ฝนดาวตกและละอองดาว

เมื่อเวลาใกล้เที่ยงคืนของวันที่ 12 พฤศจิกายน ค.ศ. 1833 (ตรงกับรัชสมัยสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว) ท้องฟ้าเหนือประเทศสหรัฐอเมริกาปราศจากเมฆ ทันใดนั้นก็มีพลุแสงจำนวนมากพุ่งลงมาจากท้องฟ้า เสมือนว่าดาวทุกดวงกำลังตกจากฟ้าในลักษณะของ “ห่าฝน” จนทำให้ผู้คนแตกตื่นและกลัว เพราะคิดว่าตนกำลังเผชิญเหตุการณ์วันสิ้นโลก


ปรากฏการณ์ครั้งนั้น ได้ทำให้นักดาราศาสตร์เริ่มสนใจ เรื่อง ฝนดาวตก ความจริงนักดาราศาสตร์จีนได้บันทึกเหตุการณ์ฝนดาวตกตั้งแต่ ค.ศ. 902 แต่ไม่รู้สาเหตุ ชาวอินเดียนแดงเผ่า Cheyenne เมื่อเห็นฝนนี้ก็ได้ทำสัญญาสันติภาพกับศัตรู และหลายคนได้พากันฆ่าตัวตายเพราะความกลัว

เพราะฝนดาวตกปรากฏเป็นเส้นแสงเสมือนแผ่กระจายออกจากกลุ่มดาว Leo ดังนั้น จึงมีชื่อเรียกว่า ฝนดาวตก Leonid ที่อาจมีจำนวนมากนับหมื่น/ชั่วโมง และพุ่งไปในอากาศด้วยความเร็วประมาณ 100 กิโลเมตร/ชั่วโมง แต่ไม่ได้ตกถึงพื้นโลก เพราะถูกบรรยากาศโลกเสียดสีจนถูกเผาไหม้ไปหมด

เมื่อถึงปี 1866 ฝนดาวตกก็ได้ปรากฏตัวอีก การรู้คาบเวลาที่ฝนดาวตกเกิดทุก 33.25 ปี และการรู้คาบการโคจรของดาวหาง Tempel-Tuttle ที่มาปรากฏให้โลกเห็น ทำให้นักดาราศาสตร์ตระหนักว่า แหล่งกำเนิดของฝนดาวตกดังกล่าว ก็คือดาวหางดวงนี้นี่เอง (ดาวหางดวงนี้ตั้งตามชื่อของ William Tempel ซึ่งพบมันเป็นคนแรกเมื่อปี 1865 และ Horace Tuttle ก็ได้เห็นดาวหางดวงเดียวกันนี้ ในปี 1866 อย่างเป็นอิสระจากกัน คือ ไม่ได้สังเกตเห็นด้วยกัน) จากนั้นชาวโลกก็ได้เห็นดาวหางดวงนี้เป็นครั้งสุดท้ายเมื่อวันที่ 4 มีนาคม ปี 1997 และคาดว่ามันจะกลับมาให้เห็นอีกครั้งหนึ่งในปี 2031

ฝนดาวตกถือกำเนิดจากส่วนที่เป็นหางของดาวหาง ซึ่งตามปกติเป็นก้อนน้ำแข็งหรือกรวดที่มีขนาดเล็กกว่าเม็ดทราย เวลาเสียดสีกับอากาศด้วยความเร็วสูงมันจะลุกเป็นไฟ และอาจจะสว่างเทียบเท่าหลอดไฟที่มีกำลัง 100 วัตต์ เป็นเวลานาน 2-5 วินาที นอกจากจะถูกอากาศเสียดสีแล้ว ขณะพุ่งจากอากาศสู่โลก ก้อนกรวดเหล่านี้ยังถูกแสงอาทิตย์ส่งแรงกระทำ (Poynting-Robertson Effect) และอาจจะหมุนรอบตัวเองด้วยอิทธิพลของปรากฏการณ์ Yarkovsky ซึ่งเป็นผลกระทบที่เกิดจากแรงที่มากระทำต่อวัตถุที่ไม่กลม คือ ไม่สมมาตร ดังนั้นแรงลัพธ์จึงไม่สมดุล ทำให้วัตถุมีความเร็วเชิงมุม นอกเหนือจากการมีความเร็วเชิงเส้น พลังงานจลน์ของก้อนวัตถุจึงมีค่าสูงมาก การมีความเร็วสูงมากนี้ทำให้อากาศที่อยู่เบื้องหน้าก้อนวัตถุถูกอัดอย่างรุนแรง ก้อนวัตถุจึงลุกไหม้และสลายตัวไปอย่างรวดเร็ว

