ยาน Juno กำลังเยือน Jupiter

ในเทพนิยายโรมัน เทพราชินี Juno คือ พระมเหสีในเทพกษัตริย์ Jupiter ผู้ทรงมีพระนามกระเดื่องสวรรค์ว่า ทรงโปรดปรานในการละเมิดศีลข้อสาม พระรสนิยมเช่นนี้ได้ทำให้ Juno ทรงเฝ้าติดตามสอดส่องพระพฤติกรรมของ Jupiter อย่างใกล้ชิด

ในโลกของความเป็นจริงก็เช่นกัน ขณะนี้ยานอวกาศของ NASA ชื่อ Juno ก็กำลังสำรวจดาวพฤหัสบดี (Jupiter) อย่างใกล้ชิดเพื่อศึกษาสนามแม่เหล็กของดาว สนามโน้มถ่วง โครงสร้างภายใน องค์ประกอบของบรรยากาศเหนือดาว รวมถึงธรรมชาติของพายุหมุนบนดาว ฯลฯ ด้วย

ในอดีตเดือนมกราคม ค.ศ.1610 ที่ Galileo แห่งมหาวิทยาลัย Padua ได้เห็นดาวพฤหัสบดีว่ามีดวงจันทร์บริวาร 4 ดวง และตั้งชื่อดวงจันทร์ทั้ง 4 ว่าเป็น ดาวแห่งองค์ Cosimo II de’ Medici (Medicean stars) ซึ่งเป็นผู้อุปถัมป์

หลังจากนั้นเพียง 2 ปี เขาก็สามารถวัดคาบการโคจรของดวงจันทร์ทั้ง 4 ได้ การค้นพบนี้ถือเป็นจุดเปลี่ยนของความคิดครั้งสำคัญ เพราะทำให้มนุษย์ตระหนักได้ว่าโลกมิใช่ศูนย์กลางของเอกภพอีกต่อไป เพราะถ้าเป็นศูนย์กลางจริงดวงจันทร์ทั้ง 4 ดวงต้องโคจรรอบโลก นอกจากนี้โลกก็ไม่ได้เป็นแม้แต่ศูนย์กลางของระบบสุริยะเหมือนดังที่ Copernicus คิด นั่นคือ โลกมิได้ยิ่งใหญ่และสำคัญที่สุด ดังที่มนุษย์เคยคิดอีกต่อไป

อีก 400 ปีต่อมา คือในวันที่ 5 สิงหาคม ค.ศ.2011 จรวดของ NASA ได้นำยาน Juno มูลค่า 4 หมื่นล้านบาททะยานจากโลกสู่ดาวพฤหัสบดี หลังจากที่ได้ใช้เวลานาน 5 ปี เพื่อเดินทางไกล 2,800 ล้านกิโลเมตร เพราะต้องใช้เส้นทางอ้อมผ่านวงโคจรของดาวอังคาร 2 ครั้ง แล้วผ่านโลกอีกหนึ่งครั้งเมื่อวันที่ 9 ตุลาคม ค.ศ.2013 จากนั้นแรงโน้มถ่วงที่มากมหาศาลของโลก ก็ได้เหวี่ยงยาน Juno ให้มุ่งตรงไปยังดาวพฤหัสบดี จนถึงจุดหมายปลายทาง เมื่อวันที่ 4 กรกฎาคม ค.ศ.2016 ด้วยความเร็ว 74 กิโลเมตร/วินาที แล้วยานก็ได้ปรับลดความเร็ว และทิศการเคลื่อนที่ของยานเพื่อเข้าสู่วิถีโคจรรอบดาวพฤหัสบดี ให้เป็นวงรี โดยมีระยะใกล้ที่สุด 5,000 กิโลเมตร และระยะไกลที่สุด 1.88 ล้านกิโลเมตร ทำให้การโคจรของยานรอบดาวพฤหัสบดีมีคาบเท่ากับ 14 วัน

