นักดาราศาสตร์ให้ 'คู่มือภาคสนาม' แก่ดาวเคราะห์นอกระบบที่เรียกว่าดาวพฤหัสบดีร้อน

Hot Jupiters - ดาวเคราะห์ก๊าซขนาดยักษ์ที่วิ่งรอบดาวฤกษ์แม่ของพวกเขาในวงโคจรที่แคบมาก - กลายเป็นเรื่องลึกลับน้อยลงเล็กน้อยเนื่องจากการศึกษาใหม่ที่ผสมผสานการสร้างแบบจำลองทางทฤษฎีกับการสังเกตการณ์โดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล

ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่แต่ละโลกที่จัดเป็น"ดาวพฤหัสบดีร้อน" เนื่องจากความคล้ายคลึงกันอย่างผิวเผินกับยักษ์ก๊าซในระบบสุริยะของเราเอง การศึกษาใหม่นี้จึงเป็นครั้งแรกที่พิจารณาประชากรโลกที่แปลกประหลาดในวงกว้างขึ้น ตีพิมพ์ในดาราศาสตร์ธรรมชาติการศึกษานี้นำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแอริโซนา ให้นักดาราศาสตร์ได้รับ"คู่มือภาคสนาม" ไปจนถึงดาวพฤหัสร้อนและให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์โดยทั่วไป

แม้ว่านักดาราศาสตร์จะคิดว่ามีดาวฤกษ์เพียง 1 ใน 10 ดวงเท่านั้นที่เป็นดาวเคราะห์นอกระบบในชั้นดาวพฤหัสร้อน แต่ดาวเคราะห์ที่แปลกประหลาดเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นดาวเคราะห์นอกระบบส่วนใหญ่ที่ค้นพบจนถึงปัจจุบัน เนื่องจากมีขนาดใหญ่และสว่างกว่าดาวเคราะห์นอกระบบประเภทอื่น เช่น เป็นดาวเคราะห์ที่มีลักษณะเหมือนหินหรือคล้ายโลกมากกว่าหรือเป็นดาวเคราะห์ก๊าซที่เย็นกว่า มีขนาดตั้งแต่ประมาณหนึ่งในสามของขนาดของดาวพฤหัสบดีถึงมวล 10 ดาวพฤหัสบดี ดาวพฤหัสบดีร้อนทั้งหมดโคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของพวกมันในระยะใกล้มาก ซึ่งมักจะใกล้กว่าดาวพุธมาก ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ชั้นในสุดในระบบสุริยะของเรา อยู่ที่ดวงอาทิตย์ A"ปี" ในดาวพฤหัสบดีที่ร้อนโดยทั่วไปจะคงอยู่นานหลายชั่วโมงหรือไม่เกินสองสามวัน สำหรับการเปรียบเทียบ ดาวพุธใช้เวลาเกือบสามเดือนในการเดินทางรอบดวงอาทิตย์ให้เสร็จสิ้น

เนื่องจากวงโคจรใกล้ของพวกมัน คาดว่าดาวพฤหัสบดีร้อนส่วนใหญ่ถ้าไม่ทั้งหมดถูกกักขังอยู่ในอ้อมกอดความเร็วสูงกับดาวฤกษ์แม่ของพวกเขา โดยด้านหนึ่งจะเปิดรับรังสีของดาว' และอีกด้านปกคลุมชั่วนิรันดร์ ในความมืดมิดตลอดกาล พื้นผิวของดาวพฤหัสบดีที่ร้อนแบบทั่วไปอาจร้อนได้เกือบ 5,000 องศาฟาเรนไฮต์ โดย"cooler" ชิ้นงานทดสอบสูงถึง 1,400 องศา ซึ่งร้อนพอที่จะหลอมอะลูมิเนียมได้

