ม่านแสงและม่านเสียงวิทยุเหนือดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ทั้งในและนอกระบบสุริยะ

นับถึงวันนี้นักดาราศาสตร์ได้พบดาวเคราะห์ที่เป็นบริวารดาวฤกษ์ประมาณ 5,000 ดวงแล้ว โดยใช้วิธีสังเกตหลายวิธี เช่น ดูการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสงจากดาวฤกษ์ที่เดินทางสู่โลก ขณะถูกดาวเคราะห์โคจรตัดหน้า เพราะความเข้มแสงจะลดลง และกลับสู่สภาพเดิม หลังจากที่ดาวเคราะห์เคลื่อนที่ผ่านไปแล้ว หรือวัดการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นของแสงจากดาวฤกษ์ เพราะดาวฤกษ์ถูกแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์กระทำ ฯลฯ ซึ่งข้อมูลเหล่านี้ทำให้นักดาราศาสตร์รู้มวล ขนาด และรัศมีวงโคจรของดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์ และในกรณีที่ดาวเคราะห์มีขนาดใหญ่ อีกทั้งอยู่ไม่ไกลจากโลกมากนัก เราก็อาจรู้ข้อมูลทางกายภาพของบรรยากาศของดาวเคราะห์ รวมถึงสามารถเห็นแสงเหนือกับแสงใต้ (aurora) ซึ่งมีลักษณะคล้ายม่านแสงที่สามารถสะบัดพลิ้วในบรรยากาศได้ด้วย

สำหรับม่านแสงของโลกนั้นตามปกติจะเห็นได้ชัดที่บริเวณขั้วโลกเหนือ กับขั้วโลกใต้ และเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเวลาลมสุริยะ (solar wind) จากดวงอาทิตย์ ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน และโปรตอน ที่มีพลังงานสูงมาก ได้พุ่งชนโมเลกุลของออกซิเจน และไนโตรเจน ในบรรยากาศโลกทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่วงในของอะตอมออกซิเจน และไนโตรเจน กระเด็นหลุดออกจากอะตอม แล้วอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกของอะตอมได้เคลื่อนลงมาแทนที่ การเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนในลักษณะนี้ทำให้อะตอมเปล่งแสงออกมา ในกรณีของอะตอมออกซิเจน แสงที่เห็นจะมีสีเหลือง-เขียว ส่วนอะตอมไนโตรเจนจะปล่อยแสงสีแดง-น้ำเงิน มีผลทำให้เราเห็นม่านแสงสีต่างๆ งดงาม ดังนั้นการศึกษาม่านแสงจะทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้ความรุนแรงและความถี่ของลมสุริยะที่พุ่งมาสู่โลกได้

นอกจากจะทำให้เกิดแสงที่ขั้วโลกแล้ว เวลาอิเล็กตรอนจากดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ถึงบรรยากาศโลก เพราะโลกมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงโดยเฉพาะที่บริเวณขั้วทั้งสอง ดังนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เข้าสู่บรรยากาศในลักษณะเป็นเกลียว คือหมุนวนไปรอบเส้นแรงแม่เหล็ก ทำให้มีความเร่ง จึงสามารถแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นค่อนข้างยาวคือเป็นคลื่นวิทยุออกมาด้วย

นั่นคือ เวลาลมสุริยะปะทะบรรยากาศโลก และเผชิญสนามแม่เหล็กโลกจะมีแสงเหนือและแสงใต้เกิดขึ้นดังที่ตาเห็น รวมทั้งมีคลื่นวิทยุที่ตามองไม่เห็นเกิดขึ้นด้วย

