Frontpage Slideshow | Copyright © 2006-2011 JoomlaWorks Ltd.

ดาวเคราะห์สำหรับการอยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตในเอกภพ (ตอนแรก)

Share

ดาวเคราะห์สำหรับการอยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิตในเอกภพ (ตอนแรก)

------------------------------------------------

1. บทนำ

นักดาราศาสตร์พยายามศึกษาและทำความเข้าใจธรรมชาติของท้องฟ้ามาเป็นเวลานาน มีการส่งต่อองค์ความรู้จากรุ่นสู่รุ่น เรามีองค์ความรู้พื้นฐานหลายอย่างเกี่ยวกับเอกภพ รวมถึงองค์ความรู้เรื่องระบบสุริยะที่เราอาศัยอยู่ นั่นคือ มีดาวฤกษ์เป็นศูนย์กลาง และมีดาวเคราะห์ 8 ดวง รวมถึงวัตถุขนาดเล็ก อาทิ ดาวเคราะห์น้อย ดาวหาง และอื่นๆ โคจรอยู่รอบๆ โดยนักดาราศาสตร์แบ่งดาวเคราะห์ในระบบสุริยะออกเป็น 3 กลุ่ม ได้แก่

        - ดาวเคราะห์หิน (รวมถึงโลก)

        - ดาวเคราะห์แก๊สยักษ์

        - ดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์

 

รูปที่ 1 การแบ่งประเภทดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรา มักจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท

1. ดาวเคราะห์หิน (Rocky planets หรือ Terrestrial planets) เป็นดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่มีองค์ประกอบหลักเป็นหินและโลหะ ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร

2. ดาวเคราะห์แก๊ส (Gas planets หรือ Jovian planets) เป็นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่มีองค์ประกอบหลักเป็นแก๊ส ได้แก่ ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน

แต่มีหลายครั้งที่ดาวเคราะห์แก๊ส ถูกแบ่งย่อยอีกเป็น 2 กลุ่ม

- ดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ (Gas giant) -> ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์

- ดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ (Ice giants) ดาวเคราะห์กลุ่มนี้จะมีสัดส่วนของน้ำ มีเทน แอมโมเนีย มากกว่าดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ ซึ่งในสาขาที่ศึกษาดาวเคราะห์มักเรียกพวกน้ำ มีเทน แอมโมเนีย รวมๆว่า “น้ำแข็ง” (ต่างจากทางเคมี ที่คำว่า “น้ำแข็ง” ที่ต้องเป็นน้ำในสถานะของแข็งเพียงอย่างเดียว) -> ดาวยูเรนัส ดาวเนปจูน

[ที่มาของภาพ: http://www.theplanetstoday.com/solar_system_map.html ]

 

แต่คำถามสำคัญประการหนึ่งคือ มีสิ่งมีชีวิตอื่นนอกโลกหรือระบบสุริยะของเราหรือไม่ มนุษย์มีความหวังจะค้นพบอารยธรรมอื่น ตามดาวเคราะห์ที่มีความคล้ายคลึงกับโลกที่โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงอื่น ซึ่งนับเป็นจุดเริ่มต้นของภารกิจค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

 

จนกระทั่งปี พ.ศ. 2538 องค์ความรู้ด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการสำรวจมีความก้าวหน้ามากขึ้น นักดาราศาสตร์ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงแรกที่โคจรรอบดาวฤกษ์ชื่อ 51 Peg จึงได้รู้ว่ามีดาวเคราะห์หลายแบบที่โคจรรอบดาวฤกษ์ดวงอื่นจำนวนมาก นอกจากดวงอาทิตย์ จนในปัจจุบันนี้ เรารู้ว่าในกาแล็กซีของเรามีดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะอยู่นับหลายพันดวง

 

ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะมีหลายประเภท ได้แก่

ดาวพฤหัสร้อน (Hot Jupiter) ; ดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ที่โคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ดวงแม่มาก

 

รูปที่ 2 ภาพจินตนาการแสดงดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ประเภทดาวพฤหัสร้อน

[ที่มาของภาพ: http://www.astro.ufl.edu/~eford/mystuff/press.html ]

