กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เวบบ์ เผยสัญญาณก๊าซเหนือมหาสมุทรแมกมาใน TOI-561b

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ จับสัญญาณบรรยากาศหนาทึบบนดาวเคราะห์นอกระบบ TOI-561 b ดาวเคราะห์หินดวงนี้โคจรรอบดาวฤกษ์ของมันห่างจากโลกประมาณ 280 ปีแสงในกลุ่มดาวเซ็กแทนส์ ทำรอบได้สำเร็จในเวลาเพียง 10.56 ชั่วโมง

ความใกล้ชิดที่รุนแรงทำให้เกิดสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย การวัดแสดงอุณหภูมิกลางวันประมาณ 1,800°C ค่านี้ต่ำกว่าค่าที่คาดไว้สำหรับพื้นผิวหินเปลือยที่สัมผัสกับรังสีที่รุนแรง ข้อมูลมาจากการสังเกตการณ์ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2567 ด้วยเครื่องมือ NIRSpec

ข้อมูล NIRSpec แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์เย็นกว่าที่คาดการณ์ไว้

ดาวเคราะห์นอกระบบ TOI-561 b จัดอยู่ในประเภทซูเปอร์เอิร์ธที่ร้อนจัด ความหนาแน่นที่วัดได้อยู่ที่ประมาณ 4.3 g/cm³ ซึ่งเป็นค่าที่ต่ำกว่าความหนาแน่นขององค์ประกอบที่เป็นหินโดยสิ้นเชิงคล้ายกับโลก แบบจำลองที่ไม่มีบรรยากาศคาดการณ์ว่าอุณหภูมิในเวลากลางวันจะสูงถึง 2,700°C หรือมากกว่านั้น

นักวิจัยสังเกตเห็นแสงอินฟราเรดในช่วงสุริยุปราคาทุติยภูมิ เมื่อดาวเคราะห์โคจรผ่านหลังดาวฤกษ์ สเปกตรัมการปล่อยก๊าซระหว่าง 3 ถึง 5 ไมโครเมตร บ่งชี้ว่าด้านกลางวันแผ่พลังงานน้อยกว่าที่หินบริสุทธิ์จะปล่อยออกมา ชั้นก๊าซดูเหมือนจะกระจายความร้อนไปรอบๆ โลก

• ดาวเคราะห์ดวงนี้มีรัศมีประมาณ 1.4 เท่าของโลก
• มวลโดยประมาณอยู่ที่ประมาณสองเท่าของโลก
• ดาวฤกษ์ดวงนี้มีอายุประมาณ 1 หมื่นล้านปี และมีธาตุเหล็กน้อย
• วงโคจรที่สั้นมากจะล็อคดาวเคราะห์โดยให้ด้านหนึ่งหันหน้าเข้าหาดาวฤกษ์เสมอ
• รังสีที่ได้รับนั้นมากกว่ารังสีที่มาถึงโลกหลายสิบเท่า

การกำหนดค่านี้จะทำให้พื้นผิวมีสถานะหลอมเหลวเกือบตลอดเวลา

https://twitter.com/NASAWebb/status/1999132374647427401?ref_src=twsrc%5Etfw

มหาสมุทรแมกมาทำให้เกิดวัฏจักรที่ผันผวนได้

พื้นผิวของ TOI-561b ก่อตัวเป็นมหาสมุทรแมกมาทั่วโลกที่ปั่นป่วนอยู่ตลอดเวลา หินที่ระเหยเป็นไอและกระบวนการภายในจะปล่อยก๊าซที่มีส่วนทำให้เกิดชั้นบรรยากาศด้านบน การศึกษาที่ตีพิมพ์ใน The Astrophysical Journal Letters เสนอว่าแหล่งกักเก็บสารระเหยนี้อธิบายการกักเก็บก๊าซแม้จะมีรังสีดาวฤกษ์แรงก็ตาม

ทีมวิเคราะห์สุริยุปราคารองติดต่อกันสี่ครั้งติดต่อกัน ผลลัพธ์ที่ได้ปฏิเสธโมเดลหินเปล่าด้วยความมั่นใจสูง แต่บรรยากาศที่อุดมไปด้วยองค์ประกอบที่ระเหยง่ายจะทำให้ตอนกลางวันเย็นลงโดยการส่งความร้อนไปยังภูมิภาคอื่น

ดาวเคราะห์ดวงนี้อยู่ในหมวดหมู่ของโลกลาวา ภายใต้สภาวะเหล่านี้ แร่ธาตุจะระเหยออกจากพื้นผิวที่หลอมละลายและก่อตัวเป็นบรรยากาศของแร่ ความหนาแน่นต่ำที่สังเกตได้เหมาะสมกว่าเมื่อพิจารณาถึงการมีส่วนร่วมของชั้นก๊าซหนา

