ถึงเวลาแล้วที่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ จะนำดาราศาสตร์นอกระบบออกสู่ภายนอก นักวิจัยชาวยุโรปได้ทำการปูพื้นฐานหลายอย่างเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับช่วงเวลานี้
โดย MICHAEL ALLEN
นับตั้งแต่วันที่ 25 ธันวาคม พ.ศ. 2564 ได้มีการปล่อยจรวด Ariane 5 จากเฟรนช์เกียนาและใช้เวลาในการสร้าง 30 ปี กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ (JWST) เป็นของขวัญวันคริสต์มาสแก่นักดาราศาสตร์ที่มอบอย่างต่อเนื่อง
เช่นเดียวกับนักดาราศาสตร์หลายคนในยุโรป Pierre-Olivier Lagage นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์จาก French Alternative Energies และ Atomic Energy Commission (CEA) ในกรุงปารีส ได้เตรียมพร้อมสำหรับ JWST มาหลายปีแล้ว
โครงการร่วมกับ NASA, Canadian Space Agency (CSA) และ European Space Agency (ESA) JWST เริ่มฉายแสงภาพแรกของจักรวาลในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2565 หลังจากมาถึงจุดชมวิว 1.5 ล้านกิโลเมตรจากโลกและคลี่คลาย ม่านบังแดดขนาดยักษ์ที่โดดเด่น
JWST ซึ่งเป็นผู้สืบทอดตำแหน่งต่อจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลที่มีคุณค่า JWST มูลค่า 10 พันล้านยูโรมีเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ยิ่งใหญ่ ซึ่งรวมถึงการศึกษาเอกภพยุคแรกหลังบิกแบงไม่นาน กาแล็กซีและการก่อตัวดาวฤกษ์ หลุมดำ ระบบสุริยะของเราเอง และการค้นหาองค์ประกอบสำคัญของชีวิตในจักรวาล
เหมืองทองคำวิทยาศาสตร์
‘ดาวเคราะห์นอกระบบเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์’ Lagage กล่าว
Lagage เป็นผู้ตรวจสอบหลักของ ‘Exoplanet Atmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis’ หรือ โครงการ ExoplANETS A ที่ ได้ รับทุนสนับสนุนจาก H2020 เขาและเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาเครื่องมือข้อมูลเพื่อใช้ประโยชน์จากข้อมูลทางสเปกโตรสโกปีที่มีอยู่จาก ภารกิจก่อนหน้านี้ เพื่อศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบ
จากจุดเริ่มต้นอย่างมั่นคง ดาราศาสตร์นอกระบบดาวเคราะห์ได้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบหลายพันดวงในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา ตอนนี้เครื่องมือวัดสเปกโทรสโกปีของ JWST มอบโอกาสที่ไม่เคยมีมาก่อนในการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบสำหรับลายเซ็นทางเคมีของสิ่งมีชีวิตในชั้นบรรยากาศของพวกมัน
สเปกโทรสโกปีของดาวเคราะห์นอกระบบขนส่งผ่านเป็นหนึ่งในเทคนิคหลักในดาราศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบ เมื่อดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ข้างหน้าดาวฤกษ์ของมันเมื่อเทียบกับผู้สังเกต สเปกตรัมของแสงจากดาวฤกษ์จะเปลี่ยนไปตามชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ เมื่อตรวจพบการเปลี่ยนแปลงของแสง แสดงว่าองค์ประกอบทางเคมีของชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์และมีแนวโน้มว่าจะช่วยชีวิตหรือไม่