แต่ในความเป็นจริงปรากฏการณ์ม่านแสงใช่ว่าจะเกิดเฉพาะกับโลกเท่านั้น บนดาวเคราะห์ดวงอื่นเราก็สามารถเห็นม่านแสงได้เช่นกัน ถ้าดาวเคราะห์ดวงนั้นมีสนามแม่เหล็กในตัว และมีบรรยากาศห่อหุ้ม เช่น ม่านแสงในบรรยากาศเหนือดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน สำหรับดาวอังคาร และดาวศุกร์ก็มีม่านแสงให้เห็นบ้าง แต่ม่านแสงมีความเข้มน้อย ส่วนดาวพุธไม่มีม่านแสงเลย เพราะดาวพุธไม่มีบรรยากาศ สำหรับดวงจันทร์ Io และ Ganymede ของดาวพฤหัสบดีก็มีม่านแสงให้เห็นบ้าง แต่มีความเข้มน้อยมาก

ส่วนดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ที่อยู่นอกระบบสุริยะนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็เชื่อว่า ปรากฏการณ์ม่านแสงจะต้องมีให้เห็นเหนือดาวเคราะห์เหล่านั้นอย่างแน่นอน

ภาพม่านแสงที่เราเห็นในบรรยากาศเหนือดาวพฤหัสบดี เมื่อเร็วๆ นี้มิได้เป็นภาพที่เราสามารถเห็นได้ด้วยตาเปล่าหรือถ่ายโดยกล้องถ่ายภาพหรือใช้กล้องโทรทรรศน์ที่อยู่บนโลก แต่มันเป็นภาพที่ถ่ายโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble และ Chandra ที่กำลังโคจรเหนือโลก ทั้งนี้เพราะม่านแสงของดาวพฤหัสบดีเกิดจากแสงอัลตราไวโอเลต ที่ไม่สามารถทะลุผ่านบรรยากาศโลกลงมาให้เราเห็นได้ เพราะแสงใต้ม่วง (UV) ได้ถูกไอน้ำในบรรยากาศโลกดูดกลืนหมด ส่วนภาพม่านแสงเหนือ ดาวพฤหัสบดีที่โลกเห็นครั้งแรกเป็นภาพที่ยาน Voyager I ของ NASA ที่โคจรผ่านดาวพฤหัสบดีเมื่อปี 1979 ได้ถ่ายไว้

สำหรับคลื่นวิทยุที่เกิดขึ้นขณะอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นเกลียววนไปรอบเส้นแรงแม่เหล็กนั้นก็มีความสำคัญทางดาราศาสตร์ เพราะมีบทบาทในการช่วยให้นักดาราศาสตร์รู้ข้อมูลสภาพทางกายภาพของบรรยากาศเหนือดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะได้ และถ้าดาวเคราะห์มีสนามแม่เหล็กความเข้มสูงมาก คลื่นวิทยุที่เกิดขึ้นก็จะมีความเข้มสูงด้วย คือจะมากกว่าคลื่นวิทยุที่ถูกส่งมาจากดาวฤกษ์ที่มีดาวเคราะห์ดวงนั้นเป็นบริวารเสียอีก

ตามปกติเวลานักดาราศาสตร์ศึกษาดาวเคราะห์ที่อยู่ไกลจากระบบสุริยะ และดาวเคราะห์ดวงนั้นโคจรใกล้ดาวฤกษ์ แสงที่ส่งมาจากดาวเคราะห์มักมีความเข้มน้อยกว่าแสงจากดาวฤกษ์เป็นล้านเท่าการส่งแสงในปริมาณที่น้อยนิดนี้ทำให้นักดาราศาสตร์เห็นดาวเคราะห์ดวงนั้นได้ค่อนข้างยาก ทั้งนี้เพราะแสงจากดาวฤกษ์จะบดบังแสงจากดาวเคราะห์หมด แต่ในกรณีคลื่นวิทยุที่ส่งมา เพราะความเข้มของคลื่นวิทยุที่เกิดจากดาวเคราะห์จะมากกว่าความเข้มของคลื่นวิทยุจากดาวฤกษ์ ดังนั้นเราจึงสามารถเห็นดาวเคราะห์ได้ด้วยคลื่นวิทยุแทนที่จะพึ่งพาแสงจากดาวเคราะห์