สเปกโทรสโกปีการปล่อยจะให้รายละเอียดเกี่ยวกับคุณลักษณะทางความร้อน

NIRSpec ทำงานในโหมดอนุกรมเวลาของวัตถุสว่างด้วยตารางกริดความละเอียดสูง G395H การสังเกตการณ์ทั้งหมดกินเวลานานกว่า 37 ชั่วโมงและครอบคลุมวงโคจรของระบบเกือบสี่รอบ ไปป์ไลน์การลดข้อมูลอิสระสองท่อถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของผลลัพธ์และลดสิ่งแปลกปลอมให้เหลือน้อยที่สุด

สเปกตรัมที่ได้รับแสดงรูปแบบที่แบบจำลองพื้นผิวหินเปลือยไม่สามารถทำซ้ำได้ดี สถานการณ์ที่มีบรรยากาศผันผวนหนาแน่นจะเข้าใกล้การวัดความสว่างมากขึ้น ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยยังคงต้องมีการปรับปรุงในการวิเคราะห์ในอนาคตเพื่อกำหนดองค์ประกอบที่แน่นอนของก๊าซ

ดาว TOI-561 มีอายุเก่าแก่และเป็นดาวฤกษ์ในจานหนาของทางช้างเผือก องค์ประกอบทางเคมีซึ่งอุดมไปด้วยธาตุอัลฟ่าและมีโลหะน้อย แตกต่างจากดวงอาทิตย์และมีอิทธิพลต่อสภาพแวดล้อมในการก่อตัวดาวเคราะห์ บริบทนี้ช่วยให้เข้าใจว่าเหตุใด TOI-561 b จึงมีคุณสมบัติที่แตกต่างจากดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงอื่นที่มีขนาดสั้นมาก

มีการตั้งคำถามเกี่ยวกับแบบจำลองการสูญเสียบรรยากาศ

ดาวเคราะห์หินที่มีวงโคจรสั้นเช่นนี้น่าจะประสบกับการหลบหนีของชั้นบรรยากาศที่รุนแรง การแผ่รังสีของดาวฤกษ์สามารถดึงอนุภาคก๊าซออกไปได้อย่างง่ายดายเมื่อเวลาผ่านไป อย่างไรก็ตาม การสังเกตของเจมส์ เวบบ์บ่งชี้ว่า TOI-561b ยังคงรักษาชั้นก๊าซที่มีนัยสำคัญไว้

มหาสมุทรแมกมาสามารถทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดของสารระเหยได้อย่างต่อเนื่อง ก๊าซหลบหนีออกสู่ชั้นบรรยากาศ แต่แมกมาจะรับก๊าซเหล่านั้นกลับคืนมาในวงจรแบบไดนามิก กลไกนี้ปฏิเสธความคิดที่ว่าโลกร้อนจัดสูญเสียชั้นบรรยากาศไปโดยสิ้นเชิง

การค้นพบนี้เปิดโอกาสให้ศึกษาธรณีฟิสิกส์สุดขั้วผ่านสเปกตรัมบรรยากาศ จนถึงขณะนี้ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่มีหินใกล้ดาวฤกษ์เพียงไม่กี่ดวงก็แสดงหลักฐานที่คล้ายกัน เวบบ์ได้ขยายหน้าต่างสังเกตการณ์อินฟราเรดสำหรับวัตถุเหล่านี้

ดาวเคราะห์นอกระบบไม่มีเงื่อนไขสำหรับชีวิตอย่างที่เรารู้ อุณหภูมิที่สูงมากและการแผ่รังสีคงที่ทำให้ไม่สามารถอยู่อาศัยได้ อย่างไรก็ตาม มันทำหน้าที่เป็นห้องปฏิบัติการทางธรรมชาติสำหรับกระบวนการของดาวเคราะห์ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตร

เมื่อเปรียบเทียบกับช่วงแรก ๆ ของโลกจะมีกำลังเพิ่มขึ้น

โลกยุคแรกยังผ่านช่วงเวลาที่มีพื้นผิวหลอมเหลวบางส่วนและมีการระเบิดของภูเขาไฟที่รุนแรง แม้ว่า TOI-561 b จะร้อนกว่ามาก แต่ก็ช่วยให้เราสามารถทดสอบแนวคิดว่าชั้นบรรยากาศมีปฏิกิริยาอย่างไรกับมหาสมุทรแมกมาในระดับดาวเคราะห์

การศึกษาโลกเหล่านี้ช่วยปรับแต่งแบบจำลองวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ กระบวนการภายใน เช่น การพาความร้อนในเนื้อโลกหลอมเหลว อาจมีบทบาทในการรักษาบรรยากาศมากกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ ความเชื่อมโยงระหว่างธรณีวิทยาและบรรยากาศจะชัดเจนยิ่งขึ้นในกรณีที่รุนแรงเหล่านี้

