สมาคมดาราศาสตร์ไทย

วงแหวนดาวเสาร์เพิ่งเกิดไม่นาน และกำลังจะหายไป

วงแหวนดาวเสาร์เพิ่งเกิดไม่นาน และกำลังจะหายไป

31 ม.ค. 2562
รายงานโดย: วิมุติ วสะหลาย (wimut@hotmail.com)
ดาวเสาร์ เป็นดาวเคราะห์ที่กล่าวได้ว่าสวยงามที่สุดดวงหนึ่งในระบบสุริยะ ด้วยวงแหวนล้อมรอบที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้เป็นดาวเคราะห์ที่ดูมีสง่าราศีไม่เหมือนใคร ไม่ว่าใครที่ได้เห็นดาวเสาร์ผ่านกล้องดูดาว ล้วนแต่ต้องประทับใจมิรู้ลืม

ใครที่ยังไม่เคยเห็นวงแหวนดาวเสาร์จริง ๆ ก็ควรรีบหาโอกาสไปดูเสีย เพราะนักดาราศาสตร์พบว่าวงแหวนดาวเสาร์เป็นสิ่งที่มีอายุขัยสั้นนัก 

ดาวเสาร์และวงแหวน ถ่ายโดยยานแคสซีนีเมื่อปี 2559   (จาก NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)


วงแหวนดาวเสาร์มีมานานเท่าไหร่แล้วไม่มีใครทราบแน่ชัด นักดาราศาสตร์บางกลุ่มเชื่อว่าวงแหวนดาวเสาร์มีมาคู่กับดาวเสาร์ตั้งแต่ 4.5 พันล้านปีก่อนแล้ว โดยเกิดขึ้นจากเศษหินปนน้ำแข็งที่หลงเหลืออยู่รอบดาวเสาร์หลังจากที่ระบบสุริยะเริ่มก่อตัวขึ้นมา แต่บางกลุ่มเชื่อว่าวงแหวนดาวเสาร์น่าจะมีอายุน้อย โดยเกิดขึ้นมาจากวัตถุอื่นเช่นดาวหางหรือดวงจันทร์บริวารบางดวงเข้าใกล้ดาวเสาร์มากเกินไปจนถูกแรงน้ำขึ้นลงฉีกออกเป็นผุยผงและเกาะกันเป็นสายกลายเป็นวงแหวนล้อมรอบ

"วงแหวนของดาวเสาร์เมื่อแรกกำเนิดขึ้นประกอบด้วยน้ำแข็งขาวโพลน เมื่อเวลาผ่านไป วงแหวนจะเริ่มมีเศษวัตถุจากที่อื่นเข้ามาปนเปื้อนและหมองคล้ำขึ้น เมื่อไม่กี่ปีก่อน ยานแคสซีนี ซึ่งไปโคจรรอบดาวเสาร์เพื่อสำรวจในระยะใกล้ชิด พบว่าวงแหวนของดาวเสาร์มีการปนเปื้อนเพียงประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์ หากเราทราบมวลของวงแหวนทั้งวง ก็จะทราบได้ว่ามวลของสิ่งปนเปื้อนหนึ่งเปอร์เซ็นต์ที่ว่านั้นมีมากน้อยเพียงใด ซึ่งนำไปคำนวณได้ว่าต้องใช้เวลานานเท่าใดจึงจะเกิดการสะสมของสิ่งปนเปื้อนจนได้ระดับนั้น ซึ่งก็คืออายุของวงแหวนนั่นเอง" ลูเซียโน ลีเอส นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จากมหาวิทยาลัยซาเปียนซาในโรม หัวหน้านักวิจัยที่ศึกษาเรื่องนี้อธิบาย

ในช่วงท้ายภารกิจของยานแคสซีนี ยานได้โคจรรอบดาวเสาร์ในระยะใกล้หลายรอบโดยลอดเข้าไปในช่องว่างระหว่างดาวเสาร์กับวงแหวน การเคลื่อนที่ในลักษณะนี้จึงเปิดโอกาสคณะของลีเอสวัดมวลของดาวเสาร์และวงแหวนได้โดยวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของยานในช่วงที่ลอดผ่านช่องว่างนั้น ส่วนการเคลื่อนที่ของยานก็วัดได้จากการวิเคราะห์คลื่นวิทยุที่ยานใช้ในการสื่อสารกับโลกที่เปลี่ยนแปลงความถี่ไปจากการเคลื่อนที่ เมื่อยานเคลื่อนที่ถอยห่างจากโลก คลื่นวิทยุก็จะยาวขึ้น เมื่อยานเคลื่อนที่เข้าหาโลก คลื่นวิทยุก็จะสั้นลง เป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเลื่อนดอปเพลอร์ 

ยานแคสซีนีได้พุ่งลอดช่องดาวเสาร์กับวงแหวนเป็นจำนวน ครั้ง โดยมีระยะเหนือระดับยอดเมฆของดาวเสาร์ตั้งแต่ 2,600 ถึง 3,900 กิโลเมตร ทำให้ลีเอสวัดการเปลี่ยนแปลงความเร็วของยานได้อย่างแม่นยำ

ก่อนหน้านี้นักดาราศาสตร์เคยประเมินมวลของวงแหวนดาวเสาร์โดยอาศัยข้อมูลที่ได้จากยานวอยเอเจอร์ที่โคจรผ่านไปเมื่อสามสิบปีก่อน ตัวเลขเดิมให้มวลรวมของวงแหวนของดาวเสาร์ไว้ที่ประมาณ 28 พันล้านล้านตัน แต่ข้อมูลใหม่จากยานแคสซีนีกลับให้ตัวเลขไว้ต่ำกว่ามาก โดยประเมินว่าวงแหวนดาวเสาร์มีมวลราว 15.4 พันล้านล้านตัน 