ตลอดเวลาที่ Juno โคจรเหนือดาวพฤหัสบดี ยานได้ทำแผนที่ภูมิประเทศ ถ่ายภาพเมฆในบรรยากาศของดาว บันทึกรายละเอียดของฟ้าแลบ และพายุบนดาว วัดความเข้มสนามแม่เหล็ก รวมถึงทำแผนที่ 3 มิติของสนามโน้มถ่วงของดาวอย่างละเอียด

เพราะในการสำรวจคราวนี้ Juno ได้เข้าใกล้ดาวพฤหัสบดียิ่งกว่ายานอวกาศอื่นใดทั้งหมด ดังนั้นยานจึงได้เผชิญเหตุการณ์และปรากฎการณ์ต่างๆ ที่นักดาราศาสตร์ไม่เคยเห็นหรือคาดฝันมาก่อน เช่น สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก และสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรง อีกทั้งได้เห็นเหตุการณ์ฟ้าแลบและฟ้าผ่าในบรรยากาศของดาว ซึ่งความคะนองนี้อาจทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนยานทำงานบกพร่อง ด้วยเหตุนี้ NASA จึงต้องเคลือบลวดและชิ้นส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ด้วยทองแดง เหล็กกล้า tantalum และ titanium เพราะถ้าไม่มีอะไรปกป้องเลย อุปกรณ์จะถูกรังสีเอ็กซ์และรังสีแกมมาที่มีความเข้มสูงจากดาวทำร้าย จนมันทำงานอ่านข้อมูลบกพร่อง Juno จึงมีสภาพเหมือนเทพธิดาที่สวมเสื้อเกราะครบชุดเพื่อออกสงคราม

บน Juno มีอุปกรณ์วิทยาศาสตร์มากมาย เช่น กล้องถ่ายภาพ Juno Cam สำหรับถ่ายภาพเมฆที่ปกคลุมทั้งขั้วเหนือและขั้วใต้ของดาวอย่างละเอียด ยิ่งกว่าภาพที่ได้เมื่อปี 2000 จากยานอวกาศ Cassini ยาน Juno จะทำหน้าที่วิเคราะห์แสงเหนือ แสงใต้ที่เหนือขั้วทั้งสองของดาวซึ่งกล้องโทรทรรศน์อวกาศ Hubble ได้สังเกตเห็นด้วย

แต่เป้าหมายหลักของ Juno คือ ศึกษาโครงสร้างภายในของดาวพฤหัสบดี ซึ่งมี hydrogen และ helium เป็นองค์ประกอบที่สำคัญเช่นเดียวกับดวงอาทิตย์ การมีธาตุ H และ He ในปริมาณมาก ทำให้เราเชื่อว่า ดาวพฤหัสบดีและดวงอาทิตย์ถือกำเนิดมาพร้อมๆ กัน

จุดน่าสนใจอีกประเด็นหนึ่งเกี่ยวกับดาวพฤหัสบดี คือ การมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมากกว่าของโลกประมาณ 1,000 เท่า สนามจึงสามารถต่อต้านลมสุริยะที่พัดจากดวงอาทิตย์สู่ดาวได้ ทำให้เกิดบริเวณกว้างใหญ่ทางด้านเดียวกับดวงอาทิตย์ ที่ไม่มีลมสุริยะใดๆ มาใกล้กรายเป็นระยะทางประมาณ 8 ล้านกิโลเมตร อุปกรณ์ magnetometer บนยานได้วิเคราะห์รูปทรงของสนามแม่เหล็กเหนือดาว ข้อมูลที่ได้สามารถบอกค่าของมวลที่แก่นกลางของดาว รวมถึงรัศมีของแก่นด้วย ซึ่งคาดกันว่า จะมีค่าตั้งแต่ 12 -45 เท่าของมวลโลก และมีค่าประมาณ 14% ของมวลดาวพฤหัสบดี

