TRAPPIST-1 d เคยเป็นหนึ่งในเป้าหมายสุดฮอตของการล่าดาวเคราะห์นอกระบบที่อาจมีสภาพใกล้เคียงโลก ด้วยรัศมีราว 0.8 เท่าของโลก โครงสร้างเป็นดาวหิน และอยู่ในตำแหน่ง “ขอบ” ของเขตเอื้ออาศัยได้ หรือ Habitable Zone รอบดาวแม่ชนิดแคระแดง M8 ซึ่งเย็นและสลัวกว่าดวงอาทิตย์มากพอให้โซนที่อุณหภูมิพอดีมีน้ำของเหลวอยู่ใกล้ตัวดาวมากขึ้น แต่ข้อมูลใหม่จากกล้อง James Webb Space Telescope ชี้ชัดว่าดาวดวงนี้ไม่น่ามีบรรยากาศแบบโลก และอาจไม่มีบรรยากาศเลยด้วยซ้ำ
ข้อมูลดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์ลงใน Strict Limits on Potential Secondary Atmospheres on the Temperate Rocky Exo-Earth TRAPPIST-1 d ทีมนักดาราศาสตร์นำโดย Caroline Piaulet-Ghorayeb แห่ง University of Chicago และ Trottier Institute for Research on Exoplanets หรือ IREx, Université de Montréal ได้ใช้เครื่องมือ NIRSpec กับ PRISM ของ James Webb เก็บสเปกตรัมการผ่านหน้าดาวหรือ Transmission Spectrum ในช่วงความยาวคลื่น 0.6–5.2 ไมครอน จากการสังเกตสอง Transit ของ TRAPPIST-1 d ข้อได้เปรียบของการทำงานในย่านอินฟราเรดคือ James Webb สามารถตรวจจับโมเลกุลหลักในบรรยากาศโลกได้ เช่น CH4, H2O, CO2, CO และ SO2 แต่ในกรณีนี้ สิ่งที่เจอกลับเป็น “ความว่างเปล่า” ไม่มีทั้งร่องรอยการดูดกลืนของโมเลกุล หรือแม้แต่ Slope จาก Haze
เบื้องหลังการวิเคราะห์ไม่ง่ายเลย เพราะดาวแม่ TRAPPIST-1 เองมี “Heterogeneities” หรือ ความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวหรือบรรยากาศของดาวแม่ ที่ทำให้ความสว่างและสเปกตรัมของแสงที่เรารับได้เปลี่ยนไปจาก “ค่าเฉลี่ยปกติ” บนผิว บริเวณที่สว่างกว่าปกติและไม่ได้ถูกดาวเคราะห์บัง ทำให้เกิดความชันในสเปกตรัมถึง 500–1000 ppm ต่างกันในแต่ละรอบการสังเกต ทีมจึงต้องแก้สัญญาณรบกวนนี้ด้วยการเทียบกับสเปกตรัมนอกการ Transit เพื่อให้มั่นใจว่าข้อมูลที่เหลือสะท้อนคุณสมบัติของดาวเคราะห์จริง ๆ หลังแก้ไขแล้ว สเปกตรัมของ TRAPPIST-1 d ออกมา “แบน” ในระดับบวกลบประมาณ 100–150 ppm ซึ่งเพียงพอจะตัดความเป็นไปได้ของบรรยากาศไฮโดรเจนครอง (ที่เรียกว่า Clear H2 Dominated) ด้วยความมั่นใจสูงกว่า 3 Sigma และยังปฏิเสธโมเดลบรรยากาศที่มีมวลโมเลกุลเฉลี่ยสูงหลายแบบ เช่น โลกยุค Archean ไร้เมฆ โลกปัจจุบันไร้เมฆ ดาวศุกร์ไร้เมฆ ดาวอังคารยุคต้น และ Titan ที่ไม่มี Haze ด้วยความมั่นใจเกิน 95%
แปลตรงไปตรงมาคือ TRAPPIST-1 d ไม่ได้มีบรรยากาศหนาและใสที่ James Webb จะจับได้ หากมันมีบรรยากาศอยู่จริง ก็ต้องบางมากแบบดาวอังคาร หรือมีกลุ่มละอองลอยหรือ Aerosols สูง ๆ บังการดูดกลืนโมเลกุลไว้ คล้ายดาวศุกร์ เพียงแต่โมเดลสภาพอากาศ 3 มิติ คาดว่า ถ้ามีบรรยากาศน้ำอยู่ อาจเกิดการก่อตัวของเมฆน้ำบริเวณ Terminator ซึ่งคือเส้นแบ่งกลางวัน-กลางคืนของดาว ข้อสรุปอีกด้านคือ หากดาวดวงนี้ไร้บรรยากาศจริง แบบจำลองการก่อกำเนิดและวิวัฒนาการบอกว่าดาว b, c และ d ในระบบนี้น่าจะเกิดมาพร้อมน้ำไม่เกิน 4 เท่าของมหาสมุทรของโลก ซึ่งมีนัยสำคัญต่อการประเมินความสามารถในการกักเก็บน้ำและบรรยากาศของดาวหินรอบแคระแดง
