Text by มติพล ตั้งมติธรรม
เมื่อดาวแปลกประหลาดต่างจากดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ ถูกค้นพบเมื่อราว 400 กว่าปีก่อน เราก็ได้รู้เพิ่มเติมอีกนิดหน่อยว่าคือวงแหวนที่ประกอบด้วยดาวเคราะห์น้อยและก้อนน้ำแข็งที่อยู่รอบดาวดาวเสาร์แต่สิ่งนี้มีไรเพื่ออะไร ยานสำรวจลำหนึ่งจึงต้องเดินทางไปค้นหาคำตอบและส่งภาพแบบใกล้สุดๆ กลับมาให้เราดูว่าหลังจากรอนแรมมา 20 ปี เราจะตอบคำถามได้หรือไม่
ทำไมดาวเสาร์ถึงมีวงแหวน?
ถ้าพูดถึงดาวเสาร์ คงจะไม่มีอะไรโด่งดังไปกว่าวงแหวนของดาวเสาร์อีกแล้ว วงแหวนของดาวเสาร์สร้างความฉงนให้กับผู้สังเกตเสมอมา ตั้งแต่กาลิเลโอได้เห็นดาวเสาร์ผ่านกล้องโทรทรรศน์เป็นครั้งแรก และบันทึกว่าดาวเสาร์มี “หู” ยืดออกไปสองข้าง ความโดดเด่นของวงแหวนดาวเสาร์ทำให้คนเปรียบเปรยดาวเสาร์กันเล่นๆ เสมอว่า “Lord of the Ring” ตามนิยายของ J.R.R. Tolkien
แต่ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม ความงดงามของวงแหวนดาวเสาร์นี้เอง ที่ทำให้เราพยายามค้นหาและอธิบายมันมาตลอด ว่าเหตุใดในดาวเคราะห์ทั้งหลายในระบบสุริยะนี้ จึงมีแต่เพียงดาวเสาร์ที่สามารถสังเกตเห็นได้โดยง่าย อย่างไรก็ตาม ที่มาของวงแหวนดาวเสาร์นี้เป็นเรื่องที่ค่อนข้างซับซ้อน และยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ถึงทุกวันนี้ และนี่เป็นภารกิจหนึ่งของยานสำรวจอวกาศแคสสินี (Cassini) ที่ทำการศึกษาวงแหวนของดาวเสาร์ และที่มาของมัน โดยภารกิจสุดท้ายของยานสำรวจอวกาศแคสสินี ก็คือการดิ่งตัวลงผ่านช่องว่างระหว่างดาวเสาร์กับวงแหวนที่กว้างเพียง 2,000 กม. เพียงเท่านั้น โดยแคสสินีเพิ่งได้ทำการดิ่งผ่านช่องว่างระหว่างดาวเสาร์และวงแหวนเป็นครั้งแรกไปเมื่อวันที่ 26 เมษายน 2017 ที่ผ่านมา และกำลังจะดิ่งผ่านอีกหลายครั้ง ก่อนที่จะสิ้นสุดภารกิจสุดท้าย และลุกไหม้ไปในชั้นบรรยากาศของดาวเสาร์ในวันที่ 15 กันยายน 2017 ที่จะถึงนี้
อาจจะเป็นคำถามง่ายๆ ว่าทำไมดาวเสาร์ถึงต้องมีวงแหวน แต่เอาเข้าจริงๆ แล้ว คำตอบนี้เป็นคำตอบที่ค่อนข้างซับซ้อน และอาจจะตอบสั้นๆ ได้ว่าเราก็ยัง “ไม่รู้” เพราะถึงแม้ว่าเราจะรู้อะไรเกี่ยวกับวงแหวนของดาวเสาร์อยู่มาก แต่วงแหวนของดาวเสาร์นั้นก็ยังคงเป็นปริศนาที่ชวนให้นักดาราศาสตร์ต้องฉงนอยู่เสมอมา
ภาพ: แสงดวงอาทิตย์ลอดผ่านดาวเสาร์และวงแหวน บันทึกโดยยานสำรวจอวกาศแคสสินี ขณะที่อยู่ในเงาของดาวเสาร์ (ภาพโดย NASA)
