ Queloz วิเคราะห์การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ประมาณ 100 ดวงที่มีอายุใกล้เคียงดวงอาทิตย์

อีก 2 เดือนต่อมา เมื่อ Queloz ศึกษาแสงจากดาวฤกษ์ 51 Pegasi ก็ได้พบว่าความยาวคลื่นของแสงจากดาวดวงนี้ เมื่อเดินทางถึงโลกมีการเปลี่ยนแปลง คือ มากขึ้นและน้อยลงเป็นจังหวะสม่ำเสมอ นั่นแสดงว่า ดาว 51 Pegasi มีความเร็วในแนวเส้นตรงที่เชื่อมโยงระหว่างโลกกับดาวฤกษ์ แต่ Queloz ไม่เห็นสาเหตุที่ทำให้ความเร็วของดาว 51 Pegasi ในแนวรัศมีคือจากโลกถึงดาวฤกษ์เปลี่ยนแปลง เขาจึงรู้สึกเครียด เพราะคิดว่า อุปกรณ์ที่ใช้สังเกตคงทำงานบกพร่อง หรือไม่ตาของเขาก็ฝาด ดังนั้น จึงมิได้เอ่ยปากบอกใคร

แต่เมื่อ Queloz ใช้อุปกรณ์เดียวกันนี้ ศึกษาแสงจากดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ เขากลับไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นแสงจากดาวฤกษ์เลย Queloz จึงรู้สึกมั่นใจว่า สิ่งที่ “เห็น” คือ ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่กำลังดึงดูดดาวฤกษ์ ทำให้ความเร็วดาวฤกษ์เปลี่ยน จึงตัดสินใจส่งแฟกซ์แจ้งให้ Mayor ทราบ แต่ในเวลาเดียวกันก็เกรงว่า อาจารย์จะหัวเราะเยาะตน เพราะทฤษฎีการถือกำเนิดของระบบดาวเคราะห์ ในเวลานั้นระบุว่า ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ (ดังที่เห็น) จะต้องโคจรห่างจากดาวฤกษ์มาก แต่ดาวเคราะห์ที่ Queloz “พบ” กลับอยู่ใกล้ดาวฤกษ์มาก

เมื่อ Mayor ได้รับสารจากศิษย์ก็รีบกลับ Geneva เพื่อตรวจสอบตัวเลข และข้อมูลต่างๆ ในราวเดือนเมษายน ค.ศ.1995 และได้อธิบายให้ Queloz ฟังว่า ในกรณีดาวพฤหัสบดีกับดวงอาทิตย์ แรงโน้มถ่วงที่มากมหาศาลระหว่างดาวทั้งสองจะทำให้ดาวพฤหัสบดีมีความเร็ว 10 กิโลเมตร/วินาที และดวงอาทิตย์มีความเร็ว 12 เมตร/วินาที ในแนวเข้าหากัน ดังนั้น ถ้ามีการพบว่าดวงอาทิตย์มีความเร็ว 12 เมตร/วินาที นักดาราศาสตร์ก็พออนุมาน (คาด) ได้ว่า เพราะถูกดาวพฤหัสบดีดึงดูด ฉันใดก็ฉันนั้น เมื่อดาว 51 Pegasi มีความเร็วค่าหนึ่งในแนวเส้นตรงที่ลากจากดาวถึงโลก คือ เข้าหาโลกและหนีจากโลก นั่นก็เป็นเหตุการณ์ที่เกิดเมื่อมีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งได้โคจรเข้ามาอยู่ระหว่างโลกกับ 51 Pegasi และในเวลาต่อมาได้โคจรไปอยู่หลัง 51 Pegasi (ดาว Pegasi ยังมีความเร็วในแนวเส้นสัมผัสกับวงโคจรเหมือนเดิม) ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงแรกจึงมีชื่อว่า 51 Pegasi b ข่าวการพบดาวเคราะห์ดวงนี้ได้ทำให้คนทั้งโลกตื่นเต้นมาก เพราะได้เห็นหลักฐานที่แสดงว่า ดาวเคราะห์ดวงนั้นอาจมีมนุษย์ต่างดาว

