กล้องโทรทรรศน์เจมส์ เว็บบ์ เผยดาวเคราะห์ที่มี ‘เมฆทรายตอนเช้า ฟ้าใสตอนเย็น’

นักดาราศาสตร์ที่ใช้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope – JWST) ตรวจพบรูปแบบสภาพอากาศที่น่าทึ่งบนดาวเคราะห์นอกระบบ WASP‑94A b ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 700 ปีแสง การสังเกตพบว่าเมฆที่ประกอบด้วยอนุภาคหินคล้ายทรายจะก่อตัวขึ้นในบรรยากาศช่วง “เช้า” ของดาวเคราะห์ และค่อย ๆ หายไปเมื่อเข้าสู่ “ตอนเย็น” นับเป็นหลักฐานชัดเจนครั้งหนึ่งของวัฏจักรสภาพอากาศที่เกิดซ้ำบนดาวเคราะห์ประเภท Hot Jupiter

ความก้าวหน้าครั้งนี้เกิดขึ้นเพราะนักวิทยาศาสตร์วิเคราะห์บรรยากาศของดาวเคราะห์ในวิธีใหม่ คือ แยกข้อมูลของขอบดาวเคราะห์ฝั่งเช้าและฝั่งเย็นออกจากกัน แทนที่จะนำมาคำนวณเฉลี่ยเหมือนงานวิจัยก่อนหน้า

JWST ตรวจพบวัฏจักรอากาศได้อย่างไร

WASP‑94A b โคจรผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่เมื่อมองจากโลก เหตุการณ์นี้เรียกว่า การทรานซิต (transit) เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้า ดาวแสงบางส่วนจากดาวฤกษ์จะลอดผ่านบรรยากาศของมัน นักดาราศาสตร์สามารถวิเคราะห์การดูดกลืนของแสงในแต่ละความยาวคลื่น เพื่อระบุองค์ประกอบของบรรยากาศด้วยเทคนิค transmission spectroscopy

ในการศึกษานี้ นักวิจัยแบ่งข้อมูลออกเป็นสองช่วงสำคัญ

• Ingress – ด้านที่เข้าสู่การทรานซิตก่อน ซึ่งสอดคล้องกับขอบดาวเคราะห์ฝั่ง “เช้า”
• Egress – ด้านที่ออกจากการทรานซิตทีหลัง ซึ่งสอดคล้องกับขอบฝั่ง “เย็น”

ดาวเคราะห์ประเภท Hot Jupiter อย่าง WASP‑94A b มักจะ ถูกล็อกด้วยแรงโน้มถ่วง (tidally locked) ทำให้ด้านหนึ่งหันเข้าหาดาวฤกษ์ตลอดเวลา ผลคือสองด้านมีสภาพอากาศแตกต่างกันอย่างมาก การเปรียบเทียบข้อมูลเผยว่า ฝั่งเช้าเย็นกว่าและมีเมฆหนาแน่นกว่า ขณะที่ฝั่งเย็นร้อนกว่าและท้องฟ้าใสกว่า

เมฆทรายที่เกิดตอนรุ่งเช้าและหายไปตอนเย็น

เมฆบนดาวเคราะห์ดวงนี้ไม่ได้ทำจากน้ำเหมือนบนโลก แต่คาดว่าเกิดจาก อนุภาคแมกนีเซียมซิลิเกต ซึ่งเป็นวัสดุหินขนาดจิ๋วคล้ายเม็ดทราย

ข้อมูลชี้ถึงวัฏจักรดังนี้

1. ด้านมืดของดาวเคราะห์มีอุณหภูมิต่ำพอให้วัสดุซิลิเกต ควบแน่นเป็นอนุภาคเมฆ
2. ลมความเร็วสูง พัดพาอนุภาคเหล่านี้ไปยังด้านรุ่งเช้า
3. เมื่อถึงเส้นแบ่งกลางวัน‑กลางคืนในตอนเช้า เมฆจะสะสมจนหนาทึบ
4. เมื่อเคลื่อนต่อไปยังด้านที่หันเข้าหาดาวฤกษ์ อุณหภูมิสูงมากจนอนุภาค ระเหยหายไป ทำให้บรรยากาศฝั่งเย็นใสกว่า

