สิ่งที่นักดาราศาสตร์สามารถเรียนรู้ได้จากดาวพฤหัสร้อน ดาวเคราะห์ยักษ์ที่แผดเผาของกาแล็กซี

ดาวเคราะห์หลายดวงที่มีขนาดใกล้เคียงกับดาวพฤหัสโคจรใกล้ดาวฤกษ์ เผาไหม้เป็นพันองศา

ในปี 1995 หลังจากหลายปีของความพยายาม นักดาราศาสตร์ได้ประกาศ: พวกเขาพบดาวเคราะห์ดวงแรกที่โคจรรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์นอกระบบสุริยะของเรา แต่ดาวเคราะห์ดวงนั้น 51 Pegasi b อยู่ในสถานที่ที่คาดไม่ถึง ดูเหมือนว่าจะอยู่ห่างจากดาวฤกษ์บ้านเกิดของมันเพียง 4.8 ล้านไมล์ และสามารถโคจรรอบดาวฤกษ์ได้ในเวลาเพียงสี่วันของโลก โดยการเปรียบเทียบดาวพุธส่วนในสุดของเราอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ 28.6 ล้านไมล์เมื่อเข้าใกล้ที่สุดและโคจรรอบทุก 88 วัน

ยิ่งไปกว่านั้น 51 Pegasi b นั้นใหญ่ — ครึ่งหนึ่งของมวลดาวพฤหัสบดี ซึ่งเหมือนกับดาวเสาร์ก๊าซยักษ์ที่โคจรไกลในระบบสุริยะของเรา สำหรับความพยายามในการค้นพบดาวเคราะห์ Michel Mayor และ Didier Queloz ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2019 ร่วมกับ James Peebles นักจักรวาลวิทยา คณะกรรมการโนเบลกล่าวถึง “การมีส่วนร่วมของเราในการทำความเข้าใจวิวัฒนาการของจักรวาลและตำแหน่งของโลกในจักรวาล”

วลี “ดาวพฤหัสบดีร้อน” ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายดาวเคราะห์เช่น 51 Pegasi b เนื่องจากมีการค้นพบมากขึ้นเรื่อย ๆ ในปี 1990 ตอนนี้ กว่าสองทศวรรษต่อมา เราทราบดาวเคราะห์นอกระบบทั้งหมด 4,000 ดวง และอีกมากที่จะมาจากกล้องโทรทรรศน์ค้นหาดาวเคราะห์ในอวกาศและบนพื้นดิน: เคปเลอร์ที่หมดอายุแล้วในขณะนี้ และปัจจุบันเช่น TESS, Gaia, WASP, KELT และอีกมากมาย มีเพียงไม่กี่มากกว่า 400 เท่านั้นที่ตรงตามคำจำกัดความคร่าวๆ ของดาวพฤหัสร้อน ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่มีวงโคจร 10 วันหรือน้อยกว่า และมีมวลประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์หรือมากกว่าของดาวพฤหัสบดีของเรา แม้ว่าโลกที่หนาแน่นและแข็งแกร่งเหล่านี้จะมีสัดส่วนประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ของดาวเคราะห์นอกระบบที่ตรวจพบจนถึงขณะนี้ คิดว่าพวกมันคิดเป็นเพียง 1 เปอร์เซ็นต์ของดาวเคราะห์ทั้งหมด

ถึงกระนั้น ดาวพฤหัสบดีที่ร้อนแรงก็ยังบอกเราได้มากมายเกี่ยวกับการก่อตัวของระบบดาวเคราะห์ และสภาวะแบบใดที่ก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่รุนแรง ในรายงานประจำปี 2018 ในการทบทวนดาราศาสตร์และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ประจำปี นักดาราศาสตร์ Rebekah Dawson จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนีย และ John Asher Johnson แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ได้ดูดาวพฤหัสที่ร้อนและก่อตัวขึ้นอย่างไร และนั่นหมายถึงอะไรสำหรับดาวพฤหัสบดีที่เหลือ ดาวเคราะห์ในกาแลคซี Knowable Magazineพูดคุยกับ Dawson เกี่ยวกับอดีต ปัจจุบัน และอนาคตของการล่าดาวเคราะห์ และสาเหตุที่ดาวพฤหัสร้อนลึกลับเหล่านี้ยังคงมีความสำคัญ การสนทนานี้ได้รับการแก้ไขเพื่อความยาวและความชัดเจน

ดาวพฤหัสบดีร้อนคืออะไร?

