แกนกลางที่พร่าเลือนของดาวเสาร์

 

จากการสำรวจระลอกคลื่นในวงแหวนซี(C-ring) ในระบบวงแหวนหลักของดาวเสาร์ นักดาราศาสตร์พบว่าระลอกนั้นเกิดขึ้นจากการไหวสะเทือนภายในดาวเคราะห์ จากรูปแบบการไหวจะสามารถตรวจสอบโครงสร้างภายในดาวเคราะห์ได้ 

      ในแบบเดียวกับที่แผ่นดินไหวทำให้ดาวเคราะห์ของเราสั่นสะเทือน การสั่นภายในดาวเสาร์ก็ทำให้ดาวเคราะห์ยักษ์เขย่าไปรอบๆ เล็กน้อย การเคลื่อนที่เหล่านี้ก็ทำให้เกิดระลอกในวงแหวนดาวเสาร์ด้วย

     ในการศึกษาใหม่ที่เผยแพร่ใน Nature Astronomy วันที่ 16 สิงหาคม นักดาราศาสตร์จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย
(Caltech) สองคนได้วิเคราะห์วงแหวนที่เกิดระลอกเหล่านี้เพื่อเผยให้เห็นรายละเอียดใหม่ๆ เกี่ยวกับแกนกลางของดาวเสาร์ จากการศึกษา พวกเขาใช้ข้อมูลเก่าที่ได้จากยานคาสสินีของนาซา

     การค้นพบได้บอกว่าแกนกลางของดาวเคราะห์วงแหวนนี้ไม่ได้เป็นก้อนหินแข็งอย่างที่ทฤษฎีก่อนหน้านี้บางงานได้เสนอไว้ แต่เป็นส่วนผสมของน้ำแข็ง, หิน และของไหลโลหะ หรือที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า แกนกลางที่คลุมเครือ(fuzzy) การวิเคราะห์ยังเผยให้เห็นว่าแกนกลางนั้นแผ่ออกไปถึง 60% เส้นผ่าศูนย์กลางของดาวเคราะห์ ซึ่งทำให้มันมีขนาดใหญ่กว่าที่เคยคิดไว้อย่างมาก

     เราใช้วงแหวนดาวเสาร์เหมือนไซสโมกราฟตัวยักษ์เพื่อตรวจสอบการสั่นภายในดาวเคราะห์ Jim Fuller ผู้เขียนร่วม ผู้ช่วยศาสตราจารย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ทฤษฎีที่คาลเทค กล่าว นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถตรวจสอบโครงสร้างของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ได้จากการสั่นไหว และผลที่ได้ก็ค่อนข้างน่าประหลาดใจ

ระบบวงแหวนหลักของดาวเสาร์ รวมทั้งช่องว่างและช่องแบ่งต่างๆ  

     การวิเคราะห์วงแหวนที่เป็นระลอกของดาวเสาร์ในรายละเอียดเป็นความสง่างามในการใช้ศาสตร์คลื่นไหวสะเทือน(seismology) เพื่อบอกถึงคุณสมบัติของแกนกลางดาวเสาร์ Jennifer Jackson ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แร่ธาตุในห้องทดลองการไหวสะเทือน คาลเทค ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ แต่ใช้การสำรวจการไหวสะเทือนชนิดอื่นเพื่อให้เข้าใจองค์ประกอบแกนกลางของโลก และมีศักยภาพในการตรวจสอบการไหวสะเทือนบนดาวศุกร์ได้ในอนาคต

      ผู้เขียนนำการศึกษานี้คือ Christopher Mankovich นักวิจัยหลังปริญญาเอกสาขาวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่ทำงานในกลุ่มของ Fuller การค้นพบได้ให้หลักฐานที่ดีที่สุดแสดงแกนกลางที่คลุมเครือของดาวเสาร์ และสอดคล้องกับหลักฐานล่าสุดจากปฏิบัติการจูโน(Juno) ของนาซา ซึ่งบ่งชี้ว่าดาวพฤหัสฯ เองก็อาจจะมีแกนกลางคลุมเครือคล้ายๆ กันด้วย แกนกลางที่คลุมเครือก็เหมือนกับโคลนเลน(sludge) Mankovich อธิบาย ก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมในดาวเคราะห์จะค่อยๆ ผสมเข้ากับน้ำแข็งและหินมากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อลงไปลึกใกล้ใจกลางดาวเคราะห์ มันก็คล้ายกับมหาสมุทรบางส่วนบนโลกอยู่ไม่น้อย เมื่อความเค็ม(saltiness) เพิ่มขึ้นเมื่อลงไปลึกขึ้นเรื่อยๆ สร้างรูปแบบไล่เรียงที่เสถียร