นับตั้งแต่เวลาที่กาลิเลโอใช้กล้องโทรทรรศน์สำรวจเอกภพ เมื่อกว่า 400 ปีก่อนนี้ นักดาราศาสตร์ยังไม่เคยเห็นดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะเลย ความยากลำบากในการเห็นเกิดจากสาเหตุหลายประการ เช่น ดาวฤกษ์ที่มีดาวเคราะห์เป็นบริวารมักมีขนาดใหญ่และมีความสว่างมากกว่าดาวเคราะห์หลายล้านเท่า ถ้าเป็นการเปรียบเทียบกรณีแสงที่ตาเห็น ความสว่างของดาวฤกษ์จะมากประมาณหมื่นล้านเท่าของดาวเคราะห์ แต่ถ้าใช้แสงอินฟราเรดในการเปรียบเทียบความสว่างของดาวฤกษ์จะมีค่าประมาณสิบล้านเท่าของดาวเคราะห์ ตัวเลขที่แตกต่างกันมากนี้ทำให้แสงจากดาวฤกษ์กลบหรือบดบังแสงจากดาวเคราะห์จนเกือบหมด มีผลทำให้นักดาราศาสตร์มองไม่เห็นดาวเคราะห์

นอกจากความสว่างที่แตกต่างกันมากแล้ว มวลที่แตกต่างกันมากก็เป็นเรื่องที่ทำให้นักดาราศาสตร์สังเกตเห็นดาวเคราะห์ได้ยาก เพราะดาวฤกษ์มีมวลมากกว่าดาวเคราะห์ตั้งแต่ 1,000 ถึง 1,000,000 เท่า ความแตกต่างที่มากนี้ชี้นำให้นักดาราศาสตร์วัดมวลของดาวเคราะห์ โดยการสังเกตดูอาการ “โคลงเคลง” ของดาวฤกษ์ที่เกิดจากการถูกดาวเคราะห์ดึงดูดด้วยแรงโน้มถ่วง เพราะเมื่อดาวฤกษ์ถูกแรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์กระทำ ลักษณะการเคลื่อนที่ของมันจะเปลี่ยนไป ตามหลักของ Doppler และเมื่อความยาวคลื่นแสงที่เปลี่ยนไปเป็นปฏิภาคโดยตรงกับอัตราส่วนระหว่างมวลของดาวเคราะห์/ดาวฤกษ์ ในการวัดความยาวคลื่นที่เปลี่ยนไป 0.0003% (ถ้าเป็นดาวพฤหัสบดีกับดวงอาทิตย์) ดังนั้น นักดาราศาสตร์อาจต้องใช้เวลานานเป็นปีในการติดตามดู จนกระทั่งดาวเคราะห์โคจรไปดาวฤกษ์ได้ครบหนึ่งรอบ เขาจึงจะสรุปผลได้
Michel Mayor  (AFP)
นอกจากจะใช้เทคนิคการดูปรากฏการณ์ Doppler ที่เกิดขึ้นเพื่อหาอัตราส่วนระหว่างมวลของดาวเคราะห์/ดาวฤกษ์แล้ว นักดาราศาสตร์อาขใช้เทคนิค gravitational lensing ซึ่งเป็นการโฟกัสแสงโดยแรงโน่มถ่วงก็ได้ แต่การใช้เทคนิคนี้ นักดาราศาสตร์ต้องอาศัยดาวฤกษ์อีกดวง ซึ่งอยู่เบื้องหลังดาวฤกษ์ที่กำลังศึกษา เพราะเวลาแสงจากดาวฤกษ์ที่อยู่ข้างหลังเดินทางถึงโลก แสงจะถูกดาวฤกษ์ที่ขวางหน้าอยู่ดึงดูดเข้าหาตาทำให้เห็นดาวฤกษ์ที่อยู่ข้างหลังอยู่ ณ อีกตำแหน่งหนึ่ง และถ้าดาวฤกษ์ดวงที่กำลังศึกษา มีดาวเคราะห์โคจรไปรอบๆ การเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์ดวงนี้ก็จะเปลี่ยนแปลงตามเวลา และการโฟกัสแสงก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วยอย่างมีนัยยะสำคัญ

