ดาวเคราะห์ K2-18b ซึ่งอยู่ห่างออกไปประมาณ 110 ปีแสง อาจมีเมฆหมุนวนและมีหยดน้ำเป็นของเหลว
วิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบได้เปิดโลกใหม่ให้ศึกษาอย่างแท้จริง โดยมีดาวเคราะห์ที่มีกาแล็กซีอยู่เต็มระบบซึ่งแตกต่างจากระบบสุริยะขนาดเล็กของเรา ดาวพฤหัสร้อนโคจรรอบดาวฤกษ์ในเวลาเพียงไม่กี่วัน แผดเผาเป็นพันองศา Super Earths—ดาวเคราะห์หินที่มีมวลมากกว่าเรา—เสนอเป้าหมายที่น่าสนใจให้ศึกษาหาสัญญาณแห่งชีวิต
ดาวเคราะห์ดวงหนึ่งที่เรียกว่า K2-18b อยู่ห่างจากโลกประมาณ 110 ปีแสง มันใหญ่กว่าโลกของเรา ประมาณ 8.6 เท่าของมวล และใหญ่กว่าประมาณ 2.7 เท่าของรัศมี ดาวเคราะห์ประเภทนี้มักเรียกกันว่าดาวเนปจูนขนาดเล็ก ซึ่งเชื่อกันว่ามีแกนหินหรือน้ำแข็งที่ล้อมรอบด้วยชั้นบรรยากาศที่กว้างใหญ่ และในช่วงไม่กี่ปีมานี้ นักวิทยาศาสตร์พบว่าดาวเคราะห์เหล่านี้มีอยู่ทั่วไปทั่วทั้งดาราจักร
K2-18b ถูกห่อหุ้มด้วยบรรยากาศขนาดใหญ่ของไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ และการวิจัยใหม่โดยใช้การสังเกตการณ์จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล เผยให้เห็นว่าบรรยากาศของ K2-18b ยังมีโมเลกุลของน้ำในรูปของไอระเหยและอาจเป็นเมฆที่มีหยดของเหลวของ H 2 O. การค้นพบนี้เป็นการตรวจพบน้ำครั้งแรกบนดาวเคราะห์นอกระบบในเขตเอื้ออาศัยได้ ซึ่งโมเลกุลของน้ำอาจเป็นของเหลว ทำให้เป็นขั้นตอนที่น่าตื่นเต้นในการค้นหาดาวเคราะห์ที่สามารถค้ำจุนชีวิตได้ดังที่เราทราบ
Laura Schaefer ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านธรณีวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าวว่า “ดาวเคราะห์ดวงนี้มีขนาดเล็กกว่าดาวเคราะห์ดวงอื่นที่ตรวจพบน้ำ และยังหนาวเย็นกว่าอีกด้วย” ลอร่า เชฟเฟอร์ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านธรณีวิทยาแห่งสแตนฟอร์ด กล่าว
นักดาราศาสตร์ไม่ทราบแน่ชัดว่า K2-18b มีหน้าตาเป็นอย่างไร แต่แบบจำลองความดันและอุณหภูมิของดาวเคราะห์แนะนำว่าเมฆอาจเกิดขึ้นบนท้องฟ้า อาจมีฝนเป็นของเหลว Björn Benneke ศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยมอนทรีออลและผู้เขียนนำของการ ศึกษา ใหม่ที่ อธิบาย K2-18b ที่ส่งไปยังดาราศาสตร์กล่าวว่า [ดาวเคราะห์] อาจเป็นดาวเคราะห์สีขาวที่ดูเหมือนเมฆน้ำวารสารและโพสต์ใน arXiv ฐานข้อมูลออนไลน์ของเอกสารการวิจัยฉบับร่างที่ยังไม่ได้เผยแพร่ในวารสารที่ผ่านการตรวจสอบโดยเพื่อน การศึกษาที่ตีพิมพ์ในวันนี้ในNature Astronomyโดยกลุ่มนักวิจัยจาก University College London ยังใช้ข้อมูลฮับเบิลเพื่อระบุไอน้ำบน K2-18b
K2-18b โคจรรอบดาวแคระแดง ซึ่งเป็นดาวฤกษ์ที่ค่อนข้างเล็กและเย็น แต่ K2-18b นั้นอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ของมันมากกว่าที่โลกจะเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มาก โดยโคจรรอบโลกในเวลาเพียง 33 วัน ดังนั้นดาวเคราะห์ทั้งสองจึงได้รับพลังงานในปริมาณเท่ากัน
“K2-18b นั้นแตกต่างจากสิ่งที่เรารู้มาก” Sara Seagerศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่ MIT ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าวในอีเมล “ไม่มีระบบสุริยะคู่ขนาน”
ดาวเคราะห์ที่เป็นน้ำไม่ได้มีลักษณะเหมือนโลกเป็นพิเศษ และเป็นที่สงสัยว่า K2-18b มีพื้นผิวที่เป็นหินเหมือนดาวเคราะห์ของเรา Seager และ Shaefer กล่าว การวัดความหนาแน่นของ K2-18b บ่งชี้ว่าบรรยากาศส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน ล้อมรอบแกนที่เป็นหินและเป็นน้ำแข็ง อย่างไรก็ตาม ภายในไฮโดรเจนนี้เป็นเครื่องหมายที่ชัดเจนของ H 2 O
ในปี 2016 และ 2017 Benneke นำทีมที่ใช้ฮับเบิลในการวัดแสงจากดาวฤกษ์ของ K2-18b ที่ผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Wide Field Camera 3 สังเกตแสงที่ความยาวคลื่นประมาณ 1.4 ไมโครเมตร เพื่อค้นหาลายเซ็นทางเคมีของน้ำ ซึ่งปรากฏเป็นเส้นสีดำที่หายไปในสเปกตรัมของแสง การสังเกตการณ์เพิ่มเติมจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์และกล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์ ซึ่งเคยใช้ในการค้นพบ K2-18b ในปี 2558 ช่วยเติมเต็มสเปกตรัมให้มากขึ้นเพื่อให้เห็นถึงการมีอยู่ของน้ำ
