ในปี 1979 NASA ได้ส่งยานอวกาศ Pioneer 11 โคจรผ่านดาวเสาร์ที่ระยะไกล อีก 2 ปีต่อมายาน Voyager I และ II ก็ถูกส่งไปถ่ายภาพดาวเสาร์และดวงจันทร์ Titan ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ดวงจันทร์ดวงนี้มีเมฆหนาทึบปกคลุมตลอดเวลา ข้อมูลนี้ทำให้ทุกคนมีจินตนาการว่า คงมีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่แน่ๆ ดังนั้นในปี 1986 โครงการ Cassini-Huygens จึงถือกำเนิดโดย NASA ตั้งใจจะส่งยานอวกาศไปถ่ายภาพ และสำรวจดาวเสาร์ที่ระยะใกล้ รวมถึงศึกษาธรรมชาติของบรรดาดวงจันทร์บริวาร วงแหวน และวิเคราะห์สนามแม่เหล็กของดาวเสาร์ด้วย เพื่อตอบคำถามที่ว่า ระบบดวงจันทร์ของดาวเคราะห์ขนาดใหญ่เช่น ดาวเสาร์ที่มีถือกำเนิดได้อย่างไร และเปลี่ยนแปลงไปมากเพียงใดนับตั้งแต่วันที่ดาวเสาร์ถือกำเนิดจนถึงปัจจุบัน และที่สำคัญที่สุดคือพยายามตอบคำถามว่าดวงจันทร์ Titan มีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่หรือไม่
ลุถึงปี 1997 ยาน Cassini-Huygens ที่ทุกสิ่งทุกอย่างอยู่ในสภาพพร้อมก็ออกเดินทาง และอีก 7 ปีต่อมา ยานก็เดินทางถึงดาวเสาร์ และถูกบังคับให้โคจรรอบดาวเสาร์ โดยมีวงโคจรที่ระยะใกล้-ไกลต่างๆ เพื่อให้ผ่านดวงจันทร์ต่างๆ และ Titan ที่ระยะใกล้ และขณะที่ยาน Cassini โคจรอยู่เหนือ Titan ในปี 2005 นั้น ยานได้ปล่อยยานลูกชื่อ Huygens ให้ร่อนลงบนผิวของ Titan อย่างนิ่มนวลโดยใช้ร่มชูชีพ เพื่อถ่ายภาพภูมิประเทศ แล้วส่งข้อมูลและภาพกลับมายังโลก
ยาน Cassini ยังได้ถ่ายภาพวงแหวนของดาวเสาร์จากมุมและระยะทางต่างๆ เช่น จากบริเวณเหนือและใต้วงแหวน รวมถึงในแนวขอบของวงแหวนด้วย และยานได้พุ่งผ่านช่องว่างระหว่างวงแหวนกับดาวเสาร์ เพื่อศึกษาที่มา อายุ และมวลของวงแหวน จนกระทั่งปี 2017 NASA จึงได้ทำลายยาน Cassini โดยบังคับมันให้พุ่งตัวลงผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเสาร์ จนตัวยานเสียดสีกับบรรยากาศอย่างรุนแรงทำให้ยานลุกไหม้ เป็นการอำลาครั้งสุดท้ายซึ่งเป็นดราม่าในลักษณะ Grand Finale
ตลอดระยะเวลา 13 ปีที่ผ่านมา ยาน Cassini-Huygens ได้พบองค์ความรู้ใหม่มากมาย เช่น ได้พบว่า ดวงจันทร์ Titan มีทะเล methane ที่สามารถให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตได้ ส่วนดวงจันทร์ Enceladus นั้นก็มีบ่อน้ำพุร้อนที่บริเวณขั้วใต้ของดาว ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดวงแหวน E ของดาวเสาร์ การถ่ายภาพวงแหวนใน 3 มิติ ยังแสดงให้เห็นโครงสร้างทั้งหมด และเห็นมหาพายุที่เกิดบนดาวเสาร์ว่าได้พัดอย่างต่อเนื่องกันนานถึง 1 ปี รวมถึงยังได้พบหลักฐานที่แสดงว่า ดวงจันทร์ Phoebe เคยเป็นชิ้นส่วนที่ดาวเสาร์ยึดมาได้จากบรรดาดาวเคราะห์น้อยที่โคจรอยู่ในแถบ Kuiper
