ลับลวงในดาวเสาร์

 

     มีอะไรอยู่ในดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์บ้าง จริงๆ คือมันยากจะบอกว่ามีอะไรอยู่ในดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ แต่ระบบวงแหวนที่ตระการตาและยิ่งใหญ่ของดาวเสาร์ ก็กำลังเป็นเครื่องมือชั้นดีที่ใช้ตรวจสอบความหนาแน่นภายใต้ชั้นเมฆหนาทึบของมัน ลึกลงไปได้ลงถึงแกนกลาง

     จากการวิเคราะห์ “การส่าย” ของวงแหวนหลักส่วนในสุดของดาวเสาร์ครั้งใหม่ แกนกลางดาวเคราะห์น่าจะไม่ใช่ลูกบอลนิกเกิลและเหล็กอย่างที่คิดไว้ แต่เป็นพื้นที่ที่พร่าเลือนของไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด โดยมีธาตุหนักผสมอยู่บ้าง แกนกลางแผ่ออกไปถึง 60% ของรัศมีดาวเคราะห์ และประกอบด้วยมวลน้ำแข็งและหินราว 17 เท่ามวลโลก การค้นพบซึ่งเผยแพร่ในเวบก่อนตีพิมพ์ arXiv และรอพิชญพิจารณ์(peer review) นั้นใกล้เคียงกับการค้นพบล่าสุดเกี่ยวกับภายในของดาวพฤหัสฯ ที่มีพื้นฐานจากข้อมูลของยานจูโน และมันก็น่าจะเปลี่ยนข้อสันนิษฐานเกี่ยวกับโครงสร้างช่วงต้นและประวัติการก่อตัวของดาวเสาร์ไปเลย

     แล้วเราเรียนรู้สิ่งนั้นจากวงแหวนดาวเสาร์ได้อย่างไร ทั้งหมดนั่นเกี่ยวข้องกับวิธีที่ดาวเสาร์ส่ายเอวซึ่งเป็นผลจากสนามแรงโน้มถ่วงภายนอกของดาวเคราะห์ คลื่นเสียง(acoustic waves) และการสั่น(oscillations) ภายในวัตถุนั้นเป็นเครื่องมือที่ปราดเปรื่องในการตรวจสอบโครงสร้างภายใน ซึ่งเราก็ทำแบบนี้บนโลก เมื่อแผ่นดินไหวส่งคลื่นเดียวกันนี้ผ่านดาวเคราะห์ คลื่นเหล่านี้สะท้อนไปรอบๆ อย่างไร จะเผยให้เห็นความหนาแน่นที่แตกต่าง ช่วยให้เราได้จำแนกโครงสร้างที่เราไม่เคยคิดฝันว่าจะได้เห็นมาก่อน บนดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ คลื่นเสียงภายในก็เปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีความสว่างเปลี่ยนแปลงด้วย

     บนดาวเสาร์ไม่มีที่ให้ติดตั้งไซสโมมิเตอร์(seismometer) และมันก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงความสว่างด้วย แต่เมื่อไม่กี่ปีก่อนนี้เอง นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นรูปแบบสัญญาณของวงแหวนซี(C ring) ของดาวเสาร์ ซึ่งเป็นวงแหวนที่อยู่ส่วนในสุดของระบบวงแหวนหลัก จากสิ่งนั้น พวกเขาสรุปว่ารูปแบบไม่น่าจะเกิดขึ้นจากดวงจันทร์ดาวเสาร์เหมือนอย่างรูปแบบที่ปรากฏในวงแหวนส่วนนอก แต่ดูจะเกิดขึ้นจากการสั่นที่อยู่ลึกภายในดาวเคราะห์เอง ซึ่งส่งผลต่อสนามแรงโน้มถ่วง

