ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ

ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะคือดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์ จนถึงต้นทศวรรษ 1990 ยังไม่มีใครรู้ว่าระบบสุริยะของเราพิเศษหรือธรรมดา ปัจจุบันยืนยันการค้นพบแล้วมากกว่า 6,000 ดวง และสถิติชี้ว่าดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในทางช้างเผือกน่าจะมีดาวเคราะห์อย่างน้อยหนึ่งดวง

การค้นพบที่เปลี่ยนวงการ

ดาวเคราะห์นอกระบบชุดแรกพบในปี ค.ศ. 1992 โคจรรอบพัลซาร์ ต่อมาในปี ค.ศ. 1995 มิเชล มายอร์ และดิดิเยร์ เกโลซ พบ 51 Pegasi b ดาวเคราะห์ดวงแรกรอบดาวฤกษ์คล้ายดวงอาทิตย์ เป็นดาวเคราะห์ยักษ์ที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์มากจนครบรอบใน 4 วัน ซึ่งไม่มีใครคาดว่าจะมีอยู่จริง ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี ค.ศ. 2019

หาได้อย่างไร ในเมื่อมองแทบไม่เห็น

• วิธีการผ่านหน้า เมื่อดาวเคราะห์ผ่านหน้าดาวฤกษ์ ความสว่างของดาวฤกษ์จะลดลงเล็กน้อยเป็นจังหวะ กล้องเคปเลอร์และ TESS ใช้วิธีนี้ค้นพบดาวเคราะห์หลายพันดวง
• วิธีความเร็วแนวเล็ง ดาวเคราะห์ดึงดาวฤกษ์ให้ส่ายเล็กน้อย ทำให้สเปกตรัมของดาวฤกษ์เลื่อนไปมาตามปรากฏการณ์ดอปเพลอร์
• การถ่ายภาพโดยตรง บังแสงดาวฤกษ์แล้วถ่ายภาพดาวเคราะห์ ทำได้กับดาวเคราะห์ยักษ์ที่อยู่ไกลจากดาวฤกษ์
• ไมโครเลนส์ความโน้มถ่วง ดาวที่มีดาวเคราะห์ผ่านหน้าดาวที่อยู่ไกลกว่า จะทำหน้าที่เป็นเลนส์ขยายแสงชั่วคราว

สัญญาณเล็กแค่ไหน

เมื่อดาวเคราะห์ผ่านหน้าดาวฤกษ์ แสงของดาวฤกษ์ลดลงเท่ากับสัดส่วนพื้นที่ที่ถูกบัง

ดาวพฤหัสบดีบังดวงอาทิตย์ได้ราว 1% แต่โลกบังได้เพียงราว 0.008% หรือ 84 ส่วนในล้านส่วน การผ่านหน้ายังเห็นได้เฉพาะเมื่อเรามองระนาบวงโคจรจากด้านข้างพอดี โอกาสนี้ประมาณ R_\star / aเท่ากับรัศมีดาวฤกษ์หารด้วยรัศมีวงโคจร สำหรับดาวเคราะห์แบบโลกรอบดาวแบบดวงอาทิตย์มีเพียงราว 0.5% กล้องจึงต้องเฝ้าดูดาวพร้อมกันนับแสนดวง

วิธีความเร็วแนวเล็งก็เจอโจทย์ยากไม่แพ้กัน ดาวพฤหัสบดีทำให้ดวงอาทิตย์ส่ายด้วยความเร็วราว 12.5 เมตรต่อวินาที เท่ากับความเร็ววิ่งเร็วของคน แต่โลกทำให้ดวงอาทิตย์ส่ายเพียงราว 9 เซนติเมตรต่อวินาที ช้ากว่าคนเดิน เครื่องวัดสเปกตรัมรุ่นใหม่อย่าง ESPRESSO วัดได้ละเอียดถึงระดับไม่กี่สิบเซนติเมตรต่อวินาทีแล้ว และกำลังพยายามไปให้ถึงระดับที่หาโลกคู่แฝดได้

เขตเอื้อต่อการอยู่อาศัย

ระยะที่ดาวเคราะห์ได้รับพลังงานจากดาวฤกษ์เท่ากับที่โลกได้รับ แปรตามรากที่สองของกำลังส่องสว่างของดาว