 

ดาวเคราะห์ที่มีวงโคจรประหลาด (Eccentric Planets) ; ดาวเคราะห์ที่มีวงโคจรที่รูปร่างรีมาก (คล้ายกับวงโคจรของดาวหางในระบบสุริยะของเรา)

 

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงวงโคจรของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ชื่อ HD 96167 b ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ HD 96167 ซึ่งเป็นวงโคจรที่รีมาก เมื่อเทียบกับวงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรา ดาวเคราะห์ที่มีวงโคจรรีมาก จะเรียกว่า “ดาวเคราะห์ที่มีวงโคจรประหลาด” [Credit ภาพ: Planet Quest/NASA]

 

ซูเปอร์เอิร์ธ (Super Earth) ; ดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าโลกไม่กี่เท่า

 

รูปที่ 4 ภาพจินตนาการเปรียบโลก (ด้านซ้าย) กับดาวเคราะห์แบบซูเปอร์เอิร์ธ ที่มีลักษณะคล้ายโลก แต่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อย (ด้านขวา) ทั้งนี้ ดาวเคราะห์แบบซูเปอร์เอิร์ธไม่จำเป็นต้องมีน้ำเสมอไป [Credit ภาพ: NASA]

 

ดาวเคราะห์ที่ถูกตรึงด้านกลางวันและกลางคืน (ดาวเคราะห์ที่ถูกล็อกโดยแรงไทดัล, Tidally Locked Planet) ; ดาวเคราะห์ที่หันพื้นผิวด้านเดียวเข้าหาดาวฤกษ์ดวงแม่ตลอดเวลา (คล้ายๆ กับความสัมพันธ์ระหว่างดวงจันทร์กับโลก)

 

รูปที่ 5 แผนภาพแสดงดาวเคราะห์แบบที่ถูกล็อกด้วยแรงไทดัล ซึ่งตัวดาวเคราะห์ถูกล็อกให้พื้นผิวด้านหนึ่งเข้าหาดาวดวงแม่ จึงเป็นด้านกลางวันตลอดเวลา ส่วนอีกด้านเป็นกลางคืนตลอดเวลา

[ที่มาของภาพ: http://nautil.us/blog/forget-earth_likewell-first-find-aliens-on-eyeball-planets ]

 

ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะหลายประเภทนั้นมีความแตกต่างจากดาวเคราะห์ในระบบสุริยะโดยสิ้นเชิง ทำให้นักดาราศาสตร์ไม่สามารถใช้ทฤษฎีการก่อตัวของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะที่มีก่อนหน้านี้ ไปใช้อธิบายการก่อตัวของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะอื่นๆ ได้ ปัจจุบัน นักวิจัยจากหลายหน่วยงานกำลังตรวจหาทฤษฎีการก่อตัวของดาวเคราะห์ หรือกฎทางฟิสิกส์ที่สามารถใช้อธิบายการก่อตัวของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะทุกๆดวงได้

 

รูปที่ 6 ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะพวกดาวพฤหัสร้อน จะก่อตัวห่างจากดาวฤกษ์ดวงแม่ แล้วค่อยๆ ร่นวงโคจรให้เข้าใกล้ดาวดวงแม่มากขึ้น ขณะที่ดาวพฤหัสบดีกับดาวเสาร์ในระบบสุริยะของเรายังอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ แสดงให้เห็นว่าทฤษฎีการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรา ยังใช้กับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงอื่นได้ไม่ดีนัก [Credit ภาพ: NASA / JPL-Caltech]

 

 

2. เราจะค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้อย่างไร?

