สมาคมดาราศาสตร์ไทย

ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์เข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์

24 กรกฎาคม 2550
ปรับปรุงครั้งล่าสุด 7 ธันวาคม 2559
โดย: วรเชษฐ์ บุญปลอด (worachateb@yahoo.com)
หลังจากเดินทางรอนแรมในอวกาศเป็นเวลานานถึง ปี วันที่ กรกฎาคม 2547 ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์ ยานอวกาศมูลค่า 3,300 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ขององค์การนาซาและยุโรป ประสบความสำเร็จในการเป็นยานอวกาศลำแรกของโลกที่เข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์ ดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่และสวยงามที่สุดดวงหนึ่งของระบบสุริยะ หลังจากใช้เวลาจุดจรวดของยานเป็นเวลานาน 96 นาที ขณะเฉียดเข้าใกล้ดาวเสาร์ ยานลำนี้ได้ส่งภาพถ่ายวงแหวนดาวเสาร์ที่คมชัดกว่าภาพจากยานวอยเอเจอร์เมื่อหลายปีก่อน

ดาวเสาร์

ดาวเสาร์เป็นดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์เป็นลำดับที่ เป็นหนึ่งในดาวเคราะห์สว่าง ดวงในท้องฟ้าที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่เป็นอันดับสองรองจากดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วด้วยคาบประมาณ 10.7 ชั่วโมง จึงมีรูปร่างเป็นทรงรีอย่างเห็นได้ชัด เส้นผ่านศูนย์กลางตามแนวขั้วน้อยกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางตามแนวศูนย์สูตรเกือบ 10% นอกจากนี้องค์ประกอบส่วนใหญ่ของดาวเสาร์เป็นแก๊สจึงมีความหนาแน่นต่ำ กล่าวได้ว่าหากสามารถหย่อนดาวเสาร์ลงในมหาสมุทร มันจะลอยน้ำได้

ภาพถ่ายดาวเสาร์จากยานแคสซีนี-ไฮเกนส์เมื่อวันที่ 21 พฤษภาคม 2547 นักวิจัยหวังว่ายานลำนี้จะช่วยค้นหาองค์ประกอบภายในบรรยากาศที่เห็นเป็นแถบหลากสีของดาวเสาร์ (ภาพ NASA/JPL/ Space Science Institute) 

ภาพวาดยานไฮเกนส์ที่เดินทางไปกับยานแคสซีนี ยานลำนี้จะเดินทางเข้าสู่บรรยากาศของไททันในด้านที่เป็นกลางวันและลงจอดบนพื้นผิว (ภาพ ESA) 

วงแหวน

ดาวเสาร์มีวงแหวนเช่นเดียวกับดาวเคราะห์ยักษ์ทั้งหลายในระบบสุริยะ แต่วงแหวนดาวเสาร์มีขนาดใหญ่และสามารถมองเห็นได้ชัดเจนด้วยกล้องโทรทรรศน์ มันจึงเป็นดาวเคราะห์ที่รู้จักกันในฐานะดาวเคราะห์แห่งวงแหวน กาลิเลโอ นักดาราศาสตร์ชาวอิตาเลียน สังเกตเห็นวงแหวนของดาวเสาร์เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1610 แต่ด้วยคุณภาพของกล้องที่ต่ำทำให้เขาไม่สามารถอธิบายได้ว่าสิ่งที่เห็นนั้นคืออะไร จนกระทั่งปี 1655 ที่คริสเตียน ไฮเกนส์ สามารถอธิบายได้ว่าสิ่งที่เห็นนั้นคือวงแหวน ปี 1675 โจวันนี กัสซีนี พบว่าวงแหวนของดาวเสาร์ประกอบด้วยวงซ้อนกันหลายวงและมีช่องว่างระหว่างวง ปัจจุบันช่องว่างหนึ่งได้ชื่อว่าช่องแบ่งแคสซีนี (Cassini Division)

