กล้องโทรทรรศน์คมชัดสูงสุดจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ : พยากรณ์สภาพอากาศอวกาศ

โดย 0000000

มีเมฆบางตอนเช้า ฝนเหล็กเหลวกระจายเป็นแห่งๆ ตอนบ่ายอุณหภูมิจะสูงขึ้น 700 องศาเซลเซียส กลางคืนมีลมแรง ความเร็วลม 1 หมื่นกิโลเมตร/ชั่วโมง นี่คือคำพยากรณ์อากาศบนดาวเคราะห์บางดวงที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบนอกระบบสุริยะ ในช่วงหลายทศวรรษ ดาวเคราะห์ต่างระบบเหล่านี้โคจรรอบดาวที่ห่างจากโลกหลายพันล้านกิโลเมตร ที่ผ่านมานักดาราศาสตร์เก็บข้อมูลดาวเหล่านั้นไม่ได้มากไปกว่าขนาด น้ำหนัก ระยะจากดาวแม่

แต่เมื่อไม่กี่ปีมานี้ กล้องโทรทรรศน์รุ่นใหม่ที่ล้ำสมัยได้เปิดมุมมองใหม่ของดาวเคราะห์ต่างระบบ แก่นักดาราศาสตร์ และด้วยวิธีการใหม่นี้ พวกเขาก็คำนวณเห็นสภาพพิภพห่างไกลเหล่านั้นได้อย่างละเอียด พายุแก้ว บรรยากาศดูดซับแสง และเมฆทับทิม ทำให้ดาวเหล่านั้นไม่เหมือนโลกแม้แต่น้อย

พยากรณ์สภาพอากาศอวกาศ

นักดาราศาสตร์พบดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวห่างไกลแล้วราว 3,500 ดวง แต่ด้วยระยะทางอันสุดไกลของเอกภพ เทคโนโลยีที่เรามีอยู่จะไม่มีทางนำเราไปลงจอดบนดาวเคราะห์เหล่านั้นได้ภายใน 2 ทศวรรษ แม้แต่กล้องโทรทรรศน์ก็มองไม่เห็นภาพพิภพเหล่านี้โดยตรง ดังนั้นนักดาราศาสตร์จึงหาทางใหม่เพื่อรู้ให้ได้ว่าโลกเหล่านี้มีองค์ประกอบ สภาพบรรยากาศเหมือนโลกหรือไม่ และที่สำคัญกว่านั้นคือมีชีวิตบนดาวเคราะห์ต่างระบบหรือไม่

นักดาราศาสตร์มักพบดาวเคราะห์ต่างระบบด้วยการสังเกตการผ่านหน้า (Transit Method) โดยใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตแสงดาวในช่วงเวลาหนึ่ง และหากแสงหรี่เป็นจังหวะซ้ำๆ ย่อมเป็นสิ่งบ่งชี้ว่ามีดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่รอบดาวนั้นคอยบังแสงดาวเป็นระยะสม่ำเสมอเมื่อมันโคจรผ่านหน้า

นักดาราศาสตร์ใช้หลักการเดียวกันนี้ศึกษาสภาพอากาศดาวเคราะห์ต่างระบบ แต่เรียกว่า สเปกโทรสโกปีการส่งผ่าน (Transmission Spectroscopy) ดาวเคราะห์ต่างระบบที่ผ่านหน้าดาวแม่ จะมีแสงส่องเจิดจ้าจากด้านหลัง การที่โมเลกุลหักเหแสงด้วยอัตราต่างกัน ทำให้นักดาราศาสตร์ผู้สังเกตการหักเหแสงเนื่องจากบรรยากาศของดาวเคราะห์บอกได้อย่างแม่นยำว่าบรรยากาศนั้นมีโมเลกุลอะไรบ้าง เช่น เหล็ก ความกดอากาศ คำนวณได้จากความหนาที่เห็น บรรยากาศหนาแน่น ในความกดสูงจะไม่แผ่ไกลจากพื้นผิวมากเท่ากับบรรยากาศบางในความกดต่ำ นักวิทยาศาสตร์คำนวณอุณหภูมิจากอุณหภูมิของดาวแม่เทียบกับระยะห่างของดาวเคราะห์จากดาวแม่