 

ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะนั้นอยู่ห่างไกลมาก และมีขนาดเล็ก (เมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ดวงแม่) อย่างดวงอาทิตย์มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าโลกประมาณ 100 เท่า และใหญ่กว่าดาวพฤหัสบดีราว 10 เท่า แล้วเราจะตรวจเจอดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้อย่างไร

 

เรามีวิธีค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะอยู่บางวิธี อย่างเช่น

        - วิธีวัดความเร็วในแนวเล็ง (Radial Velocity Method; RV Method)

        - วิธีวัดการเคลื่อนผ่านหน้า (Transit Method)

        - วิธีถ่ายภาพโดยตรง (Direct Imaging)

 

2.1 วิธีวัดความเร็วในแนวเล็ง (RV Method)

 

วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้ตรวจพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงแรก (ดาวเคราะห์ของดาวฤกษ์ 51 Peg) โดยวิธีนี้จะตรวจวัดการเลื่อนสเปกตรัมไปทางสีแดง (Red-Shift) และการเลื่อนสเปกตรัมไปทางสีน้ำเงิน (Blue-Shift) ของดาวฤกษ์ ที่เกิดจากดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่โคจรรอบดาวฤกษ์ จากวิธีนี้ เราจะทราบคาบการโคจรและมวลอย่างน้อยของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

 

รูปที่ 7 เมื่อนำแสงจากดาวฤกษ์ผ่านปริซึมหรือเครื่องสเปกโตรกราฟ จะแยกแสงออกเป็นสเปกตรัม ที่เรารู้จักกันดีคือสีม่วง-แดงตามสีของรุ้ง แต่ยังมีรังสีอื่นๆด้วย เช่น รังสี UV หรือ อินฟราเรด

ในรูปนี้แสดงสเปกตรัมของแสงที่ผ่านแก๊สชนิดต่างๆ ซึ่งแถบเส้นมืดเกิดจากการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ ของแก๊ส จะเห็นได้ว่าแก๊สต่างชนิดกันจะมีการกระจายตัวของแถบเส้นมืดต่างกัน (แถวบน โซเดียม, แถวกลาง ปรอท และแถวล่าง ลิเทียม) สารเคมีแต่ละชนิดจะมีสเปกตรัมแบบเส้นมืดในรูปแบบเฉพาะของตัวเอง คล้ายกับลายนิ้วมือของแต่ละคนที่ไม่เหมือนกัน

 

รูปที่ 8 ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่โคจรรอบดาวดวงแม่ จะทำให้ดาวดวงแม่เกิดการส่ายเล็กน้อย และเคลื่อนที่ในทิศทางเข้าหา-พุ่งออกจากโลกสลับกันไปมา ทำให้สเปกตรัมของดาวฤกษ์ เกิดการเลื่อน โดยมีความยาวคลื่นมากขึ้น (Red-Shift) หรือความยาวคลื่นน้อยลง (Blue-Shift) คล้ายกับเสียงไซเรนรถพยาบาลที่ตอนเข้ามาใกล้เรา เสียงจะแหลมขึ้น (ความยาวคลื่นน้อยลง) แต่เมื่อพุ่งออกจากเรา เสียงจะทุ้มลง (ความยาวคลื่นมากขึ้น)

หากนักดาราศาสตร์ตรวจพบว่ามีดาวฤกษ์ที่เกิดการเลื่อนของสเปกตรัม แต่ตรวจสอบแล้วไม่พบว่าเป็นดาวคู่ (ดาวฤกษ์ตั้งแต่ 2 ดวงขึ้นไปที่โคจรรอบซึ่งกันและกัน) ก็แสดงว่าดาวดวงนี้มีดาวเคราะห์ โคจรอยู่รอบๆ [Credit ภาพ: ESO]

 

2.2 วิธีวัดการเคลื่อนผ่านหน้า (Transit Method)

 

เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้าดาวฤกษ์ดวงแม่ ดาวเคราะห์จะบังแสงส่วนหนึ่งจากดาวฤกษ์ไป คล้ายๆ กับปรากฏการณ์สุริยุปราคาและดาวศุกร์ผ่านหน้าดวงอาทิตย์ ซึ่งการบังแสงที่เกิดขึ้นนี้ จะแสดงออกมาในรูปของกราฟแสง (Light curve) ที่เส้นกราฟจะมีลักษณะคล้ายหุบเหวในช่วงที่ดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้า

 

รูปที่ 9 แผนภาพแสดงกราฟแสง (Light curve) ซึ่งเป็นกราฟแสดงความสว่างของดาวฤกษ์เมื่อ เวลาผ่านไป หากมีดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้า จะบังแสงดาวส่วนหนึ่ง ความสว่างของดาวฤกษ์จะลดลงมา ทำให้กราฟแสงมีรูปร่างคล้าย “หุบเหว” [Credit ภาพ: NASA]