ในอดีต เมื่อปี 1979 ยาน Voyager ทั้ง I และ II ได้เคยมีประสบการณ์การเผชิญสนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสบดีแล้ว ยานอวกาศ Ulysses ก็เคยโคจรผ่านสนามแม่เหล็กที่ขั้วดาว ในปี 1992 ลุถึงปี 1995 ยาน Galileo ได้วิเคราะห์สนามแม่เหล็กที่แถบเส้นศูนย์สูตรของดาว และยาน New Horizons ที่ส่งไปสำรวจดาวเคราะห์แคระ Pluto ก็ได้รายงานการเผชิญสนามแม่เหล็กของดาวที่ระยะไกลถึง 160 ล้านกิโลเมตรด้วย

เมื่อข้อมูลที่ได้มีลักษณะเป็นชิ้นส่วนเช่นนี้ Juno จะพยายามสังเคราะห์สภาพของสนามแม่เหล็กในสามมิติอย่างละเอียด เพื่อจะตอบคำถามที่ว่าอะไรทำให้ดาวพฤหัสบดีมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงเช่นนี้
ปริศนาที่เกี่ยวกับบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีก็เป็นอีกหนึ่งคำถามที่ยังไม่มีคำตอบสมบูรณ์ ดังที่มีการพบว่าในเดือนธันวาคม ค.ศ.1995 ขณะยาน Galileo โคจรเหนือดาวพฤหัสบดี Galileo ได้ปล่อยยานลูก Atlantis ที่มีร่มชูชีพติดอยู่เพื่อนำลงสู่ผิวดาว โดยผ่านบรรยากาศที่ประกอบด้วยเมฆหนาทึบอย่างช้าๆ และได้พบว่า บรรยากาศมี ammonia และ oxygen แต่แทบไม่มีไอน้ำเลย

ครั้นเมื่อยาน Atlantis ได้ลงไปลึก 150 กิโลเมตร อุปกรณ์บนยานได้รายงานการเห็นแต่ hydrogen และเผชิญความดันบรรยากาศที่สูงถึง 200 เท่าของความดันบรรยากาศของโลก และเมื่อลงลึกไปอีก ก็พบว่าความดันและอุณหภูมิสูงขึ้นๆ โดยชั้นบนสุดมีอุณหภูมิ –100 องศาเซลเซียส และชั้นล่างมีอุณหภูมิ +300 องศาเซลเซียส

ในที่สุดยาน Atlantis ก็ถูกความดันที่มากมหาศาลของบรรยากาศบนดาวพฤหัสบดีบีบอัดจนสิ้นสภาพ แต่ก่อนจะจบชีวิตทำงาน Atlantis ได้รายงานว่า บรรยากาศเหนือดาวสามารถแบ่งออกได้ 3 ชั้น คือ ชั้นนอกสุดมีผลึกแอมโมเนีย ชั้นกลางมี ammonium hydrosulfide และชั้นในสุดเป็นผลึกฮีเลียม แต่ก็ยังไม่สามารถตอบคำถามที่ว่า เหตุใดพายุบนดาวจึงมีความเร็วสูงถึง 400 กม./ชั่วโมง และเหตุใดดาวพฤหัสบดีจึงแผ่พลังงานความร้อนออกได้มากถึง 2 เท่าของพลังงานที่มันได้รับจากดวงอาทิตย์ Atlantis ยังได้รายงานการเห็นเหตุการณ์ฟ้าแลบบนดาวว่า เกิดไม่บ่อยคือ ประมาณ 10% ของจำนวนที่เคยคิด

ดังนั้นโอกาสที่อินทรีย์โมเลกุลจะอุบัติเหนือดาวจึงมีน้อย แต่ก็ได้พบว่า ดาวมีฮีเลียมมาก ซึ่งแสดงว่า เมฆฮีเลียมได้กลั่นตัวและตกเป็นฝน และได้ปล่อยความร้อนแฝงออกมา