จากข้อมูลเหล่านี้ นักดาราศาสตร์จึงคำนวณสภาพบนพื้นผิวดาวเคราะห์ได้ หากบรรยากาศที่มี ความกดสูงมีอะตอมของเหล็ก และหากอุณหภูมิก็สูงกว่าจุดหลอมเหลวของเหล็กย่อมเป็นสิ่งบ่งชี้ค่อนข้างแน่ว่าหยดฝนเหล็กจะตกลงบนดาวเคราะห์ดวงนั้น

นักดาราศาสตร์สามารถพยากรณ์สภาพลมบนดาวเคราะห์ต่างระบบได้ด้วยดาวพฤหัสบดีร้อน (หมายถึงดาวเคราะห์ก๊าซที่โคจรใกล้ดาวแม่) บางดวงถูกยึดไว้ในการหมุนสมวารต้องหันหน้าข้างเดียวเข้าหาดาวแม่เสมอ ผลคือความแตกต่างอย่างมากของอุณหภูมิด้านมืดกับด้านสว่างของดาวเคราะห์ นักวิทยาศาสตร์แปลงความต่างนั้นเป็นความเร็วลมโดยประมาณ แล้วนักดาราศาสตร์จึงใช้สเปกโทรสโกปีวัดความเร็วลมในบรรยากาศที่เต็มไปด้วยระบบลมรุนแรง บรรยากาศครึ่งหนึ่งจะเคลื่อนเข้าหาผู้สังเกต ส่วนอีกครึ่งจะเคลื่อนไปตรงข้าม ความเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นที่วัดได้ด้วยสเปกโทรสโกปีในทั้งสองกรณี ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คำนวณได้ว่าลมถ่ายเทบรรยากาศไปได้เร็วเพียงใด

ใช้ฉากบังแสง

ที่ผ่านมากล้องโทรทรรศน์เคปเลอร์และสปิตเซอร์ คือผู้ส่งข้อมูลสภาพอากาศอวกาศส่วนใหญ่ แต่แสงจากดาวเคราะห์ต่างระบบนั้นสว่างเพียง 1/100,000,000 เท่าของดาวแม่ ซึ่งแม้แต่กล้องที่คมที่สุดก็ยังเห็นได้ยาก เพื่อให้งานง่ายขึ้น นักดาราศาสตร์อาจพยายามบังแสงดาวบางส่วน และศึกษาบรรยากาศของดาวเคราะห์ต่างระบบโดยตรง เพื่อการนี้ นักดาราศาสตร์จะใช้คอโรนากราฟ (Coronagraph) ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปี 1931 โดย แบร์นาร์ แฟร์ดีน็อง ลีออ นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ผู้มุ่งศึกษาคอโรนาของดวงอาทิตย์อย่างใกล้ชิด คอโรนากราฟสร้างสุริยุปราคาเทียมโดยบังแสงเฉพาะดวงอาทิตย์และเผยให้เห็นคอโรนา

ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ใช้คอโรนากราฟเพื่อหาดาวเคราะห์ต่างระบบรอบดาวดวงอื่น และกล้องโทรทรรศน์เจมส์ เว็บบ์ อันลือนามขององค์การนาซ่า ซึ่งจะส่งขึ้นในปี 2019 ก็ติดตั้งคอโรนากราฟเช่นกัน

เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการ ไอพ่น และศูนย์การบินอวกาศก็อดดาร์ดของนาซ่า เพิ่งปรับปรุงประสิทธิภาพคอโรนากราฟ อุปกรณ์ไพซีส (PISCES) ใหม่เป็นสเปกโทรกราฟถ่ายภาพ (Integral Field Spectrograph) ที่นักวิทยาศาสตร์ปรับปรุงความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ติดคอโรนากราฟให้แยกแสงและเงาในช่วงความยาว คลื่นที่กว้างขึ้นทำให้เห็นสเปกตรัมได้ถึงร้อยละ18 จากเดิมที่มองเห็นได้ร้อยละ 10 นักวิทยาศาสตร์คาดว่าผลที่ได้จะช่วยปรับปรุงความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope) ซึ่งนาซ่าจะส่งขึ้นกลางทศวรรษปี 2020 เพื่อสังเกตบรรยากาศและสภาพอากาศของดาวเคราะห์ต่างระบบ

