วงแหวนที่กำลังจะมีของดาวอังคาร และที่มีอยู่แล้วของดาวเสาร์

เมื่อต้นคริสต์ศตวรรษที่ 17 Johannes Kepler นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันได้ปรารภว่า ดาวอังคารน่าจะมีดวงจันทร์บริวารสองดวง โดยให้เหตุผลว่า ถ้าโลกมีดวงจันทร์ 1 ดวง และดาวพฤหัสบดีมีดวงจันทร์ 4 ดวง (คือ Io, Europa, Ganymede และ Callisto ดังที่ Galileo เห็น) ดังนั้น ดาวอังคารที่โคจรอยู่ระหว่างโลกกับดาวพฤหัสบดีก็น่าจะมีดวงจันทร์ 2 ดวงตามอนุกรมเรขาคณิต 1, 2, 4

แต่ไม่มีใครเห็นดวงจันทร์ที่ Kepler คิดว่ามี จนกระทั่งถึงวันที่ 11 สิงหาคม ค.ศ.1877 (รัชสมัยสมเด็จพระปิยมหาราช) เมื่อ Asaph Hall แห่งหอดูดาว Naval Observatory ที่ Washington D.C. ได้เห็นจุดสว่างเล็กๆ จุดหนึ่งปรากฏที่บริเวณใกล้ขอบของดาวอังคาร อีก 6 วันต่อมาเขาก็ได้เห็นจุดสว่างขนาดเล็กอีกจุดหนึ่งอยู่ใกล้จุดสว่างแรก การติดตามสังเกตการณ์เคลื่อนที่ของจุดทั้งสอง ทำให้ Hall เป็นบุคคลแรกที่พบดวงจันทร์ของดาวอังคาร เขาจึงตั้งชื่อว่า Phobos (ความกลัว) และ Deimos (ความสยอง) ตามชื่อของพระราชโอรสในเทพเจ้าแห่งสงคราม (Mars) ตามเรื่องเล่าในเทพนิยายโรมัน

ความสำเร็จของ Hall ในครั้งนั้นเกิดจากการมีโชคและความสามารถมหาศาล เพราะ ณ เวลาที่เขาเห็นดวงจันทร์ทั้งสองดวง ดาวอังคารอยู่ใกล้โลกมากที่สุด และเขาเป็นคนที่มีความละเอียดถี่ถ้วนในการสังเกตด้วย

แม้จะได้เห็นดวงจันทร์ทั้งสองตั้งแต่ปี 1877 แต่นักดาราศาสตร์ก็ไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับ Phobos และ Deimos จนอีก 100 ปีต่อมา เมื่อ NASA ส่งยาน Viking ไปโฉบผ่าน Phobos ที่ระยะใกล้ 27 กิโลเมตร จนพบว่ามันมีขนาด 20x23x28 กิโลเมตร และโคจรรอบดาวอังคารโดยใช้เวลารอบละ 7 ชั่วโมง 39.2 นาที ในทิศที่สวนกับทิศการหมุนรอบตัวเองของดาวอังคาร

เพราะดาวอังคารหมุนรอบตัวเองโดยใช้เวลา 24.6 ชั่วโมง ดังนั้นถ้าใครได้ขึ้นไปยืนบนดาวอังคาร เขาก็จะเห็นดวงจันทร์ Phobos ขึ้นทางทิศตะวันตก และตกทางทิศตะวันออก วันละ 3 ครั้ง

ส่วนดวงจันทร์ Deimos นั้น โคจรอยู่ไกลจากดาวอังคารยิ่งกว่า Phobos คือที่ระยะทาง 23,460 กิโลเมตร จึงมีความเร็วน้อยกว่า และใช้เวลานานกว่า คือ 31 ชั่วโมง 5 นาที ในการโคจรครบรอบ ภาพถ่ายโดยยานอวกาศ Mars Express แสดงให้เห็นว่า Deimos มีขนาด 10x12x16 กิโลเมตร จึงมีขนาดเล็กกว่า Phobos