ก่อนที่ยาน Cassini จะเดินทางถึงดาวเสาร์ ความรู้ดาราศาสตร์ในเวลานั้นมีเพียงว่า Enceladus เป็นดวงจันทร์ขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 500 กิโลเมตร สามารถสะท้อนแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบผิวของมันได้ถึง 90% ทำให้ Enceladus เป็นดวงจันทร์ที่ดูสว่างไสวที่สุดในระบบสุริยะ แต่เมื่อ Cassini โคจรเข้าใกล้ Enceladus ภาพถ่ายที่ได้แสดงให้เห็นว่า ผิวดาวดวงนี้มีรอยแยกขนาดใหญ่ 4 รอยเรียงขนานอยู่ที่บริเวณใกล้ขั้วใต้ รอยแยกเหล่านี้มีความยาวประมาณ 130 กิโลเมตร กว้างตั้งแต่ 2-4 กิโลเมตร อยู่ห่างจากกันประมาณ 35 กิโลเมตร และมีอุณหภูมิสูงกว่าบริเวณใกล้เคียงประมาณ 100 องศาเซลเซียส กล้องถ่ายภาพบนยาน Cassini ยังได้แสดงให้เห็นภาพของน้ำพุร้อนที่พุ่งขึ้นตามรอยแยก การมีน้ำพุร้อนเป็นเรื่องที่ไม่มีใครคาดฝันมาก่อน ดังนั้น NASA จึงบังคับให้ Cassini โคจรผ่านละอองน้ำพุที่พุ่งขึ้นจากผิวดาวรวมทั้งสิ้น 7 ครั้ง เพื่อเก็บตัวอย่างของแก๊สและเกล็ดน้ำแข็งที่อยู่ในละอองน้ำพุ
นอกจากนี้ Enceladus ยังมีอีกเอกลักษณ์หนึ่งที่โดดเด่นมาก คือ บริเวณขั้วใต้มีผิวที่ราบเรียบ อย่างปราศจากร่องรอยการถูกพุ่งชนโดยอุกกาบาต ซึ่งแสดงให้เห็นว่า ดาวดวงนี้ยังมี “ชีวิต” คือ ผิวดาวมีการเคลื่อนไหวและสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างของผิวได้ตลอดเวลา ส่วนละอองน้ำที่ถูกพ่นขึ้นมาในน้ำพุ เมื่อสัมผัสความเย็นจัดได้กลายเป็นเกล็ดน้ำแข็งหมด แล้วลอยตัวเข้าสู่วงแหวน E ทำให้วงแหวนนี้มีความหนาแน่นของสสารมากที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับวงแหวนวงอื่นๆ และบางส่วนของเกล็ดน้ำแข็งได้ไปเพิ่มมวลให้แก่ดวงจันทร์ Mimas, Tethys, Dione และ Rhea เพราะดวงจันทร์ทั้ง 4 ต่างก็มีวงโคจรรอบดาวเสาร์ที่อยู่ในวงแหวน E ตลอดเวลา
นักดาราศาสตร์ยังได้พบอีกว่า ใต้ผิวน้ำแข็งของ Enceladus มีทะเลที่ลึกประมาณ 10 กิโลเมตร และผิวน้ำแข็งมีความหนาโดยเฉลี่ยตั้งแต่ 26-31 กิโลเมตร แต่บริเวณขั้วใต้เป็นชั้นน้ำแข็งที่หนาประมาณ 5 กิโลเมตร
อุปกรณ์วิทยาศาสตร์ Mass Spectrometer ที่ติดตั้งบนยานได้ตรวจพบอีกว่า น้ำพุบน Enceladus มีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์, methane, แก๊สไฮโดรเจน, propane, acetylene, sodium, potassium และผง silica ที่มีขนาดเล็กกว่า 10 นาโนเมตรด้วย ซึ่งผงนี้ได้จากน้ำทะเลที่อยู่ใต้ผิวดาว การมีสารประกอบที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตเช่นนี้ แสดงให้เห็นว่าพลังงานความร้อนที่มีใต้ Enceladus สามารถให้กำเนิดสิ่งมีชีวิตได้