และก็มีอีกวิธีหนึ่งที่นักค้นหาดาวเคราะห์นิยมใช้คือ เทคนิคการสังเกตดาวเคราะห์โคจรตัดหน้าดาวฤกษ์ (transit) เพราะดาวเคราะห์มีขนาดเล็กกว่าดาวฤกษ์ ตั้งแต่ 10-1,000 เท่า ดังนั้นเวลาดาวเคราะห์เคลื่อนที่ผ่านหน้าดาวฤกษ์ ความสว่างที่โลกได้รับจากดาวฤกษ์ดวงนั้นจะน้อยลงในสัดส่วน (Rp/Rs)2 เมื่อ Rp และ Rs คือรัศมีของดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ตามลำดับ ในกรณีดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่เท่าดาวพฤหัสบดีและดาวฤกษ์ใหญ่เท่าดวงอาทิตย์ ความสว่างที่ลดลงมีค่าประมาณ 1% ซึ่งมากพอจะสังเกตเห็นได้ แต่เงื่อนไขนี้จะใช้ได้ ถ้าระนาบวงโคจรของดาวเคราะห์ดวงนั้นอยู่ในแนวเดียวกับระนาบการสังเกต ดังนั้น ถ้าระนาบการโคจรของดาวเคราะห์อยู่นอกระนาบการสังเกต เราก็จะไม่เห็นความสว่างของดาวฤกษ์เปลี่ยนแปลง ด้วยเหตุนี้เทคนิคนี้จึงต้องการความอดทนของนักดาราศาสตร์ในการสังเกตอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน

เทคนิคการสังเกตทั้งหลายที่กล่าวมานี้สามารถใช้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับขนาด มวล ลักษณะ วงโคจรและคาบการโคจรของดาวเคราะห์ได้คือรู้จากปริมาณ Mp sin i เมื่อ Mp คือ มวลของดาวเคราะห์ และ i คือมุมที่ระนาบการโคจรของดาวเคราะห์ทำกับระนาบการสังเกต เทคนิค transit ทำให้เรารู้ความสว่างที่เปลี่ยนไป ซึ่งบอกค่ารัศมีของดาวเคราะห์และมุม i จากค่าที่วัดได้นี้ เราก็จะรู้มวล Mp ของดาวเคราะห์ และรู้ความหนาแน่นโดยเฉลี่ย ซึ่งจะบอกได้ว่าดาวเคราะห์ดวงนั้นประกอบด้วยน้ำ น้ำแข็ง หรือหิน ฯลฯ

ข้อมูลที่ได้จากการศึกษา exoplanet ร่วม 4,000 ดวง แสดงให้นักดาราศาสตร์เห็นความหลากหลายทางกายภาพของดาวเคราะห์ว่า มีมากมาย เช่น ดาวที่มีมวลตั้งแต่ 0.1 เท่าของดาวพฤหัสบดี (30 เท่าของโลก) และมีรัศมีตั้งแต่ 0.1-50 เท่าของดาวพฤหัสบดี เช่น ดาวเคราะห์ Gliese 581 c มีมวลประมาณ 5 เท่าของโลกและอยู่ห่างจากดาวฤกษ์ Gliese 581 10 ล้านกิโลเมตร มีอุณหภูมิที่ผิว 400 องศาเซลเซียสจึงเป็นโลกร้อน (hot earth) ส่วน HD 189733 b มีมวล 366 เท่าของโลก และอยู่ห่างจากดาวฤกษ์ HD 189733 4.5 ล้านกิโลเมตร มีความแตกต่างของอุณหภูมิในเวลากลางวันกับกลางคืนเท่ากับ 230 องศาเซลเซียส สำหรับบรรยากาศบนดาวเคราะห์นั้นก็สามารถหาได้จากการวิเคราะห์แสงจากดาวฤกษ์เวลาที่แสงจากดาวฤกษ์ทะลุผ่านบรรยากาศบนดาวเคราะห์มาสู่โลก และนักดาราศาสตร์ได้พบธาตุโซเดียม กับสารประกอบเช่น น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนมอนออกไซด์ และมีเทนบนบางดาวเคราะห์หลายดวง