ระบบวงแหวนหลักของดาวเสาร์

      นั้นจึงเป็นกำเนิดของ kronoseismology เป็นการศึกษาภายในของดาวเสาร์โดยการวิเคราะห์คลื่นเหล่านี้ที่ปรากฏในวงแหวนซี ขณะนี้ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ Christopher Mankovich และ Jim Fuller จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) ได้ทำการวิเคราะห์คลื่นในวงแหวนซีใหม่อีกครั้ง ซึ่งมันมีความถี่ต่ำกว่าที่คาดไว้จากแบบจำลองภายในดาวเสาร์ที่มีบอกไว้ พวกเขาพบว่ารูปแบบความถี่นี้บอกถึงองค์ประกอบภายในของดาวเสาร์ที่ผิดจากที่คาดไว้อย่างสิ้นเชิง แบบจำลองของเราระบุถึงมวลและขนาดของแกนกลางธาตุหนักของดาวเสาร์ แม้แต่ธรรมชาติที่พร่าเลือนของแกนกลางนี้ ได้อย่างไม่ลังเลมากกว่าแบบจำลองเดิม พวกเขาเขียนไว้ในรายงาน

      จากแบบจำลองใหม่ พวกเขาบอกว่ามวลของแกนกลางอยู่ที่ราว 55 เท่ามวลโลก โดยมีหินและน้ำแข็งรวมอยู่ 17 เท่ามวลโลกด้วย ส่วนที่เหลือก็น่าจะเป็นไฮโดรเจนและฮีเลียมเกือบทั้งหมด แกนกลางทั้งก้อนนี้ไม่มีการแบ่งชั้นอย่างชัดเจนและค่อยๆ ผสมกลืนกัน แทนที่จะเกิดการแบ่งชั้นอย่างเข้มงวดซึ่งจะมีธาตุที่หนักกว่ากระจุกตัวอยู่ในส่วนกลางมากกว่า

     สิ่งนี้ได้สร้างความท้าทายให้กับแบบจำลองการก่อตัวดาวเคราะห์ คิดกันว่าดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นจากแบบจำลองการสะสมมวล ซึ่งจะมีขนาดจากเล็กไปใหญ่ ซึ่งก้อนหินขนาดเล็กจะมีการดึงดูดเข้าหากันด้วยไฟฟ้าสถิต จนกระทั่งเกิดเมล็ดพันธุ์ดาวเคราะห์ขึ้นมาซึ่งมีขนาดใหญ่มากพอที่จะมีแรงโน้มถ่วงภายในตัวมันเอง ซึ่งจะยิ่งดึงดูดวัสดุสารอื่นๆ มากขึ้น ซึ่งต่อมาก็ก่อตัวเป็นดาวเคราะห์ได้

     สำหรับดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อย่างดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ คิดกันว่าวัสดุสารที่หนักกว่าจะจมลงสู่ใจกลาง ก่อตัวเป็นแกนของแข็ง และปล่อยให้ก๊าซที่มีความหนาแน่นต่ำลอยออกสู่พื้นที่ส่วนนอก แต่แบบจำลองล่าสุดบอกถึงการกระจายของวัสดุสารที่เป็นแบบค่อยเป็นค่อยไปมากกว่า หรือเป็นไปได้กระทั่งว่ามีการผสมแบบการพา เป็นสาเหตุให้เกิดการกระจายแบบค่อยเป็นค่อยไปมากขึ้น

     ด้วยเหตุนี้ แกนกลางที่พร่าเลือนจึงท้าทายแบบจำลองเส้นทางการก่อตัวแกน และก็เป็นไปได้ว่าจะต้องมีความซับซ้อนซ่อนเงื่อนเพิ่มขึ้นมาเพื่อให้เข้าใจว่าเกิดขึ้นได้อย่างไร อย่างไรก็ตาม การศึกษาใหม่มีพื้นฐานจากการศึกษาคลื่นในวงแหวนซี ถ้ามี kronoseismology จากส่วนอื่นเพิ่มเติมขึ้นมาก็น่าจะช่วยชี้ชัดการแปลผลแกนกลางดาวเสาร์ที่พร่าเลือนนี้ได้

ภาพแสดงเส้นแรงสนามแม่เหล็กของดาวเสาร์ซึ่งมีแนวเกือบขนานพอดีกับแกนการหมุนรอบตัวของดาวเคราะห์

      นอกจากนี้ แบบจำลองเสมือนจริงจากมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ยังได้ให้แง่มุมที่น่าสนใจสู่ภายในของดาวเสาร์ ดาวเสาร์มีความแปลกประหลาดจากดาวเคราะห์อื่นๆ ในระบบสุริยะเนื่องจากสนามแม่เหล็กของมันดูเหมือนจะเรียงตัวอย่างสมมาตรเกือบสมบูรณ์แบบรอบๆ แกนการหมุนรอบตัว(เอียงจากแกนการหมุนเพียง 0.007 องศา)