ฝนดาวตกจึงมีบทบาทในการเพิ่มละอองฝุ่น และสะเก็ดดาวให้บรรยากาศโลกคราคล่ำด้วยมลภาวะที่ไม่เอื้ออำนวจยในการสังเกตทางดาราศาสตร์

ความจริงที่ระยะสูง 15-20 กิโลเมตร เหนือผิวโลก แม้ความหนาแน่นของอากาศในบริเวณนั้นจะมีค่าน้อยมาก แต่นักดาราศาสตร์ก็ยังพบว่า ยังมีเม็ดฝุ่นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.05 มิลลิเมตร โดยเฉลี่ย 1 เม็ด ในปริมาตร 1,000 ลูกบาศก์เมตร ฝุ่นเหล่านี้มาจากแหล่งกำเนิดหลายแหล่ง เช่น จากการระเบิดของภูเขาไฟ จากการเผาป่า จากยานอวกาศหรือดาวเทียมที่ลุกไหม้เวลาตกสู่ผิวโลก โดยได้เสียดสีกับบรรยากาศ จากพายุทะเลทราย และจากชิ้นส่วนที่เป็นหางของดาวหาง ขณะเคลื่อนที่ผ่านวงโคจรของโลก

ฝุ่นเหล่านี้ อาจจะจับกลุ่มกันเป็นเมฆฝุ่น ลอยอยู่ในทะเลอากาศเป็นเวลาช้านานไม่เท่ากัน ฝุ่นที่มีมวลมากจะตกช้า และฝุ่นที่มีมวลน้อยจะตกเร็ว เมฆฝุ่นขนาดใหญ่ จะสามารถบดบังแสงอาทิตย์ได้เป็นเวลานาน จนทำให้อุณหภูมิของพื้นดินเบื้องล่างลดต่ำ จนทำให้ฝนตกน้อย และเกษตรกรทำนาไม่ได้ หรือเวลาเครื่องบินบินผ่านเข้าไปเมฆฝุ่น เครื่องบินก็อาจประสบอุบัติเหตุตก เพราะกำลังของเครื่องยนต์ที่ปีกได้ลดลงมาก จนไม่เพียงพอที่จะประคองเครื่องบินให้บินต่อไปได้ ดังนั้นเวลาภูเขาไฟระเบิด สายการบินจึงมักออกประกาศเตือนไม่ให้เครื่องบินบินเข้าไปใกล้ควันภูเขาไฟอย่างเด็ดขาด

ไม่เพียงแต่บริเวณเหนือโลกเท่านั้นที่มีเมฆฝุ่น ในอวกาศก็มีฝุ่นเช่นกัน โดยเฉพาะในกาแล็กซี เราอาจจะเห็นบริเวณที่ไม่มีแสงใดๆ ซึ่งเป็นที่อยู่ของเมฆฝุ่นขนาดใหญ่ จนสามารถบดบังและดูดกลืนแสงจากดาวฤกษ์ที่อยู่เบื้องหลังมิให้เดินทางถึงโลกได้ บริเวณนั้นจึงดูมืดสนิท แต่ละอองฝุ่นในบริเวณนี้ก็มีไม่หนาแน่นมาก คือประมาณ 1 เม็ดในอวกาศที่มีปริมาณ 1 ล้านลูกบาศก์เมตร ซึ่งถ้าคิดเป็นมวลก็ประมาณ 0.001% ของกาแล็กซีเท่านั้นเอง ฝุ่นเหล่านี้มีอุณหภูมิประมาณ 5 อาศาเคลวิน จึงสามารถดูดกลืนแสงสีน้ำเงินได้ดีกว่าแสงสีแดง และนี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้เราเห็นดวงอาทิตย์ขณะตกว่ามีแสงสีแดง เพราะฝุ่นละอองสามารถกระเจิงแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นมากได้ดี