ดาวพฤหัสบดีร้อนเป็นดาวเคราะห์ที่มีมวลและขนาดของดาวพฤหัสบดี แต่แทนที่จะอยู่ห่างไกลจากดวงอาทิตย์เหมือนดาวพฤหัสบดีของเรา มันกลับเข้าใกล้ดาวฤกษ์ของมันมาก คำจำกัดความที่แน่นอนแตกต่างกันไป แต่สำหรับวัตถุประสงค์ของ บทความ ทบทวนประจำปีเราบอกว่ามันเป็นดาวพฤหัสบดีภายใน 0.1 หน่วยดาราศาสตร์ของดาวของมัน หน่วยดาราศาสตร์คือระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ดังนั้นมันจึงใกล้ดาวฤกษ์ประมาณ 10 เท่า หรือน้อยกว่าที่โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์

การอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ของพวกมันทำอะไรกับดาวเคราะห์เหล่านี้?

นั่นเป็นคำถามที่น่าสนใจและเป็นประเด็นถกเถียง ดาวพฤหัสบดีร้อนจำนวนมากเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าดาวพฤหัสบดีของเรามาก ซึ่งมักเกิดจากการแผ่รังสีจากความร้อนของดาวฤกษ์และการขยายชั้นก๊าซของพวกมัน

ก็มีผลกับสิ่งที่เราเห็นในชั้นบรรยากาศได้เช่นกัน ดาวเคราะห์เหล่านี้ถูกล็อคด้วยกระแสน้ำ เพื่อให้ด้านเดียวกันหันเข้าหาดาวฤกษ์เสมอ และขึ้นอยู่กับว่าความร้อนจะกระจายไปมากเพียงใด กลางวันอาจร้อนกว่าด้านกลางคืนมาก

ดาวพฤหัสบดีร้อนบางดวงมีหลักฐานว่าก๊าซไฮโดรเจนหลุดออกจากชั้นบรรยากาศ และดาวพฤหัสบดีที่ร้อนจัดโดยเฉพาะบางดวงแสดงการผกผันทางความร้อนในชั้นบรรยากาศ ซึ่งอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นตามระดับความสูง ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ โมเลกุลอย่างเช่น ไอน้ำ ไททาเนียมออกไซด์ และโลหะอย่างโซเดียมและโพแทสเซียมในเฟสของแก๊สสามารถปรากฏอยู่ในบรรยากาศได้

อะไรจะอธิบายได้ว่าดาวเคราะห์ดวงหนึ่งเข้าใกล้ดาวฤกษ์ของมันมากขนาดไหน

มีโมเดลสามประเภทที่ผู้คนคิดขึ้น หนึ่งคือบางทีดาวเคราะห์เหล่านี้อาจก่อตัวใกล้กับดาวของพวกมันตั้งแต่แรก เดิมทีผู้คนต่างละเลยสิ่งนี้ แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักดาราศาสตร์ได้ให้ความสำคัญกับทฤษฎีนี้มากขึ้นเล็กน้อย เนื่องจากมีการศึกษาและการจำลองเพิ่มเติมได้แสดงให้เห็นสภาวะที่อาจเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ขึ้นได้

คำอธิบายอีกประการหนึ่งคือ ในระหว่างขั้นตอนที่ระบบดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นจากจานก๊าซและฝุ่น ดาวพฤหัสบดีถูกดึงเข้าไปใกล้ดาวฤกษ์ของมันมากขึ้น

คำอธิบายสุดท้ายคือดาวพฤหัสบดีอาจเริ่มห่างจากดาวฤกษ์และเข้าสู่วงโคจรเป็นวงรีมาก อาจเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงกับวัตถุอื่นๆ ในระบบ ดังนั้นมันจึงผ่านเข้าไปใกล้ดาวฤกษ์แม่มาก มันเข้ามาใกล้มากจนดาวสามารถทำให้เกิดกระแสน้ำแรงบนดาวพฤหัสบดีได้ เหมือนกับที่ดวงจันทร์ทำให้เกิดกระแสน้ำขึ้นบนโลก ที่สามารถหดตัวและโคจรรอบวงโคจรของมันจนเข้าใกล้ดาวฤกษ์ในตำแหน่งที่เราสังเกตได้

มีสิ่งที่เราเห็นในระบบดาวเคราะห์ที่มีดาวพฤหัสบดีร้อนที่ระบบอื่นไม่มีหรือไม่?

