แม้ดวงดาวจะอยู่ไกลหลายปีแสง เราก็รู้องค์ประกอบทั้งหมดได้ด้วย Spectroscopy

ปัจจุบันนักดาราศาสตร์ค้นพบดาวเคราะห์คล้ายโลกนอกระบบสุริยะเพิ่มขึ้นมากมาย แต่คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่านักดาราศาสตร์ทราบถึงองค์ประกอบของดาวเคราะห์เหล่านั้นได้อย่างไร เพราะดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดยังอยู่ห่างไกลถึง 4 ปีแสง (1 ปีแสง เท่ากับ 9.46 ล้านล้านกิโลเมตร) ในบทความนี้จะพาคุณไปหาคำตอบของเทคนิคลับที่น่าสนใจนี้กัน

เริ่มต้นจากการสังเกต

ในอดีตที่มนุษย์ยังไม่มีอุปกรณ์ช่วยในการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ จึงต้องอาศัยดวงตาที่มองไปยังดวงดาวโดยตรง เพื่อคาดการณ์ความเป็นไปได้ในองค์ประกอบขอดาวดวงนั้น ทั้งนี้ ดาวดวงที่อยู่ใกล้โลกมากที่สุดที่มนุษย์สามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจนนั้น คือ ดวงจันทร์ ในสมัยก่อนจึงมีการคาดการณ์กันไปต่าง ๆ นานาถึงองค์ประกอบบนพื้นผิวของดวงจันทร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเชื่อที่ว่า ดวงจันทร์มีทะเล !! อยู่ในพื้นที่ที่เป็นปื้นสีดำ (ซึ่งปื้นดำนั้นมีรูปร่างเหมือน “กระต่าย”) 

ในช่วงเวลาถัดมามนุษย์ได้ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ขึ้น ทำให้ทราบได้ว่าพื้นผิวของดวงจันทร์มิได้มีผืนทะเลอย่างที่คาดการณ์กันไว้ หากแต่เต็มไปด้วยหลุมบ่อจากการโดนอุกกาบาตพุ่งชน แต่นั่นก็ไม่ได้ทำให้นักดาราศาสตร์หมดหวังในการตามหาดาวเคราะห์ที่คล้ายคลึงกับโลก และเชื่อมั่นว่าเมื่อมีอุปกรณ์ที่ดีขึ้น (เมื่อเทียบกับการมองด้วยตาเปล่า) ก็จะช่วยให้พวกเขา “คาดเดา” องค์ประกอบของดาวเคราะห์ได้ดีกว่านี้

หนึ่งในดาวเคราะห์ที่นักดาราศาสตร์ให้ความสนใจในยุคนั้น คือ ดาวศุกร์ เพราะสามารถพบได้ง่ายตั้งแต่ช่วงเช้ามืดและพลบค่ำ, ถูกรบกวนจากแสงอาทิตย์น้อยกว่า และมีขนาดค่อนข้างใหญ่ จึงเป็นดาวเคราะห์เป้าหมายที่นักดาราศาสตร์มือสมัครในอดีตชื่นชอบในการเริ่มต้นฝึกสังเกตการณ์ด้วยกล้องโทรทรรศน์

และด้วยเหตุผลที่ดาวศุกร์มีขนาดใกล้เคียงกับโลก, อยู่ใกล้โลก และห่างจากดวงอาทิตย์พอ ๆ กับโลก จนได้ชื่อว่าเป็นดาวฝาแฝดของโลก ในช่วงคริสศตวรรษที่ 18-19 นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่จึงเชื่อว่า องค์ประกอบของบรรยากาศและพื้นผิวดาวศุกร์น่าจะไม่แตกต่างกับองค์ประกอบของโลกมากนัก อาจมีมหาสมุทรหรือสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ด้วยเลยก็เป็นได้ !! 