ภาพถ่ายฟีบี ถ่ายโดยกล้องถ่ายภาพบนยานแคสซีนี-ไฮเกนส์ เมื่อวันที่ 11 มิถุนายน ภาพนี้ได้จากหลายๆ ภาพนำมาปะติดปะต่อกัน (ภาพ NASA/JPL/Space Science Institute)  

วงแหวนดาวเสาร์มีความหนาเพียงไม่กี่กิโลเมตร ภายในวงแหวนประกอบด้วยก้อนน้ำแข็งและก้อนหินซิลิเกตที่ห่อหุ้มด้วยน้ำแข็งจำนวนนับพันล้านชิ้น มีขนาดตั้งแต่ฝุ่นผงไปจนถึงก้อนหินขนาดเท่าบ้านหลังหนึ่ง มีทฤษฎีที่พยายามอธิบายการเกิดวงแหวนอยู่ ทฤษฎี

ภาพจากกล้องถ่ายภาพมุมแคบ แสดงลูกคลื่นภายในวงแหวนดาวเสาร์ นักดาราศาสตร์คาดว่าคลื่นอนุภาคที่เห็นนี้เกิดจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์บริวารของดาวเสาร์ ที่กระทำกับอนุภาคภายในวงแหวน (ภาพ NASA/JPL/ Space Science Institute)
 

เอดวา รอช นักดาราศาสตร์ในคริสต์ศตวรรษที่ 19 เสนอว่าวงแหวนอาจเกิดจากการที่ดวงจันทร์ดวงหนึ่งของดาวเสาร์มีวงโคจรแคบลงจนถูกแรงโน้มถ่วงของดาวเสาร์ฉีกออกเป็นชิ้นๆ บางคนกล่าวว่าดวงจันทร์ดวงนั้นอาจแตกเป็นหลายส่วนเมื่อถูกชนจากดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อย หรือไม่เช่นนั้น วงแหวนก็อาจเป็นชิ้นส่วนที่หลงเหลือมานับตั้งแต่ดาวเสาร์เริ่มก่อตัวขึ้นเมื่อยุคแรกๆ ของระบบสุริยะ

ดวงจันทร์ของดาวเสาร์

ดาวเสาร์มีดวงจันทร์ที่เป็นดาวบริวารจำนวนมาก นับถึงปัจจุบันมีที่ค้นพบแล้ว 31 ดวง แต่เชื่อว่ายังมีอีกมาก ในบรรดาดวงจันทร์ของดาวเสาร์ทั้งหลายนี้ ไททันเป็นดวงจันทร์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุด ใหญ่กว่าดาวพุธและดวงจันทร์ของโลกเสียอีก ไททันกลายเป็นจุดสนใจของนักวิทยาศาสตร์เนื่องจากมันเป็นดาวบริวารดวงเดียวในระบบสุริยะที่มีบรรยากาศปกคลุมตัวดวงอย่างหนาแน่น

เส้นทางการเคลื่อนที่ของยานแคสซีนี (ดัดแปลงจาก NASA)
 

ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์

ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์ขึ้นสู่อวกาศจากศูนย์อวกาศเคเนเดีในฟลอริดาเมื่อวันที่ 15 ตุลาคม พ.ศ. 2540 ภารกิจนี้ประกอบด้วยยานโคจรที่ชื่อว่าแคสซีนี ซึ่งมีกำหนดจะไปโคจรรอบดาวเสาร์เป็นเวลานาน ปี และยานไฮเกนส์ที่มีกำหนดจะพุ่งเข้าสู่บรรยากาศของไททันและลงจอดบนพื้นผิวของดวงจันทร์ดวงนี้ อุปกรณ์สำรวจบนยานจะให้ข้อมูลและช่วยไขความลับต่างๆ ของดาวเสาร์และดวงจันทร์ไททันอย่างที่เราไม่เคยทราบมาก่อน