ลักษณะของวงแหวนดาวเสาร์
วงแหวนของดาวเสาร์นั้น อยู่สูงออกมาจากเส้นศูนย์สูตรของดาวเสาร์ ตั้งแต่ 7,000 กม. ถึง 80,000 กม. แต่วงแหวนของดาวเสาร์มีความหนาเพียงแค่ 1 กม. และอาจจะบางถึง 10 เมตรในบางส่วน ถ้าหากเราสร้างแบบจำลองของดาวเสาร์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 เมตร เราจะพบว่าวงแหวนของดาวเสาร์มีขนาดบางกว่าใบมีดโกนถึง 10,000 เท่า
องค์ประกอบหลักของวงแหวนดาวเสาร์ ก็คือน้ำแข็งบริสุทธิ์ 99.9% เป็นก้อนน้ำแข็งขนาดเล็กตั้งแต่ 1 ซม. ไปจนถึง 10 เมตร กระจัดกระจายกันไปทั่ววงแหวน หากเรานำมวลของก้อนน้ำแข็งในวงแหวนทั้งหมดมารวมกัน เราจะได้มวลพอๆ กับดวงจันทร์เล็กๆ ของดาวเสาร์ดวงหนึ่ง การที่องค์ประกอบของดาวเสาร์เป็นน้ำแข็งบริสุทธิ์เสียส่วนมากนั้น บอกได้ว่าอนุภาคในวงแหวนของดาวเสาร์มีการเจือปนจากดาวเคราะห์น้อยในอัตราที่น้อยมาก
ในวงแหวนของดาวเสาร์ จะปรากฏเป็นช่องว่างต่างๆ ช่องว่างใหญ่ๆ เช่น Cassini Division และ Encke Gap สามารถสังเกตได้จากบนโลก แต่จากการสังเกตอย่างใกล้ชิดแล้วพบว่าแต่ละวงแหวนของดาวเสาร์นั้นมีโครงสร้างเป็นวงแหวน และช่องว่างย่อยอีกนับพัน ที่เกิดจากแรงดึงดูดจากดวงจันทร์ขนาดเล็กในวงแหวนที่คอยกวาดอนุภาคในวงแหวนให้เกลี้ยงอยู่ตลอดเวลา
ภาพ: วงแหวนของดาวเสาร์ และโครงสร้างละเอียดต่างๆ (ภาพโดย NASA)
วงแหวนรอบดาวเคราะห์เกิดจากอะไร
นักดาราศาสตร์ได้เสนอทฤษฎีการเกิดวงแหวนรอบดาวเคราะห์อยู่ด้วยหลายวิธี วิธีหนึ่ง วงแหวนอาจจะเกิดจากเศษของดวงจันทร์ที่ถูกพุ่งชนจนแตกออกเป็นเสี่ยงๆ และวงแหวนที่จางกว่าอาจจะมาจากเศษที่เกิดจากการชนของอุกกาบาตขนาดเล็กกับดวงจันทร์ หรือในกรณีของดาวเสาร์ได้มีการค้นพบว่าภูเขาไฟน้ำแข็งบนดวงจันทร์ Enceladus มีการพ่นอนุภาคน้ำแข็งไปในวงแหวน ซึ่งอาจจะเป็นที่มาอีกส่วนหนึ่งของอนุภาคในวงแหวนดาวเสาร์
ทฤษฎีกำเนิดวงแหวนอีกทฤษฎีหนึ่ง กล่าวเอาไว้ว่าวงแหวนเกิดจากแรงไทดัลที่สูงเกินไป บนโลกของเราเรารู้จักแรงไทดัลในรูปของแรงที่ทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลง เมื่อผิวโลกส่วนใกล้และไกลจากดวงจันทร์ได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์ไม่เท่ากัน ผลก็คือน้ำในมหาสมุทรบนโลกจะโดนบีบเข้าใกล้และออกห่างจากดวงจันทร์ ทำให้เกิดเป็นปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง ดวงจันทร์ของดาวเคราะห์แก๊สก็มีแรงไทดัลเช่นเดียวกัน ดวงจันทร์ไอโอของดาวพฤหัสบดีนั้นได้รับแรงไทดัลมหาศาลมาก เสียจนแมกม่าเหลวภายในดวงจันทร์เกิดความร้อนสูงมากจนปะทุออกมาเป็นภูเขาไฟจำนวนมากมายทั่วทั้งดวงจันทร์ หากดวงจันทร์ของดาวเคราะห์เข้าใกล้ขีดจำกัดหนึ่ง ที่เรียกว่า Roche Limit แรงไทดัลจะมีความแตกต่างกันมากเพียงพอที่จะสามารถฉีกดาวเคราะห์ออกเป็นชิ้นๆ ได้ ซึ่งวงแหวนรอบดาวเคราะห์อาจจะเกิดขึ้นจากดวงจันทร์ที่เข้าใกล้กว่า Roche Limit จนถูกแรงไทดัลฉีกออกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย กลายเป็นวงแหวน นอกจากนี้ อาจเป็นไปได้ว่าอิทธิพลจากแรงไทดัลภายใน Roche Limit อาจจะทำให้สสารก่อกำเนิดระบบสุริยะไม่สามารถรวมตัวกันเป็นดวงจันทร์ได้แต่แรก
วงแหวนของดาวเคราะห์แก๊สอื่น
ในความเป็นจริงแล้ว ดาวเสาร์ไม่ใช่ดาวเคราะห์เพียงดวงเดียวในระบบสุริยะที่มีวงแหวน แต่ดาวเคราะห์แก๊สทุกดวงต่างก็มีวงแหวนล้อมรอบทั้งนั้น ทั้งดาวพฤหัสบดี ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน ต่างก็มีวงแหวนด้วยกันทั้งสิ้น อย่างไรก็ตาม วงแหวนของดาวเคราะห์อื่นนอกจากดาวเสาร์นั้นมีลักษณะจางกว่ามากและไม่สามารถสังเกตได้จากกล้องโทรทรรศน์บนพื้นโลก
เราค้นพบหลักฐานว่าดาวเคราะห์แก๊สอื่นมีวงแหวน ได้จากการสังเกตการหรี่ลงของแสงดาวเบื้องหลังก่อนที่ดาวเคราะห์เข้ามาบดบัง เช่น การสังเกตแสงดาวฤกษ์เบื้องหลังที่หรี่ลง 13 ครั้งก่อนและหลังดาวยูเรนัสจะบดบัง ทำให้เราทราบได้ว่าดาวยูเรนัสจะต้องมีวงแหวนซับซ้อนถึง 13 ชั้น ก่อนที่ยานสำรวจอวกาศวอยเอเจอร์จะได้ทำการยืนยันโดยการสังเกตการณ์โดยตรงจากระยะใกล้
อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าดาวเคราะห์อีกสามดวงจะมีวงแหวน แต่เห็นได้ชัดเจนว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นมีความแตกต่างกันเป็นอย่างมาก ทั้งในด้านของขนาด ความซับซ้อน และความงดงามของมัน ถึงแม้ว่าเราอาจจะพอมีไอเดียคร่าวๆ ว่าวงแหวนของดาวเคราะห์อาจจะสามารถเกิดขึ้นมาได้อย่างไร แต่คำถามที่สำคัญก็คือ อะไรทำให้ดาวเสาร์พิเศษกว่าดาวเคราะห์ดวงอื่น? ทำไมวงแหวนของดาวเสาร์จึงเห็นได้ชัดกว่า และมีความพิเศษกว่าวงแหวนของดาวเคราะห์ดวงอื่น?
ภาพ: การเคลื่อนที่ของดวงจันทร์แพน (Pan) ใน Encke Gap เหนี่ยวนำให้อนุภาคในวงแหวนเกิดการรบกวนในลักษณะของระลอกคลื่น (ภาพโดย NASA)
วงแหวนของดาวเสาร์อยู่มานานแค่ไหน?