ในปี 2021 NASA จะส่งกล้องโทรทรรน์อวกาศ James Webb Space Telescope (JWST) ขึ้นโคจรรอบโลก กระจกของกล้องที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 6.5 เมตร จะทำหน้าที่แยกแสงที่มาจากดาวเคราะห์ออกจากแสงที่มาจากดาวฤกษ์ได้อย่างมีประสิทธภาพยิ่งกว่ากล้องโทรทรรศน์ใดๆ ในอดีต ซึ่งจะทำให้รู้ว่าบรรยากาศบนดาวเคราะห์ดวงนั้นมีโมเลกุลของน้ำ, methane, CO และ CO2 หรือไม่ แต่ข้อมูลเหล่านี้ก็ยังไม่เพียงพอ เพราะสิ่งที่จะบอกได้ว่า บนดาวดวงนั้นมีสิ่งมีชีวิตชั้นสูงหรือไม่ คือ ออกซิเจน

การที่โลกของเรามีสิ่งมีชีวิต เพราะพืชใช้กระบวนการสังเคราะห์อาหารด้วยแสง (photosynthesis) ในการสร้างออกซิเจนในบรรยากาศ และตลอดเวลาหลายพันล้านปีตั้งแต่โลกถือกำเนิด แบคทีเรียดึกดำบรรพ์ (cyanobacteria) ในมหาสมุทรได้ปล่อยออกซิเจนออกมาจนทำให้บรรยากาศโลกปัจจุบันมีออกซิเจนประมาณ21% ซึ่งนับว่ามากจนมนุษย์ต่างดาวสามารถเห็นได้จากที่ไกล ดังนั้นถ้าโลกต่างดาวจะมีสิ่งมีชีวิตเหมือนโลก นักชีววิทยาหลายคนคิดว่า บรรยากาศของดาวก็จะต้องมีออกซิเจน

แต่ก็ไม่เสมอไป เพราะดาวเคราะห์ที่ยังไม่มีสิ่งมีชีวิต อาจมีออกซิเจนในบรรยากาศก็ได้ และดาวเคราะห์ที่มีสิ่งมีชีวิตอาจไม่ปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมาก็ได้ ดังสถานการณ์บนโลกเมื่อ 2,000 ล้านปีก่อน ในเวลานั้นจุลินทรีย์บนโลกก็ยังไม่ได้ผลิตออกซิเจน แล้วต่อมาโลกก็มีสิ่งมีชีวิต

ดังนั้นเพื่อศึกษาโอกาสความเป็นไปได้ต่างๆ นักชีววิทยาดาราศาสตร์จึงสนใจการทดลองสร้างดาวเคราะห์เสมือน (Virtual Planet Laboratory VPL) โดยสมมติให้มีแก๊สชนิดต่างๆ ในบรรยากาศบนดาวเคราะห์ แล้วให้แสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆจากดาวฤกษ์ผ่านเข้าทำปฏิกริยาเคมีกับแก๊สเหล่านั้น เพื่อดูว่าจะมีสารประกอบอะไรเกิดขึ้นบ้าง และได้พบว่า ดาวเคราะห์ที่มีน้ำบนดาว เวลาได้รับความร้อนในปริมาณมากจากดาวฤกษ์ จะเดือดแล้วกลายเป็นไอ ถ้าไอน้ำนั้นได้รับแสง ultraviolet ที่มีความเข้มสูง ไอน้ำก็จะแยกตัวเป็น hydrogen กับ oxygen และไฮโดรเจนที่มีมวลค่อนข้างน้อยจะหนีหายไป ทิ้งออกซิเจนที่มีมวลมากกว่าให้เหลืออยู่ในบรรยากาศในปริมาณมาก โดยที่ในเวลาเดียวกันดาวดวงนั้นก็ยังไม่มีสิ่งมีชีวิต