ภารกิจแคสซีนี-ไฮเกนส์เป็นความร่วมมือระหว่าง สถาบันด้านอวกาศของโลก ยานแคสซีนีสร้างโดยห้องปฏิบัติการขับดันไอพ่นขององค์การนาซา ยานไฮเกนส์สร้างโดยองค์การอวกาศยุโรปหรืออีซา สายอากาศกำลังสูงที่ใช้สื่อสารระหว่างยานกับโลกสร้างขึ้นโดยองค์การอวกาศอิตาลี มีนักวิทยาศาสตร์ 250 คนจากทั่วโลกที่จะศึกษาข้อมูลที่ได้รับจากยานทั้งสองลำ

เมื่อออกจากโลกแล้ว ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์ได้ผ่านใกล้ดาวศุกร์ ครั้ง โลก ครั้ง และดาวพฤหัสบดี ครั้ง เพื่อใช้ความโน้มถ่วงเหวี่ยงยานไปหาดาวเสาร์ หลังจาก ปีของการเดินทาง ยานแคสซีนีได้เข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์ในวันที่ กรกฎาคม 2547 และมีกำหนดจะโคจรรอบดาวเสาร์จำนวน 74 รอบ ผ่านใกล้ดวงจันทร์ไททัน 44 ครั้ง ตลอดระยะเวลา ปี ของภารกิจ อุปกรณ์บนยานจะถ่ายภาพและเก็บข้อมูลของบรรยากาศของดาวเสาร์ วิวัฒนาการของเมฆในบรรยากาศ การเกิดฟ้าผ่า โครงสร้างภายใน วงแหวนดาวเสาร์และดาวบริวาร ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจถึงสภาวะที่ซับซ้อนและมหัศจรรย์ของดาวเสาร์ เป้าหมายหลักทางวิทยาศาสตร์ คือ สำรวจสนามแม่เหล็กของดาวเสาร์ วิเคราะห์วงแหวนในระยะใกล้ สำรวจดวงจันทร์ของดาวเสาร์ ศึกษาองค์ประกอบในบรรยากาศ และอันตรกริยาระหว่างดาวเสาร์กับสนามแม่เหล็ก

ระบบถ่ายภาพบนยานแคสซีนีจะสามารถทำแผนที่ไททัน ดวงจันทร์ขนาดใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์ ซึ่งยานอวกาศที่เคยผ่านใกล้ในอดีตไม่สามารถถ่ายภาพพื้นผิวของไททันได้ เนื่องจากบรรยากาศที่หนาทึบ ยานแคสซีนีได้ผ่านใกล้ฟีบี ดวงจันทร์ดวงหนึ่งของดาวเสาร์เมื่อวันที่ 11 มิถุนายน 2547 ที่ผ่านมา

จุดจรวด

การจุดจรวดของยานแคสซีนี-ไฮเกนส์เพื่อเข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์เมื่อวันที่ กรกฎาคม ทำให้ยานตกอยู่ในความเสี่ยง เพราะหากการจุดจรวดไม่ประสบความสำเร็จหรือใช้เวลาน้อยไปหรือมากไปจากที่ควรจะเป็น ยานก็อาจหลุดวงโคจรหรือเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ไม่ได้กำหนดไว้ อย่างไรก็ดี การจุดจรวดครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ยานมีอัตราเร็วลดลง เพียงพอที่แรงโน้มถ่วงของดาวเสาร์จะจับยานเอาไว้ได้ เมื่อการจุดจรวดประสบผลสำเร็จแล้ว ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์ได้เริ่มต้นโคจรรอบดาวเสาร์ ทำหน้าที่เป็นเสมือนดาวเทียมคอยสำรวจและเฝ้าดูการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นที่นั่น ที่ที่อยู่ห่างจากเราเป็นระยะทางมากกว่า 1,200 ล้านกิโลเมตร