ลุถึงวันนี้ข้อมูลดาวเคราะห์ที่นักดาราศาสตร์พบ แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์ส่วนใหญ่มีขนาดใหญ่ระดับดาวพฤหัสบดี ดังนั้นดาวพฤหัสบดีจึงอาจเป็นดาวเคราะห์ตัวอย่าง ที่สามารถใช้เป็นตัวแทนของดาวเคราะห์อื่นๆ ได้ ยิ่งเมื่อนักดาราศาสตร์ได้พบว่า คลื่นวิทยุจากดาวพฤหัสบดีมีความถี่ต่ำที่ 107 เฮริทซ์ ดังนั้นคลื่นวิทยุจากดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะก็คงมีความถี่ในระดับเดียวกัน ดังนั้นการวัดความถี่ของคลื่นวิทยุ ถ้าพบว่ามีค่าไม่คงตัวคือเพิ่มมากขึ้น และลดน้อยลงเป็นจังหวะ จะทำให้นักดาราศาสตร์รู้ความเร็วในการหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์ดวงนั้น

ตามปกติแสงจากดาวฤกษ์เป็นแสงไม่โพลาไรส์ (nonpolarized light) แต่คลื่นวิทยุซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งมาจากดาวเคราะห์เป็นแสงโพลาไรส์ (polarized light) คือมีสนามไฟฟ้าของคลื่นหมุนไปรอบทิศที่คลื่นแสงกำลังเคลื่อนที่ ข้อมูลทั้งสองนี้ทำให้ William Erickson แห่งมหาวิทยาลัย Maryland คิดใช้หาดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ในปี 1977 และได้พบดาวเคราะห์ 22 ดวง ที่ส่งคลื่นวิทยุออกมาด้วยความเข้มที่สูงกว่าคลื่นวิทยุจากดาวพฤหัสบดีประมาณ 1,000 เท่า

ถึงปี 2013 เมื่อกล้องโทรทรรศน์วิทยุได้รับการพัฒนาให้เป็นระบบ Low Frequency Array (LOFAR) ซึ่งมีสายอากาศ 45,000 สายเพื่อรับคลื่นที่มีความถี่ 250x106 เฮริตซ์ โดยให้สายอากาศเหล่านี้ ติดตั้งอยู่ในฝรั่งเศส เยอรมนี สวีเดน อังกฤษ และเนเธอร์แลนด์ เพื่อทำงานประสานกันในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ โดยใช้หลักการว่า เวลาดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ปล่อยคลื่นวิทยุออกมา ถ้าดาวเคราะห์โคจรอยู่ใกล้ดาวฤกษ์ มันจะถูกลมสุริยะจากดาวฤกษ์พุ่งมาปะทะอย่างรุนแรง ทำให้สนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ดวงนั้นเปลี่ยนแปลงรูปทรง แต่ปริมาณการเปลี่ยนแปลงจะมากหรือน้อยเพียงใดก็ขึ้นกับมุมที่ระนาบการโคจรของดาวเคราะห์ทำกับแนวเส้นผ่านศูนย์กลางของดาวฤกษ์ มุมเอียงของ “แท่งแม่เหล็ก” ภายในดาวที่ทำกับแกนหมุนรอบตัวเอง ความเร็วในการหมุนรอบตัวเอง ความเร็วในการโคจรรอบดาวฤกษ์ และความเข้มของสนามแม่เหล็กที่มันมี