การวิจัยซึ่งนำโดย Megan Mansfield ซึ่งเป็น NASA Sagan Fellow ที่ University of Arizona' Steward Observatory ใช้การสังเกตการณ์ที่เกิดจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลซึ่งทำให้ทีมสามารถวัดสเปกตรัมการแผ่รังสีจากดาวพฤหัสร้อนได้โดยตรง แม้ว่าฮับเบิลจะ' ไม่สามารถนึกภาพดาวเคราะห์เหล่านี้ได้โดยตรง

& quot;ระบบเหล่านี้ ดาวเหล่านี้และดาวพฤหัสร้อนของพวกมัน อยู่ไกลเกินกว่าจะแก้ไขดาวแต่ละดวงและดาวเคราะห์ของมันได้" แมนส์ฟิลด์กล่าว"ทั้งหมดที่เราเห็นคือจุด -- แหล่งกำเนิดแสงที่รวมกันของทั้งสอง"

Mansfield และทีมของเธอใช้วิธีการที่เรียกว่า Secondary eclipsing เพื่อดึงข้อมูลจากการสังเกตที่อนุญาตให้พวกเขามองลึกเข้าไปในดาวเคราะห์' บรรยากาศและรับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบทางเคมี เทคนิคนี้เกี่ยวข้องกับการสังเกตการณ์ระบบเดียวกันซ้ำแล้วซ้ำเล่า โดยจับดาวเคราะห์ที่ตำแหน่งต่างๆ ในวงโคจรของมัน รวมทั้งเวลาที่ดาวตกหลังดาว

& quot;โดยทั่วไปแล้วเราจะวัดแสงรวมที่มาจากดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ของมัน และเปรียบเทียบการวัดนั้นกับสิ่งที่เราเห็นเมื่อดาวเคราะห์ถูกซ่อนอยู่หลังดาวฤกษ์ของมัน" แมนส์ฟิลด์กล่าว"สิ่งนี้ทำให้เราสามารถลบการมีส่วนร่วมของดาว' และแยกแสงที่ดาวเคราะห์ปล่อยออกมา แม้ว่าเราจะ' มองไม่เห็นโดยตรงก็ตาม"

ข้อมูลคราสช่วยให้นักวิจัยเข้าใจโครงสร้างเชิงความร้อนของชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสร้อน และอนุญาตให้สร้างโปรไฟล์อุณหภูมิและความดันแต่ละส่วนได้ จากนั้นทีมวิจัยได้วิเคราะห์แสงใกล้อินฟราเรด ซึ่งเป็นแถบความยาวคลื่นที่เกินขอบเขตที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้ ซึ่งมาจากระบบดาวพฤหัสบดีร้อนแต่ละระบบสำหรับคุณลักษณะการดูดกลืนที่เรียกว่า เนื่องจากแต่ละโมเลกุลหรืออะตอมมีโปรไฟล์การดูดกลืนเฉพาะของตัวเอง เช่น ลายนิ้วมือ การดูความยาวคลื่นที่แตกต่างกันช่วยให้นักวิจัยได้รับข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของดาวพฤหัสบดีร้อน ตัวอย่างเช่น ถ้ามีน้ำในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์' มันจะดูดซับแสงที่ 1.4 ไมครอน ซึ่งตกอยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่ฮับเบิลมองเห็นได้ดีมาก

& quot;ในทางหนึ่ง เราใช้โมเลกุลเพื่อสแกนผ่านชั้นบรรยากาศบนดาวพฤหัสบดีร้อนเหล่านี้" แมนส์ฟิลด์กล่าว"เราสามารถใช้สเปกตรัมที่เราสังเกตเพื่อให้ได้ข้อมูลว่าชั้นบรรยากาศประกอบด้วยอะไร และเรายังสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของชั้นบรรยากาศได้อีกด้วย"