เดินทางผ่านวงแหวน

เมื่อ ศตวรรษที่แล้ว กาลิเลโอมองผ่านกล้องโทรทรรศน์ของเขาเพื่อส่องดูดาวเสาร์เป็นครั้งแรก เขาต้องพบกับความงุนงงกับรูปลักษณ์ที่แปลกตาของดาวเคราะห์ดวงนี้ กาลิเลโอประหลาดใจมากที่เห็นดาวเสาร์มี "หู" แตกต่างจากดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ที่เขาส่องดู

แม้จะเป็นเวลาหลายร้อยปี นับจากที่กาลิเลโอเป็นมนุษย์คนแรกบนโลกที่เริ่มสงสัยกับสิ่งที่เห็นรอบดาวเสาร์ ปัจจุบันเราก็ยังไม่รู้เรื่องราวเกี่ยวกับธรรมชาติอันซับซ้อนของวงแหวนที่ล้อมรอบดาวเสาร์มากนัก และนั่นก็เป็นภารกิจหนึ่งของยานแคสซีนี-ไฮเกนส์ที่จะช่วยไขข้อข้องใจต่างๆ ที่ยังคงอยู่ หรือไม่ก็อาจทำให้เรางุนงงสงสัยมากยิ่งขึ้นกว่าเดิม

ในช่วงเวลาที่ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์เดินทางเข้าใกล้ดาวเสาร์มากที่สุดในครั้งที่ผ่านมา ยานได้เคลื่อนที่ผ่านช่องว่างระหว่างวงแหวน วงที่อยู่ด้านนอกสุด และถือโอกาสนี้ถ่ายภาพวงแหวนดาวเสาร์ในระยะใกล้เอาไว้ด้วย ไม่กี่ชั่วโมงหลังจากนั้น ภาพถ่ายของวงแหวนก็ถูกส่งมาถึงโลก

ทีมควบคุมยานแคสซีนีรู้สึกตื่นเต้นดีใจที่สามารถนำยานเข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์ได้สำเร็จ และยินดีที่ได้เห็นภาพถ่ายวงแหวนในรูปแบบที่ไม่เคยได้เห็นมาก่อน ไม่ใช่ภาพคอมพิวเตอร์กราฟฟิกหรือแอนิเมชั่นที่จำลองจากของจริงแบบในสารคดีที่เคยเห็นอีกต่อไป

เกิดอะไรขึ้นต่อไป

เมื่อการเข้าสู่วงโคจรประสบผลสำเร็จตามเป้าหมาย ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์จะมีวงโคจรเป็นรูปวงรีรอบดาวเสาร์ ขณะนี้ยานกำลังเดินทางออกห่างจากดาวเสาร์ และจะมีการจุดจรวดเพื่อปรับวงโคจรอีกครั้งในวันที่ 23 สิงหาคม เพื่อให้จุดที่วงโคจรใกล้ดาวเสาร์ที่สุดมีระยะห่างมากขึ้น (ไม่เช่นนั้นยานจะถูกเหวี่ยงหลุดออกนอกวงโคจร)

ยานแคสซีนี-ไฮเกนส์จะเข้าใกล้ดวงจันทร์ไททันเป็นครั้งแรกในวันที่ 26 ตุลาคม หลังจากนั้นจะมีการปรับวงโคจรของยานอีกเล็กน้อยในวันที่ 21 พฤศจิกายน แล้วผ่านใกล้ไททันอีกครั้งในวันที่ 13 ธันวาคม

ช่วงเวลาสำคัญอีกช่วงหนึ่ง คือ การนำยานลูกที่ชื่อไฮเกนส์แยกตัวออกจากยานแคสซีนีเพื่อส่งไปลงบนดวงจันทร์ไททัน ดวงจันทร์ที่มีบรรยากาศหนาทึบปกคลุม ไฮเกนส์มีกำหนดแยกตัวในวันที่ 24 ธันวาคม และเดินทางโดยลำพังไปยังดวงจันทร์ไททัน