ความสนใจของนักวิทยาศาสตรในละอองดาวได้เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1991 เมื่อ E. Anders จากมหาวิทยาลัย Chicago ในสหรัฐอเมริกาได้เห็นอะตอมของคาร์บอน ปรากฏอยู่ในรูปของเพชร ในก้อนอุกกาบาต และพบว่าเพชรนั้นมีอายุมากกว่าอายุของสุริยะจักรวาลถึง 100 ล้านปี ข้อมูลนี้ทำให้ทุกคนรู้ว่า อุกกาบาตก้อนนั้นเกิดจากการระเบิดของ supernova ที่ได้ทำให้สะเก็ดดาวพุ่งกระเด็นข้ามห้วงอวกาศมายังกลุ่มแก๊สร้อนของสุริยะจักรวาลที่กำลังถือกำเนิด จากนั้นสะเก็ดดาวก็ถูกแก๊สร้อนห่อหุ้มและเย็นตัวลงกลายเป็นอุกกาบาต มาตกลงบนโลกในเวลาต่อมา ดังนั้นการศึกษาละอองดาวจึงทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่า ดาวใดมีธาตุใดเป็นองค์ประกอบบ้าง อุณหภูมิของดาวมีค่ามากเพียงใด และที่ใจกลางของดาวมีปฏิกิริยานิวเคลียร์รูปแบบใด ดังในปี 1998 ที่ T. Bernatowicz จากมหาวิทยาลัย Washington ได้พบว่า ละอองดาวที่เขาพบมีแก่นกลางที่ประกอบด้วย titanium carbide ซึ่งมี graphite ห่อหุ้ม ข้อมูลนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์รู้ว่า บรรยากาศเหนือดาวฤกษ์ดวงที่ให้กำเนิดละเก็ดดาวเม็ดนั้น มีความดันสูงมาก จนทำให้ titanium carbide จับตัวแข็งเป็นก้อน จากนั้นจึงมี graphite มาครอบคลุม

ตามปกติโลกโคจรด้วยความเร็วประมาณ 30 กิโลเมตร/วินาที ไปรอบดวงอาทิตย์ และได้ระยะทางประมาณ 940 ล้านกิโลเมตร ภายในเวลา 1 ปี ดังนั้นโลกจึงอาจพุ่งปะทะฝุ่นดาวที่มีความเร็วต่างๆ กัน ตั้งแต่ 10-75 กิโลเมตร/วินาที และเวลาฝุ่นดาวเสียดสีกับบรรยากาศโลก อุณหภูมิของมันจะสูงขึ้นจนมวลส่วนหนึ่งจะระเหิดไป ในกรณีฝุ่นดาวที่มีมวลมาก การลุกไหม้อาจจะไม่สมบูรณ์และฝุ่นก้อนนั้นจะตกสู่โลกเป็นอุกกาบาต เพราะอวกาศมีฝุ่นค่อนข้างมาก ดังนั้นในปีหนึ่งๆ โลกจะได้รับฝุ่นอวกาศที่มีมวลประมาณ 2 แสนตัน และเมื่อโลกมีมวลประมาณ 6x1024 กิโลกรัม ดังนั้นมวลที่เพิ่มจึงเป็นเพียง 3x10-15% เท่านั้นเอง

นักดาราศาสตร์ได้แบ่งละอองดาวเหล่านี้อย่างหยาบๆ ตามขนาด ดังนี้คือ

ฝุ่นขนาดใหญ่มีมวลมากกว่า 1 ล้านกิโลกรัม เวลาฝุ่นนี้พุ่งชนโลก จะทำให้ผิวโลกปรากฏเป็นหลุมใหญ่