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชั้นบรรยากาศของดาวศุกร์ปกคลุมด้วยเมฆหมอกหนาทึบ จึงยากต่อการสังเกตการณ์ลึกลงไปบนพื้นผิวของดวงดาว ข้อมูลทั้งหมดที่บรรยายถึงองค์ประกอบของดาวศุกร์จึงเป็นเพียงการคาดการณ์เท่านั้น

ค้นพบ "สเปกตรัมของแสง"

แท้จริงแล้วการค้นพบสเปกตรัม (Spectrum) ของแสง เกิดขึ้นตั้งแต่สมัยของไอแซก นิวตัน (Issac Newton) นักวิทยาศาสตร์ชื่อดังผู้ค้นพบกฎแรงโน้มถ่วง โดยในปี ค.ศ. 1665 นิวตันนำปริซึม (แก้วใสรูปทรงสามเหลี่ยม) วางในตำแหน่งที่แสงอาทิตย์ส่อง ผลปรากฏว่าปริซึมกระจายแสงสีขาวของดวงอาทิตย์ออกมาทั้งหมด 7 สีเหมือนสีรุ้ง และเมื่อนำปริซึมขนาดเท่ากันแต่วางกลับหัวมารับแสงทั้ง 7 ทำให้เกิดการรวมแสงเป็นสีขาวอีกครั้ง

จากการทดลองนี้ทำให้นิวตันสรุปว่า แสงสีขาวของดวงอาทิตย์เกิดจากการรวมกันของแสงทั้ง 7 สี ทว่า หลังจากการค้นพบของนิวตันในครั้งนั้น ก็ไม่มีนักวิทยาศาสตร์คนไหนที่ศึกษาเรื่องสเปกตรัมของแสงต่อ จนกระทั่งในสมัยของโจเซฟ ฟรอนโฮเฟอร์ (Joseph Fraunhofer) ได้ศึกษาสเปกตรัมของแสงอีกครั้งหนึ่งในปี ค.ศ. 1814

ฟรอนโฮเฟอร์นำกล้องโทรทรรศน์มาใช้เป็นอุปกรณ์รับแสงจากดวงอาทิตย์ เพื่อให้แสงดังกล่าวมีความเข้มข้นสูงขึ้น ส่วนปริซึมจะถูกแทนที่ด้วยแผ่นเกรตติง (Diffraction grating) ทำให้แสงเกิดการเลี้ยวเบนและเกิดการขยายสเปกตรัมให้กว้างขึ้น

ผลปรากฏว่าฟรอนโฮเฟอร์กลับได้ภาพที่แตกต่างไปจากปริซึมของนิวตันอย่างสิ้นเชิง เขาพบว่าสเปกตรัมของแสงจากดวงอาทิตย์ไม่ใช่สีที่ต่อเนื่องกัน แต่จะมี "เส้นสีดำ" แฝงอยู่ในแต่ละสี แน่นอนว่าฟรอนโฮเฟอร์ไม่รู้ที่มาของเส้นสีดำเหล่านั้น แต่เขาได้ทำการบันทึกตำแหน่งของเส้นสีดำในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ทั้งหมด 576 ตำแหน่ง !!

อย่างไรก็ตาม มีนักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มพยายามค้นหาที่มาของเส้นสีดำในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ แต่ไม่มีใครค้นพบจนกระทั่งปี ค.ศ. 1860

เส้นสีดำจากการดูดกลืนแสง

กุสตาฟ เคอร์ชชอฟ (Gustav Kirchhoff) และ โรเบิร์ต บุนเซน (Robert Bunsen) พยายามศึกษาที่มาของเส้นสีดำในสเปกตรัมของดวงอาทิตย์ กระทั่งวันหนึ่งพวกเขาได้ทดลองเผาแร่ธาตุให้เกิดเปลวเพลิง แล้วให้แสงที่ได้จากการเผาตกกระทบผ่านอุปกรณ์ตรวจวัดสเปกตรัม

ผลปรากฏว่าแร่ธาตุแต่ละชนิดจะมีตำแหน่งเส้นสีดำที่แตกต่างกันไปในแต่สเปกตรัม มองดูคล้ายบาร์โค้ดสินค้าในปัจจุบัน และเมื่อนำตำแหน่งของเส้นสีดำจากสเปกตรัมของธาตุแต่ละชนิดไปเทียบกับสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ ก็จะทราบได้ว่าดวงอาทิตย์มีองค์ประกอบของธาตุชนิดใดบ้าง