ภาพของดวงจันทร์ทั้งสองที่ยานอวกาศถ่ายได้แสดงให้เห็นว่า มันมีลักษณะไม่กลมดิก และผิวดาวมีหลุมอุกกาบาตใหญ่ น้อยมากมาย หลุมที่ใหญ่ที่สุดบน Phobos มีชื่อว่า Stickney Hall (ตามชื่อภรรยาของ Hall) โดยมีปากหลุมกว้าง 9 กิโลเมตร นักดาราศาสตร์คิดว่า ดวงจันทร์ทั้งสองในอดีตเคยเป็นดาวเคราะห์น้อยที่ได้โคจรหลงเข้ามาใกล้ดาวอังคาร จึงถูกมันดึงดูดไว้เป็นดาวบริวาร

การที่ Phobos และ Deimos เป็นดวงจันทร์ขนาดเล็ก ทำให้เวลามันถูกอุกกาบาตพุ่งชน ละอองดินและฝุ่นที่พุ่งกระเด็นออกจากดาว จะกระจัดกระจาย บ้างก็หลุดหนีแรงโน้มถ่วงไปได้ ดังนั้น มวลของ Phobos และ Deimos จึงน้อยลงๆ ตามกาลเวลา และเมื่อแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ทั้งสองค่อนข้างน้อย ดังนั้น ความเร็วในการหลุดพ้นของหิน และฝุ่นบนดาวจึงมีค่าเพียง 1.4 เมตร/วินาทีเท่านั้นเอง ในขณะที่ฝุ่นบนดวงจันทร์ทั้งสองอาจมีความหนาถึง 100 เมตร

นักดาราศาสตร์ได้ติดตามสังเกตดูวิถีโคจรของ Phobos ตลอดเวลาที่ผ่านมา ข้อมูลที่ได้แสดงว่ารัศมีวงโคจรของ Phobos ได้ลดลงๆ จนในอีก 40 ล้านปีมันอาจพุ่งชนดาวอังคารได้ ดังนั้นจุดจบของ Phobos ในอนาคต คือ การทำจันทรฆาตอย่างไม่มีทางเลี่ยง

แต่ก่อนมันจะพุ่งลงชนผิวดาวอังคารจนแหลกละเอียด Phobos ก็อาจจะแตกสลาย เพราะถูกแรงโน้มถ่วงของดาวอังคารดึงดูด จนเนื้อดาวแตกแยกละเอียดเป็นฝนหิน และพายุฝนหินที่เกิดขึ้นก่อนจะตกถึงผิวดาวอังคารอาจกลายเป็นวงแหวนล้อมรอบดาวอังคารได้ เหมือนในกรณีของดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน ที่ต่างก็มีวงแหวนล้อมรอบ

ความจริงนักดาราศาสตร์ได้เคยคิดมานานแล้วว่า ดาวอังคารมีวงแหวนที่เกิดจากหินซึ่งกระเด็นออกมาจากดวงจันทร์ Phobos และ Deimos เวลาถูกอุกกาบาตพุ่งชน แต่ไม่มีใครเคยเห็นวงแหวนที่ว่านี้ ไม่ว่าจะใช้กล้องโทรทรรศน์บนโลก หรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศส่องดู

ในปี 2013 ดาวเทียม Mars Atmosphere and Volatile Evolution (MAVEN) ที่โคจรรอบดาวอังคารได้รายงานการเห็นเมฆฝุ่นที่ลอยอยู่สูงเหนือผิวดาว แต่ไม่สามารถวัดขนาดและเห็นที่มาของฝุ่นได้ เพราะเมฆดังกล่าวไม่ได้จับตัวกันเป็นวงแหวน แต่กระจายตัวออก ทุกคนจึงคิดว่า ฝุ่นมาจากอวกาศ