ส่วน Titan เป็นดวงจันทร์บริวารอีกดวงหนึ่งของดาวเสาร์ที่น่าสนใจมากเช่นกัน เพราะมีสภาพคล้ายโลกในยุคดึกดำบรรพ์เมื่อหลายพันล้านปีก่อนที่สิ่งมีชีวิตจะถือกำเนิดมีขนาดใหญ่กว่าดาวพุธเล็กน้อย มีบรรยากาศเมฆที่หนาทึบ และที่ผิวดาวมีทะเล hydrocarbon เหมือน โลกที่มีน้ำทะเล เพราะองค์ประกอบของบรรยากาศเหนือดาวมี nitrogen, methane และสารอินทรีย์มาก ดังนั้นท้องฟ้าเหนือ Titan จึงมีสีส้ม
รายละเอียดต่างๆ ที่โลกรู้เกี่ยวกับ Titan เป็นข้อมูลที่ได้มาจากยาน Huygens ที่องค์การอวกาศยุโรป (ESA) สร้าง และได้ถูกนำไปติดตั้งบนยาน Cassini จนกระทั่งถึงเดือนธันวาคม ค.ศ.2004 ยาน Huygens จึงถูกบังคับให้แยกตัวออกจาก Cassini แล้วใช้ร่มชูชีพเพื่อร่อนลงบนผิว Titan อย่างช้าๆ จนลงจอดในอีก 3 สัปดาห์ต่อมา คือเมื่อวันที่ 14 มกราคม ค.ศ.2005
อุปกรณ์วิทยาศาสตร์บนยาน Huygens ได้วัดอุณหภูมิ ความดัน ความเร็วลม ความหนาแน่นของบรรยากาศและวิเคราะห์องค์ประกอบต่างๆ รวมถึงได้ถ่ายภาพบริเวณผิวของ Titan ด้วย และพบว่า ความดันที่ผิวมีค่าประมาณ 1.47 เท่าของความดันบรรยากาศโลก ความเร็วสูงสุดของลมเท่ากับ 430 กิโลเมตร/ชั่วโมง บรรยากาศส่วนใหญ่ประกอบด้วย argon, krypton, xenon, nitrogen และ methane
ภาพถ่ายได้แสดงให้เห็นก้อนหินกลมจำนวนมากอยู่เรียงรายบนผิว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าบริเวณนั้นเคยเป็นทะเล เมื่ออุปกรณ์บน Huygens ได้ข้อมูลตามที่ต้องการแล้ว ได้ส่งสัญญาณไปที่ยาน Cassini ซึ่งกำลังโคจรอยู่เหนือ Titan เพื่อส่งข้อมูลกลับโลก
เพราะเหตุว่าบรรยากาศเหนือ Titan มี methane ในปริมาณมาก ดังนั้นเวลาโมเลกุล methane ได้รับแสงอาทิตย์ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดจะทำให้ได้หมอกสลัว ส่วนเมฆ methane ที่หนาแน่นจะทำให้เกิดฝน methane ตกบนดาวผิวดาวทำให้มีสีน้ำตาลคล้ำ การสำรวจผิว Titan โดยใช้ radar และกล้องถ่ายภาพ infrared แสดงให้เห็นว่าผิวดาวมีสภาพทางธรณีวิทยาเหมือนโลกเมื่อสามพันล้านปีก่อน และอุณหภูมิ -180 องศาเซลเซียสที่ต่ำมากของดาวทำให้ methane ยังคงสภาพเป็นของเหลวได้ตลอดเวลา ในขณะที่โลกมีทะเลน้ำ Titan ก็มีทะเล แต่เป็นทะเล methane และ ethane ที่มีความลึกประมาณ 160 เมตร อยู่ที่บริเวณขั้วทั้งสองของดาว
สำหรับดวงจันทร์บริวารอื่นๆ เช่น Mimas, Iapetus และ Phoebe เป็นเพียง 3 ดวง (จาก 62 ดวงที่ดาวเสาร์มี) ที่มีขนาดเล็ก ลักษณะไม่กลม คือ ไม่เป็นรูปทรงเรขาคณิต ดวงจันทร์เหล่านี้ต่างก็มีอันตรกิริยาโน้มถ่วงกับวงแหวน ทำให้เกิดช่องว่างระหว่างวงแหวน และในเวลาเดียวกันก็ทำหน้าที่ควบคุมรูปทรงของวงแหวนด้วย