แต่ถ้ามีการพบสารประกอบพวก methane กับออกซิเจนอยู่ด้วยกัน โอกาสการพบสิ่งมีชีวิตก็จะมีมาก กระนั้นกระบวนการสร้าง methane เพียงอย่างเดียวก็ไม่จำเป็นว่าต้องมาจากสิ่งมีชีวิต เพราะอาจจะเกิดจากการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาก็ได้ และตามปกติ methane กับ oxygen เป็นโมเลกุลที่สามารถทำปฏิกิริยาเคมีกันได้โดยการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนกัน ทำให้เกิด carbon dioxide และน้ำ โดยที่ปฏิกิริยานี้จะเกิดในสิ่งมีชีวิต

แต่ก็มีนักวิทยาศาสตร์หลายคนที่คิดว่า การพิจารณาเฉพาะ oxygen กับ methane เท่านั้นเป็นการจำกัดความสามารถในการอุบัติของสิ่งมีชีวิตในวงแคบ เพราะได้มีการพบสิ่งมีชีวิตทั้งในน้ำที่ร้อนมาก และในน้ำที่เย็นจัดสุดๆ บนโลก ดังนั้นการค้นหาสิ่งมีชีวิตต่างดาวจึงต้องคำนึงถึงสถานการณ์ที่ร้อนจัดและเย็นจัดด้วย และได้พบว่า ถ้ามี carbon, nitrogen, oxygen, phosphorus, sulfur กับ hydrogen รวม 6 ธาตุ แล้วสิ่งมีชีวิตบนโลกก็สามารถผลิตสารประกอบต่างๆ ได้ประมาณ 600 ชนิด

สำหรับกรณีดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่มีขนาดเล็ก และมีบรรยากาศไม่หนาทึบ กล้อง JWST อาจตรวจพบสิ่งมีชีวิตได้ ถ้าดาวเคราะห์ดวงนั้นโคจรรอบดาวแคระแดง (red dwarf) ที่ไม่ร้อนมาก และใกล้ดาวฤกษ์ที่คล้ายดวงอาทิตย์ กล้องก็อาจถ่ายภาพของดาวเคราะห์ได้ ถ้าดาวเคราะห์อยู่ไกลจากดาวฤกษ์มาก กล้องก็จะไม่เห็นจึงต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) ที่ NASA จะส่งขึ้นอวกาศประมาณปี 2025 โดยให้กล้องทำงานร่วมกับยาน starshade ที่ทำหน้าที่เป็น “ร่ม” บดบังแสงจากดาวฤกษ์ โดยให้ starshade อยู่ห่างจากกล้อง WFIRST ประมาณ 50,000 กิโลเมตร

เทคนิคการถ่ายภาพดาวเคราะห์โดยตรงนี้ ดีกว่าเทคนิคการให้ดาวเคราะห์โคจรตัดหน้าดาวฤกษ์ เพราะถ้าดาวเคราะห์นั้นมีพืชชั้นต่ำ หรือจุลินทรีย์ แสงที่สะท้อนจากผิวดาวจะสามารถบอกได้ว่า มีสิ่งมีชีวิตบนดาวหรือไม่ เพราะพืชจะดูดกลืนแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 720 นาโนเมตรไป ส่วนแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่านี้ พืชก็จะสะท้อนกลับถึง 50% แต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่มีเหตุผลว่า สิ่งมีชีวิตต่างดาวต้องเป็นพืชสีเขียวเสมอไป

