เราหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะอย่างไร รวม 5 วิธีที่นักดาราศาสตร์ใช้



ดาวฤกษ์แต่ละดวงที่เราเห็นอยู่บนท้องฟ้านั้น อาจจะมีดาวเคราะห์ดวงเล็ก ๆ โคจรอยู่รอบ ๆ มันในระยะที่ไม่ใกล้ไม่ไกลมาก การที่เราจะตรวจสอบการมีอยู่ของดาวเคราะห์ดวงนั้นอาจจะดูฟังเป็นเรื่องที่ยากมากเกินกว่าใครจะทำได้ แต่ในปัจจุบันนี้นักดาราศาสตร์ ก็ได้นำเทคโนโลยีต่าง ๆ เข้ามาใช้ให้เกิดประโยชน์ขึ้น

กาลเวลาหมุนแปรผันเปลี่ยนไป เทคโนโลยีที่เราใช้ตรวจวัดความผิดปกติรอบ ๆ ดาวฤกษ์ที่อยู่ไกลจากเราหลายปีแสงก็ถูกปรับเปลี่ยนให้ใช้งานได้ง่ายมากขึ้น วิเคราะห์ข้อมูลได้ง่ายมากยิ่งขึ้น ทำให้เราได้ค้นพบอะไรใหม่ ๆ มากขึ้น โดยเฉพาะดาวเคราะห์นอกระบบ

เทคโนโลยีที่นักดาราศาสตร์มักใช้ในการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบมีอยู่หลากหลายวิธีการ ไปทำความรู้จักกับเทคโนโลยีนั้นกัน

Radial Velocity วิธีการแรกที่ใช้งานได้สำเร็จ

วิธีการที่เรียกว่า Radial Velocity หรือรู้จักกันในอีกชื่อหนึ่งว่า Doppler spectroscopy เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ ถ้าเทียบกับเทคโนโลยีที่มีอยู่ตอนนี้

วิธีนี้ใช้การ วัดความเร็วในแนวเล็ง โดยอาศัยข้อเท็จจริงที่ว่า ดาวฤกษ์ซึ่งมีดาวเคราะห์บริวารจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมเล็ก ๆ หรืออาจจะเป็นวงรีเล็ก ๆ ซึ่งเป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ แต่ในที่นี้เราจะเน้นศึกษาตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของความเร็วของดาวฤกษ์ว่าเคลื่อนที่เข้าหาหรือกำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากโลก โดยสามารถคำนวณได้จากการเปลี่ยนแปลงของเส้นสเปกตรัมของดาวฤกษ์ อันเป็นผลจากปรากฏการณ์ดอพเพลอร์

นักดาราศาสตร์สามารถตรวจวัดหาดาวเคราะห์ที่กำลังโคจรอยู่รอบ ๆ ดาวฤกษ์ดวงนั้นได้จากการตรวจสอบสเปกตรัมที่เกิดการเลื่อนไปทางแดงและทางน้ำเงินสลับกันไปมาอย่างคงที่หลายครั้ง

HARPS กล้องโทรทรรศน์ขนาด 3.6 เมตรของหอดูดาวท้องฟ้าซีกใต้แห่งยุโรปที่ลาซีญา ประเทศชิลี ที่มา – S. Brunier/ESO

ซึ่งการตรวจสอบโดยวิธีการนี้ควรใช้สเปกโตรมิเตอร์ที่ทันสมัย ที่ติดตั้งใน HARPS กล้องโทรทรรศน์ขนาด 3.6 เมตรของหอดูดาวท้องฟ้าซีกใต้แห่งยุโรปที่ลาซีญา ประเทศชิลี ซึ่งดาวเคราะห์นอกระบบส่วนใหญ่ก็ถูกค้นพบด้วยกล้องตัวนี้

ข้อเสียของวิธีการ Radial Velocity 

  • ไม่สามารถบอกมวลของดาวเคราะห์ได้ แต่สามารถให้ค่าประมาณมวลขั้นต่ำของดาวเคราะห์ดวงนั้นได้ ซึ่งนี้เป็นปัญหาหลักของนักดาราศาสตร์ในการแบ่งแยกระหว่างดาวเคราะห์ หรือ ดาวฤกษ์ที่มีขนาดเล็กนั้นเอง
  • วิธีนี้จะไม่เป็นปัญหา ถ้าการปรากฎของระนาบโคจรของดาวเคราะห์ที่มองจากโลกออกไปเป็นแบบ edge-on หรือแบบด้านข้าง