ฝุ่นขนาดกลางที่มีมวลตั้งแต่ 10-106 กิโลกรัม เมื่อตกถึงโลกจะเป็นอุกกาบาตขนาดกลาง

ฝุ่นขนาดเล็ก คือมีมวลตั้งแต่ 10-11 ถึง 10 กิโลกรัม ฝุ่นประเภทนี้ อาจจะลุกไหม้เป็นดวงไฟสว่างที่พุ่งไปในท้องฟ้า เป็นดาวตกหรือผีพุ่งใต้

ฝุ่นขนาดผงละเอียด คือ กลุ่มที่มีมวลน้อยกว่า 10-11 กิโลกรัม ซึ่งอาจลอยละล่องในบรรยากาศโลกได้นานหลายล้านปี

การรู้ข้อมูลพื้นที่ผิวของโลกว่า มีค่าประมาณ 5x1014 ตารางเมตร และรู้ว่าในเวลา 100 ล้านปี อาจจะมีอุกกาบาตที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 10 กิโลเมตร พุ่งชนโลก จึงทำให้เรารู้ว่า บ้านที่มีพื้นที่ 100 ตารางเมตร จะมีโอกาสถูกอุกกาบาตพุ่งชนประมาณ 10-9% และในกรณีฝนดาวตก 9 ดวง/วัน หากตกในประเทศไทย ก็อาจจะทำให้พื้นที่รอบบ้านมีมวลเพิ่มขึ้น 10-11 กิโลกรัม ซึ่งนับว่าน้อยนิด เมื่อเปรียบเทียบกับฝุ่นละอองที่ถูกพ่นออกมาจากโรงงานอุตสาหกรรมหรือจากการเผาป่า

ด้านนักดาราศาสตร์ก็ได้คาดคะเนว่า 75% ของฝุ่นละอองที่ห่อหุ้มโลก เกิดจากการชนกันระหว่างดาวเคราะห์น้อยที่กำลังโคจรอยู่ระหว่างดาวอังคารกับดาวพฤหัสบดี และอีก 25% ที่เหลืออาจจะมาจากฝุ่นดาวหาง ซึ่งเวลาตกถึงพื้นโลก ก็อาจจะลงทะเลและตกบนทวีป ดังที่นักวิทยาศาสตร์ได้เคยพบว่า ในการขุดเจาะน้ำแข็งที่ขั้วโลกใต้ ลงไปลึก 3 กิโลเมตร เขาได้พบฝุ่นละอองสีน้ำตาลแดง-ดำ แฝงซ่อนอยู่ และที่ท้องมหาสมุทรแปซิฟิก ซึ่งอยู่ห่างจากเกาะฮาวายไปทางทิศตะวันออกเฉียงใต้ เป็นระยะทาง 1,100 กิโลเมตร ก็ได้พบฝุ่นสีเหลืองและสีน้ำเงินของแร่ olivine กับสีดำของแร่ magnetite ที่มีอายุถึง 4,000 ล้านปี

ทุกวันนี้ การค้นหาละอองดาวเป็นเรื่องที่นักวิทยาศาสตร์สามารถทำได้ง่ายขึ้น แต่ต้องลงทุนมาก เช่น NASA มีโครงการส่งยาน OSIRIS-REx ไปเก็บหินจากผิวดาวเคราะห์น้อย Bennu โดยให้ยานนำฝุ่นกลับถึงโลกในปี 2023

ดาวเคราะห์น้อยส่วนใหญ่ของระบบสุริยะมีรูปทรงเรขาคณิตที่ไม่สมบูรณ์แบบ บางดวงอาจมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ยาวหลายสิบกิโลเมตร และส่วนใหญ่โคจรอยู่ระหว่างดาวอังคารกับดาวพฤหัสบดี โดยมีองค์ประกอบที่เป็นแร่ธาตุชนิดต่างๆ กัน จึงแตกต่างจากดาวหางที่มาจากเมฆ Oort ซึ่งอยู่นอกระบบสุริยะ การที่ดาวหางมีองค์ประกอบเป็นน้ำเข็ง ทำให้มันหลอมเหลวทุกครั้งที่ดาวหางดวงนั้นโคจรเข้าใกล้ดวงอาทิตย์ น้ำจะระเหยเป็นไอ ดังนั้นเมื่อไอน้ำรวมกับฝุ่นจะทำให้เกิดเป็น “หาง” ของดาวหาง

