เครดิตภาพ: NWU
การโคจรของดาวเคราะห์สามดวงที่โคจรรอบดาวฤกษ์ห่างไกลสามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่อดาวเคราะห์ที่สี่ที่มองไม่เห็นเกิดการชนและกระแทกพวกมันออกจากวงโคจรเป็นวงกลมตามการศึกษาใหม่จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์และมหาวิทยาลัยนอร์ ธ เวสเทิร์น
บทสรุปนั้นมาจากการใช้คอมพิวเตอร์ประมาณ 13 ปีจากการสังเกตการณ์การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์อัพติลอนอันโดรเมเด มันแสดงให้เห็นว่าวงโคจรที่ไม่เป็นวงกลมและมักเป็นวงรีสูงของดาวเคราะห์นอกระบบหลายดวงที่ค้นพบจนถึงปัจจุบันอาจเป็นผลมาจากดาวเคราะห์กระจัดกระจายออกไป ในสถานการณ์ดังกล่าวดาวเคราะห์ที่ก่อกวนจะถูกยิงออกจากระบบทั้งหมดหรืออาจถูกเตะเข้าสู่วงโคจรที่อยู่ไกลออกไปจากดาวเคราะห์วงในที่มีวงโคจรประหลาด
“ นี่อาจเป็นหนึ่งในสองหรือสามระบบนอกระบบที่มีข้อสังเกตที่ดีที่สุดและข้อ จำกัด ที่แน่นที่สุด “ คำอธิบายของเราคือวงโคจรดั้งเดิมของดาวเคราะห์รอบนอกเป็นแบบวงกลม แต่มันได้รับการเตะอย่างกะทันหันซึ่งเปลี่ยนวงโคจรของมันเป็นพิสดารอย่างถาวร เพื่อให้การเตะนั้นเราตั้งสมมติฐานว่ามีดาวเคราะห์เพิ่มเติมที่เราไม่เห็นในตอนนี้ เราเชื่อว่าตอนนี้เราเข้าใจว่าระบบนี้ทำงานอย่างไร”
หากดาวเคราะห์ดังกล่าวผ่านระบบสุริยะของเราในช่วงต้น ๆ ของประวัติศาสตร์นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าดาวเคราะห์ชั้นในตอนนี้อาจไม่ได้มีวงโคจรเป็นวงกลมอย่างเช่นนี้และจากสมมติฐานปัจจุบันเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตสภาพอากาศของโลกอาจผันผวนมากเกินไป สำหรับชีวิตที่จะเกิดขึ้น
“ ในขณะที่ดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรายังคงมีเสถียรภาพมานานหลายพันล้านปี แต่นั่นไม่ใช่กรณีที่ดาวเคราะห์โคจรรอบ Upsilon Andromedae” Ford กล่าว “ ในขณะที่ดาวเคราะห์เหล่านั้นอาจก่อตัวขึ้นคล้ายกับดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ แต่วงโคจรในปัจจุบันของพวกเขาถูกสร้างขึ้นโดยช่วงท้ายของปฏิสัมพันธ์ที่วุ่นวายและรุนแรง”
อ้างอิงจากเพื่อนร่วมงานของฟอร์ดเฟรเดอริกเอ. ราซิโอรองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่นอร์ทเวสเทิร์นกล่าวว่า“ ผลการวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่ากลไกง่าย ๆ มักเรียกว่า 'ดาวเคราะห์ - ดาวเคราะห์กระจัดกระจาย' ดาวเคราะห์เมื่อพวกเขาเข้ามาใกล้กันมาก - จะต้องรับผิดชอบวงโคจรที่ผิดปกติอย่างมากที่พบในระบบ Upsilon Andromedae เราเชื่อว่าการกระจัดกระจายของดาวเคราะห์ - ดาวเคราะห์เกิดขึ้นบ่อยครั้งในระบบดาวเคราะห์นอกระบบ ดังนั้นในขณะที่ระบบดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์อื่นอาจเป็นเรื่องธรรมดา แต่ระบบชนิดต่าง ๆ ที่สามารถช่วยชีวิตได้ซึ่งก็เหมือนกับระบบสุริยะของเราน่าจะยังคงมีความเสถียรในระยะเวลาที่ยาวนานมาก
รายงานสถานการณ์จำลองทางคอมพิวเตอร์ในวารสาร Nature โดย Ford, Rasio และ Verene Lystad เมื่อวันที่ 14 เมษายนซึ่งเป็นนักศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิชาฟิสิกส์ที่ Northwestern ฟอร์ดเคยเป็นนักเรียนของ Rasio ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ก่อนจะสำเร็จการศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยปรินซ์ตันและมาถึงที่ UC Berkeley ในปี 2547