ความหนาแน่นต่ำของ TOI-561 b ทำให้นักวิจัยสนใจในการตรวจวัดครั้งก่อนๆ การประมาณการเบื้องต้นบางรายการเสนอแนะองค์ประกอบที่มีปริมาณน้ำสูง แต่การสำรวจใหม่ชี้ไปที่บรรยากาศทุติยภูมิที่มีความผันผวนสูงเหนือแมกมา

รายละเอียดการสังเกตช่วยเสริมความสามารถของเครื่องมือ

แคมเปญนี้เกี่ยวข้องกับการสังเกตการณ์อย่างต่อเนื่องตั้งแต่วันที่ 1 ถึง 3 พฤษภาคม พ.ศ. 2567 โหมด Bright Object Time Series ช่วยให้เราสามารถจับภาพความแปรผันเล็กน้อยของความสว่างของดาวฤกษ์เมื่อดาวเคราะห์ถูกซ่อนอยู่ ตาราง G395H ครอบคลุมช่วง 2.67 ถึง 5.14 ไมโครเมตรด้วยความละเอียดสูง

ลดอิสระด้วยท่อยูเรก้า! และ ExoTiC JEDI ได้สร้างสเปกตรัมที่สอดคล้องกัน อุณหภูมิกลางวันที่มีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 1,740°C ถึง 1,830°C ขึ้นอยู่กับรุ่น ซึ่งต่ำกว่า 3,000°C ที่คาดไว้สำหรับหินเปล่า

ตัวเลขเหล่านี้ยืนยันว่าความร้อนไม่ได้กระจุกตัวเฉพาะในเวลากลางวันเท่านั้น บรรยากาศกระจายพลังงาน อีกทั้งยังทำให้ด้านกลางคืนร้อนขึ้นและทำให้แมกมาเคลื่อนที่ได้

ผลกระทบต่อโลกลาวาอื่นๆ

TOI-561 b เป็นส่วนหนึ่งของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะประเภทหนึ่งที่กำลังเติบโตที่เรียกว่าโลกลาวา ด้วยความก้าวหน้าของกล้องโทรทรรศน์อย่างเจมส์ เวบบ์ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถทดสอบทฤษฎีในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีอยู่ในระบบสุริยะได้ จำนวนข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

การสังเกตการณ์ในอนาคตสามารถสร้างแผนผังความแปรผันตลอดวงโคจรและตรวจสอบด้านกลางคืนเพิ่มเติมได้ การวิเคราะห์สเปกตรัมการส่งสัญญาณระหว่างการขนส่งยังได้รับการวางแผนเพื่อเสริมข้อมูลการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอีกด้วย

การค้นพบนี้ตอกย้ำบทบาทสำคัญของเจมส์ เวบบ์ในการจำแนกลักษณะของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่เป็นหิน เครื่องมือตรวจจับสัญญาณที่กล้องโทรทรรศน์รุ่นก่อนๆ ไม่สามารถระบุได้ชัดเจน

ความก้าวหน้าขยายความเข้าใจเกี่ยวกับความหลากหลายของดาวเคราะห์

การศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2568 เพิ่มหลักฐานว่าบรรยากาศสามารถคงอยู่ได้ในสภาวะที่รุนแรง จำเป็นต้องปรับแบบจำลองการหลบหนีในชั้นบรรยากาศแบบคลาสสิกให้รวมวัฏจักรกับมหาสมุทรแมกมาด้วย

ทีมจากสถาบันต่างๆ เช่น Carnegie Science และมหาวิทยาลัยพันธมิตรเข้าร่วมในการวิเคราะห์ ผลลัพธ์เน้นย้ำถึงความสำคัญของการสังเกตไม่เพียงแต่ดาวเคราะห์ที่อาจเอื้ออาศัยได้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงดาวเคราะห์สุดขั้วด้วย

ด้วยการกำหนดขีดจำกัดการอยู่รอดของชั้นบรรยากาศ นักวิทยาศาสตร์ได้ปรับแต่งเกณฑ์ในการระบุโลกที่มีสภาวะไม่เอื้ออำนวย TOI-561b แสดงให้เห็นว่าจักรวาลมีสถานการณ์ที่ไม่คาดคิดแม้ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นมิตร

การวิจัยดำเนินต่อไปด้วยข้อมูลใหม่จากเวบบ์เกี่ยวกับผู้สมัครรายอื่นที่คล้ายคลึงกัน การสังเกตแต่ละครั้งช่วยให้เห็นภาพการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้ครบถ้วนมากขึ้น