ดาวฤกษ์ทุกดวงมีดาวเคราะห์อย่างน้อยหนึ่งดวง

หลังจากการดูดาวมากกว่า 100,000 ดวงในแต่ละครั้ง โดยมองหาการเคลื่อนผ่านของดาวเคราะห์

ภารกิจเคปเลอร์ก็ได้ข้อสรุปที่น่าตกใจ: ดาวฤกษ์ทุกดวงมีดาวเคราะห์อย่างน้อยหนึ่งดวง แต่เมื่อพิจารณาอย่างละเอียดถี่ถ้วนถึงข้อมูลว่ามีดาวเคราะห์อยู่บ้าง แสดงให้เห็นบางสิ่งที่น่าตกใจ จากดาวเคราะห์นอกระบบกว่า 5,000 ดวงแรกที่ค้นพบ 99.9% ของพวกมันถูกพบรอบๆ ดาวฤกษ์ที่อุดมด้วยโลหะ ดาวโลหะยากจนนั้นปราศจากดาวเคราะห์อย่างท่วมท้น สิ่งนี้บอกเราว่าดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในจักรวาลไม่เคยมีดาวเคราะห์ และต้องใช้เวลาหลายพันล้านปีในการวิวัฒนาการของจักรวาลสำหรับดาวเคราะห์ที่เป็นหินและมีโอกาสอาศัยอยู่ได้ทั้งหมด

เมื่อ 30 ปีที่แล้วมนุษยชาติได้ค้นพบดาวเคราะห์ดวงแรกของเราที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์ ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะดวงแรกเหล่านี้ ซึ่งปัจจุบันเรียกรวมกันว่าดาวเคราะห์นอกระบบ มีความผิดปกติเมื่อเทียบกับที่พบในระบบสุริยะของเรา: พวกมันมีขนาดเท่าดาวพฤหัสบดี แต่ตั้งอยู่ใกล้กับดาวฤกษ์แม่มากกว่าดาวพุธ “ดาวพฤหัสร้อน” เหล่านี้เป็นเพียงส่วนเล็กๆ ของภูเขาน้ำแข็ง เนื่องจากพวกมันเป็นเพียงส่วนแรกเท่านั้นที่เทคโนโลยีการตรวจจับของเราเริ่มอ่อนไหว

เรื่องราวทั้งหมดเปลี่ยนไปเมื่อ 10 กว่าปีที่แล้ว ด้วยการเปิดตัวภารกิจเคปเลอร์ของนาซ่า ออกแบบมาเพื่อวัดดาวมากกว่า 100,000 ดวงพร้อมกันโดยมองหาสัญญาณการเคลื่อนตัว ซึ่งแสงจากดาวฤกษ์แม่ถูกปิดกั้นบางส่วนเป็นระยะ โดยดาวเคราะห์ที่โคจรผ่านดิสก์ของมัน เคปเลอร์ค้นพบบางสิ่งที่น่าอัศจรรย์ ตามความน่าจะเป็นทางสถิติที่จะถูกจัดเรียงอย่างบังเอิญกับเรขาคณิตของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ของมัน มันหาค่าเฉลี่ยเพื่อให้ดาวฤกษ์ทุกดวง (ระหว่าง 80-100%) ควรมีดาวเคราะห์

เมื่อไม่กี่เดือนก่อน เราผ่านขั้นตอนสำคัญในการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบ: ปัจจุบันรู้จักดาวเคราะห์นอกระบบมากกว่า 5,000 ดวงที่ได้รับการยืนยัน แล้ว แต่น่าประหลาดใจที่การมองดูดาวเคราะห์นอกระบบที่รู้จักอย่างใกล้ชิดเผยให้เห็นข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: เราอาจ ประเมินค่า ของดาวฤกษ์ที่มีดาวเคราะห์ มาก เกินไป อย่างมากมาย นี่คือเรื่องราวของจักรวาลว่าทำไม