โดยเฉพาะ Mimas ซึ่งเป็นดวงจันทร์ที่โคจรใกล้ดาวเสาร์มากที่สุด มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 394 กิโลเมตร อุณหภูมิที่ผิวทั้งสองข้างของดวงจันทร์ดวงนี้แตกต่างกันประมาณ 15 องศาเซลเซียส เพราะผิวมีความสว่างน้อยกว่า Enceladus ดังนั้น นักดาราศาสตร์จึงคิดว่าบนผิวมีเกล็ดน้ำแข็งปกคลุม
ส่วนดวงจันทร์ Iapetus ก็มีเอกลักษณ์ที่โดดเด่น คือ ผิวครึ่งหนึ่งมีสีคล้ำเหมือนถ่าน แต่ผิวอีกครึ่งหนึ่งสว่างใสเหมือนถูกหิมะปกคลุม ข้อมูลนี้ไม่มีนักดาราศาสตร์คนใดเคยรู้มาก่อน จนกระทั่ง Cassini เดินทางถึงดาวเสาร์ ผิวสว่างของ Iapetus มีน้ำแข็ง คาร์บอนไดออกไซด์ คาร์บอนและสารอินทรีย์เล็กน้อย
ด้าน Phoebe เป็นดวงจันทร์อีกดวงที่มีรูปทรงบิดเบี้ยว และมีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 220 กิโลเมตร โคจรอยู่ห่างจากดาวเสาร์ประมาณ 13 ล้านกิโลเมตร ผิวของ Phoebe มีร่องรอยการถูกชนด้วยอุกกาบาตจำนวนมาก และผิวสามารถสะท้อนแสงอาทิตย์ได้ประมาณ 3% เพราะผิวมีสารประกอบคาร์บอน บรรยากาศมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ปกคลุม การมีคาร์บอนแสดงให้เห็นว่าเมื่อหลายล้านปีก่อน Phoebe เคยโคจรอยู่ที่บริเวณขอบนอกของระบบสุริยะ และได้โคจรหลงเข้าใกล้ดาวเสาร์ จึงถูกดาวเสาร์ดึงดูดไว้เป็นดาวบริวาร
Cassini ยังได้พบอีกว่า ดาวเสาร์ยังมีดวงจันทร์ขนาดเล็กอีก 7 ดวงที่ไม่มีใครรู้มาก่อน ชื่อ Pallene, Aegadeon, Anthe, Methone, Daphnis, S/2009 S1, และ Polydeuces ดวงจันทร์ขนาดเล็ก เช่น Pallene, Aegadeon, Anthe และ Methone ส่วนเป็นแหล่งกำเนิดฝุ่นให้แก่วงแหวน เวลามันถูกอุกกาบาตพุ่งชน
สำหรับวงแหวนซึ่งเป็นเอกลักษณ์ที่โดดเด่นที่สุดของดาวเสาร์นั้น การศึกษาธรรมชาติของเหล่าวงแหวนทำให้นักดาราศาสตร์เข้าใจกระบวนการถือกำเนิดของดาวเคราะห์ดีขึ้น ข้อมูลที่ได้รับแสดงให้เห็นว่า รูปทรงของวงแหวนเปลี่ยนแปลงตามเวลา โดยเฉพาะวงแหวน A ซึ่งประกอบด้วยวัตถุที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวตั้งแต่ 0.1-1.0 กิโลเมตร มีการขยับตัวเข้าหา-ออกจากดาวเสาร์ ตามเวลา ด้านวงแหวน F ซึ่งเป็นวงแหวนที่มีการเคลื่อนที่อย่างอลหม่านที่สุดในระบบสุริยะ เกิดจากการถูกดวงจันทร์ขนาดเล็ก Prometheus ที่โคจรอยู่ในวงแหวนส่งแรงโน้มถ่วงกระทำ
ด้านวงแหวน A และ B ซึ่งประกอบด้วยก้อนน้ำแข็งบริสุทธิ์เป็นส่วนใหญ่ จึงสามารถดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลตได้มาก ทำให้วงแหวนมีสีแดงเรื่อๆ ยิ่งวงแหวน C แม้จะมีมวลน้อยกว่าวงแหวน A และ B แต่ก็มีสีแดงกว่า โดยมวลของวงแหวนทั้งหมดมีค่าประมาณ 0.4 เท่าของดวงจันทร์ Mimas และมีอายุระหว่าง 10-100 ล้านปี ที่น้อยกว่า 4,500 ล้านปีซึ่งเป็นอายุของดาวเสาร์มาก และถือกำเนิดจากการแตกกระจายเนื่องจากการชนกันระหว่างดวงจันทร์น้อย-ใหญ่ที่โคจรรอบดาวเสาร์ ทำให้เกิดฝุ่นที่มีขนาดเล็กตั้งแต่ 1-20 นาโนเมตร จนถึงเป็นก้อนน้ำแข็งที่มีขนาดใหญ่ระดับเมตร