ทีมงานก้าวไปอีกขั้นด้วยการหาปริมาณข้อมูลจากการสังเกตและเปรียบเทียบกับแบบจำลองของกระบวนการทางกายภาพที่เชื่อว่ากำลังทำงานอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสร้อน ทั้งสองชุดเข้ากันได้ดีมาก เป็นการยืนยันว่ามีคำทำนายมากมายเกี่ยวกับดาวเคราะห์' ธรรมชาติที่อิงจากงานเชิงทฤษฎีดูเหมือนจะถูกต้องตามที่ Mansfield กล่าวซึ่งกล่าวว่าการค้นพบนี้&เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นเพราะไม่มีอะไรรับประกันได้"

ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าดาวพฤหัสบดีร้อนทั้งหมด ไม่ใช่แค่ 19 ดวงที่รวมอยู่ในการศึกษานี้ มีแนวโน้มที่จะประกอบด้วยกลุ่มโมเลกุลที่คล้ายคลึงกัน เช่น น้ำและคาร์บอนมอนอกไซด์ พร้อมด้วยโมเลกุลอื่นๆ ในปริมาณที่น้อยกว่า ความแตกต่างระหว่างดาวเคราะห์แต่ละดวงส่วนใหญ่ควรจะมีจำนวนสัมพันธ์กันของโมเลกุลเหล่านี้ ผลการวิจัยยังเผยด้วยว่าลักษณะการดูดซึมน้ำที่สังเกตได้แตกต่างกันเล็กน้อยจากดาวพฤหัสร้อนดวงหนึ่งไปยังดาวพฤหัสร้อนดวงถัดไป

& quot;เมื่อนำมารวมกัน ผลลัพธ์ของเราบอกเราว่ามีโอกาสที่ดีที่เราจะได้ภาพใหญ่ที่คิดว่ากำลังเกิดขึ้นในทางเคมีของดาวเคราะห์เหล่านี้" แมนส์ฟิลด์กล่าว"ในเวลาเดียวกัน ดาวเคราะห์แต่ละดวงก็มีองค์ประกอบทางเคมีของมันเอง และนั่นก็มีอิทธิพลต่อสิ่งที่เราเห็นในการสังเกตของเราด้วย"

ผู้เขียนกล่าวว่า ผลลัพธ์นี้สามารถใช้เป็นแนวทางในการคาดการณ์สิ่งที่นักดาราศาสตร์อาจมองเห็นได้เมื่อมองดูดาวพฤหัสร้อนที่ยังไม่เคยศึกษา' มาก่อน การเปิดตัวกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ซึ่งเป็นเรือธงข่าวของ NASA&ซึ่งกำหนดไว้สำหรับวันที่ 18 ธันวาคม ได้ทำให้นักล่าดาวเคราะห์นอกระบบตื่นเต้นเพราะเวบบ์สามารถมองเห็นได้ในขอบเขตของแสงอินฟราเรดที่กว้างกว่ามาก และจะช่วยให้มองเห็นได้มากขึ้น ดูรายละเอียดดาวเคราะห์นอกระบบ รวมทั้งดาวพฤหัสร้อน

& quot;ยังมีอีกมากที่เรายังไม่รู้'ไม่รู้ว่าโดยทั่วไปแล้วดาวเคราะห์ก่อตัวอย่างไร และวิธีหนึ่งที่เราพยายามทำความเข้าใจว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไรโดยการดูบรรยากาศของอากาศร้อนเหล่านี้ ดาวพฤหัสบดีและค้นหาว่าพวกเขามาอยู่ที่ใด" แมนส์ฟิลด์กล่าว"ด้วยข้อมูลของฮับเบิล เราสามารถดูแนวโน้มโดยศึกษาการดูดซึมน้ำ แต่เมื่อเรากำลังพูดถึงองค์ประกอบของบรรยากาศโดยรวม มีโมเลกุลสำคัญอื่นๆ อีกมากมายที่คุณต้องการดู เช่น คาร์บอนมอนอกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ และ JWST จะให้โอกาสเราสังเกตสิ่งเหล่านี้ด้วย"