มีแนวโน้มบางอย่าง ประการหนึ่งคือดาวพฤหัสที่ร้อนส่วนใหญ่ไม่มีดาวเคราะห์ดวงเล็กๆ ใกล้เคียง ตรงกันข้ามกับระบบดาวเคราะห์ประเภทอื่นที่เราเห็น หากเราเห็นดาวเคราะห์ดวงน้อยร้อน หรือเห็นก๊าซยักษ์ที่อยู่ไกลจากดาวฤกษ์ของมันเล็กน้อย ก็มักจะมีดาวเคราะห์ดวงอื่นอยู่ใกล้ ๆ จูปิเตอร์ที่ร้อนจัดจึงมีความพิเศษในการอยู่อย่างโดดเดี่ยว

แนวโน้มความเหงานั้นสัมพันธ์กับการที่ดาวพฤหัสบดีร้อนก่อตัวขึ้นใกล้กับดาวของพวกมันมาก ในสถานการณ์ที่ดาวเคราะห์เข้าสู่วงโคจรวงรีที่หดตัวและโคจรรอบโลก ดาวเคราะห์ดวงเล็กๆ ที่ขวางทางนั้นอาจจะกวาดล้างไป ที่กล่าวว่ามีบางระบบที่ดาวพฤหัสบดีร้อนมีดาวเคราะห์ดวงเล็กอยู่ใกล้ ๆ นั่นไม่ใช่คำอธิบายที่ดี

ระบบดาวเคราะห์ที่มีดาวพฤหัสร้อนมักมีดาวเคราะห์ยักษ์ดวงอื่นในระบบที่อยู่ไกลออกไป ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ห่างจากโลก บางทีถ้าดาวพฤหัสร้อนมีต้นกำเนิดมาจากวงโคจรที่มีความผิดปกติสูง หรืออาจมีดาวเคราะห์ที่มีความรับผิดชอบซึ่งถูกขับออกจากระบบในกระบวนการนี้ ดังนั้นเราจึงไม่จำเป็นต้องยังเห็นพวกมันอยู่ในระบบ

แนวโน้มสำคัญอีกประการหนึ่งคือดาวพฤหัสบดีที่ร้อนมักจะอยู่รอบดาวฤกษ์ที่มีธาตุโลหะมากกว่า นักดาราศาสตร์กล่าวถึงโลหะว่าเป็นธาตุใดๆ ที่หนักกว่าไฮโดรเจนหรือฮีเลียม มีธาตุเหล็กและองค์ประกอบอื่นๆ ในดาวมากกว่า และเราคิดว่าสิ่งนี้อาจส่งผลต่อดิสก์ของก๊าซและฝุ่นที่ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้น มีของแข็งมากขึ้น และสามารถอำนวยความสะดวกในการก่อตัวดาวเคราะห์ยักษ์โดยการจัดหาวัสดุสำหรับแกนกลางของพวกมัน ซึ่งจะสะสมก๊าซและกลายเป็นก๊าซยักษ์

การมีโลหะจำนวนมากในระบบสามารถทำให้เกิดดาวเคราะห์ยักษ์หลายดวงได้ นั่นอาจทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์แบบแรงโน้มถ่วงที่จะทำให้ดาวพฤหัสบดีร้อนเข้าสู่วงโคจรที่มีความเยื้องศูนย์สูง

ดาวพฤหัสบดีร้อนเช่น 51 Pegasi b เป็นดาวเคราะห์ประเภทแรกที่ค้นพบรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ อะไรนำไปสู่การค้นพบของพวกเขา?

มันเกิดขึ้นหลังจากนักดาราศาสตร์เริ่มใช้เทคนิคที่เรียกว่าวิธีความเร็วเรเดียลเพื่อค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ พวกเขาคาดว่าจะพบความคล้ายคลึงของดาวพฤหัสบดีของเราเพราะดาวเคราะห์ยักษ์เช่นนี้จะทำให้เกิดสัญญาณที่ใหญ่ที่สุด เป็นเรื่องน่าประหลาดใจอย่างยิ่งที่ได้พบดาวพฤหัสบดีร้อน ซึ่งให้สัญญาณที่ใหญ่กว่านั้น ในช่วงเวลาที่สั้นลง เป็นการค้นพบที่น่าแปลกใจแต่เป็นความบังเอิญ

คุณสามารถอธิบายวิธีความเร็วในแนวรัศมีได้หรือไม่?