จากข้อมูลเหล่านี้ คณะของลีเอสประเมิณว่า วงแหวนของดาวเสาร์เพิ่งเกิดขึ้นมาเมื่อไม่ถึง 100 ล้านปีมานี้เอง และอาจมีอายุน้อยได้ถึง 10 ล้านปีเท่านั้น 

วงแหวนดาวเสาร์นอกจากเพิ่งเกิดมาได้ไม่นานแล้ว นักดาราศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งก็พบว่าวงแหวนของดาวเสาร์กำลังจะหายไปอีกด้วย

งานวิจัยนี้เป็นของ เจมส์  โอโดโนฮิว จากศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา 

"วงแหวนดาวเสาร์ประกอบด้วยอนุภาคน้อยใหญ่ระดับก้อนหินก้อนกรวดกระจัดกระจายเป็นแนววง เนื้อสสารเป็นน้ำแข็งเกือบทั้งหมด" โอโดโนฮิวอธิบาย

"อนุภาคในวงแหวนดาวเสาร์คงสภาพอยู่เป็นวงแหวนได้จากความสมดุลของแรงสองแรง นั่นคือแรงโน้มถ่วงจากดาวเสาร์ที่พยายามดึงอนุภาคให้ตกลงสู่ดาวเสาร์กับแรงหนีศูนย์กลางที่พยายามเหวี่ยงอนุภาคให้หลุดออกไป แต่เมื่อมีปัจจัยอื่นมาเสริม สมดุลก็จะเปลี่ยนไป ปัจจัยที่ว่านั้นก็คือ ประจุไฟฟ้า อนุภาคขนาดเล็กในวงแหวนอาจกลายเป็นประจุไฟฟ้าได้โดยการได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ หรือจากการถูกชนโดยจุลอุกกาบาต เมื่ออนุภาคในวงแหวนกลายเป็นประจุ ก็จะถูกสนามแม่เหล็กของดาวเสาร์ดึงให้หลุดจากวงแหวนและไหลไปตามเส้นแรงแม่เหล็กจนตกลงสู่ดาวเสาร์ไป"


เมื่ออนุภาคที่กลายเป็นประจุจากวงแหวนตกลงไปถึงบรรยากากาศของดาวเสาร์ ไอน้ำที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับบรรยากาศชั้นไอโอโนสเฟียร์ทำให้ไตรไฮโดรเจนแคตไอออน (H3+) มีอายุยืนขึ้น เมื่อไอออนนี้ได้รับแสงอาทิตย์ก็จะเรืองแสงอินฟราเรดออกมา ซึ่งตรวจจับได้โดยกล้องมานาเคอาในฮาวายที่โอโดโนฮิวใช้สำรวจ

นอกจากจะพบการเรืองแสงที่เกิดจาก "ฝนวงแหวน" แล้ว ยังพบบริเวณที่มีการเรืองแสงที่เกิดจาก "ฝนเอนเซลาดัส" ด้วย เป็นการเรืองแสงในบริเวณที่เส้นแรงแม่เหล็กที่ตัดผ่านดวงจันทร์เอนเซลาดัสตัดกับบรรยากาศดาวเสาร์ อนุภาคที่พ่นออกมาจากพู่ที่ขั้วใต้ของดวงจันทร์ดวงนี้ทำให้เกิดการเรืองแสงบนดาวเสาร์ได้เช่นเดียวกัน

วงแหวนของดาวเสาร์ที่โดดเด่นกำลังจะเลือนหายไปภายในอีกไม่กี่ร้อยล้านปีข้างหน้า วงแหวนชั้นในจะหายไปก่อน และตามไปด้วยวงแหวนชั้นนอก  (จาก NASA/Cassini/James O’Donoghue.)


ดวงจันทร์เอนเซลาดัส ซึ่งพ่นไอน้ำออกมาเป็นพู่ทางรอยแรกบนพื้นผิวที่ขั้วใต้ อนุภาคไอน้ำที่พ่นออกมาบางส่วนได้กลายเป็นประจุไฟฟ้าและถูกสนามแม่เหล็กของดาวเสาร์ดึงไปจนกระทบกับบรรยากาศจนเกิดการเรืองแสงอินฟราเรด เช่นเดียวกับอนุภาคจากวงแหวน ภาพนี้ถ่ายโดยยานแคสซีนีเมื่อวันที่ พฤศจิกายน 2552 วัตถุทางขวาล่างของภาพคือดวงจันทร์แพนดอรา 
 (จาก NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute)


คณะของโอโดโนฮิวพบการเรืองแสงดังกล่าวเป็นแถบบริเวณที่ตรงกับตำแหน่งที่เส้นแรงแม่เหล็กที่ผ่านระนาบวงแหวนตัดผ่านบรรยากาศดาวเสาร์ การวิเคราะห์แสงเรืองนี้จะช่วยให้ทราบถึงปริมาณของอนุภาคจากวงแหวนที่สนามแม่เหล็กพามาได้ นักดาราศาสตร์คณะดังกล่าวประเมินว่า ฝนวงแหวนเกิดขึ้นในอัตราที่สามารถเติมสระว่ายน้ำมาตรฐานโอลิมปิกได้เต็มภายในครึ่งชั่วโมง 

และด้วยอัตรานี้ จะทำให้วงแหวนของดาวเสาร์หายไปหมดภายใน 100 ล้าน 300 ล้านปีจากนี้