 

ความลึกของท้องกราฟจะขึ้นกับขนาดของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ อย่างเช่น หากดาวพฤหัสผ่านหน้าดวงอาทิตย์ แสงอาทิตย์จะถูกบังไป 1% แต่หากโลกผ่านหน้าดวงอาทิตย์ แสงอาทิตย์จะถูกบังเพียง 0.01%

 

รูปที่ 10 ดาวเคราะห์ดวงใหญ่กว่า จะบังแสงดาวฤกษ์มากกว่า ทำให้ท้องกราฟแสงช่วง “หุบเหว” ลึกกว่าตามไปด้วย ในรูปนี้เป็นการจำลองกราฟแสงกรณีที่โลก ดาวพฤหัสบดี และดาวเนปจูนโคจรผ่านหน้าดวงอาทิตย์ [Credit ภาพ: www.planethunters.org]

 

วิธีวัดการเคลื่อนผ่านหน้านี้ จะบอกข้อมูลของดาวเคราะห์ว่า มีคาบการโคจรครบรอบนานเท่าไหร่ และขนาดรัศมีดาวเคราะห์ใหญ่แค่ไหน และเมื่อศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะด้วยวิธีวัดการเคลื่อนผ่านหน้า ร่วมกับวิธีวัดความเร็วในแนวเล็ง วิธีแรกจะทราบขนาดดาวเคราะห์ ส่วนวิธีหลังจะทราบมวลของดาวเคราะห์ การทำสองวิธีร่วมกันจะได้ค่าความหนาแน่นของดาวเคราะห์

 

ในปัจจุบัน ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะส่วนใหญ่ถูกค้นพบด้วยวิธีวัดการเคลื่อนผ่านหน้า ซึ่งมักค้นพบจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์

 

รูปที่ 11 กล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์และสถิติต่างๆ ตั้งแต่เริ่มปฏิบัติงานจนถึงเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2558 เช่น มีดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่ค้นพบและได้รับการยืนยันแล้ว 1,024 ดวง [Credit ภาพ: NASA]

 

2.3 วิธีถ่ายภาพโดยตรง (Direct Imaging Method)

 

การตรวจหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะทั้ง 2 วิธีก่อนหน้านี้  เป็นการตรวจหาดาวเคราะห์ทางอ้อม แต่วิธีที่ 3 เป็นวิธีที่ถ่ายภาพดาวเคราะห์โดยตรง แต่วิธีถ่ายภาพโดยตรงถือว่าทำได้ยาก เนื่องจากความสว่างของดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์ดวงแม่ที่แตกต่างกันอย่างมาก

 

รูปที่ 12 ภาพถ่ายดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ที่ได้จากการถ่ายภาพโดยตรง นักดาราศาสตร์จะใช้หน้ากากมาบังแสงจากดาวฤกษ์ดวงแม่ เพื่อลดแสงรบกวนจากดาวดวงแม่ที่กลบดาวเคราะห์โดยรอบ ในภาพนี้เป็นดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะชื่อ GJ 504 b ที่โคจรรอบดาวดวงแม่ชื่อ GJ 504 ดาวเคราะห์ดวงนี้อยู่ห่างจากดาวดวงแม่มากกว่าระยะจากดวงอาทิตย์ถึงดาวเนปจูน [Credit ภาพ: โครงการ SEEDS/NAOJ]

 

วิธีวัดความเร็วในแนวเล็ง กับวิธีวัดการเคลื่อนผ่านหน้า จะเหมาะสมต่อการตรวจหาดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ดาวฤกษ์ดวงแม่มาก อย่างพวกดาวพฤหัสร้อน แต่วิธีถ่ายภาพโดยตรงจะเหมาะสมกับการตรวจหาดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างจากดาวฤกษ์ดวงแม่ ในระยะห่างมากกว่า 5 AU (5 เท่าของระยะห่างเฉลี่ย จากโลกถึงดวงอาทิตย์) ขึ้นไป