กล้องโทรทรรศน์ที่โลกจะมีในทศวรรษหน้า ยังไม่มีกล้องใดสามารถถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้โดยตรง

แต่ NASA ก็มีอีกโครงการหนึ่งชื่อ Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx) ที่สามารถรับแสงได้หลายความยาวคลื่น คือ ตั้งแต่ ultraviolet (UV) ถึง infrared (IR) และมีร่มกาง (starshade) ซึ่งทำหน้าที่บดบังแสงจากดาวฤกษ์ ขณะถ่ายภาพ
Michel Mayor  (Manu Fernandez/AP)
ณ วันนี้เทคโนโลยีการค้นหาดาวเคราะห์คล้ายโลกที่อยู่นอกระบบสุริยะได้รุดหน้าไปมาก จนทำให้การค้นหาดาวเคราะห์คล้ายโลก ที่มีมวลใกล้เคียงกับโลก และมีขนาดพอๆ กัน มีการโคจรรอบดาวฤกษ์เช่นดวงอาทิตย์ โดยใช้เวลาในการโคจรรอบนาน 1 ปีเท่าโลก กำลังเป็นปัญหาดาราศาสตร์ที่น่าสนใจมากที่สุด เพราะได้ประจักษ์แล้วว่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Kepler ให้ข้อมูลได้เฉพาะขนาด (รัศมี) ของดาวเคราะห์ แต่ไม่สามารถวัดมวลของดาวเคราะห์ได้ ดังนั้น การวัดความหนาแน่นของดาวเคราะห์ หรือการมีบรรยากาศของดาวเคราะห์ก็ยังไม่สามารถทำให้รู้ได้ว่ามีสิ่งมีชีวิตหรือไม่ นักดาราศาสตร์จึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ช่วยในการค้นหาเพิ่มอีก เช่น เมื่อวันที่ 9 ธันวาคม ค.ศ.2017 กล้องโทรทรรศน์ Discovery Channel ในรัฐ Arizona ของอเมริกาได้ติดตั้งอุปกรณ์ spectrometer วิเคราะห์แสงแบบ Extreme Precision หรือ EXPRESS และเมื่อเดือนตุลาคม ปี 2018 กล้องโทรทรรศน์ Very Large Telescope ที่ Chile ก็มีการติดตั้งอุปกรณ์ spectrometer แบบ Echelle Spectroscopy for Rocky Exoplanet เพื่อวิเคราะห์แสงจากดาวเคราะห์คล้ายโลกที่มีผิวเป็นหินแข็ง อุปกรณ์ spectrograph ที่มีปริซึม และ grating เป็นองค์ประกอบของกล้องสามารถกระจายแสงตามความยาวคลื่นเป็นแถบ spectrum ในแสงแต่ละแถบ โดยอาจมีเส้นสเปกตรัมสีดำปรากฏอยู่ (เรียก Fraunhoffer line) ซึ่งเกิดจากแก๊สที่อยู่ในบรรยากาศเหนือดาวเคราะห์ได้ดูดซับแสงจากดาวฤกษ์ไป

ดังนั้นถ้าดาวฤกษ์มีดาวเคราะห์อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงที่ดาวเคราะห์กระทำต่อดาวฤกษ์ จะทำให้ความเร็วของดาวฤกษ์เปลี่ยนแปลง (แม้จะน้อยนิดระดับเมตร/วินาที อุปกรณ์ก็สามารถวัดได้) ความยาวคลื่นของแสงจากดาวฤกษ์จึงเปลี่ยนแปลงตาม มีผลทำให้ความยาวคลื่นของสเปกตรัมเส้นมืดก็เปลี่ยนไปด้วย ดังนั้น การสังเกตดูความยาวคลื่นของเส้นมืดที่เปลี่ยนก็สามารถบอกได้ว่า ดาวฤกษ์ดวงนั้นมีดาวเคราะห์โคจรอยู่โดยรอบหรือไม่