ข้อมูลต่างๆ ที่ Atlantis วัดได้ถูกส่งกลับไปให้ยาน Galileo ส่งต่อถึงโลกในอีก 52 นาทีต่อมา ด้วยสัญญาณที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง

ข้อมูลจากยาน Galileo ได้แสดงให้เห็นอีกว่า ดาวพฤหัสบดีมีขนาดใหญ่กว่าโลกประมาณ 1,300 เท่า มีมวลมากกว่าโลก 316 เท่า การมีสนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง และมวลมากเช่นนี้ทำให้ดาวพฤหัสบดีสามารถทำหน้าที่เป็นเกราะกำบังโลกให้ปลอดจากการถูกดาวหางหรืออุกกาบาตพุ่งชน เพราะเวลาดาวหางหรืออุกกาบาตจากอวกาศพุ่งเข้าหาโลก แรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีจะดึงดูดเทห์ฟ้าเหล่านั้นให้ไปพุ่งชนมันแทน ดังเหตุการณ์ที่เกิดในเดือนตุลาคมปี 1994 ที่โลกได้เห็นดาวหาง Shoemaker – Levy -9 พุ่งชนดาวพฤหัสบดี และผลการชนแสดงว่าผิวดาวเป็นของเหลว

ในการศึกษาบรรยากาศทึบของดาวพฤหัสบดีที่มีแอมโมเนียหนาแน่น ถ้า Juno พบน้ำมากนั่นแสดงว่า ดาวพฤหัสบดีถือกำเนิด ณ ตำแหน่งที่มันอยู่ในปัจจุบัน แต่ถ้าไม่พบน้ำ (ซึ่งเป็นไปได้) นั่นจะตั้งคำถามใหม่ว่า ดาวพฤหัสบดีเข้ามาเป็นดาวบริวารของดวงอาทิตย์ได้อย่างไร

เพื่อความมั่นใจในข้อสรุป NASA ได้ขอให้นักดาราศาสตร์สมัครเล่นทั่วโลกช่วยกันสังเกตผิวดาวและการเปลี่ยนแปลงของผิว ตลอดเวลาการสำรวจของ Juno ครั้งนี้ เพื่อช่วยนักดาราศาสตร์อาชีพเชื่อมโยงเหตุการณ์ต่างๆ ที่ผิวกับที่ใต้ผิว

สำหรับยาน Juno ที่กำลังโคจรอยู่ในขณะนี้ บนยาน มีแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีความยาว 8.9 เมตร และมีกำลัง 500 วัตต์ เพื่อช่วยรับพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้ในการทำงานของอุปกรณ์บนยาน เพราะที่ระยะทางไกลมากนี้ดาวพฤหัสบดีได้รับพลังงานแสงอาทิตย์เพียง 4% ของที่โลกได้รับเท่านั้นเอง
พายุจุดแดงใหญ่ของดาวพฤหัสบดีเป็นเอกลักษณ์ที่โดดเด่นมากอีกประการหนึ่งของดาว ในการสังเกตจุดแดงใหญ่ด้วยกล้องโทรทรรศน์บนโลกได้พบว่า จุดแดงได้ลดขนาดลง ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นเพราะจุดแดงมีอันตรกริยากับแก๊สเหลวบนดาวที่บริเวณขอบ

สำหรับแถบสีต่างๆ ที่ปรากฏในแนวขนานกับเส้นศูนย์สูตรของดาวนั้นได้มีการพบว่า แถบเหล่านี้ขยายตัว แต่ก็ยังไม่มีคำอธิบายเช่นกัน