ด้านบนนี้คือภาพที่แสดง สเปกตรัมการ Transit ของ TRAPPIST-1 d ที่ได้จากการรวมข้อมูลสองครั้งสังเกตหลังจากแก้ผลกระทบจาก Stellar Contamination แล้ว โดยจุดสีดำคือค่าที่วัดได้จริง และเส้นโค้งสีต่าง ๆ คือโมเดลจำลองสเปกตรัมของบรรยากาศสมมติที่มีความดันผิว 1 บาร์และประกอบด้วยก๊าซเพียงชนิดเดียว 100% เช่น CH4, CO, H2O, NH3, CO2 หรือ SO2 รวมถึงโมเดลบรรยากาศแบบ Solar-Composition ที่ไม่มีเมฆซึ่งถูกปรับความละเอียดให้เท่ากับการสังเกตจริงที่ R=100 เพื่อให้เปรียบเทียบกันได้
ส่วนด้านล่างของภาพคือ การแจกแจงความน่าจะเป็น Posterior Distributions ของความดันผิวที่สอดคล้องกับข้อมูลสำหรับบรรยากาศแต่ละชนิด โดยเส้นประตั้งแสดงตำแหน่งของบรรยากาศความดัน 1 บาร์เพื่อเป็นจุดอ้างอิง และในกรณี 100% ของ CO2 ยังมีเส้นประจุดหรือ Dotted Line แสดง Refraction Limit ของบรรยากาศที่มีความดัน 10 บาร์อีกด้วย การเปรียบเทียบนี้ช่วยให้เห็นว่าข้อมูลจาก Webb สามารถตัดความเป็นไปได้ของบรรยากาศหนาแบบชัดเจนได้อย่างไร และจำกัดช่วงค่าความดันผิวของก๊าซต่าง ๆ ได้แคบลงมาก
การที่ TRAPPIST-1 d อาจสูญเสียบรรยากาศไปแล้วก็ไม่น่าประหลาดใจนัก เพราะดาวแม่เป็นแคระแดงที่ปล่อยการปะทุพลังงานสูงบ่อยครั้ง มีพลังมากพอจะค่อย ๆ ลอกชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่โคจรใกล้ออกไป แต่เรื่องนี้ก็ยิ่งเพิ่มความสำคัญให้กับการศึกษาดาวพี่น้องอย่าง TRAPPIST-1 e, f และ g ซึ่งอยู่ลึกเข้าไปในเขตเอื้ออาศัยได้และได้รับรังสีรุนแรงน้อยกว่า แม้การตรวจจับชั้นบรรยากาศบนดาวที่เย็นกว่าจะยากขึ้นเพราะสัญญาณอ่อนลง แต่หากพบว่ามีบรรยากาศอยู่จริง ก็จะเป็นหลักฐานชิ้นสำคัญว่าดาวรอบแคระแดงยังมีโอกาสรักษาสภาพที่เหมาะสมต่อการอยู่อาศัยได้
ก่อนหน้านี้ระบบ TRAPPIST ถือว่าเป็นที่สนใจอย่างมากเหมือนที่เราเล่าไปในบทความ ข้อมูลใหม่พบดาวเคราะห์ทั้ง 7 ใน TRAPPIST-1 อาจมีส่วนประกอบเหมือนกันหมด แต่อย่าลืมว่าการเข้ามาของ James Webb นั้นคือตัวเปลี่ยนเกมอย่างมาก เพราะนี่เป็นครั้งแรกที่เรามีเครื่องมือที่ไวพอจะ “ส่องทะลุ” ไปถึงชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ขนาดใกล้เคียงโลกในระบบที่อยู่ห่างออกไปหลายสิบปีแสงได้จริง ๆ และแยกแยะได้ว่าข้อมูลไหนมาจากดาวเคราะห์ ข้อมูลไหนเป็นเสียงรบกวนจากดาวแม่ การที่ Webb สามารถตัดโมเดลบรรยากาศหลายแบบทิ้งไปได้ในแค่สองทรานซิตของ TRAPPIST-1 d ไม่ได้เป็นเพียงการลดจำนวน “ผู้ต้องสงสัย” ในการล่าหาแฝดโลก แต่ยังเป็นการวางมาตรฐานใหม่ให้การสำรวจโลกนอกระบบว่าเราต้องมองละเอียดระดับร้อย ppm และแก้ Stellar Contamination ให้ได้ก่อนจึงจะสรุปอะไรได้
งานนี้อาจจะทำให้ชื่อของ TRAPPIST-1 d หลุดจากกลุ่มตัวเต็ง แต่สิ่งที่เราได้กลับมาคือบทเรียนและเทคนิคที่จะทำให้การค้นหาดาวที่อาจอยู่อาศัยได้ในอนาคต แม่นยำและเฉียบคมกว่าที่เคยเป็นมา
เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co