ทว่าการวิเคราะห์ข้อมูลดังกล่าวใหม่ แสดงให้เห็นว่า ดาวอังคารกำลังมีวงแหวนฝุ่นล้อมรอบตัวดาว และฝุ่นดังกล่าวมาจากดวงจันทร์บริวารทั้งสอง เพราะฝุ่นนั้นมีขนาดใหญ่พอสมควรให้ดาวอังคารดึงดูด ไปให้โคจรไปรอบตัวดาว ในขณะที่ฝุ่นซึ่งมีมวลน้อยจะถูกลมสุริยะพุ่งชนจนกระเด็นหนีหายไปในอวกาศ ในเวลาต่อมาแบบจำลองการเกิดวงแหวนของดาวอังคารก็ได้แสดงให้เห็นว่า ฝุ่นจาก Phobos และ Deimos ในปริมาณ 0.6% สามารถทำให้เกิดวงแหวนได้

ส่วนนักดาราศาสตร์ญี่ปุ่นที่ได้ส่งดาวเทียม Nozomi ไป โคจรรอบดาวอังคาร ในปี 2003 นั้นไม่ได้รายงานการเห็นวงแหวนรอบดาวอังคาร เพราะวงจรไฟฟ้าบนยานทำงานขัดข้อง ดังนั้นยานจึงไม่ได้รายงานข้อมูลใดๆ

จึงเป็นว่า การที่ดาวอังคารจะมีวงแหวนในอนาคตหรือไม่ ข้อมูลฝุ่นเป็นเรื่องจำเป็น ดังนั้นทางอินเดียจึงมีแผนจะส่ง Mars Orbit Dust Experiment (MODEX) ไปเก็บฝุ่นในอวกาศเหนือดาวอังคาร เพื่อให้รู้ชัดว่า วงแหวนรอบดาวอังคารมีจริง หรือกำลังจะมี หรือไม่มีทางจะมี

สำหรับข้อมูลดาราศาสตร์เกี่ยวกับวงแหวนรอบดาวเคราะห์อื่นๆ ในระบบสุริยะนั้นแสดงว่า ดาวพฤหัสบดีมีวงแหวน 4 วง ซึ่งถือกำเนิดจากฝุ่นและหินที่กระเด็นหลุดมาจากดวงจันทร์ Amalthea, Thebe, Metis และ Adrastea ซึ่งวงแหวนแต่ละวงของดาวพฤหัสบดีมีอายุไม่เกิน 600 ล้านปี

ส่วนดาวยูเรนัสมีวงแหวน 13 วง ซึ่งประกอบด้วยอนุภาคขนาดใหญ่กว่าอนุภาคของวงแหวนรอบดาวพฤหัสบดี จากละอองฝุ่นที่เกิดจากดวงจันทร์ Puck ทำให้เห็นเป็นแถบๆ ซึ่งมีความกว้างตั้งแต่ 1 – 96 กิโลเมตร

ด้านดาวเนปจูนมีวงแหวน 5 วง ชื่อ Arago, Adams, Le Verrier, Lassell และ Galle ซึ่งเกิดจากดวงจันทร์ชื่อ Galatea, Nereid และ Thalassa

ส่วนดาวเสาร์มีวงแหวน A, B, C, D, E, F และ G ซึ่งเป็นระบบวงแหวนที่สวยที่สุด เพราะมีสีเหลืองสด ดังที่ Galileo Galilei ได้เห็นเป็นคนแรกในปี 1610 แต่กล้องที่เขาใช้มีคุณภาพไม่ดีนัก ดังนั้นจึงเห็นส่วนกลางของดาวโป่งนูน ทำให้ดาวเสาร์มีลักษณะไม่กลม จนกระทั่งปี 1653 Christiaan Huygens จึงได้เห็นว่า ส่วนที่โป่งออกมาจากดาวนั้นเป็นวงแหวนที่กำลังล้อมรอบดาวเสาร์ โดยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของดาว กระนั้นนักดาราศาสตร์ในสมัยนั้นก็ไม่มีใครสามารถอธิบายเสถียรภาพของวงแหวนได้ว่า เกิดขึ้นได้อย่างไร ประกอบด้วยอะไร และเป็นวัสดุชิ้นเดียวหรือไม่