ในการไปสำรวจครั้งนี้ ยาน Juno ยังได้นำอุปกรณ์ spectrograph ที่สามารถรับแสง ultra-violet และ infrared ได้ดีไปด้วย เพื่อศึกษาความเคลื่อนไหวของแสงเหนือ แสงใต้ที่อยู่ต่ำกว่าผิวบนของบรรยากาศประมาณ 60 กิโลเมตร และมีลักษณะเป็นวงแหวนขนาดใหญ่ เพราะมีรัศมียาวประมาณ 5,000 กิโลเมตร สำหรับที่มาของแสงเหนือ แสงใต้นี้ นักดาราศาสตร์คิดว่า คงเกิดจากการที่ภูเขาไฟบนดวงจันทร์ Io ของดาวพฤหัสบดีพ่นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าออกมา และอนุภาคที่มีประจุเหล่านี้ได้ถูกอิทธิพลของสนามแม่เหล็กดาวพฤหัสบดีกระทำทำให้เกิดแสงเหนือและแสงใต้ และอีกสาเหตุหนึ่งมาจากลมสุริยะที่พัดมาถึงดาวพฤหัสบดี

การศึกษาค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดี ก็ยังไม่เคยมีการวัดอย่างละเอียด และถ้ารู้ข้อมูลนี้นักวิทยาศาสตร์ก็จะรู้ทันทีว่า ที่แก่นกลางของดาวมีธาตุอะไร

ข้อมูลความเข้มของสนามแม่เหล็ก และสนามโน้มถ่วงจะทำให้เข้าใจโครงสร้างภายในของดาวว่า ดาวมีแก่นกลางที่เป็นของแข็งหรือไม่ เพราะทฤษฎีการถือกำเนิดของดาวเคราะห์ที่มีในปัจจุบันระบุว่า ดาวพฤหัสบดีมีแก่นกลางที่มีมวลประมาณ 10 เท่าของโลก มันจึงจะสามารถดึงดูดไฮโดรเจนและฮีเลียมมาเป็นองค์ประกอบของมันได้

การพบองค์ความรู้ใหม่ๆ เกี่ยวกับดาวพฤหัสบดีจะช่วยให้เราเข้าใจธรรมชาติของดาวเคราะห์ยักษ์ที่ประกอบด้วยแก๊ส เช่น เสาร์ เนปจูน ยูเรนัส รวมถึงดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่อยู่นอกระบบสุริยะด้วย ว่าดาวเคราะห์ยักษ์ถือกำเนิดอย่างไร และมีอิทธิพลต่อดาวเคราะห์ขนาดเล็กที่โคจรอยู่ใกล้เคียงอย่างไร

หลังจากที่ได้โคจรรอบดาวพฤหัสบดีครบ 37 รอบแล้ว Juno จะทำ kamikaze คือ อัตฆาตโดยการพุ่งลงชนดาวในปี 2021 โดย NASA จะบังคับไม่ให้ชิ้นส่วนใดๆ ที่เกิดจากการทำลายตัวเองของ Juno ไปตกลงบนดวงจันทร์ Europa (ซึ่งนักวิทยาศาสตร์หลายคนคิดว่าน่าจะมีสิ่งมีชีวิต) อันจะทำให้ดวงจันทร์ดวงนั้นปนเปื้อน ในการทำลายตัวเองของ Juno นี้ มันจะเดินทางไปสวรรค์พร้อมกับตุ๊กตาขนาด 3 ตัวที่แทน Galileo, Juno และ Jupiter

หลังจาก Juno แล้ว ในปี 2022 องค์การอวกาศยุโรป (ESA) จะส่งยานอีกยานหนึ่งไปดาวพฤหัสบดีในโครงการ JUICE จากคำเต็ม Jupiter Icy Moons Explorer เพื่อสำรวจทะเลใต้ผิวดาวของดวงจันทร์ Ganymede ซึ่งเป็นดาวบริวารที่ใหญ่ที่สุดของดาวพฤหัสบดี

อ่านเพิ่มเติมจาก By Jupiter: Odysseys to a Giant โดย Eric Burgess จัดพิมพ์โดย Columbia University Press ปี 2002






เกี่ยวกับผู้เขียน

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

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์