ตรวจจับการเคลื่อนที่ของดาวฤกษ์แม่เนื่องจากดาวเคราะห์ เรามักนึกถึงดวงดาวนั่งนิ่งและมีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งโคจรรอบมัน แต่แท้จริงแล้วดาวฤกษ์โคจรรอบจุดศูนย์กลางมวลระหว่างวัตถุทั้งสองเพียงเล็กน้อย และนั่นคือสิ่งที่วิธีความเร็วในแนวรัศมีตรวจพบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มันตรวจจับการเลื่อนดอปเปลอร์ของแสงของดาวขณะที่มันโคจรในวงโคจรและเคลื่อนเข้าหาหรือออกจากเรา

อีกวิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในการค้นหาดาวเคราะห์คือวิธีการส่งผ่าน ซึ่งมองหาการหรี่แสงของดาวฤกษ์อันเนื่องมาจากดาวเคราะห์ที่เคลื่อนผ่านไปข้างหน้า วิธีนี้ง่ายกว่าที่จะหาดาวพฤหัสบดีที่ร้อนจัดได้ง่ายกว่าดาวเคราะห์ดวงเล็กๆ ด้วยวิธีนี้ เพราะพวกมันกันแสงของดาวฤกษ์ได้มากกว่า และหากพวกมันอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ พวกมันจะเดินทางบ่อยขึ้นในช่วงเวลาที่กำหนด เราจึงมีแนวโน้มที่จะตรวจพบพวกมันมากขึ้น

ในปี 1990 นักดาราศาสตร์นอกระบบดาวเคราะห์หลายดวงที่ค้นพบคือดาวพฤหัสร้อน ตั้งแต่นั้นมา เราพบดาวเคราะห์ประเภทต่างๆ มากขึ้นเรื่อยๆ ดาวพฤหัสร้อนนั้นค่อนข้างหายากเมื่อเทียบกับโลกขนาดเท่าเนปจูนและซุปเปอร์เอิร์ธ เหตุใดการค้นหาและศึกษาจึงยังคงสำคัญ

แรงจูงใจสำคัญประการหนึ่งคือความจริงที่ว่าพวกมันอยู่ข้างนอกและไม่ได้ทำนายจากทฤษฎีของเราว่าระบบดาวเคราะห์ก่อตัวและวิวัฒนาการอย่างไร ดังนั้นจึงต้องมีส่วนสำคัญบางส่วนที่ขาดหายไปในทฤษฎีเหล่านั้น

ส่วนผสมที่ขาดหายไปเหล่านั้นอาจส่งผลกระทบต่อระบบดาวเคราะห์หลายแห่ง แม้ว่าผลลัพธ์จะไม่ใช่ดาวพฤหัสร้อนก็ตาม เราคิดว่าดาวพฤหัสร้อนน่าจะเป็นผลลัพธ์ที่รุนแรง หากเราไม่มีทฤษฎีที่สามารถสร้างดาวพฤหัสร้อนได้เลย เราอาจพลาดกระบวนการสำคัญเหล่านั้นไป

สิ่งที่เป็นประโยชน์เกี่ยวกับดาวพฤหัสร้อนคือพวกมันสามารถตรวจจับและจำแนกลักษณะได้ง่ายกว่ามากโดยใช้การผ่านหน้าและความเร็วในแนวรัศมี และเราสามารถดูที่การเคลื่อนตัวที่ความยาวคลื่นต่างๆ เพื่อพยายามศึกษาบรรยากาศ เป็นหน้าต่างที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในการจำแนกลักษณะของดาวเคราะห์

ดาวพฤหัสบดีร้อนยังคงเป็นดาวเคราะห์ที่เราสามารถตรวจสอบได้อย่างละเอียดที่สุด ดังนั้นแม้ว่าผู้คนจะไม่จำเป็นต้องตื่นเต้นกับการค้นพบดาวพฤหัสบดีที่ร้อนใหม่อีกต่อไป การเพิ่มตัวอย่างช่วยให้เราสามารถรวบรวมรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวงโคจร องค์ประกอบ ขนาด หรือลักษณะของระบบดาวเคราะห์ที่เหลือเพื่อลองทดสอบ ทฤษฎีต้นกำเนิดของพวกเขา ในทางกลับกัน พวกเขากำลังสอนเราเกี่ยวกับกระบวนการที่ส่งผลต่อระบบดาวเคราะห์ทุกประเภท

เราจะตอบคำถามอะไรได้บ้างเกี่ยวกับดาวพฤหัสร้อนในขณะที่หอดูดาวรุ่นต่อไปปรากฏขึ้น เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ และกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่ใหญ่กว่า

เจมส์ เวบบ์ หวังว่าจะสามารถอธิบายคุณสมบัติชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสร้อนจำนวนมากได้ และอาจช่วยเราทดสอบว่าพวกมันก่อตัวขึ้นที่ไหนและสภาพการก่อตัวของพวกมันเป็นอย่างไร และความเข้าใจของฉันคือเจมส์ เวบบ์สามารถศึกษาดาวพฤหัสร้อนเร็วมาก ดังนั้นจึงได้ตัวอย่างจำนวนมาก และช่วยทดสอบคำถามเหล่านี้ในทางสถิติ