Transit Photometry เคลื่อนที่ผ่านหน้า

วิธีการนี้ไม่ได้ยุ่งยากซับซ้อนอะไรมากมาย เราสามารถใช้กล้องโทรทรรศน์ลิเวอร์พูล ในการตรวจสอบหาดาวเคราะห์นอกระบบด้วยวิธีการนี้ได้เลย หัวใจของวิธีการนี้ก็คือการตรวจสอบการลดลงของแสงที่เกิดจากการผ่านหน้าของดาวเคราะห์เป็นรอบ ๆ เท่านั้นเอง หากดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่มาก เวลาโคจรผ่านหน้าดาวฤกษ์ก็อาจจะทำให้แสงของดาวฤกษ์นั้นลดลงไปได้ถึง 2% เลยด้วยซ้ำ

การเกิดปรากฎการณ์ Transit Photometry ที่มา – NASA, ESA, G. Bacon (STSci)

การลดลงของแสงนั้นจะทำให้เราทราบอัตราส่วนระหว่างดาวเคราะห์และดาวฤกษ์ และทำให้เราสามารถทราบขนาดดาวฤกษ์ดวงนั้นได้จากการวัดสเปกตรัมแสง และสามารถทราบถึงคาบการโคจรของดาวเคราะห์ดวงนั้นจากการลดลงของแสงได้ และวิธีนี้ยังสามารถให้ค่าประมาณมวลของดาวเคราะห์ที่กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์ได้อีกด้วย

การวัดแบบ Transit Photometry เป็นวิธีที่กล้องอวกาศ Kepler ได้นำมาใช้ในการตรวจสอบหาดาวเคราะห์นอกระบบ ซึ่งมันก็ได้ตรวจพบดาวเคราะห์นอกระบบจำนวนมากและยังตรวจพบดาวเคราะห์ที่มีขนาดใกล้เคียงกับโลกของเราอยู่มากมาย และดาวเคราะห์นอกระบบส่วนใหญ่มักถูกค้นพบด้วยวิธีการนี้

ข้อเสียของวิธีการ Transit Photometry

  • การที่จะใช้วิธีนี้ได้นั้น ดาวเคราะห์จะต้องเคลื่อนที่ผ่านหน้าดาวฤกษ์โดยตรงเท่านั้น ซึ่งมันก็แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่เราจะสังเกตเห็นจากโลก
  • การเคลื่อนที่ผ่านหน้าของดาวเคราะห์อาจจะใช้เวลานานมาก ในการเคลื่อนที่ครบรอบหนึ่งรอบ ซึ่งอาจจะนานเทียบเท่ากับคนหนึ่งช่วงชีวิตเลยก็เป็นได้

Microlensing ปรากฎการณ์เลนส์ความโน้มถ่วง

วิธีการตรวจสอบแบบ Microlensing เป็นการตรวจหาดาวเคราะห์ที่ห่างไกลออกไปจากเรานับพันปีแสง ซึ่งแตกต่างจากวิธีแบบ Radial Velocity และแบบ Transit Photometry ซึ่งสองวิธีนี้เป็นการตรวจสอบหาดาวเคราะห์นอกระบบที่อยู่ในระยะไม่เกิน 100 ปีแสงจากโลก

วิธีการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบด้วยวิธีการ Microlensing ที่มา – OGLE

วิธีการนี้เป็นผลพลอยได้จากทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ นั้นก็คือเมื่อมีแสงเล็ดลอดออกมาจากดาวฤกษ์ดวงหนึ่งผ่านไปใกล้ดาวฤกษ์อีกดวงหนึ่งบนทางที่ผู้สังเกตมองจากโลกออกไป จะมีการเบี่ยงเบนของแสงเนื่องมาจากสนามแรงโน้มถ่วง ทำให้เกิดภาพที่บิดเบี้ยวไปในการสังเกตการณ์อย่างมีนัยสำคัญ

การสังเกตโดยวิธีการ Microlensing นี้ นักดาราศาสตร์ไม่ต้องคำนึงถึงแสงที่ปล่อยออกมาจากดาวฤกษ์ รังสีที่ปล่อยออกมา เทคนิคนี้จึงเป็นเทคนิคในอุดมคติสำหรับใช้ศึกษาประชากรของดาราจักรที่จางแสงมาก ๆ ยกตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์นอกระบบ หลุมดำ เป็นต้น

ข้อเสียของวิธีการ Microlensing

  • เกิดขึ้นครั้งเดียวและหาได้ยาก ต้องให้คุ้กกี้ทำนายกัน
  • อาจจะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนทางระยะทางในหลักพัน ๆ ปีแสงได้เพราะตรวจวัดในระยะทางที่ไกลออกไปหลายพันปีแสง