แต่เทคนิคนี้จะให้ผลดีที่สุด ถ้าดาวเคราะห์มีมวลมาก และโคจรใกล้ดาวฤกษ์ ซึ่งจะทำให้แรงโน้มถ่วงระหว่างดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์มีค่ามาก ทำให้ความยาวคลื่นที่เปลี่ยนแปลงปรากฏชัด ส่วนดาวเคราะห์ที่มีขนาดเล็ก และโคจรอยู่ไกลจากฤกษ์ นักดาราศาสตร์จะเห็นการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นได้ไม่ชัด จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แบบ High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) ซึ่งขณะนี้ถูกนำไปติดตั้งที่หอดูดาว La Sella Observatory ใน Chile

ตลอดเวลา 10 ปีผ่านมานี้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศ Kepler ได้ใช้วิธีวัดความเข้มแสงจากดาวฤกษ์ที่ลดลง เวลาดาวฤกษ์ประมาณ 145,000 ดวง ถูกดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า และได้เห็นดาวเคราะห์ Gliese 581g ในกลุ่มดาว Libra ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 20 ปีแสง กำลังโคจรอบดาวฤกษ์ Gliese 581 ที่เป็นดาวแคระแดง (red dwarf) อันเป็นดาวฤกษ์ขนาดเล็กที่ให้แสงน้อย เพราะปฏิกิริยา fusion บนดาวฤกษ์ชนิดนี้เกิดขึ้นค่อนข้างช้า ด้านสว่างของดาวเคราะห์ดวงนี้มีอุณหภูมิ 64 องศาเซลเซียส และด้านมืดมีอุณหภูมิที่ -50 องศาเซลเซียส ส่วน Gliese 581c ก็เป็นดาวเคราะห์อีกดวงที่มีอุณหภูมิตั้งแต่ 0-40 องศาเซลเซียส และเนื้อดาวเป็นหินแข็ง แต่นักดาราศาสตร์ยังไม่มั่นใจว่า ดาวนี้มีน้ำและบรรยากาศหรือไม่

ในอนาคตอันใกล้นี้ NASA จะส่งดาวเทียมชื่อ Transiting Exoplanet Surveying Satellite (TESS) ขึ้นอวกาศ และสมาพันธ์อวกาศแห่งยุโรป (ESA) ก็จะส่งดาวเทียม Characterising Exoplanets Satellite (CHEOPS) ขึ้นอวกาศเช่นกัน เพื่อช่วยกล้องโทรทรรศน์ที่อยู่บนดินวัดมวลของดาวเคราะห์ที่เห็น เพราะมวลเป็นปัจจัยสำคัญที่จะบอกได้ว่าแรงโน้มถ่วงบนดาวเคราะห์สามารถทำให้มีบรรยากาศ น้ำ และดินให้สิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ได้หรือไม่

นอกเหนือจากการสนใจค้นหาดาวฤกษ์ที่เหมือนดวงอาทิตย์แล้ว นักดาราศาสตร์ก็ยังสนใจดาวฤกษ์ชนิดดาวแคระแดงด้วย เพราะเป็นดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็ก และปล่อยรังสี infrared ออกมาเป็นส่วนใหญ่ แต่รังสีนี้มักถูกบรรยากาศโลกที่มีไอน้ำดูดกลืนหมด ดังนั้นกล้องโทรทรรศน์บนโลกจึงต้องติดตั้งอุปกรณ์ Near-Infrared Planet Search (NIPS) ในกล้องโทรทรรศน์ที่ Chile เพื่อรับแสงอินฟราเรดโดยเฉพาะ