ถึงปี 1856 James Clerk Maxwell จึงได้อธิบายให้ทุกคนเห็นว่า วงแหวนประกอบด้วยกลุ่มก้อนน้ำแข็งขนาดเล็กที่กำลังโคจรไปรอบดาวเสาร์พร้อมๆ กัน เพราะถ้าวงแหวนเป็นวัสดุเนื้อเดียว แรงโน้มถ่วงและแรงหนีศูนย์กลางจะทำให้วัสดุนั้นแตกกระจายในเวลาไม่นาน

คำถามที่ทำให้นักดาราศาสตร์สงสัย คือ วงแหวนของดาวเสาร์ถือกำเนิดจากแหล่งใด มาจากดวงจันทร์บริวารใดที่ถูกชนโดยอุกกาบาตจนแตกกระจัดกระจาย และเศษชิ้นเหล่านั้นไม่สามารถรวมตัวกันเป็นดาวเคราะห์ได้

จะอย่างไรก็ตาม คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ อาจจะได้มาจากยานอวกาศ Cassini ที่กำลังสำรวจดาวเสาร์อยู่ในเวลานี้ จนกระทั่งถึงเดือนกันยายนปีนี้ เพราะหลังจากที่ได้สำรวจดาวเสาร์ และดวงจันทร์บริวารทั้งหลายเป็นเวลานาน 13 ปี ยาน Cassini ของ NASA ก็เตรียมตัวอำลาดาวเสาร์ด้วยการทำอัตวินิบาตกรรม โดยในกระบวนการอำลา (Grand Finale) ซึ่งได้เริ่มดำเนินการตั้งแต่วันที่ 22 เมษายนที่ผ่านมานี้ ขณะ Cassini โคจรผ่านดวงจันทร์ Titan ซึ่งเป็นดาวบริวารที่ใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์เป็นครั้งสุดท้าย ยานได้ถูกบังคับให้โคจรผ่านเข้าไปในบริเวณช่องว่างระหว่างดาวเสาร์กับวงแหวนซึ่งเป็นแถบที่มีความกว้างประมาณ 2,400 กิโลเมตร แล้วพุ่งตัวหนีจากดาวเสาร์ แล้วย้อนกลับเข้าช่องทางเดิมอีกรวมทั้งสิ้น 22 ครั้ง จนในที่สุดเมื่อถึงวันที่ 15 กันยายนของปีนี้ NASA ก็จะบังคับยาน Cassini ให้พุ่งลงฝ่าบรรยากาศที่หนาทึบของดาวเสาร์ แล้วดิ่งลงผิวดาว เป็นการฆ่าตัวตายอย่างเจตนา

ตลอดเวลาที่ผ่านมา Cassini ได้นำองค์ความรู้ใหม่ต่างๆ มากมายมาสู่วงการดาราศาสตร์ เช่น ได้เข้าไปสังเกตดูอนุภาคและชิ้นวัตถุ ที่เป็นก้อนหินหรือสะเก็ดน้ำแข็งอย่างจะๆ เป็นครั้งแรก อีกทั้งยังได้สัมผัสบรรยากาศชั้นนอกสุดของดาวเสาร์ ได้วัดสมบัติและความเข้มของสนามแม่เหล็ก กับสนามโน้มถ่วงของดาวเสาร์อย่างละเอียด ซึ่งข้อมูลเหล่านี้จะช่วยให้นักดาราศาสตร์ตอบปริศนาที่คาใจคนทุกคนมาเป็นเวลานานได้ เช่นว่า ดาวเสาร์หมุนรอบตัวเองโดยใช้เวลานานเพียงใด วงแหวนต่างๆ ของดาวเสาร์เกิดขึ้นได้อย่างไร จะมีอายุอีกนานเพียงใด มีมวลมากหรือน้อยเพียงใด รวมถึงช่วยตอบคำถามที่ว่า แก่นกลางของดาวเสาร์เป็นโลหะ ไฮโดรเจนใช่หรือไม่