มีดาวเคราะห์กี่ดวงหากเราต้องการทราบว่ามีดาวเคราะห์กี่ดวงในจักรวาล วิธีหนึ่งในการประมาณค่าดังกล่าวคือการตรวจจับดาวเคราะห์จนถึงขีดจำกัดความสามารถของหอดูดาว จากนั้นให้คาดการณ์ว่าจะมีดาวเคราะห์กี่ดวงถ้าเราพิจารณาอย่างไร้ขีดจำกัด หอดูดาว แม้ว่าจะมีความไม่แน่นอนอยู่มากมาย แต่เราสามารถพูดได้อย่างปลอดภัยในวันนี้ว่าจำนวนดาวเคราะห์เฉลี่ยต่อดาวมากกว่า 1 ดวง( เครดิต : ESO/M. Kornmesser)

ตามทฤษฎีแล้ว มีเพียงสองสถานการณ์ที่ทราบว่าสามารถสร้างดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ได้ ทั้งคู่เริ่มต้นในลักษณะเดียวกัน: กลุ่มเมฆโมเลกุลของก๊าซหดตัวและเย็นตัวลง และบริเวณที่มีความหนาแน่นเกินในขั้นต้นเริ่มดึงดูดสิ่งรอบข้างมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ไม่ว่าความหนาแน่นส่วนเกินใดก็ตามที่มีมวลมากที่สุดจะเริ่มก่อตัวเป็นดาวฤกษ์โปรโตอย่างรวดเร็วที่สุด และสภาพแวดล้อมรอบดาวฤกษ์โปรโตนั้นจะสร้างสิ่งที่เราเรียกว่าดิสก์รอบดาวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

จากนั้นดิสก์นี้จะพัฒนาความไม่สมบูรณ์ของแรงโน้มถ่วงภายใน และความไม่สมบูรณ์เหล่านั้นจะพยายามเติบโตผ่านแรงโน้มถ่วง ในขณะที่แรงจากวัตถุรอบข้าง การแผ่รังสีและลมจากดาวฤกษ์และดาวฤกษ์โปรโตที่อยู่ใกล้เคียง และปฏิสัมพันธ์กับดาวเคราะห์ในกำเนิดอื่น ๆ จะทำงานต่อต้านการเติบโตของพวกมัน . สองวิธีที่ดาวเคราะห์สามารถก่อตัวขึ้นได้ ตามเงื่อนไขเหล่านี้มีดังนี้

ท่องจักรวาลไปกับ Ethan Siegel นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ สมาชิกจะได้รับจดหมายข่าวทุกวันเสาร์ ทั้งหมดบนเรือ!
ช่องที่มีเครื่องหมาย*เป็นช่องที่ต้องกรอกอีเมล

สถานการณ์การรวมตัวของแกนกลาง โดยที่แกนกลางของธาตุหนักที่มีมวลมากพอ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยหินและโลหะ สามารถก่อตัวขึ้นได้ โดยที่ส่วนที่เหลือของดาวเคราะห์ ซึ่งรวมถึงธาตุแสงและวัสดุคล้ายดาวหาง สามารถสะสมรอบๆ ดาวเคราะห์ดวงนั้นได้
สถานการณ์ ความไม่เสถียรของดิสก์ซึ่งห่างไกลจากดาวฤกษ์แม่ สสารจะเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วและแตกเป็นเสี่ยง นำไปสู่การยุบตัวอย่างรวดเร็วในดาวเคราะห์ขนาดยักษ์

จากการจำลองการก่อตัวของดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์ กลุ่มสสารที่ไม่สมมาตรจะหดตัวจนสุดในมิติเดียวก่อน จากนั้นจึงเริ่มหมุน “ระนาบ” นั้นคือที่ที่ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้น โดยกระบวนการนั้นทำซ้ำตัวเองในระดับที่เล็กกว่ารอบดาวเคราะห์ยักษ์: ก่อตัวเป็นจานวนรอบดาวเคราะห์ที่นำไปสู่ระบบดวงจันทร์

(เครดิต: STScl OPO – C. Burrows และ J. Krist (STScl), K. Stabelfeldt (JPL) และ NASA)ดาวเคราะห์เกือบทั้งหมดที่เราค้นพบนั้นสอดคล้องกับสถานการณ์การรวมตัวของแกนกลางเท่านั้น แต่มีดาวเคราะห์นอกระบบขนาดยักษ์สองสามดวง ซึ่งส่วนใหญ่ค้นพบไกลจากดาวฤกษ์แม่ของพวกมันด้วยเทคนิคการถ่ายภาพโดยตรง ซึ่งความไม่แน่นอนของดิสก์ยังคงมีความเป็นไปได้สูง ถูกสร้างขึ้น