ระยะเวลา 13 ปีที่ Cassini สำรวจดาวเสาร์นับว่านานพอที่ได้เห็นปรากฎการณ์ฟ้าแลบและมหาพายุที่เกิดบนดาวเสาร์ รวมถึงได้เห็นแสงเหนือ แสงใต้ที่ขั้วดาวซึ่งแสดงให้เห็นว่า ดาวเสาร์ก็มีสนามแม่เหล็ก เช่นเดียวกับโลก Cassini ยังได้เห็นกระแสลมพายุพัดเป็นวงรูปหกเหลี่ยมที่ขั้วเหนือของดาวเสาร์ด้วย
เมื่อครั้งที่ยาน voyager I และ II โคจรผ่านดาวเสาร์ในปี 1979 นั้น ยานได้รับคลื่นวิทยุ ซึ่งมีความยาวคลื่นประมาณ 1 กิโลเมตร คลื่นนี้มิได้มาจากตัวดาวเสาร์ แต่มาจากอิเล็กตรอนที่อยู่ในบรรยากาศเหนือดาวเสาร์ และในบริเวณซีกเหนือกับซีกใต้ของดาว คลื่นมีความถี่ไม่เท่ากัน เพราะดาวเสาร์มีบรรยากาศของแก๊สและของเหลวที่หนาทึบจนไม่มีใครสามารถเห็นผิวดาวที่เป็นของแข็งได้ ดังนั้นการรู้เวลาที่ดาวเสาร์หมุนรอบตัวเองจึงเป็นเรื่องยาก จนกระทั่ง Cassini โคจรเข้าใกล้ดาวเสาร์ การศึกษาการเคลื่อนไหวของวงแหวน การวิเคราะห์ความแปรปรวนของสนามโน้มถ่วง และคลื่นวิทยุต่างๆ ที่กระทำต่อวงแหวนทำให้ได้ข้อสรุปว่า ดาวเสาร์ใช้เวลา 10.6 ชั่วโมงในการหมุนรอบตัวเอง
เมื่อเชื้อเพลิงบนยานใกล้จะหมด การทำลาย Cassini ให้เป็นจุล ก่อนที่มันจะแตกสลายเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย แล้วลอยไปเป็นปฏิกูลตกบน Titan กับ Enceladus จึงเป็นเรื่องเร่งด่วน
ในวันที่ 15 กันยายน ค.ศ.2017 NASA ได้กำหนดให้ Cassini ส่งสัญญาณเป็นครั้งสุดท้าย หลังจากที่ยานได้โคจรผ่านวงแหวนต่างๆ รวม 22 รอบ และผ่าน Titan เมื่อถึงปลายเดือนเมษายน 2017 ยาน Cassini ก็ได้ทำอัตวินิบาตกรรมทำลายตนเอง โดย NASA ได้บังคับให้ยานพุ่งแฉลบลงดาวเสาร์ และได้พบว่า แกนหมุนของดาวเสาร์กับแกนแท่งแม่เหล็กที่สร้างสนามแม่เหล็กในตัวดาวทำมุม 0.008 องศากัน คือแทบจะทับกันพอดี กระบวนการสร้างสนามแม่เหล็กนี้จึงแตกต่างจากกระบวนการสร้างสนามแม่เหล็กของโลก
โดยสรุป การสำรวจดาวเสาร์และดวงจันทร์บริวาร โดยยาน Cassini-Huygens ในครั้งนี้ได้วางรากฐานการเดินทางกลับไปสำรวจดาวเสาร์ในอนาคตอีก และได้ปูทางการสำรวจ Uranus กับ Neptune ด้วย เพื่อให้รู้ว่าระบบสุริยะถือกำเนิดอย่างไร และมีสิ่งมีชีวิตหรือไม่
อ่านเพิ่มเติมจาก The Cassini-Huygens Visit to Saturn: An Historic Mission to the Ringed Planet โดย M. Meltzer จัดพิมพ์โดย Springer-Praxis ปี 2015
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