จากโลกของเราเราอาจจะสังเกตเห็นวงแหวนเป็นเหมือนจานแบนๆ หนึ่งแผ่น คล้ายกับพื้นผิวของแผ่นซีดี แต่ในความเป็นจริงแล้ว วงแหวนของดาวเสาร์ประกอบไปด้วยอนุภาคเล็กๆ จำนวนนับพันล้านอนุภาค ที่ลอยอยู่อย่างหลวมๆ ยิ่งไปกว่านั้น อนุภาคในวงแหวนไม่ได้อยู่นิ่งๆ แต่มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา แรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ดวงเล็กๆ ของดาวเสาร์ ส่งอิทธิพลต่อวงแหวนอยู่ตลอดเวลา คอยรบกวนวงโคจร ทำให้เกิดเป็นระลอกคลื่น เกิดรูปทรงคล้ายใบพัด กวาดอนุภาคในวงโคจรไปจนกลายเป็นช่องว่างในวงแหวน หรือแม้กระทั่งเพิ่มเติมอนุภาคด้วยภูเขาไฟน้ำแข็งที่ประทุออกมาจากภายใต้พื้นผิวของดวงจันทร์
เราไม่ทราบว่า การรบกวนต่างๆ ของดวงจันทร์เหล่านี้ มีผลมากหรือน้อยแค่ไหนต่อการดำรงอยู่ของวงแหวน ถ้าหากว่าอุกกาบาตและดวงจันทร์เล็กๆ ค่อยๆ กวาดอนุภาคในวงแหวนให้หมดไปทีละนิด วงแหวนของดาวเสาร์อาจจะมีอายุได้ไม่นาน นั่นหมายความว่าวงแหวนของดาวเสาร์นี้อาจจะเพิ่งถือกำเนิดขึ้นมาในช่วงเวลาเพียงไม่กี่ล้านปี แต่หากวงแหวนเป็นสิ่งที่อยู่ได้คงทนกว่านี้ด้วยกลไกต่างๆ ที่คอยเพิ่มอนุภาคเข้ามาสู่วงแหวนตลอด วงแหวนของดาวเสาร์อาจจะมีอายุนานได้หลายพันล้านปี
จากการศึกษาของยานสำรวจอวกาศแคสสินี ได้พบว่าเศษฝุ่นละอองภายนอกเข้าไปในส่วนของวงแหวนในปริมาณที่น้อยมาก นี่หมายความว่าดาวเสาร์อาจจะได้รับการชนจากเศษอุกกาบาตในอัตราที่ต่ำมาก ซึ่งจะทำให้อายุของวงแหวนดาวเสาร์ค่อนข้างยืนนาน และเป็นไปได้ว่าวงแหวนของดาวเสาร์อาจจะมีอายุเก่าแก่ถึงสี่พันล้านปี และอาจจะถือกำเนิดขึ้นมาพร้อมๆ กับดาวเสาร์ตั้งแต่ช่วงแรกเริ่มกำเนิดระบบสุริยะ
อย่างไรก็ตาม เป็นที่แน่ชัดว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นมีลักษณะที่ไม่เหมือนกับวงแหวนที่มองไม่เห็นอย่างของดาวพฤหัสบดี ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน อาจจะเป็นไปได้ว่าครั้งหนึ่งวงแหวนของดาวเคราะห์เหล่านี้อาจจะเคยเห็นได้ชัดเช่นเดียวกับดาวเสาร์ ถ้าหากเป็นเช่นนั้น แล้วเพราะเหตุใดวงแหวนของดาวเคราะห์เหล่านั้นจึงไม่สามารถสังเกตเห็นได้ชัดอีกต่อไป? แล้ววันหนึ่งวงแหวนของดาวเสาร์จะหายไปเช่นเดียวกับดาวเคราะห์เหล่านั้นหรือไม่? การศึกษาสุดท้ายของยานสำรวจอวกาศแคสสินี อาจจะช่วยให้เราเข้าใจที่มาของวงแหวนดาวเสาร์ได้ดีขึ้น และตอบคำถามเหล่านี้ได้
ภาพ: พายุบริเวณขั้วของดาวเสาร์ที่บันทึกได้โดยยานสำรวจอวกาศแคสสินี ระหว่างที่ทำการโฉบลงบริเวณช่องว่างระหว่างดาวเสาร์กับวงแหวน (ภาพโดย NASA)