ยานไฮเกนส์ (ตั้งชื่อตาม คริสเตียน ไฮเกนส์ นักดาราศาสตร์ชาวดัตช์ผู้ค้นพบไททัน) มีน้ำหนัก 319 กิโลกรัม หลังจากใช้เวลาเดินทาง 22 วันนับจากแยกตัวจากยานแม่ วันที่ 14 มกราคม 2548 ยานไฮเกนส์จะดิ่งลงสู่พื้นผิวของไททัน ร่มชูชีพจะกางออกเพื่อชะลอความเร็วลงขณะยานผ่านบรรยากาศของไททัน อุปกรณ์บนยานจะเก็บข้อมูลบรรยากาศของไททัน ทั้งองค์ประกอบทางเคมีและเมฆที่อยู่รอบๆ ข้อมูลดังกล่าวจะถูกส่งไปยังยานแคสซีนีเพื่อส่งต่อมายังโลก หลังจาก ชั่วโมงนับจากเข้าสู่บรรยากาศ ยานไฮเกนส์จะลงจอดบนพื้นผิวของไททัน หากยานสามารถลงจอดได้บนพื้นผิวได้อย่างนุ่มนวล ทีมควบคุมหวังว่ายานอาจสามารถติดต่อกับยานแม่ได้เป็นช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนที่ยานจะหยุดทำงานในภาวะที่หนาวเย็นจัด

หลังจากที่ยานไฮเกนส์เข้าสู่บรรยากาศของไททันในเดือนมกราคม 2548 ผ่านพ้นไป ยานแคสซีนีมีกำหนดจะผ่านใกล้ดวงจันทร์บริวารของดาวเสาร์อีกหลายดวงและหลายครั้ง ระหว่างนั้นก็มีการศึกษาดาวเสาร์ในแง่มุมต่างๆ ตลอด ปีของภารกิจหลักที่มีการวางแผนไว้ล่วงหน้า

เกร็ดน่ารู้

ดาวเสาร์เป็นดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเป็นลำดับ รองจากดาวพฤหัสบดี ต้องใช้โลก ดวงมาเรียงกันจึงเท่ากับขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของดาวเสาร์
ดาวเสาร์มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนและฮีเลียม ไม่มีพื้นผิวที่สามารถยืนอยู่ได้
วงแหวนดาวเสาร์ประกอบขึ้นจากอนุภาคน้ำแข็ง ฝุ่น และหิน
วงแหวนหลักมีความกว้างเกือบเท่ากับระยะทางระหว่างโลกกับดวงจันทร์ แต่หนาเพียงไม่ถึง กิโลเมตร
ดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ที่มีวงแหวน ได้แก่ ดาวพฤหัสบดี ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน แต่วงแหวนของดาวเสาร์เท่านั้น ที่มองเห็นได้จากโลก
เนื่องจากวงแหวนเอียงทำมุมกับระนาบวงโคจรโลก แต่ละปีเราจึงเห็นวงแหวนในมุมต่างๆ กัน บางปีวงแหวนอยู่ในแนวสายตาทำให้ดูเสมือนกับว่าวงแหวนหายไปอย่างลึกลับ ซึ่งเกิดขึ้นทุกๆ ประมาณ 14 ปี
กระแสลมในบริเวณศูนย์สูตรของดาวเสาร์อาจสูงถึง 1,800 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (ความเร็วลมบนโลกสูงสุดเพียง 400 กิโลเมตรต่อชั่วโมง)
ดาวเสาร์โคจรรอบดวงอาทิตย์ครบรอบใช้เวลา 29 ปี แต่หมุนรอบตัวเองอย่างรวดเร็วในเวลาเพียง 10 ชั่วโมงเศษ
ดาวเสาร์มีรูปร่างแป้น เส้นผ่านศูนย์กลางในแนวศูนย์สูตรยาวกว่าแนวขั้วประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์
ดาวเสาร์มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ จึงสามารถลอยน้ำได้
ดาวเสาร์ได้รับแสงอาทิตย์น้อยกว่าที่โลกได้รับถึง 80 เท่า ดวงอาทิตย์จึงมีขนาดเล็กมากเมื่อมองดูจากดาวเสาร์