ในการค้นหาบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะนั้น นักดาราศาสตร์ยังอาศัยเทคนิคที่ Mikhail Lomonosov ชาวรัสเซียเคยใช้ตั้งแต่วันที่ 6 มิถุนายน ค.ศ.1761 (ตรงกับรัชสมัยพระเจ้าเอกทัศน์) เพราะ Lomonosov ได้พบว่า ขณะดาวศุกร์โคจรตัดหน้าดวงอาทิตย์ เขาเห็นเงาดำของดาวศุกร์มิได้มีขอบคมชัด แต่มัวๆ เหมือนกับมีหมอกปกคลุม Lomonosov จึงเป็นบุคคลแรกที่พบการมีบรรยากาศเหนือดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ จนถึงวันนี้นักดาราศาสตร์ยังใช้เทคนิคนี้ในการค้นหาโมเลกุลของน้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ รวมทั้งโมเลกุลอื่นๆ ในสเปกตรัมของแสงที่มาจากบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่ต้องสงสัย เมื่อได้ข้อมูล เช่น รัศมี มวล องค์ประกอบต่างๆ ของบรรยากาศ ระยะทางที่ดาวเคราะห์อยู่ห่างจากดาวฤกษ์ สนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ รวมถึงอุณหภูมิ ข้อมูลทั้งหมดจะถูกนำมาบูรณาการสร้างแบบจำลองของสิ่งมีชีวิตที่จะเกิดได้บนดาว โดยอาศัยความรู้ด้านชีววิทยาที่นักวิทยาศาสตร์มี

นอกเหนือจากความรู้เดิมๆ ที่ว่า ที่ใดมีน้ำ ที่นั่นมีชีวิต ซึ่งเป็นความรู้ที่ใช้ไม่ได้เสมอไปแล้ว เพราะถ้าโลกที่มีแต่น้ำ และไม่มี phosphorus หรือสารอาหารอื่น ก็ไม่สามารถมีสิ่งมีชีวิตได้ “โลก” ของสิ่งมีชีวิตจะต้องมีทั้งดิน น้ำ สารอาหาร เช่น phosphorus และ CH4 เพื่อให้ plankton ใช้ในการสร้าง oxygen ให้บรรยากาศให้สิ่งมีชีวิต เช่น มนุษย์ใช้หายใจ

นับถึงวันนี้ ดาวเคราะห์ที่มีโอกาสจะมีสิ่งมีชีวิตมากที่สุด ได้แก่ ดาวเคราะห์ Ross 128 ปี ที่อยู่ห่างจากโลก 11 ปีแสง (3.4 parsecs) กับดาวเคราะห์ GJ 1132b ที่มีรัศมี 1.1 เท่าของโลกและมีอุณหภูมิ 55 องศาสัมบูรณ์ ส่วนดาวเคราะห์ TRAPPIST 1C ซึ่งมีรัศมี 1.1 เท่าของโลก และมีอุณหภูมิ 300 องศาสัมบูรณ์นั้นก็เป็นดาวเคราะห์ที่เหมือนโลกมาก แต่จะมีสิ่งมีชีวิตหรือไม่ การค้นหาหลักฐานเพิ่มเติมด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb จะให้คำตอบที่ชัดขึ้น

กระนั้นในการสำรวจความคิดเห็นของนักดาราศาสตร์ 47% มีความเห็นว่าในปี 2040 (อีก 21 ปี) โลกก็ยังไม่มั่นใจว่า มีสิ่งมีชีวิตนอกโลก อีก 29% คิดว่ามั่นใจ ที่เหลือ 24% ก้ำกึ่ง แต่เมื่อถึงปี 2050 ทุกคนมั่นใจว่าจะพบสิ่งมีชีวิตต่างโลกแน่นอน สิ่งมีชีวิตในที่นี้ไม่ได้หมายความถึง สิ่งมีชีวิตที่มีสติปัญญาเหมือนคน

ความรู้ทั้งหลายทั้งปวงนี้เกิดจากผลงานบุกเบิกของ Mayor และ Queloz ครับ

อ่านเพิ่มเติมจาก Quest for Second Earth โดย Robert Kunzig ใน Science ฉบับ 2 November 2017

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


กำลังโหลดความคิดเห็น...