กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์พบมีเทนในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ TOI‑199b

นักดาราศาสตร์ที่ใช้ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ (James Webb Space Telescope หรือ JWST) ของ NASA ได้ตรวจพบ ก๊าซมีเทน (CH₄) ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบที่ชื่อ TOI‑199b ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซขนาดใกล้ดาวเสาร์และมีอุณหภูมิไม่ร้อนจัดมาก การตรวจพบครั้งนี้ถือเป็นก้าวสำคัญ เพราะดาวเคราะห์ประเภท “ยักษ์ก๊าซอุณหภูมิพอเหมาะ” ยังแทบไม่เคยถูกศึกษาชั้นบรรยากาศอย่างละเอียดมาก่อน

นักวิจัยตรวจจับมีเทนได้จากการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของแสงดาวเมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ ซึ่งช่วยเปิดหน้าต่างใหม่ให้เข้าใจเคมีของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบประเภทนี้

TOI‑199b: ดาวเคราะห์ที่อยู่กึ่งกลางระหว่างโลกสุดขั้วสองแบบ

TOI‑199b เป็น ดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซที่มีรัศมีประมาณ 0.81 เท่าของดาวพฤหัสบดี และมวลประมาณ 0.17 เท่า โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ทุก 104.9 วัน ที่ระยะประมาณ 0.425 AU จากดาวฤกษ์ของมัน การค้นพบดาวเคราะห์ดวงนี้ทำได้ด้วย วิธีทรานซิต (transit method) ซึ่งตรวจจับการลดลงเล็กน้อยของความสว่างดาวเมื่อดาวเคราะห์ผ่านหน้าดาวฤกษ์

สิ่งที่ทำให้ดาวเคราะห์ดวงนี้น่าสนใจคือ อุณหภูมิ ของมัน โดยมีอุณหภูมิสมดุลประมาณ 350 เคลวิน (ราว 170–180°F) ซึ่งถือว่าไม่ร้อนจัดเมื่อเทียบกับดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนมาก

โดยทั่วไป งานศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบจะมุ่งไปที่สองกลุ่มหลัก

• Hot Jupiters — ดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์มากและมีอุณหภูมิสูงมาก
• ยักษ์ก๊าซเย็นจัด เช่น ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ในระบบสุริยะ ซึ่งอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์

แต่ TOI‑199b อยู่ตรงกลางระหว่างสองขั้วนี้ อุณหภูมิที่ไม่สุดขั้วทำให้มันเป็นกรณีทดสอบสำคัญสำหรับทฤษฎีเกี่ยวกับเคมีของชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์

JWST ตรวจพบมีเทนได้อย่างไร

การค้นพบครั้งนี้อาศัยเทคนิคที่เรียกว่า Transmission Spectroscopy

เมื่อดาวเคราะห์เคลื่อนผ่านหน้าดาวฤกษ์แม่ แสงดาวส่วนเล็ก ๆ จะผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ก่อนจะมาถึงกล้องโทรทรรศน์ โมเลกุลต่าง ๆ ในบรรยากาศจะดูดกลืนแสงบางช่วงความยาวคลื่น ทำให้เกิด “ลายนิ้วมือทางสเปกตรัม” ที่บอกชนิดของก๊าซได้

สำหรับ TOI‑199b นักวิทยาศาสตร์ใช้เครื่องมือ NIRSpec ของ JWST ในโหมด G395M เพื่อสังเกตการ ทรานซิตเพียงครั้งเดียว ของดาวเคราะห์ดวงนี้ จากนั้นจึงวิเคราะห์ สเปกตรัมการส่งผ่าน (transmission spectrum) เพื่อดูว่าความยาวคลื่นใดถูกดูดกลืนโดยก๊าซในบรรยากาศ

การวิเคราะห์ทางสถิติของข้อมูลสเปกตรัมแสดงหลักฐานที่ชัดเจนของ ก๊าซมีเทน ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ดวงนี้

ก๊าซอื่นที่นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบ

นอกจากมีเทนแล้ว นักวิจัยยังตรวจสอบสัญญาณของโมเลกุลอื่น ๆ ที่มักพบในชั้นบรรยากาศของยักษ์ก๊าซที่มีไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก ได้แก่

• ไอน้ำ (H₂O)
• แอมโมเนีย (NH₃)
• ไฮโดรเจนไซยาไนด์ (HCN)
• คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂)
• คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO)

ผลการสังเกตในครั้งนี้ให้หลักฐานที่แข็งแรงที่สุดสำหรับ มีเทน ส่วนก๊าซอื่น ๆ บางชนิดถูกตรวจสอบแต่ยังไม่พบสัญญาณชัดเจนในข้อมูลปัจจุบัน โดยเฉพาะการไม่พบสัญญาณเด่นของ CO และ CO₂ ซึ่งช่วยจำกัดแบบจำลององค์ประกอบทางเคมีและโลหะภายในบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้ดีขึ้น

ทำไมการค้นพบนี้จึงสำคัญต่อวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์

ดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซอุณหภูมิพอเหมาะถือเป็น ช่องว่างสำคัญในงานศึกษาชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบ เนื่องจากดาวเคราะห์ประเภทนี้มักโคจรรอบดาวฤกษ์ในระยะไกลกว่าและมีคาบโคจรยาว ทำให้เกิดทรานซิตไม่บ่อยและสังเกตได้ยากกว่าดาวเคราะห์ที่ร้อนจัด

การศึกษาดาวเคราะห์ TOI‑199b ช่วยนักวิทยาศาสตร์หลายด้าน เช่น

• ทดสอบ แบบจำลองเคมีของชั้นบรรยากาศ ในช่วงอุณหภูมิที่เย็นกว่าดาวเคราะห์ hot Jupiter
• ทำความเข้าใจว่าก๊าซ มีเทนก่อตัวและคงอยู่ได้อย่างไร ในบรรยากาศที่มีไฮโดรเจนสูง
• สร้าง มาตรฐานเปรียบเทียบ ระหว่างดาวเคราะห์ร้อนจัดกับยักษ์ก๊าซที่เย็นกว่า

ผลลัพธ์นี้ยังพิสูจน์ว่า JWST สามารถวัดองค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ ดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซที่อุ่นปานกลาง ได้สำเร็จ ซึ่งจะช่วยให้นักดาราศาสตร์ศึกษาดาวเคราะห์ประเภทคล้ายกันอีกจำนวนมากในอนาคต

หน้าต่างใหม่ในการศึกษาดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซ

TOI‑199b อยู่ห่างจากโลกมากกว่า 330 ปีแสง แต่ความไวสูงของ JWST ทำให้นักวิทยาศาสตร์ยังสามารถตรวจจับโมเลกุลในบรรยากาศของมันได้จากระยะไกล

เมื่อมีการสังเกตดาวเคราะห์ยักษ์ก๊าซอุณหภูมิพอเหมาะเพิ่มขึ้น นักดาราศาสตร์จะสามารถเปรียบเทียบลายเซ็นทางเคมีของดาวเคราะห์เหล่านี้ และปรับปรุงแบบจำลองเกี่ยวกับ การก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ ได้ดียิ่งขึ้น ดังนั้น TOI‑199b จึงกลายเป็นตัวอย่างสำคัญที่แสดงให้เห็นว่าการศึกษาบรรยากาศอย่างละเอียดของดาวเคราะห์นอกระบบที่เย็นกว่านั้นเป็นไปได้จริง