ผลคือสเปกตรัมฝั่งเย็นเผยสัญญาณโมเลกุล เช่น ไอน้ำ ได้ชัดเจนกว่า เพราะไม่มีเมฆบดบังชั้นบรรยากาศลึก ๆ

ทำไมเมฆจึงมีอยู่ได้บนโลกที่ร้อนกว่า 1,000 °C

ดาวเคราะห์ Hot Jupiter โคจรใกล้ดาวฤกษ์มาก อุณหภูมิของบรรยากาศจึงอาจสูงกว่า 1,000 °C อย่างไรก็ตาม เมฆยังสามารถเกิดขึ้นได้เพราะสภาพแวดล้อมในแต่ละพื้นที่ของดาวเคราะห์ต่างกันมาก

แบบจำลองทางฟิสิกส์ของบรรยากาศเสนอว่า

• อนุภาคหินอาจ ควบแน่นในชั้นบรรยากาศลึก ที่มีอุณหภูมิและความดันเหมาะสม
• กระบวนการ การผสมแนวตั้งของบรรยากาศ ดันอนุภาคขึ้นสู่ระดับสูง
• จากนั้นลมระดับโลกที่รุนแรงจะพัดพาอนุภาคไปรอบดาวเคราะห์
• เมื่ออนุภาคเข้าสู่บริเวณที่ร้อนกว่า มันจะ ระเหยกลับเป็นไอ อีกครั้ง

วงจร “ควบแน่น → เคลื่อนที่ → ระเหย” นี้ทำให้เกิด วัฏจักรเมฆกลางวัน‑กลางคืน อย่างต่อเนื่อง

การแยกข้อมูลฝั่งเช้า‑เย็นช่วยให้เห็นบรรยากาศชัดขึ้น

การศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบในอดีตมักสมมติว่า ขอบบรรยากาศรอบดาวเคราะห์ (terminator) มีคุณสมบัติเหมือนกันทั้งหมด แต่สำหรับดาวเคราะห์ที่ถูกล็อกกับดาวฤกษ์ สมมตินี้ไม่ถูกต้องนัก

เมื่อทีมวิจัยแยกข้อมูลสองฝั่งออกจากกัน พวกเขาสามารถ ลดผลกระทบของเมฆที่บดบังข้อมูล และมองเห็นองค์ประกอบทางเคมีได้ชัดขึ้น โดยเฉพาะสัญญาณโมเลกุลที่ปรากฏชัดในฝั่งเย็นที่ท้องฟ้าใสกว่า

วิธีการนี้อาจกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบอื่น ๆ ในอนาคต

รูปแบบเมฆนี้อาจพบได้ทั่วไปในดาวเคราะห์ร้อนยักษ์

นักดาราศาสตร์เชื่อว่า WASP‑94A b อาจไม่ใช่กรณีพิเศษ ดาวเคราะห์ Hot Jupiter จำนวนมากอาจมีรูปแบบ “เช้าเมฆมาก เย็นท้องฟ้าใส” คล้ายกัน

ตัวอย่างเช่น การสังเกตด้วย JWST ก่อนหน้านี้พบความแตกต่างของบรรยากาศระหว่างฝั่งเช้าและเย็นของ WASP‑39 b ขณะที่ WASP‑17 b มีหลักฐานของเมฆแร่ เช่น อนุภาคซิลิกาคล้ายควอตซ์ในบรรยากาศ

ภาพรวมของการค้นพบเหล่านี้ชี้ว่า เมฆแร่และระบบสภาพอากาศที่ซับซ้อนอาจเป็นเรื่องปกติในบรรยากาศสุดขั้วของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ร้อน แม้บนโลกที่ร้อนพอจะหลอมละลายหินก็ตาม