 

แนะนำโครงการถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะโดยตรง SEEDS โดยสังเขป

 

โครงการ SEEDS ย่อมาจาก “การสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะและจานฝุ่นแก๊สด้วยกล้องโทรทรรศน์สึบารุ” (Strategic Explorations of Exoplanets and Disks with Subaru) มีเป้าหมายโครงการในการถ่ายภาพดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และ “จานฝุ่นแก๊สรวมมวล” (Protoplanetary Disk ซึ่งเป็นสถานที่ที่ดาวเคราะห์ก่อตัวจากฝุ่นแก๊ส) โดยตรง ด้วยกล้องถ่ายภาพในย่านรังสีอินฟราเรดใกล้ชื่อ HiCIAO (High Contrast Near Infrared Camera) ที่ต่อกับกล้องโทรทรรศน์สึบารุ (Subaru Telescope) 

 

 

รูปที่ 13 กล้องโทรทรรศน์สึบารุ ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ของญี่ปุ่น ขนาดหน้ากล้อง 8.2 เมตร อยู่ในหอดูดาวบริเวณยอดเขาเมานาเคีย หมู่เกาะฮาวาย (ภาพซ้าย) และอุปกรณ์ HiCIAO (ภาพขวา)

 

โครงการ SEEDS ได้ตรวจพบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ 3 ดวง และดาวแคระน้ำตาล อีก 3 ดวงในบริเวณกระจุกดาวลูกไก่ (กระจุกดาวเปิดกระจุกหนึ่งในกลุ่มดาววัว)

 

รูปที่ 14 ภาพวาดจินตนาการแสดงจานฝุ่นแก๊สรวมมวล (Protoplanetary Disk) ซึ่งเป็นแหล่งก่อตัวของดาวเคราะห์รอบๆดาวฤกษ์ [Credit ภาพ: NASA/FUSE/Lynette Cook]

 

รูปที่ 15 ภาพถ่ายจากโครงการ SEEDS ที่ค้นพบจานฝุ่นแก๊สรวมมวลรอบดาวฤกษ์ดวงอื่นๆ ซึ่งจานฝุ่นแก๊สเหล่านี้มีขนาดใหญ่มาก เห็นได้จากสเกลระยะทาง 100 AU (ดาวเนปจูนอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 30 AU) ส่วนวงกลมสีดำตรงกลาง มาจากหน้ากากสำหรับบังแสงรบกวนจากดาวฤกษ์ตรงกลาง [Credit ภาพ: NAOJ]

 

------------------------------------------------

 

เรียบเรียงโดย

 

ดร.โนบุฮิโกะ คุซาคาเบะ 

ผู้เชี่ยวชาญพิเศษอาวุโส

ศูนย์ชีวดาราศาสตร์ สถาบันวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติญี่ปุ่น

 

แนะนำวิทยากร

- ศึกษาด้านฟิสิกส์ในศูนย์ชีวดาราศาสตร์ (Astrobiology Center; ABC) ในสถาบันวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติญี่ปุ่น (National Institutes of Natural Sciences; NINS) ประเทศญี่ปุ่น

- เคยทำงานที่สำนักงานโครงการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ในหอดูดาวแห่งชาติ ญี่ปุ่น (NAOJ) เป็นเวลา 9 ปี

- มีกิจกรรมทางการศึกษาหลายอย่าง เกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ดาราศาสตร์ และชีวดาราศาสตร์

 

แปลโดย

 

พิสิฏฐ นิธิยานันท์

เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์

ศูนย์บริการวิชาการและสื่อสารทางดาราศาสตร์

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

 

ใช้เป็นเอกสารในการบรรยายของฝ่ายญี่ปุ่น ในกิจกรรมเสวนาดาราศาสตร์เอเชีย ประจำปี 2560 “ไขความลับ...สิ่งมีชีวิตนอกโลก” เมื่อวันที่ 11 พฤศจิกายน พ.ศ.2559 ณ ศูนย์ประชุมและแสดงสินค้านานาชาติ เฉลิมพระเกียรติ 7 รอบพระชนมพรรษา จังหวัดเชียงใหม่