Astrometry อนาคตของการล่าดาวเคราะห์นอกระบบ

วิธีการ Astronometry เป็นวิธีการสำคัญในการตรวจสอบหาดาวเคราะห์นอกระบบ และใช้ได้ดีเมื่อระบบดาวนั้นหันด้านหน้าเข้าหาเรา (face-on) และดาวเคราะห์ที่กำลังโคจรรอบดาวฤกษ์นั้นมีมวลมากพอ เพียงแค่ดาวเคราะห์เคลื่อนที่เพียงเล็กน้อยก็ทำให้เราสามารถตรวจพบได้แล้ว

วิธีการตรวจสอบแบบ Astrometry ที่มา – Wikiwand

มันสามารถตรวจจับดาวเคราะห์ที่มีคาบการโคจรนาน ๆ ได้อย่างง่าย ๆ ในขณะที่วิธีการ Transit Photometry ทำไม่ได้ และยังสามารถตรวจจับดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่โคจรรอบดาวฤกษ์ในระยะไกล ๆ ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับนักดาราศาสตร์ที่ต้องการหาดาวเคราะห์นอกระบบที่มีขนาดคล้ายคลึงกับโลกของเรามากกว่า

ข้อเสียของวิธีการ Astrometery

  • ต้องใช้ความแม่นยำสูงมาก
  • เป็นวิธีที่มีประโยชน์มากสำหรับการตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบในพื้นที่ใกล้เคียง แต่วิธีนี้จะมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่อนำไปใช้กับวัตถุที่ห่างไกลมากขึ้น

Direct Imaging การถ่ายภาพโดยตรง

วิธีการถ่ายภาพโดยตรง หรือ Direct Imaging นี้เป็นวิธีการที่เราจะถ่ายภาพดาวเคราะห์ที่กำลังสะท้อนแสงจากดาวฤกษ์ดวงแม่ที่มันกำลังโคจรอยู่รอบ ๆ ซึ่งจัดเป็นวิธีการที่ค่อนข้างจะทำยากพอสมควรเลยทีเดียว

ดาวฤกษ์มักจะมีความสว่างมากกว่าดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่หลายเท่า ดังนั้น ดาวเคราะห์จะถูกแสงจากดาวฤกษ์ดวงแม่กลบได้ คล้าย ๆ กับกรณีที่แสงเทียนไปอยู่ใกล้ ๆ กับหลอดไฟสปอตไลท์ที่สว่างกว่ามากก็จะถูกแสงจากสปอตไลท์กลบหมด นอกจากนั้นระยะห่างระหว่างดาวฤกษ์และดาวเคราะห์ก็มีผลในการถ่ายภาพโดยตรงเช่นกัน

ภาพถ่ายโดยตรง ของดาวเคราะห์นอกระบบที่กำลังโคจร รอบดาว 2M1207.ที่มา – NaCo, VLT, ESO

นักดาราศาสตร์ได้พัฒนาอุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อที่จะลดความแตกต่างระหว่างความสว่างของดาวฤกษ์ดวงแม่กับดาวเคราะห์ ที่เป็นผลมาจากการที่ดาวเคราะห์โคจรใกล้กับดาวฤกษ์มากเกินไป เทคโนโลยีนั้นก็คือ “โคโรนากราฟ” (Coronagraph) ซึ่งมันเป็นหน้ากากสำหรับบังแสงจากดาวฤกษ์ดวงแม่ รวมถึงพัฒนาเทคนิคการลดผลกระทบจากความแปรปรวนในชั้นบรรยากาศโลกอีกด้วย

ข้อเสียของวิธีการ Direct Imaging 

  • มีโอกาสได้ถ่ายยากมาก เนื่องจากการโคจรของดาวเคราะห์

จะเห็นได้ว่าวิธีการสำรวจและค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบนั้นมีอยู่หลากหลายวิธีด้วยกัน ซึ่งในแต่ละวิธีก็มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันออกไป นักดาราศาสตร์จึงเลือกใช้วิธีที่ดีที่สุด ณ สถานการณ์ตอนนั้นและอาจจะใช้อีกวิธีมาช่วยในการศึกษาควบคู่กันไปเพื่อให้เกิดผลลัพธ์หรือข้อสรุปที่ดีที่สุด ภายในอนาคตอาจจะมีการปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงให้มีประสิทธิภาพที่ดีมากขึ้น เพื่อที่จะได้นำมาปรับใช้ในการสำรวจหาดาวเคราะห์นอกระบบให้ได้อย่างแม่นยำมากขึ้น

 

อ้างอิง

5 Ways to find a planet | NASA

How to Search for Exoplanets | The Planetary