เครื่องมือ Exoplanets A ใช้การวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อให้นักดาราศาสตร์สามารถระบุลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบได้หลากหลาย นักดาราศาสตร์ที่ใช้ JWST มักจะพบว่าสิ่งนี้มีประโยชน์เพื่อช่วยในการสังเกตการณ์ของพวกเขาเอง โดยระบุว่าข้อมูลใดน่าจะเป็นประโยชน์ และข้อมูลที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นสัญญาณรบกวน
ข้อเสียประการหนึ่งของการสังเกตการณ์ทางสเปกโตรสโกปีคือในขณะที่ข้อมูลเหล่านี้เป็นเหมืองทองคำ แต่สัญญาณก็ปะปนไปด้วยสัญญาณรบกวนจำนวนมาก ข้อมูลที่ไม่มีประโยชน์ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสามารถบดบังข้อมูลอันมีค่าในการสังเกตการณ์ได้
เสียงรบกวนอย่างเป็นระบบ
เนื่องจากสัญญาณที่เกิดจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นั้นเล็กเมื่อเทียบกับแสงที่เหลือจากดาวฤกษ์ตามรายงานของ Lagage “ดังนั้น คุณต้องพัฒนาเครื่องมือเพื่อขจัดเสียงรบกวนที่เป็นระบบนี้และรับสัญญาณที่ถูกต้อง” เขากล่าว
โครงการ Exoplanets A ดำเนินต่อไป ในการสร้างแบบจำลองบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ คุณต้องมีความเข้าใจที่ดีเกี่ยวกับดาวฤกษ์แม่ของมันด้วย เพื่อช่วยในเรื่องนี้ โปรเจ็กต์ได้สร้างฐานข้อมูลคุณสมบัติของดาวฤกษ์ที่มีดาวเคราะห์นอกระบบ สร้างด้วยข้อมูลที่เก็บถาวรจาก หอสังเกตการณ์อวกาศ XMM-Newton และ Gaiaของ ESA
การสังเกตการณ์ดาวเคราะห์นอกระบบครั้งแรกของ JWST เป็นดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซร้อน WASP-39bซึ่งอธิบายว่าเป็น ‘ดาวพฤหัสบดีร้อน’ มันโคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ห่างออกไป 700 ปีแสง เมื่อเดือนที่แล้ว JWST ได้ทำการ สังเกตการณ์คาร์บอนไดออกไซด์ในดาวเคราะห์นอกระบบด้วย การใช้สเปกโตรสโคปี
ติดกับดัก TRAPPIST-1
โครงการ ESCAPE (สำรวจทางลัดสำหรับการกำหนดลักษณะของบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่คล้ายกับโลก) ยังมองหาทางลัดเพื่อช่วยอธิบายลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบที่มีลักษณะคล้ายโลก
Martin Turbet นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ แห่งศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติฝรั่งเศส (CNRS) และผู้ตรวจสอบหลักใน โครงการ ESCAPE ที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก H2020กล่าวว่าสิ่งนี้จำเป็นต้องมีการสำรวจเทคนิคการสังเกตแบบใหม่ โดยใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและอวกาศที่แตกต่างกัน
ตัวอย่างเช่น นักดาราศาสตร์ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการคำนวณความหนาแน่นของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบ TRAPPIST-1 ซึ่งเป็นดาวแคระแดงที่เย็นจัดเป็นพิเศษซึ่งอยู่ห่างจากระบบสุริยะของเราประมาณ 40 ปีแสง
ค้นพบครั้งแรกในปี 2543 ต่อมาได้มีการประกาศในปี 2560 ว่าดาว TRAPPIST-1 มีดาวเคราะห์นอกระบบขนาดเล็กเจ็ดดวงโคจรรอบในลักษณะที่แน่นหนา อย่างน้อยบางส่วนอาจอาศัยอยู่ได้
ในการคำนวณความหนาแน่นของดาวเคราะห์ คุณต้องรู้รัศมีและมวลของมัน การปรับขนาดดาวเคราะห์สามารถทำได้โดยใช้การสังเกตทางสเปกโตรสโกปี สามารถคำนวณมวลได้จากการสังเกตผลของแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ที่มีต่อดาวฤกษ์แม่