สถานการณ์ความไม่เสถียรของดิสก์ได้เพิ่มขึ้นอย่างมากในต้นปี 2565 เมื่อทีมพบดาวเคราะห์นอกระบบที่ก่อตัวใหม่ในระบบดาวเคราะห์น้อยที่มีระยะห่างมากกว่าดวงอาทิตย์ถึงเนปจูนถึงสามเท่า ยิ่งไปกว่านั้น: พวกมันสามารถเห็นได้อย่างแม่นยำว่าความยาวคลื่นใดและที่ไหน เมื่อเทียบกับความไม่แน่นอนในดิสก์ก่อกำเนิดดาวเคราะห์ ตัวดาวเคราะห์เองก็ปรากฏตัวขึ้น

สิ่งนี้เกิดขึ้นที่รัศมีขนาดใหญ่จากดาวฤกษ์แม่ และเกินกว่ารัศมีที่กระบวนการเพิ่มมวลแกนกลางสามารถอธิบายการก่อตัวของดาวเคราะห์มวลมากดังกล่าวได้ในช่วงต้นของวัฏจักรชีวิตของระบบดาว ที่มันสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านความไม่แน่นอนของดิสก์ สถานการณ์ ตอนนี้เราเชื่อว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ส่วนใหญ่ก่อตัวขึ้นในระยะทางที่ไกลมากจากดาวฤกษ์แม่ของพวกมันน่าจะก่อตัวขึ้นจากสถานการณ์ความไม่เสถียรของดิสก์ ในขณะที่ดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้ๆ จะต้องก่อตัวขึ้นจากสถานการณ์การรวมตัวของแกนกลาง

จานฝุ่นของวัตถุก่อกำเนิดดาวเคราะห์ (สีแดง) ล้อมรอบระบบดาวชั้นใน (สีน้ำเงิน) รอบดาวอายุน้อย AB Aurigae (ดาวสีเหลือง) โดยมีดาวเคราะห์ดวงหนึ่งปรากฏอยู่ในตำแหน่งที่ระบุโดยลูกศรสีเขียว ออบเจ็กต์นี้มีคุณสมบัติที่ทำให้ไม่เข้ากันกับสถานการณ์จำลองการเพิ่มแกนมาตรฐาน( เครดิต : T. Currie et al., ดาราศาสตร์ธรรมชาติ, 2022)

เป็นเพราะสิ่งที่เราอ่อนไหวที่สุดเท่านั้น – การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในการเคลื่อนที่ที่ชัดเจนของดาวฤกษ์แม่หรือความสว่างที่เห็นได้ชัดในช่วงเวลาสั้น ๆ – ที่ดาวเคราะห์ส่วนใหญ่ที่เราพบต้องเกิดขึ้นจากการเพิ่มแกนกลาง ความจริงก็คือเราไม่มีข้อมูลเพียงพอที่จะระบุดาวเคราะห์ขนาดดาวพฤหัสบดีส่วนใหญ่อย่างท่วมท้นในระยะทางที่ไกลมากจากดาวฤกษ์แม่ของพวกมัน นี่อาจเป็นอะไรบางอย่าง เนื่องจากความสามารถทางโคโรนากราฟิกของหอสังเกตการณ์ใหม่ เช่น JWST และกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินขนาดสามสิบเมตรที่อยู่ระหว่างการก่อสร้างในขณะนี้บนโลก ซึ่งจะได้รับการแก้ไขในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า

สถานการณ์ความไม่เสถียรของดิสก์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนธาตุหนักที่มีอยู่เพื่อสร้างแกนหินและโลหะสำหรับดาวเคราะห์ ดังนั้นเราจึงสามารถคาดหวังได้อย่างเต็มที่ในระยะทางที่กว้างมากจากดาวฤกษ์เพื่อค้นหาดาวเคราะห์จำนวนเท่ากันโดยไม่คำนึงถึง ของธาตุหนักที่มีอยู่มากมายในระบบดาวนั้น

