ปฏิบัติการลูซี

 

Lucy mission

   ยานลูซีของนาซาจะบินออกสู่อวกาศในวันที่ 16 ตุลาคม 2021 จากฐานทัพอวกาศแหลมคานาเวอรัล ในเวลา 5.34 นาฬิกาตามเวลาฝั่งตะวันออก(0934 GMT) ในการเดินทาง 12 ปีสู่ดาวเคราะห์น้อยทรอยของดาวพฤหัสฯ ปฏิบัติการลูซีจะใช้แรงโน้มถ่วงโลกเหวี่ยงตัว 3 ครั้ง และไปเยี่ยมเยือนดาวเคราะห์น้อย 8 ดวง

      สิ่งที่เรียกว่า ทรอย(Trojans) ตามชื่อปกรณัมกรีก ดาวเคราะห์น้อยเป้าหมายของลูซี(Lucy) เกือบทั้งหมดเป็นซากที่เหลืออยู่จากการก่อตัวของระบบสุริยะ ทรอยเหล่านี้โคจรรอบดวงอาทิตย์แบ่งเป็น 2 กลุ่มใหญ่ กลุ่มหนึ่งนำหน้า(Greek Camp) 60 องศา และอีกกลุ่มตามหลัง(Trojan Camp) ดาวพฤหัสฯ 60 องศา ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ของดาวเคราะห์ ลูซีจะเป็นยานลำแรกที่ไปเยี่ยมเยือนดาวเคราะห์น้อยทรอย และเป็นลำแรกที่ตรวจสอบเป้าหมายที่มากมายเช่นนี้ ซึ่งแต่ละดวงก็มีวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ของมันเอง

     การศึกษาดาวเคราะห์น้อยทรอยของดาวพฤหัสฯ อย่างใกล้ชิดน่าจะช่วยนักวิทยาศาสตร์ตัดสินทฤษฎีว่าดาวเคราะห์ในระบบสุริยะก่อตัวขึ้นเมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อนได้อย่างไร และเพราะเหตุใดพวกมันจึงไปอยู่ในสภาพแบบปัจจุบันได้ Jacob Englander วิศวกรการบินอวกาศ ซึ่งช่วยออกแบบเส้นทางของลูซีในขณะที่ทำงานที่ศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา กล่าวว่า มันแทบจะเหมือนกับการเดินทางย้อนเวลา

ภาพจากศิลปินแสดงยานลูซี บินผ่านดาวเคราะห์น้อยทรอย(Trojan asteroid) ของดาวพฤหัสฯ จะสังเกตเห็นทรอยทั้งสองกลุ่ม และแถบดาวเคราะห์น้อยหลัก(main asteroid belt) ที่อยู่ระหว่างวงโคจรดาวอังคารและดาวพฤหัสฯ ด้วย

     เริ่มต้นเมื่อ 7 ปีที่แล้ว ลูซียังเป็นปฏิบัติการที่ไปดาวเคราะห์น้อย 2 ดวง แล้วขยับไปเป็นเป้าหมายในปัจจุบัน ต้องขอบคุณวิศวกรรมศาสตร์ที่สร้างสรรค์และช่วงเวลาที่เอื้อ Harold Levison ผู้นำปฏิบัติการลูซี ผู้เชี่ยวชาญพลวัตดาวเคราะห์ที่โบลเดอร์ โคโลราโด สาขาของสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์(SwRI) ซึ่งมีสำนักงานใหญ่ที่ซานอันโตนิโอ กล่าวว่า ผมมักจะพูดตลกว่า ผมทำงานโดยบูชาเทพเจ้ากลศาสตร์วัตถุฟากฟ้า(celestial mechanics) ขณะนี้ เทพเจ้ากำลังให้พรเราแล้ว