งานวิจัยของ D. Lauretta กับคณะ ที่ลงพิมพ์ในวารสาร Science ฉบับที่ 366 เมื่อปี 2019 ได้แสดงให้เห็นว่า ดาวเคราะห์น้อย 101955 Bennu ได้ปล่อยก้อนฝุ่นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 100 เซนติเมตรออกมาจากผิว ดังสามารถเห็นได้จากภาพถ่าย โดยยาน OSIRIS-REx (มาจากคำเต็ม Origins, Special Interpretation, Resource, Identification, and Security-Regolith, Explorer) ตราบถึงวันนี้นักดาราศาสตร์ก็ยังไม่รู้สาเหตุที่ทำให้เม็ดฝุ่นขนาด “ใหญ่” กระเด็นออกจากผิว

เหตุการณ์นี้แสดงให้เห็นว่า ผิวของดาวเคราะห์น้อยเป็นผิวที่ “มีชีวิต” คือมิได้สงบนิ่ง เหตุการณ์เดียวกันนี้ได้เกิดขึ้น บนดาวเคราะห์น้อย 7968 Elst-Pizzaro และดาวเคราะห์น้อยอื่นๆ อีก 10 ดวง จนนักดาราศาสตร์บนโลกสามารถใช้กล้องโทรทรรศน์สังเกตเห็นเหตุการณ์ได้
คำอธิบายเบื้องต้นสำหรับเหตุการณ์นี้ คือ ดาวเคราะห์น้อยได้ถูกดาวเคราะห์น้อยดวงอื่นพุ่งชน (ดาวเคราะห์น้อย Bennu มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาวประมาณ 500 เมตร มีมวล 78x109 กิโลกรัม ก้อนฝุ่นที่พุ่งออกมาจากดาวเคราะห์น้อยอาจโคจรไปรอบดาวเคราะห์น้อย ภายในเวลาสั้นๆ แล้วตกสู่ผิวของมันอีก หรือก้อนฝุ่นอาจจะถูกเหวี่ยงหลุดออกมาจากผิว เพราะการหมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วของดาวเคราะห์น้อยเอง ที่ใช้เวลาเพียง 4.3 ชั่วโมง

ดาวเคราห์น้อย Bennu ตามปกติอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นระยะทาง 0.9-1.4 เท่าของระยะทางที่โลกอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ มันจึงเป็นดาวเคราะห์น้อยที่โคจรใกล้โลก (NEA, near-Earth asteroid) และผิวของดาวดวงนี้มีรูปแบบเดียวกันกับผิวอุกกาบาตทั่วไป และยาน OSIRIS-REx จะนำหินตัวอย่างที่พบบนดาวมาวิเคราะห์บนโลกในปี 2023 ดังนั้นในช่วงปี 2019-2021 นี้ ยานจะถ่ายภาพพื้นผิวอย่างละเอียด เพื่อให้เห็นร่องรอยของหลุมที่เกิดจากการพุ่งชนของอุกกาบาตขนาดไมโครเมตร รวมถึงเห็นหินแร่ silicate ที่ผิวของดาวด้วย

การเห็นเหตุการณ์ปล่อยฝุ่นจากผิวดาวเคราะห์น้อย Bennu ได้ทำให้นักดาราศาสตร์รู้ว่า ฝุ่นอวกาศมีแหล่งกำเนิดจากผิวดาว ที่ไม่เคยสงบนิ่ง เหมือนดังเหตุการณ์ที่เกิดบนดาวเคราะห์น้อย Ryugu และดาวหาง 67P/Churyumov-Gerasimenko

อ่านเพิ่มจาก Meteor Showers and their Parent Comets. โดย P.Jenniskens จัดพิมพ์โดย Cambridge University Press ปี 2006


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