แต่สำหรับสถานการณ์การรวมตัวของแกนกลางซึ่งควรจะนำไปใช้กับดาวเคราะห์ทุกดวงที่พบว่ามีคาบการโคจรตั้งแต่ชั่วโมงจนถึงสองสามปีโลก ควรมีขีดจำกัด เฉพาะดาวฤกษ์ที่มีดิสก์รอบดาวซึ่งมีธรณีประตูที่สำคัญของธาตุหนักเป็นอย่างน้อยเท่านั้นที่จะสามารถสร้างดาวเคราะห์ผ่านการรวมตัวของแกนกลางได้

ดาวเคราะห์นอกระบบ 5,000 ดวงมวล ระยะเวลา และวิธีการค้นพบ/การวัดที่ใช้ในการกำหนดคุณสมบัติของดาวเคราะห์นอกระบบ 5000+ ดวงแรก (ในทางเทคนิค 5005) ที่เคยค้นพบ แม้ว่าจะมีดาวเคราะห์ทุกขนาดและทุกช่วงเวลา แต่ปัจจุบันเรามีความเอนเอียงไปยังดาวเคราะห์ที่ใหญ่กว่าและหนักกว่าที่โคจรรอบดาวฤกษ์ขนาดเล็กกว่าในระยะทางโคจรที่สั้นกว่า ดาวเคราะห์ชั้นนอกในระบบดาวส่วนใหญ่ส่วนใหญ่ยังไม่ถูกค้นพบ แต่ดาวเคราะห์ที่ค้นพบส่วนใหญ่ผ่านการถ่ายภาพโดยตรงนั้นยากจะอธิบายด้วยสถานการณ์การรวมตัวของแกนกลาง

( เครดิต : NASA/JPL-Caltech/NASA Exoplanet Archive)นี่คือการตระหนักรู้โดยปริยายพร้อมความหมายอันกว้างไกล เมื่อจักรวาลเริ่มต้นขึ้นเมื่อประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อนด้วยการเริ่มต้นของบิ๊กแบงที่ร้อนแรง มันก่อตัวนิวเคลียสของอะตอมที่เร็วที่สุดอย่างรวดเร็วผ่านกระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันที่เกิดขึ้นในช่วง 3-4 นาทีแรกเหล่านั้น ในอีกไม่กี่แสนปีข้างหน้า มันยังร้อนเกินไปที่จะก่อตัวเป็นอะตอมที่เป็นกลาง แต่เย็นเกินไปสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันอีก อย่างไรก็ตาม การสลายตัวของกัมมันตภาพรังสียังคงเกิดขึ้นได้ ซึ่งทำให้ไอโซโทปที่ไม่เสถียรที่มีอยู่ยุติลง รวมทั้งไอโซโทปและเบริลเลียมทั้งหมดของจักรวาล

เมื่ออะตอมที่เป็นกลางก่อตัวขึ้น เราก็ได้จักรวาลที่ประกอบด้วยมวล:

ไฮโดรเจน 75%
25% ฮีเลียม-4,
~ 0.01% ดิวเทอเรียม (ไอโซโทปหนักของไฮโดรเจนที่เสถียร)
~0.01% ฮีเลียม-3 (ไอโซโทปเบาของฮีเลียมที่เสถียร)
และ ~0.0000001% ลิเธียม-7

องค์ประกอบสุดท้ายนั้น — ลิเธียมจำนวนเล็กน้อยในจักรวาล — เป็นองค์ประกอบเดียวที่จัดอยู่ในหมวดหมู่ “หินและโลหะ” ด้วยเอกภพเพียงหนึ่งในพันล้านที่สร้างจากสิ่งอื่นที่ไม่ใช่ไฮโดรเจนหรือฮีเลียม เราจึงมั่นใจได้ว่าดาวดวงแรกสุดซึ่งสร้างจากวัสดุบริสุทธิ์ที่หลงเหลือจากบิกแบงนี้ไม่สามารถทำได้ ได้ก่อตัวดาวเคราะห์ใด ๆ ผ่านการรวมตัวของแกนกลาง

 

 

Releated