การชั่งน้ำหนักดาวเคราะห์นอกระบบ
‘นี่เป็นวิธีคลาสสิกในการวัดน้ำหนักของดาวเคราะห์’ Turbetกล่าว ‘แต่ในกรณีของดาวเคราะห์ TRAPPIST-1 มวลของดาวเคราะห์มีขนาดเล็กมากจนเทคนิคแบบคลาสสิกใช้ไม่ได้’
อย่างไรก็ตาม ระบบ TRAPPIST-1 นั้นแปลกประหลาดเพราะดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดโคจรใกล้กันมากและออกแรงโน้มถ่วงที่รุนแรงซึ่งกันและกัน เขากล่าว
สิ่งนี้ส่งผลต่อวงโคจรของพวกมันและหมายความว่าพวกมันจะไม่ผ่านหรือผ่านหน้าดาวโฮสต์ของพวกเขา ณ จุดเวลาที่แน่นอน
การวัดความเบี่ยงเบนในการกำหนดเวลาการขนส่งเหล่านี้ทำให้นักวิจัยสามารถประเมินความแรงของแรงโน้มถ่วงระหว่างดาวเคราะห์และประเมินมวลของพวกมันได้ Turbet กล่าว
ด้วยเทคนิคนี้ พวกเขากล่าวว่าขณะนี้พวกเขาสามารถคาดการณ์ ปริมาณน้ำของดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดที่รู้จักในระบบ TRAPPIST-1 ได้อย่างแม่นยำ ที่สุด
การสังเกตและการคำนวณมวล ความหนาแน่น และปริมาณน้ำใช้กล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน เช่น กล้องโทรทรรศน์ SPECULOOS ที่หอดูดาว European Southern Observatory (ESO) ในชิลี กล้องโทรทรรศน์อวกาศ และงานทฤษฎีใหม่
Turbet กล่าวว่า JWST และ กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มาก (ELT) ที่วางแผนไว้สามารถตรวจจับสัญญาณแห่งชีวิตที่เรียกว่าไบโอมาร์คเกอร์ในชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ
อย่างไรก็ตาม เขาเตือนว่า ‘ไม่สามารถใช้เป็นข้อพิสูจน์ที่ชัดเจนว่ามีชีวิตบนโลกใบนี้’ เนื่องจากงานล่าสุดแสดงให้เห็นว่า biomarkers เช่นออกซิเจนสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องมีชีวิต
แสงดาวสะท้อน
Turbet และเพื่อนร่วมงานของเขายังได้ศึกษาเทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบใหม่ที่เรียกว่าสเปกโทรสโกปีสะท้อนแสง แทนที่จะวิเคราะห์ว่าแสงของดาวเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้าไป วิธีนี้พิจารณาว่าแสงจากดาวสะท้อนจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์อย่างไร
แบบจำลองปริมาณน้ำและชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์จะช่วยสังเกตการณ์จาก JWST ด้วย Turbet กล่าว พวกเขาจะช่วยให้นักดาราศาสตร์สามารถวางแผนการสังเกตของพวกเขาเพื่อเพิ่มการรวบรวมข้อมูลที่น่าสนใจอย่างแท้จริง
ดังที่กล่าวไว้ การวิจัยดาวเคราะห์นอกระบบไม่ใช่แค่การมองหาชีวิตมนุษย์ต่างดาวเท่านั้น ดาวเคราะห์นอกระบบยังสามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับประวัติศาสตร์ของโลกและการพัฒนาของชั้นบรรยากาศได้อีกด้วย ตามรายงานของลาเกจ
‘สิ่งที่ฉันสนใจมากที่สุดคือชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบขนาดซุปเปอร์เอิร์ธและโลก’ เขากล่าว
งานวิจัยในบทความนี้ได้รับทุนสนับสนุนจาก Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) ของสหภาพยุโรป และ ตีพิมพ์ครั้งแรกในHorizonนิตยสาร EU Research and Innovation
ข้อมูลเพิ่มเติม
ตามลิงค์ด้านล่างสำหรับข้อมูลเพิ่มเติม