นอกจากนี้นักวิทยาศาสตร์ก็ยังได้พบอีกว่า ในบางครั้งคลื่นวิทยุจากดาวเคราะห์อาจถูกรบกวนโดยดวงจันทร์ที่เป็นบริวารของดาวเคราะห์ดวงนั้นก็ได้ เช่น ในกรณีดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสบดี ซึ่งมีภูเขาไฟที่ยังมีชีวิตอยู่หลายลูก เพราะภูเขาไฟยังสามารถระเบิดได้ ดังนั้นเวลามันพ่นลำไอออนออกมาในปริมาณมาก และลำไอออนพุ่งเข้าหาดาวพฤหัสบดีวินาทีละ 1,000 กิโลกรัม ไอออนเหล่านี้จะมีอิทธิพลต่อธรรมชาติของคลื่นวิทยุที่ดาวเคราะห์ส่งออกมาทำให้ม่านแสงที่อยู่เหนือดาวเคราะห์เปลี่ยนแปลงรูปร่างได้

ผลการศึกษาที่ผ่านมาปรากฏว่า เหล่าดาวเคราะห์ขนาดยักษ์ที่มีสนามแม่เหล็กในตัวเอง และหมุนรอบตัวเองเร็ว จะสามารถส่งคลื่นวิทยุออกมาในปริมาณมาก จนนักดาราศาสตร์บนโลกสามารถรับได้ แม้ดาวเคราะห์ยักษ์ดวงนั้นจะอยู่ห่างจากโลกถึง 150 ปีแสงก็ตาม แต่ความไวของกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่นักดาราศาสตร์ใช้รับสัญญาณก็มีบทบาทสำคัญ เพราะถ้ากล้องทำงานไม่ไวพอ นักดาราศาสตร์วิทยุจะไม่สามารถรับคลื่นได้ และวิธีหนึ่งที่นิยมใช้ในการเพิ่มความไว คือ เพิ่มจำนวนสายอากาศและพยายามกำจัดคลื่นรบกวน

ดังนั้นในอนาคตอีก 10 ปีจะเป็นช่วงเวลาที่นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์พยายามรับคลื่นวิทยุที่มีความถี่ต่ำจากดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะ และข้อมูลที่ได้จะช่วยบอกธรรมชาติของสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ดวงนั้น ซึ่งจะทำให้เรารู้วิวัฒนาการของดาวเคราะห์ว่าสามารถมี มนุษย์อาศัยอยู่ได้หรือไม่ เพราะถ้าดาวเคราะห์มีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มพอเพียง บริเวณ magnetosphere ของดาวเคราะห์จะทำหน้าที่เป็นเกราะกำบังดาวเคราะห์ให้สิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์มีความปลอดภัยจากการถูกอนุภาคที่มีประจุและมีพลังงานสูงทำลาย

ในปี 2022 องค์การ European Space Agency (ESA) มีโครงการ Jupiter Ice Moons Explorer (JUICE) ซึ่งจะส่งยานอวกาศไปโคจรรอบดวงจันทร์ชื่อ Ganymede อันเป็นดวงจันทร์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดของดาวพฤหัสบดี และมีสนามแม่เหล็กในตัวเอง ดวงจันทร์ดวงนี้จึงมีม่านแสงที่ขั้วทั้งสอง แต่ความสนใจของนักดาราศาสตร์มีมากกว่านั้น คือ การพยายามค้นหาสิ่งมีชีวิตที่อาจอยู่ใต้น้ำแข็งซึ่งปกคลุมดาว ดังนั้น ดวงจันทร์ Ganymede จึงเป็นดาวเคราะห์อีกดวงหนึ่งที่เหมาะสำหรับการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก และเราต้องยอมรับว่า มนุษย์ยังไม่มีความสามารถจะส่งยานอวกาศไปโคจรรอบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้ ดังนั้น ดาวพฤหัสบดี และดวงจันทร์บริวารของมันจึงยังเป็นดาวเคราะห์ดวงโปรดของนักดาราศาสตร์หลายคนที่จะให้ความรู้วิทยาศาสตร์ใหม่ๆ แก่เราต่อไปอีกนาน

อ่านเพิ่มเติมจาก Eyeing up a Jupiter-like exoplanet โดย D. Mawet ใน Science Vol.350 หน้า 39 (2015).






เกี่ยวกับผู้เขียน

สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์