การเกิดเส้นสีดำในสเปกตรัมนี้ อธิบายได้จากการดูดกลืนแสงของแร่ธาตุ เนื่องจากแสงมีคุณสมบัติเป็นคลื่นทางฟิสิกส์ และธาตุแต่ละชนิดจะมีคุณสมบัติในการดูดกลืนแสงในความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน ส่งผลให้คลื่นแสงบางช่วงคลื่นถูกแร่ธาตุดูดกลืนเข้าไปเกิดเป็น "เส้นสีดำทึบ" ในสเปกตรัม 

ซึ่งการรูปแบบการเกิดเส้นสีดำในธาตุแต่ละชนิดจะมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถนำเส้นสีดำที่เกิดขึ้นจากธาตุแต่ละชนิดมาเปรียบเทียบกับสเปกตรัมของแสงจากดวงดาว เพียงเท่านี้เราก็จะสามารถทราบได้โดยคร่าว ๆ แล้วว่าดาวดวงนั้นมีองค์ประกอบอะไรบ้าง และสิ่งนี้กลายเป็นรากฐานสู่การพัฒนาเครื่องตรวจสเปกตรัมของดาว หรือ สเปกโทรสโคปี (Spectroscopy)

การนำมาใช้ในปัจจุบัน

แน่นอนว่าดวงอาทิตย์ คือ ดาวฤกษ์ดวงแรกที่มนุษย์ทราบองค์ประกอบของบรรยากาศ ด้วยการใช้สเปกโทรสโคปี หลังจากนั้นในปี ค.ศ. 1868 นักวิทยาศาสตร์นามว่า วิลเลียม ฮิกกินส์  (William Higgins) ได้ใช้สเปกโทรสโคปีประเมินองค์ประกอบของดาวซิริอัส (Sirius) 

ในช่วงทศวรรษที่ 1960 นักวิทยาศาสตร์ใช้สเปกโทรสโคปีที่ติดตั้งในยานมาริเนอร์ 2 (Mariner 2) ประเมินองค์ประกอบของดาวศุกร์ จนทราบว่าบรรยากาศของดาวศุกร์เต็มไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์และกรดซัลฟิวริก ด้วยสิ่งแวดล้อมสุดขั้วขนาดนี้จึงลบล้างความเชื่อเดิมที่ดาวศุกร์อาจมีสิ่งมีชีวิตคล้ายโลกไปจนหมดสิ้น

สำหรับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่ได้รับการประเมินองค์ประกอบด้วยสเปกโทรสโคปีเป็นครั้งแรก คือ ดาวเคราะห์ HD 209458 b หรือรู้จักกันในชื่อ โอซิริส (Osiris) ซึ่งเป็นดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาว HD 209458 ในกลุ่มดาวเพกาซัส (Pegasus) อยู่ห่างจากโลก 150 ปีแสง ดาวเคราะห์โอซิริส เป็นดาวเคราะห์แก๊สขนาดใหญ่ที่ใหญ่กว่าดาวพฤหัสบดีถึง 2.5 เท่า ซึ่งดาวเคราะห์ดวงนี้ประกอบด้วยแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียมเป็นหลัก และพบคาร์บอนไดออกไซด์, ออกซิเจน และไอน้ำอีกปริมาณเล็กน้อย

และล่าสุดดาวเทียมสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบ หรือ TESS mission (เทสมิชชั่น) ขององค์การนาซา ได้ค้นพบดาวเคราะห์ TOI 700 e ที่อยู่ในระบบดาวแคระในตำแหน่งที่เหมาะสมและอาจเอื้อต่อการกำเนิดของสิ่งมีชีวิต 

เชื่อว่าอีกไม่นานนักวิทยาศาสตร์จะสามารถไขปริศนาองค์ประกอบของดาวเคราะห์ดวงนี้ได้ด้วยสเปกโทรสโคปี ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการค้นพบครั้งแรกของนิวตัน นำไปสู่แรงบันดาลใจให้เกิดการพัฒนาอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์อย่างมากเลยทีเดียว

ขอขอบคุณข้อมูลจาก  1, 2,  3 , 4