ระบบดาวเคราะห์รอบ ๆ อัพซิลอนอันโดรเมเดียเป็นหนึ่งในระบบที่มีการศึกษามากที่สุดใน 160 ระบบซึ่งมีดาวเคราะห์ที่ค้นพบอยู่นอกระบบสุริยะของเราเอง ดาวเคราะห์ชั้นในซึ่งเป็น“ ดาวพฤหัสร้อน” ใกล้กับดาวฤกษ์มากซึ่งโคจรอยู่เพียงไม่กี่วันถูกค้นพบในปี 1996 โดย Geoff Marcy ของ UC Berkeley และทีมล่าสัตว์บนดาวเคราะห์ของเขา ดาวเคราะห์นอกระบบทั้งสองที่มีวงโคจรที่ยืดออกซึ่งรบกวนกันและกันอย่างรุนแรงนั้นถูกค้นพบในปี 1999 ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่คล้ายดาวพฤหัสรอบ ๆ Upsilon Andromedae ประกอบด้วยระบบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกที่ค้นพบโดย Doppler spectroscopy
เนื่องจากลักษณะผิดปกติของวงโคจรของดาวเคราะห์รอบ ๆ Upsilon Andromedae, Marcy และทีมของเขาได้ทำการศึกษาอย่างเข้มข้นทำให้มีการสังเกตการณ์เกือบ 500 ครั้งมากกว่าการสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบอื่น ๆ เกือบ 10 เท่า การสังเกตเหล่านี้การโยกเยกในการเคลื่อนที่ของดาวที่เกิดจากดาวเคราะห์ที่โคจรรอบทำให้สามารถสร้างแผนภูมิที่แม่นยำมากของการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์
“ การสำรวจนั้นแม่นยำมากจนเราสามารถเฝ้าดูและคาดการณ์สิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคตเป็นหมื่น ๆ ปี” ฟอร์ดกล่าว
วันนี้ในขณะที่ดาวเคราะห์วงในสุดเข้ามาใกล้ดาวฤกษ์ดาวเคราะห์วงโคจรรอบนอกทั้งสองโคจรอยู่ในวงโคจรรูปไข่ คอมพิวเตอร์จำลองการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรทั้งในอดีตและอนาคตแสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์ชั้นนอกมีส่วนร่วมในการเต้นซ้ำ ๆ ซึ่งทุกๆ 7,000 ปีจะนำวงโคจรของดาวเคราะห์กลางมาสู่วงกลม
“ คุณสมบัติของการกลับไปสู่วงโคจรวงกลมนั้นค่อนข้างน่าทึ่งและโดยทั่วไปจะไม่เกิดขึ้น” ฟอร์ดกล่าว “ คำอธิบายตามธรรมชาติคือพวกเขาเคยทั้งคู่อยู่ในวงโคจรเป็นวงกลมและอีกคนหนึ่งได้เตะลูกใหญ่ที่ทำให้มันกลายเป็นสิ่งผิดปกติ จากนั้นวิวัฒนาการที่ตามมาทำให้เกิดดาวเคราะห์ดวงอื่นขึ้นเพื่อเพิ่มความเยื้องศูนย์กลาง แต่เนื่องจากการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมเชิงมุมมันจึงส่งคืนเป็นระยะ ๆ สู่วงโคจรเกือบเป็นวงกลม”
ก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์เสนอสองสถานการณ์ที่เป็นไปได้สำหรับการก่อตัวของระบบดาวเคราะห์ Upsilon Andromedae แต่ข้อมูลจากการสังเกตยังไม่เพียงพอที่จะแยกความแตกต่างทั้งสองแบบ นักดาราศาสตร์อีกคนหนึ่ง Renu Malhotra ที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาได้แนะนำก่อนหน้านี้ว่าการกระเจิงของดาวเคราะห์อาจจะทำให้เกิดความแปลกประหลาดใน Upsilon Andromedae แต่คำอธิบายทางเลือกอ้างว่าการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างดาวเคราะห์และดิสก์ก๊าซรอบดาวฤกษ์อาจทำให้เกิดวงโคจรที่ผิดปกติเช่นนี้ได้ ด้วยการรวมข้อมูลการสังเกตเพิ่มเติมเข้ากับคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่ฟอร์ดและเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถแสดงให้เห็นว่าการมีปฏิสัมพันธ์กับดิสก์ก๊าซจะไม่ทำให้เกิดวงโคจรที่สังเกตได้ แต่การมีปฏิสัมพันธ์กับดาวเคราะห์ดวงอื่นจะทำให้เกิดขึ้น