ในการปิดฉาก “grand finale” ของ Cassini นั้น ยานจะเข้าใกล้ดาวพฤหัสบดีที่มากที่สุดด้วยความเร็ว 30 กิโลเมตร/วินาที และขณะพุ่งขึ้นเหนือระนาบของวงแหวน เพื่อกล้องจะถ่ายภาพของวงแหวนอย่างใกล้ชิด ซึ่งจะทำให้เห็นว่ามันมีรูปทรงที่สม่ำเสมอ หรือแปรปรวน เพราะถูกอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ อันได้แก่ Janus, Mimas, Enceladus, Tethys, Dione และ Rhea ที่โคจรอยู่ในวงแหวน

อุปกรณ์การถ่ายภาพระยะไกลของยานจะถ่ายภาพวงแหวนทั้งด้านที่ได้รับและไม่ได้รับแสงอาทิตย์ ภาพที่ได้จะบอกให้รู้ว่าอนุภาคต่างๆ ที่ประกอบกันเป็นวงแหวนมีองค์ประกอบทางเคมีอะไรบ้าง

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็จะพยายามตอบคำถามเกี่ยวกับวงแหวนที่ยากมากที่สุด คือ วงแหวนมีอายุเท่าไร และเกิดขึ้นได้อย่างไร

ในระหว่างเดือนพฤษภาคม และกรกฎาคมนี้ Cassini จะวัดสนามโน้มถ่วงของดาวเสาร์ โดยการวิเคราะห์ความเร็ว และความเร่งของยาน ขณะเคลื่อนที่อยู่ระหว่างดาวเคราะห์กับวงแหวน ซึ่งจะบอกให้รู้มวลของวงแหวนถ้ามวลที่คำนวณได้มีค่ามาก (เปรียบเทียบกับดวงจันทร์บริวาร) นั่นแสดงว่า วงแหวนมีอายุมาก (1,000 ล้านปี) และเกิดจากการแตกสลายของดวงจันทร์บริวารขนาดใหญ่ แต่ถ้ามวลของวงแหวนมีค่าน้อย นั่นแสดงว่า มันมีอายุน้อย และเกิดจากการแตกสลายของดาวหาง ที่ถูกทำลายโดยอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดาวเสาร์

ในส่วนที่เกี่ยวกับสนามแม่เหล็กนั้น ยาน Cassini ได้ข้อมูลใหม่ว่า สนามมีความเข้มสูงถึง 10 เท่าของค่าที่เคยวัดได้ ข้อมูลนี้ช่วยให้เรารู้ว่า แก่นกลางของดาวเสาร์อยู่ลึกใต้ผิวดาวเพียงใด และดาวเสาร์หมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วเท่าใด เพราะเมื่อครั้งที่ยาน Voyage เดินทางผ่านดาวเสาร์เมื่อ 30 ปีก่อน ยานวัดความเร็วได้ 11 ชั่วโมง แต่ยานอื่นๆ ในเวลาต่อมา วัดความเร็วได้ค่าต่างไป ขึ้นกับว่าได้วัดที่ส่วนเหนือหรือส่วนใต้ของดาวเสาร์

เมื่อถึงในวันที่ 15 กันยายนปีนี้ เมื่อเชื้อเพลิงบน Cassini ก็ใกล้จะหมดเต็มที NASA จะส่งสัญญาณบังคับให้ยาน Cassini พุ่งลงชนดาวเสาร์ และขณะดำดิ่งลง ยานก็จะวัดข้อมูลองค์ประกอบของแก๊สในบรรยากาศของดาวเสาร์ เป็นการทำงานจนวินาทีสุดท้าย

อ่านเพิ่มเติมจาก Renaissance genius: Galileo Galilei and His Legacy to Modern Science โดย D. Whitehouse จัดพิมพ์โดย Sterling Publishing Company ปี 2006






เกี่ยวกับผู้เขียน

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

อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์