ภารกิจ Gaia จะเป็นประโยชน์อย่างมากในการจำแนกลักษณะส่วนนอกของระบบดาวเคราะห์ของพวกมัน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถช่วยเราวัดว่าดาวเคราะห์ขนาดใหญ่และดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลอยู่ในระนาบเดียวกันกับดาวพฤหัสร้อนที่กำลังเคลื่อนผ่านหรือไม่ ทฤษฎีต่าง ๆ ทำนายต่างกันว่าควรจะเป็นเช่นนั้นหรือไม่ ไกอามีความพิเศษมากในการให้ข้อมูลสามมิติแก่เรา โดยปกติเราจะมีเพียงมุมมองสองมิติของระบบดาวเคราะห์

TESS [กล้องโทรทรรศน์อวกาศสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบเคลื่อนที่ผ่าน] กำลังเกิดขึ้นในขณะนี้ — และการค้นพบของมันอยู่รอบดาวฤกษ์ที่สว่างจริงๆ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะศึกษาระบบทั้งหมดที่มีดาวพฤหัสบดีร้อนโดยใช้วิธีความเร็วในแนวรัศมีเพื่ออธิบายลักษณะสถาปัตยกรรมโดยรวมได้ดีขึ้น ของระบบดาวเคราะห์ การรู้ว่าอะไรอยู่ไกลออกไปจะช่วยเราทดสอบแนวคิดบางอย่างเกี่ยวกับต้นกำเนิดดาวพฤหัสบดีที่ร้อนแรง

TESS และการสำรวจอื่นๆ ยังมีดาวอายุน้อยในกลุ่มตัวอย่างอีกด้วย เราสามารถเห็นอัตราการเกิดขึ้นและคุณสมบัติของดาวพฤหัสบดีที่ร้อนได้ใกล้เคียงกับตอนที่มันก่อตัวขึ้น นั่นก็จะช่วยให้เราแยกแยะระหว่างสถานการณ์การก่อตัวต่างๆ ได้เช่นกัน

พวกมันเป็นโลกมนุษย์ต่างดาวสำหรับเรา แต่ดาวพฤหัสร้อนจะบอกอะไรเราได้บ้างเกี่ยวกับต้นกำเนิดของระบบสุริยะของเราเอง? ทุกวันนี้ ภารกิจมากมายมุ่งความสนใจไปที่ดาวเคราะห์ขนาดเท่าโลก

สิ่งที่เรายังคงมองไม่เห็นคือ: ระบบสุริยะของเราพอดีกับภาพที่ใหญ่ขึ้นว่าระบบดาวเคราะห์ก่อตัวและวิวัฒนาการอย่างไร และอะไรทำให้เกิดความหลากหลายของระบบดาวเคราะห์ที่เราเห็น เราต้องการสร้างพิมพ์เขียวที่สมบูรณ์ซึ่งสามารถอธิบายทุกอย่างได้ตั้งแต่ระบบสุริยะของเรา ไปจนถึงระบบที่มีดาวพฤหัสบดีร้อน ไปจนถึงระบบที่เป็นแบบฉบับของสิ่งที่เคปเลอร์พบ [กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่เลิกใช้แล้ว] ซึ่งเป็นระบบขนาดเล็กกะทัดรัด ซุปเปอร์เอิร์ธ

เรายังไม่มีคำอธิบายที่ดีว่าทำไมระบบสุริยะของเราจึงไม่มีดาวพฤหัสร้อนและระบบสุริยะอื่นๆ เราต้องการทฤษฎีกว้างๆ ที่สามารถอธิบายระบบดาวเคราะห์ทุกประเภทที่เราเคยสังเกตได้ โดยการระบุกระบวนการหรือฟิสิกส์ที่หายไปในแบบจำลองการก่อตัวของดาวเคราะห์ที่ช่วยให้เราสามารถอธิบายดาวพฤหัสร้อนได้ เรากำลังพัฒนาภาพที่ใหญ่ขึ้น

คุณมีความคิดอื่น ๆ หรือไม่?

สิ่งหนึ่งที่ฉันอาจเพิ่มเติมคือเมื่อเรารวบรวมหลักฐานทั้งหมดสำหรับการตรวจสอบของเรา เราพบว่าไม่มีทฤษฎีใดที่สามารถอธิบายทุกอย่างได้ และนั่นกระตุ้นให้เราเชื่อว่าอาจมีหลายวิธีที่จะทำให้ดาวพฤหัสบดีร้อนได้ ดังนั้นการศึกษาพวกมันจึงสำคัญกว่า

หน้าแรก