     แนวคิดว่าการสั่นของดาวเสาร์น่าจะสร้างคลื่นในวงแหวน และวงแหวนก็อาจจะถูกใช้เพื่อเป็นไซสโมกราฟ เพื่อศึกษาภายในของดาวเสาร์ เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในการศึกษาในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โดย Mark Marley และ Carolyn Porco ซึ่งต่อมากลายเป็นผู้นำทีมถ่ายภาพของคาสสินี การสำรวจปรากฏการณ์ประหลาดนี้ครั้งแรกทำโดย Matt Hedman และ P.D. Nicholson ในปี 2013 ซึ่งได้วิเคราะห์ข้อมูลจากคาสสินี นักดาราศาสตร์ได้พบว่าวงแหวนซี(C-ring) ซึ่งเป็นวงแหวนในสุดของระบบวงแหวนหลักของดาวเสาร์นั้น มีรูปแบบกังหันมากมายที่ขับเคลื่อนโดยความปั่นป่วนจากสนามแรงโน้มถ่วงของดาวเสาร์ และรูปแบบเหล่านี้ก็แตกต่างจากคลื่นอื่นๆ ในวงแหวนที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับดวงจันทร์ของดาวเคราะห์

การสั่นภายในดาวเคราะห์น่าจะส่งผลต่อวงแหวนดาวเสาร์อย่างไร

     คาสสินีไม่สามารถถ่ายภาพระลอกคลื่นในวงแหวนได้โดยตรง แต่นักดาราศาสตร์ใช้ยานเพื่อมองทะลุวงแหวนไปที่ดาวฤกษ์ที่พื้นหลัง เมื่อดาวผ่านหลังวงแหวนหนึ่งๆ เครื่องมือบนยานจะตรวจสอบว่าดาวหรี่แสงลงมากแค่ไหน เพื่อตรวจสอบว่าวัสดุสารในวงแหวนอยู่กันอย่างแออัดหนาแน่นแค่ไหน ด้วยการใช้การบังดาว(stellar occultation) เช่นนี้หลายครั้ง นักดาราศาสตร์ก็สามารถตรวจสอบรูปแบบคลื่นในวงแหวนซีได้ อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์ในเวลานั้นไม่สามารถอธิบายที่มาของรูปแบบคลื่นทั้งหมดที่ได้เห็น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง คลื่นที่มีความถี่ต่ำมากๆ

     ขณะนี้ Mankovich และ Fuller ได้วิเคราะห์รูปแบบคลื่นในวงแหวน เพื่อสร้างแบบจำลองภายในที่กระฉอกของดาวเสาร์ ดาวเสาร์เกิดการไหวขึ้นบ่อย แต่ก็เพียงเล็กน้อย Mankovich กล่าว พื้นผิวของดาวเคราะห์เคลื่อนที่ไปประมาณ 1 เมตรทุกๆ หนึ่งถึงสองชั่วโมง เหมือนกับทะเลสาบที่มีระลอกแผ่วบาง วงแหวนที่เหมือนเป็นไซสโมกราฟ จะรับการปั่นป่วนแรงโน้มถ่วงนี้ได้ และอนุภาคในวงแหวนก็จะเริ่มขยับไปรอบๆ เขากล่าว

     นักวิจัยบอกว่าการสั่นที่ความถี่ต่ำบ่งชี้ว่าไม่มีรอยต่อที่ชัดเจนระหว่างแกนกลางกับเปลือกรอบๆ แต่กลับเป็นว่าหินและน้ำแข็งในแกนกลางดาวเคราะห์ถูกเกลี่ยรวมไปกับของไหลไฮโดรเจน-ฮีเลียมภายใต้แรงดันสูงมาก

งานวิจัยใหม่แสดงว่าแกนกลางของดาวเสาร์นั้น “พร่าเลือน” แผ่ออกไปถึง 60% สู่พื้นผิว ซึ่งไม่น่าจะมีแกนกลางส่วนในที่เป็นของแข็ง เป็นเพียงการเกลี่ยส่วนผสมอย่างต่อเนื่อง โดยจะมีหินและน้ำแข็งมากขึ้นเมื่อเข้าใกล้ใจกลาง รอบๆ แกนกลางที่พร่าเลือนจะเป็นชั้นก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียม

     ผลสรุปของพวกเขายังบ่งชี้ว่าแกนกลางของดาวเสาร์นั้นมีมวลราว 55 เท่ามวลโลก โดยแบ่งเป็นน้ำแข็ง-หินประมาณ 17 เท่ามวลโลก และที่เหลือเป็นของไหลผสมระหว่างไฮโดรเจน-ฮีเลียม ระลอกความโน้มถ่วงที่สำรวจพบ บ่งชี้ว่าภายในเบื้องลึกของดาวเสาร์ในขณะที่เกิดการกระฉอกไปด้วยกันโดยทั่วถึง แต่ก็ประกอบด้วยชั้นย่อยที่เสถียรซึ่งก่อตัวขึ้นหลังจากวัสดุสารที่หนักกว่าได้จมลงสู่ใจกลางดาวเคราะห์ และหยุดผสมรวมกับวัสดุสารที่เบากว่าที่อยู่เหนือพวกมัน เพื่อที่สนามแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์จะสั่นด้วยความถี่ที่พิเศษมากเหล่านี้ ภายในจะต้องเสถียร และก็เป็นไปได้ต่อเมื่อมีสัดส่วนของน้ำแข็งและหินค่อยๆ เพิ่มขึ้นตามระดับความลึกสู่ใจกลางดาวเคราะห์เท่านั้น Fuller กล่าว

     นอกเหนือจากหิน-น้ำแข็งที่มีสัดส่วนเพิ่มขึ้นตามระดับความลึกแล้ว ยังมีการเปลี่ยนแปลงการผสมของไฮโดรเจน-ฮีเลียมอย่างช้าๆ ด้วย ทีมได้เห็นว่าฮีเลียมจะต้องกระจุกตัวอยู่ใกล้ใจกลางดาวเคราะห์มากกว่า สอดคล้องกับแนวคิดก่อนหน้านี้เกี่ยวกับ ฝนฮีเลียม(helium rain) ซึ่งบอกว่ากลุ่มก้อนของฮีเลียมจะควบแน่นออกจากไฮโดรเจนและตกลงสู่แกนกลาง

     Hedman ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษางานปัจจุบัน กล่าวว่า Christopher และ Jim สามารถแสดงว่ารายละเอียดพิเศษเพียงแค่ชนิดหนึ่งบนวงแหวนนั้นให้หลักฐานที่แน่ชัดว่าแกนกลางของดาวเสาร์มีความพร่าเลือนอย่างสุดขั้ว ผมตื่นเต้นที่จะคิดว่าแล้วรายละเอียดอื่นๆ ในวงแหวนซีที่เกิดขึ้นจากดาวเสาร์เอง จะสามารถบอกอะไรเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์นี้ได้อีก

     นอกจากนี้ การค้นพบยังได้ท้าทายแบบจำลองปัจจุบันว่าด้วยการก่อตัวของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ ซึ่งบอกว่าแกนกลางหินได้ก่อตัวขึ้นก่อน จากนั้นก็ดึงชั้นก๊าซขนาดใหญ่เข้ามาห่อหุ้มหินไว้ ถ้าแกนกลางของดาวเคราะห์มีความพร่าเลือนจริงตามที่การศึกษาได้บอกไว้ ดาวเคราะห์อาจจะต้องดึงก๊าซเข้ามาตั้งแต่ต้นๆ ในกระบวนการก่อตัว หรือแกนกลางหินอาจจะถูกทำลายภายใต้แรงดันและผสมจนได้แกนกลางที่คลุมเครือนี้ หรือมันอาจจะไม่เคยมีแกนหินอยู่ตั้งแต่แรกแล้ว

      ภายในที่เป็นชั้นเหมือนเลเยอร์เค้กของดาวเสาร์ยังส่งผลต่อสนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์ด้วย ในดาวเคราะห์เกือบทุกดวง ของไหลนำไฟฟ้าที่หมุนกวนที่สร้างสนามแม่เหล็กทั่วดาวเคราะห์ อยู่ในพื้นที่แกนกลาง แต่ถ้าแกนกลางของดาวเสาร์เป็นชั้นๆ มันก็ไม่สามารถกวนได้ สนามแม่เหล็กของดาวเคราะห์น่าจะต้องเกิดขึ้นจากชั้นก๊าซที่ห่อหุ้มแทน นี่น่าศึกษาต่อไปในอนาคต

แหล่งข่าว phys.org : Saturn makes waves in its own rings
                skyandtelescope.com : Saturn has a fuzzy core, too.
                sciencealert.com : ripples in Saturn’s rings reveal a giant, “fuzzy” core hidden beneath the surface