กล้องโทรทรรศน์ที่ศึกษาสภาพอากาศมีมากขึ้น

กล้อง WFIRST ไม่ได้ทำงานอยู่โดดเดี่ยว เพราะนักดาราศาสตร์ยังรอการเพิ่มสมรรถนะให้แก่กล้องโทรทรรศน์ของพวกเขาทั้งในโลกและในอวกาศในช่วงหลายปีข้างหน้าด้วย

ในฤดูใบไม้ผลิปี 2019 นาซ่าจะส่งขึ้นกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ผู้สืบทอดของกล้องฮับเบิลที่ส่งขึ้นเมื่อปี 1990 กระจกขนาด 6.5 เมตร ของกล้องเจมส์ เว็บบ์ (เทียบกับ 2.4 เมตรของกล้องฮับเบิล) ทำให้กล้องมีพลังสูงขึ้นกว่าเดิมมาก และใช้หาได้ว่าบรรยากาศดาวเคราะห์ทั้งเจ็ดดวงของระบบแทรพพิสต์มีน้ำหรือไม่ ในปี 2023 นาซ่าจะส่งขึ้นกล้องโทรทรรศน์อวกาศฟิเนสส์ (FINESSE) อีกกล้องหนึ่ง สำหรับส่องดาวเคราะห์ต่างระบบโดยเฉพาะ ขณะนี้ยังอยู่ในขั้นตอนออกแบบ โดยมีแผนให้ศึกษาบรรยากาศของดาวเคราะห์ต่างระบบราว 500 ดวง ด้วยวิธีสเปกโทรสโกปีแสงส่องผ่าน ซึ่งให้ข้อมูลใหม่เกี่ยวกับสภาพอากาศและภูมิอากาศแก่นักวิทยาศาสตร์

ในโลกก็กำลังมีการสร้างกล้องโทรทรรศน์ขนาดมหึมา กล้อง ELT ในทะเลทรายอาตากามาของประเทศชิลี มีแผนสร้างเสร็จในปี 2024 ซึ่งจะเป็นกล้องโทรทรรศน์เชิงแสงที่ใหญ่ที่สุดในโลกด้วยกระจกปฐมภูมิขนาด 39.9 เมตร งานหลักของกล้องนี้คือค้นหาดาวเคราะห์ขนาดเล็กคล้ายโลกในวงโคจรรอบดาวอื่น กระจกขนาดใหญ่ทำให้กล้อง ELT คมชัดกว่ากล้องที่มาก่อนถึง 100 เท่า และสามารถถ่ายภาพดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดพร้อมบรรยากาศได้โดยตรง

ในอนาคตนักดาราศาสตร์จะใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศออรา (AURA) ซึ่งมีกระจกขนาด 12 เมตรด้วย โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจากมหาวิทยาลัยเกือบ 50 แห่ง และมีแผนจะส่งขึ้นในทศวรรษปี 2030 กล้องออราไม่เพียงไวแสงกว่ากล้องฮับเบิลถึง 100 เท่า แต่ยังมีกำลังแยกมากกว่า 25 เท่า กล้องโทรทรรศน์พลังสูงตัวนี้จะช่วยให้การศึกษาบรรยากาศและสภาพอากาศทำได้ดียิ่งขึ้น ทั้งยังจะสามารถแยกแยะดาวเคราะห์ต่างระบบที่คล้ายโลกออกจากดวงที่เพียงดูคล้ายโลกแต่ร้อนเกินกว่าจะเอื้อต่อชีวิต หรือแยกแยะคุณสมบัติอื่นๆ ได้ ซึ่งนักดาราศาสตร์อาจจะค้นพบดาวเคราะห์หนึ่งในบรรดาดาวเคราะห์ต่างระบบอันห่างไกล ซึ่งไม่เพียงมีภูมิอากาศที่เหมาะสมหรือมีสภาพอากาศพอดีเท่านั้น แต่ยังมีชีวิตต่างดาวอยู่บนนั้นเป็นครั้งแรกในที่สุด