“ คุณสมบัติที่แตกต่างที่สำคัญระหว่างทฤษฏีเหล่านี้คือการมีปฏิสัมพันธ์กับดิสก์ด้านนอกจะทำให้วงโคจรเปลี่ยนช้ามากและการมีปฏิสัมพันธ์อย่างแรงกับดาวเคราะห์ที่ผ่านจะทำให้วงโคจรเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับช่วงเวลา 7,000 ปีสำหรับ โคจรเพื่อวิวัฒนาการ” ฟอร์ดกล่าว “ เนื่องจากสมมติฐานสองข้อนี้ทำให้การคาดการณ์ที่แตกต่างกันสำหรับการวิวัฒนาการของระบบเราสามารถ จำกัด ประวัติศาสตร์ของระบบบนพื้นฐานของการโคจรของดาวเคราะห์ในปัจจุบัน”
ฟอร์ดกล่าวว่าขณะที่ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นภายในดิสก์ของก๊าซและฝุ่นละอองการลากบนดาวเคราะห์น่าจะทำให้วงโคจรเป็นวงกลม เมื่อฝุ่นและก๊าซกระจายไปเพียงแค่การมีปฏิสัมพันธ์กับดาวเคราะห์ที่ผ่านมาเท่านั้นที่สามารถสร้างวงโคจรของดาวเคราะห์ชั้นนอกสองดวงที่สังเกตเห็นได้ในปัจจุบัน บางทีเขาอาจสังเกตเห็นว่าดาวเคราะห์ที่ก่อกวนนั้นถูกกระแทกเข้ากับดาวเคราะห์ชั้นในโดยการปฏิสัมพันธ์กับดาวเคราะห์ดวงอื่นที่อยู่ห่างจากดาวฤกษ์ศูนย์กลาง
อย่างไรก็ตามมันเริ่มต้นขึ้นการปฏิสัมพันธ์ที่วุ่นวายจะก่อให้เกิดวงโคจรที่แปลกประหลาดมากสำหรับดาวเคราะห์ดวงที่สามซึ่งจากนั้นก็ค่อย ๆ ก่อกวนวงโคจรของดาวเคราะห์ดวงที่สอง เนื่องจากดาวเคราะห์ชั้นนอกครอบครองระบบเมื่อเวลาผ่านไปมันก็ก่อกวนวงโคจรของดาวเคราะห์กลางพอที่จะทำให้มันผิดรูปอย่างช้าๆในวงโคจรประหลาดเช่นกันซึ่งเป็นสิ่งที่เห็นในทุกวันนี้แม้ว่าทุก ๆ 7,000 ปีหรือมากกว่านั้น วงโคจร
“ นี่คือสิ่งที่ทำให้ระบบแปลกประหลาด” Rasio กล่าว “ ตามปรกติการมีเพศสัมพันธ์ด้วยแรงโน้มถ่วงระหว่างวงโคจรรูปไข่สองวงจะไม่มีทางกลับไปเป็นวงกลมที่สมบูรณ์แบบได้ วงกลมนั้นพิเศษมาก”
“ เดิมทีวัตถุประสงค์หลักของการวิจัยของเราคือการจำลองระบบดาวเคราะห์ Upsilon Andromedae เป็นหลักเพื่อตรวจสอบว่าดาวเคราะห์สองดวงอยู่นอกระนาบเดียวกันในระนาบเดียวกันเหมือนกับที่ดาวเคราะห์ในระบบสุริยะทำหรือไม่ Lystad ผู้เริ่มทำงานกับ Rasio กล่าว เมื่อเธอเป็นนักเรียนปีที่สองและทำการบูรณาการคอมพิวเตอร์จำนวนมากซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวิทยานิพนธ์อาวุโสของเธอ “ เราประหลาดใจที่พบว่าในการจำลองหลายครั้งของเรามันเป็นการยากที่จะบอกว่าดาวเคราะห์อยู่ในระนาบเดียวกันเนื่องจากความจริงที่ว่าวงโคจรของดาวเคราะห์กลางเป็นระยะ ๆ จนเกือบเป็นวงกลม เมื่อเราสังเกตเห็นพฤติกรรมที่แปลกประหลาดนี้ปรากฏขึ้นในการจำลองทั้งหมดของเราเราได้รับการยอมรับว่าเป็นระบบป้องกันที่กระจัดกระจายไปทั่วโลก เราตระหนักว่ามีบางสิ่งที่น่าสนใจเกิดขึ้นมากกว่าที่ใครเคยพบมาก่อน”
การทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวและวิวัฒนาการของ Upsilon Andromedae และระบบดาวเคราะห์นอกระบบอื่น ๆ นั้นมีความหมายที่สำคัญสำหรับระบบสุริยะของเราเอง
“ เมื่อคุณทราบว่าดาวเคราะห์นอกระบบที่รู้จักกันดีส่วนใหญ่มีวงโคจรประหลาดมาก (เช่นดาวเคราะห์ในอัพซิลอนอันโดรเมเด) คุณเริ่มสงสัยว่าอาจมีบางสิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับระบบสุริยะของเรา” ฟอร์ดกล่าว “ การกระจัดกระจายของดาวเคราะห์ - ดาวเคราะห์ที่มีความรุนแรงเป็นเรื่องธรรมดามากที่ระบบดาวเคราะห์เพียงไม่กี่แห่งที่สงบและอยู่อาศัยได้ โชคดีที่นักดาราศาสตร์นำโดยเจฟฟ์มาร์ซีศาสตราจารย์ด้านดาราศาสตร์ที่ UC Berkeley กำลังสำรวจอย่างขยันขันแข็งซึ่งในที่สุดจะตอบคำถามที่น่าตื่นเต้นนี้”
การวิจัยได้รับการสนับสนุนโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและสถาบันมิลเลอร์ UC Berkeley เพื่อการวิจัยขั้นพื้นฐาน
แหล่งต้นฉบับ: Berkeley News Release