“ทุกโมเลกุลมีลายเซ็นที่เป็นเอกลักษณ์” Benneke กล่าวโดยอ้างถึงเส้นที่โมเลกุลต่างๆสร้างขึ้นในสเปกตรัมของแสง “น้ำมีแถบดูดซับที่แรงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในความยาวคลื่นที่พวกมันกำลังดูอยู่” เชฟเฟอร์กล่าวเสริม
ในชั้นบรรยากาศของโลก ความชอบของไอน้ำในการดูดซับแสงจำกัดประสิทธิภาพของกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน แต่คุณภาพการดูดกลืนที่เท่ากันนั้นทำให้แยกน้ำออกจากชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงอื่นได้ง่าย เมื่อเทียบกับโมเลกุลอื่นๆ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์
จากแบบจำลองของ K2-18b กลุ่มวิจัยของ Benneke คิดว่าดาวเคราะห์น่าจะมีชั้นเมฆลอยอยู่บางแห่งในชั้นบรรยากาศระหว่างความกดอากาศ 1 บาร์ – เกี่ยวกับความดันที่ระดับน้ำทะเลบนโลก – และ .01 บาร์ ซึ่งสอดคล้องกับความดันคร่าวๆ ในชั้นบรรยากาศของโลกเหนือพื้นผิวโลก 100,000ฟุต จากดาดฟ้าเมฆนี้ ละอองฝนสามารถก่อตัวและตกลงสู่โลกได้
“อุณหภูมิของชั้นบรรยากาศจะเพิ่มขึ้นเมื่อคุณเข้าไปลึก” Benneke กล่าว “ดังนั้น เมื่อหยดน้ำเหล่านี้ควบแน่น … พวกมันจะหลุดออกและตกลงสู่ชั้นที่ลึกและลึกกว่า และชั้นเหล่านี้จะอุ่นขึ้น ระหว่างทางน้ำก็จะระเหยอีกครั้ง”
วัฏจักรของฝนและการระเหยนี้ไม่ได้แตกต่างไปจากกระบวนการบนโลกทั้งหมด หยาดฝนอาจตกลงมาเหนือทะเลทรายที่ร้อนระอุและระเหยกลับเป็นไอน้ำก่อนที่จะตกลงสู่พื้น เป็นต้น “ในบางแง่มุม มันก็เหมือนกับบนโลก ยกเว้นว่า [K2-12b] ไม่มีพื้นผิว” Benneke กล่าว
วัฏจักรอุทกวิทยาของฝนและการระเหยของ K2-18b เป็นแนวคิดที่ “มั่นคงแต่ยังคงคาดเดาได้” Seager กล่าว เมฆก่อตัวขึ้นในบรรยากาศที่มีน้ำที่เป็นของเหลวหรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับแบบจำลองของดาวเคราะห์
“แบบจำลองมีความสำคัญมากสำหรับการวางแผน แต่แน่นอนว่าในการสังเกตทั้งหมด เราต้องเต็มใจยอมรับสิ่งใหม่ๆ ที่คาดไม่ถึงจริงๆ” เชฟเฟอร์กล่าว
Wide Field Camera 3 ของฮับเบิลเกิดขึ้นเพื่อครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นซึ่งรวมถึงเส้นดูดกลืนของน้ำ ทำให้เราสามารถมองเห็นโมเลกุลได้ แต่สำหรับดาวเคราะห์หินที่มีขนาดเล็กกว่า นักดาราศาสตร์จะต้องใช้กล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังกว่านี้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ซึ่งมีกำหนดจะเปิดตัวในปี พ.ศ. 2564 ไม่เพียงแต่จะสามารถยืนยันการมีอยู่ของน้ำบน K2-18b เท่านั้น แต่ยังวัดโมเลกุลอื่นๆ และกำหนดลักษณะบรรยากาศของดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่คล้ายกับโลกมากขึ้นด้วย
การสังเกตประเภทนี้ ซึ่งก็คือการวัดแสงที่ผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์เพื่อเลือกลายเซ็นทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง ยังคงอยู่ในระดับแนวหน้าของความสามารถของกล้องโทรทรรศน์
“มันก้าวข้ามขีดจำกัดของสิ่งที่เคยทำมาก่อนอย่างแน่นอน” เชฟเฟอร์กล่าว
จนถึงตอนนี้ เทคนิคนี้ถูกใช้เพื่อศึกษาดาวเคราะห์ก๊าซขนาดใหญ่มากซึ่งอยู่ใกล้ๆ กันเป็นหลัก แต่การตรวจจับน้ำบน K2-18b พิสูจน์ให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะเรียนรู้ว่าชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงเล็กทำมาจากอะไร ทำให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้การค้นพบโลกแบบเดียวกับเราอีกก้าวหนึ่ง
Editor’s Note, 11 กันยายน 2019, 13:30 น. EDT: เรื่องราวนี้ได้รับการอัปเดตเพื่อรวมการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับ K2-18b ที่ตีพิมพ์ใน Nature Astronomy