     การตรวจสอบสนามแม่เหล็กในรายละเอียดซึ่งได้จากวงโคจรเที่ยวท้ายๆ ของยานคาสสินี(Cassini) ได้ให้โอกาสในการเข้าใจภายในเบื้องลึกของดาวเคราะห์ให้ดีขึ้น ซึ่งเป็นส่วนที่สร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา Chi Yan ผู้เขียนนำ ว่าที่ดอกเตอร์จากจอห์น ฮอบกินส์ กล่าว การวิเคราะห์ข้อมูลที่บอกสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นภายในก็อาจช่วยเราให้เข้าใจว่าดาวเสาร์มีความเป็นมาอย่างไร Sabine Stanley นักฟิสิกส์ดาวเคราะห์จากจอห์น ฮอบกินส์ เช่นกัน กล่าวว่า ด้วยการศึกษาว่าดาวเสาร์ก่อตัวอย่างไร และมันพัฒนาอย่างไร เราก็สามารถเรียนรู้ได้มากมายเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์อื่นๆ ที่คล้ายกับดาวเสาร์ภายในระบบสุริยะของเราเอง และข้างนอกนั้น

     สนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์(มัก) จะถูกสร้างขึ้นภายในดาวเคราะห์ โดยบางสิ่งที่เรียกว่า ไดนาโม(dynamo) ซึ่งเป็นของไหลที่นำไฟฟ้ามีการหมุนวนและการพา ซึ่งเปลี่ยนพลังงานจลน์ให้กลายเป็นพลังแม่เหล็ก สร้างสนามแม่เหล็กออกสู่อวกาศ และเนื่องจากสนามแม่เหล็กดาวเสาร์ถูกตรวจสอบโดยคาสสินีเป็นอย่างดี ทีมจอห์น ฮอบกินส์ จึงใช้มันเพื่อย้อนกระบวนการดูสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นในภายในที่เป็นปริศนาของดาวเสาร์

     ด้วยการป้อนข้อมูลที่คาสสินีรวบรวมได้ใส่แบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์ที่มักใช้ในการศึกษาสภาพอากาศและภูมิอากาศ Yan และ Stanley ได้ศึกษาว่าเพื่อที่จะสร้างไดนาโม ดาวเสาร์จะมีองค์ประกอบอย่างไร สิ่งหนึ่งที่เราได้พบก็คือแบบจำลองนี้มีความไวต่อสิ่งที่จำเพาะมากๆ อย่างอุณหภูมิ เช่นไร Stanley กล่าว และนั้นก็หมายความว่าเราสามารถตรวจสอบภายในเบื้องลึกของดาวเสาร์ได้จนถึงระดับ 2 หมื่นกิโลเมตรลงไปซึ่งน่าสนใจมากๆ

     ทีมได้พบว่าแบบจำลองภายในของดาวเสาร์ที่สอดคล้องกับข้อมูลการสำรวจมากที่สุด จะแบ่งเป็น 4 ชั้น แกนกลางส่วนในเป็นของแข็งหรืออาจจะเป็นของไหลแยกชั้น(stratified fluid) โดยปราศจากการพา(convection) มีหินและน้ำแข็งรอบและแผ่ออกไปถึงระยะประมาณหนึ่งในสี่รัศมี ต่อมาจึงเป็นแกนกลางส่วนนอกที่มีการพา โดยเป็นไฮโดรเจนโลหะ(metallic hydrogen) และฮีเลียมที่ละลายอยู่ เป็นชั้นที่น่าจะสร้างไดนาโม อุณหภูมิและความดันสูงมากๆ จนชั้นนี้อยู่ในสถานะที่ไม่ปกติที่เรียกว่าของไหลวิกฤติยิ่งยวด(supercritical fluid) ซึ่งไม่ได้เป็นทั้งของเหลวหรือก๊าซ มีขนาดถึง 42% รัศมีดาวเสาร์  

แบบจำลองโครงสร้างภายในดาวเสาร์แบบใหม่ซึ่งมีชั้นฮีเลียมหนาที่ไม่ละลาย(helium insoluable layer; HIL) ชั้นหนึ่ง ซึ่งก้อนฮีเลียมจะค่อยๆ ไปกองสะสมใกล้กับแกนกลาง