ดาวแคระแดงมีกำลังส่องสว่างเพียงราวหนึ่งในพันของดวงอาทิตย์ เขตนี้จึงอยู่ใกล้มากที่ระยะราว 0.03 au ดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ขนาดนั้นมักหันหน้าเดียวเข้าหาดาวตลอดเวลา และต้องเจอเปลวดาวรุนแรงบ่อย ๆ ว่าจะยังมีบรรยากาศและน้ำเหลวได้หรือไม่ เป็นคำถามสำคัญที่กล้องเจมส์ เว็บบ์กำลังตรวจกับระบบ TRAPPIST-1

โลกที่ไม่มีในระบบสุริยะ

• ดาวพฤหัสร้อน ดาวเคราะห์ยักษ์ที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์มาก ร้อนกว่าพันองศา
• ซูเปอร์เอิร์ทและมินิเนปจูน ดาวเคราะห์ขนาดระหว่างโลกกับดาวเนปจูน เป็นแบบที่พบมากที่สุดในทางช้างเผือก แต่ระบบสุริยะของเราไม่มีเลย
• ระบบ TRAPPIST-1 ดาวแคระแดงที่มีดาวเคราะห์ขนาดใกล้โลก 7 ดวง หลายดวงอยู่ในเขตเอื้อต่อการอยู่อาศัย
• พร็อกซิมาเซนทอรี b ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุด ห่างเพียงราว 4.2 ปีแสง

มีสิ่งมีชีวิตไหม

เป้าหมายใหญ่คือการตรวจบรรยากาศของดาวเคราะห์ขนาดเท่าโลก เพื่อหาร่องรอยทางเคมีของสิ่งมีชีวิต เช่น ออกซิเจนร่วมกับมีเทน กล้องเจมส์ เว็บบ์เริ่มวัดองค์ประกอบบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบได้แล้ว แต่ยังไม่มีหลักฐานที่ได้รับการยอมรับว่ามีสิ่งมีชีวิต การอ้างว่าพบสัญญาณบางอย่างมักถูกตรวจสอบซ้ำและยังเป็นที่ถกเถียง

อ่านบรรยากาศจากแสงที่ลอดผ่าน

ขณะดาวเคราะห์ผ่านหน้า แสงดาวส่วนหนึ่งลอดผ่านขอบบรรยากาศของดาวเคราะห์ โมเลกุลแต่ละชนิดดูดกลืนแสงบางความยาวคลื่น ดาวเคราะห์จึงดูใหญ่ขึ้นเล็กน้อยที่ความยาวคลื่นเหล่านั้น เมื่อเทียบสเปกตรัมขณะผ่านหน้ากับขณะไม่ผ่าน จะอ่านได้ว่าบรรยากาศมีอะไร กล้องเจมส์ เว็บบ์พบคาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ำ และซัลเฟอร์ไดออกไซด์ในบรรยากาศของดาวเคราะห์ยักษ์ WASP-39b ด้วยวิธีนี้ ส่วนกรณีดาวเคราะห์ K2-18b ที่มีการรายงานสัญญาณของสารซึ่งบนโลกสร้างได้โดยสิ่งมีชีวิต การวิเคราะห์ซ้ำโดยหลายทีมพบว่าหลักฐานยังอ่อนเกินกว่าจะสรุป

อนาคตของการล่าดาวเคราะห์

กล้องโรมันจะนับดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลจากดาวแม่ด้วยไมโครเลนส์ ภารกิจ PLATO ของ ESA จะเน้นหาดาวเคราะห์ขนาดโลกรอบดาวคล้ายดวงอาทิตย์ด้วยวิธีการผ่านหน้า และ NASA กำลังออกแบบกล้อง Habitable Worlds Observatory เพื่อถ่ายภาพดาวเคราะห์คล้ายโลกโดยตรงและวิเคราะห์บรรยากาศหาสัญญาณของสิ่งมีชีวิต ซึ่งคาดว่าจะส่งขึ้นได้ราวคริสต์ทศวรรษ 2040