     ชั้นที่สามก็เป็นของไหลวิกฤติยิ่งยวดเช่นกัน แต่ฮีเลียมในชั้นนี้ไม่ได้ละลายในไฮโดรเจน แต่แยกตัวออกมาเหมือนกับน้ำมันในน้ำ ซึ่งฮีเลียมจะตกเป็นฝนผ่านไฮโดรเจนด้วยอัตราที่ช้ามากๆ Stanley อธิบายว่าฝนฮีเลียมเป็นสิ่งที่ประหลาดและน่าตื่นตะลึง มันจะเกิดขึ้นได้ที่ความดันมากกว่า 1 เมกะบาร์ หรือราว 1 ล้านเท่าความดันชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับน้ำทะเล แต่ที่ความดันต่ำกว่าในแกนกลาง ชั้น ชั้นฝนฮีเลียมนี้มีการพาอย่างเสถียร แผ่ไกลถึง 70% รัศมีดาวเสาร์ ในขณะที่ไฮโดรเจนและฮีเลียมผสมเข้าด้วยกันที่ความดันต่ำกว่านี้ใกล้พื้นผิว และจะผสมกันอีกครั้งภายในแกนกลาง แตที่ 1 เมกะบาร์นั้นพวกมันกลับเข้ากันไม่ได้เหมือนน้ำกับน้ำมัน ฮีเลียมซึ่งมีอยู่ราวหนึ่งในสี่ของของไหล จะก่อตัวเป็นก้อนภายในไฮโดรเจนโลหะซึ่งหยดลงลึกในดาวเคราะห์ กระบวนการจะเกิดขึ้นช้ามากๆ ฝนฮีเลียมไม่ได้ตกหนักมาก แต่ค่อยๆ กองอย่างช้าๆ ที่ก้นของชั้นฝนฮีเลียมซึ่งความดันจะสูงมากพอที่ฮีเลียมจะกลายเป็นโลหะและสามารถละลายในไฮโดรเจนโลหะได้

     นอกจากนี้ จากงานวิจัยที่เผยแพร่ในปี 2015 ก็น่าจะอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดภายในของดาวเสาร์จึงร้อนกว่าที่คาดไว้ด้วย เนื่องจากที่รอยต่อของชั้นฝนฮีเลียม การไหลเวียนแลกเปลี่ยนความร้อนจะเปลี่ยนแปลงตามละติจูด ที่ศูนย์สูตรจึงร้อนกว่ามาก และอุณหภูมิที่บริเวณใกล้ขั้วดาวเคราะห์ที่ละติจูดสูงๆ ก็จะต่ำกว่ามาก

     ที่น่าสนใจก็คือแบบจำลองของทีมยังได้แสดงว่าเพื่อที่สนามแม่เหล็กจะมีสมมาตรเกือบสมบูรณ์ตามแนวแกนการหมุนรอบตัว ก็อาจจะมีความเอียงไปบ้าง ไม่ถึง 0.5% ที่ขั้ว ซึ่งเป็นพื้นที่ที่ข้อมูลจากคาสสินีอ่อนที่สุด Stanley อธิบายว่า แม้ว่าการสำรวจดาวเสาร์ที่เรามีจะดูสมมาตรอย่างสมบูรณ์แบบ แต่ในแบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์เราก็สามารถตรวจสอบสนามได้อย่างเต็มที่

     การสำรวจในอนาคตน่าจะช่วยระบุสนามแม่เหล็กได้โดยเฉพาะที่ส่วนขั้วของดาวเสาร์ แต่เราอาจจะต้องรออีกนาน เนื่องจากพื้นที่ดังกล่าวนั้นยากที่จะสำรวจได้จากโลก และขณะนี้ก็ยังไม่มีการวางแผนปฏิบัติการดาวเสาร์ใดๆ อีก งานวิจัยนี้เผยแพร่ใน AGU Advances

     

แหล่งข่าว sciencealert.com : mysterious wobbles in Saturn’s rings reveal clues about its “fuzzy” interior  
               sciencealert.com : Saturn has a weirdly neat, symmetrical magnetic field. We may finally know why
               skyandtelescope.com : helium rain inside Saturn might shape its magnetic field