เส้นทาง

      จากตำนานของปฏิบัติการ ช่วงเวลาที่เปลี่ยนทุกสิ่งเกิดขึ้นในปี 2014 ไม่กี่ปีหลังจากที่นาซาได้เลือกลูซีให้บิน ผู้ออกแบบเส้นปฏิบัติการมายาวนาน Brian Sutter จากล๊อคฮีดมาร์ตินสเปซ กำลังคุยกับ Levison เกี่ยวกับแบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์ เส้นทางลูซีที่ได้นำเสนอไว้ สำหรับ Sutter แล้วลูซีเป็นความท้าทายเนื่องจากทีมกำลังพิจารณาที่จะไปเยือนวัตถุชนิดหนึ่งแทนที่จะบินไปจุดหมายปลายทาง โดยปกติ งานผมก็คือ โอเค เราอยากไปดาวอังคาร และผมก็รู้ว่ากำลังจะไปไหน แต่ลูซีแตกต่างออกไปเนื่องจากคุณไม่รู้ว่าอยากไปไหนในเมื่อมีตัวเลือกถึง 5000 ดวง

ตำแหน่งของดาวเคราะห์น้อยกลุ่มต่างๆ ในระบบสุริยะจนถึงวงโคจรดาวพฤหัสฯ นอกจากนี้ ยังมีทรอยอยู่ใกล้เนปจูนด้วย 

     และก็มีความท้าทายซ่อนอยู่อีก เมื่องานของเขาต้องหาทางออกไปที่ทรอยให้ได้ เนื่องจากไม่เคยมียานลำใดที่บินไปเข้าใกล้ทรอยทั้งสองแคมป์มาก่อนเลย แต่ดูเหมือนว่า Levison คิดว่าลูซีน่าจะบินผ่าน พาโตรคลัส(Patroclus) ในการเดินทางสู่เป้าหมายทางการ พาโตรคลัสเป็นหนึ่งในทรอยคู่ ที่โคจรรอบกันและกัน Sutter ซึ่งไม่ทราบอะไรในเวลานั้นว่า พาโตรคลัสเป็นทรอยดวงโปรดของ Levison มันอยู่ในวงโคจรกับคู่หูของมันที่แทบจะเป็นฝาแฝดกัน เมนีเทียส(Menoetius) ซึ่งเป็นทรอยที่หายากและแปลกประหลาดเท่าที่เคยพบภายในวงโคจรเนปจูน เนื่องจากดาวเคราะห์น้อยเกือบทั้งหมดที่อยู่ในระบบสุริยะส่วนในน่าจะถูกฉีกออกจากคู่หูของพวกมันในระหว่างช่วงเวลาการก่อตัวดาวเคราะห์ที่วุ่นวายปั่นป่วนซึ่งมีการชนครั้งใหญ่ๆ เกิดขึ้น แล้วคู่นี้เกาะอยู่ด้วยกันได้อย่างไร

     คำตอบน่าจะให้เงื่อนงำสำคัญสู่ช่วงเวลาและการสร้างดาวเคราะห์จนแล้วเสร็จ Levison กล่าว ผมไม่ทราบว่าเพราะอะไร Brian(Sutter) ถึงเลือกที่รวมพาโตรคลัสเข้าไปด้วย บางทีอาจเพราะมันมีขนาดใหญ่ดวงหนึ่ง หรืออาจจะเพราะแค่ชอบชื่อของมัน แต่เมื่อผมเห็นมัน ผมจำได้จนต้องตะโกน เดี๋ยว เดี๋ยว เราไปที่นี่ได้มั้ย

     Sutter ได้ออกแบบเส้นทางยานมาหลายทศวรรษ ซึ่งรวมถึงปฏิบัติการ OSIRIS-RE x ที่นำตัวอย่างดาวเคราะห์น้อยกลับมา และมาร์ส โอดิสซี ซึ่งล๊อคฮีดมาร์ตินเป็นบริษัทที่สร้างยาน เขาได้รวมพาโตรคลัสและเมนีเทียส เข้าไปในแบบจำลองเสมือนจริงเส้นทางของลูซี ก็เพียงเพราะพวกมันอยู่ในละแวกใกล้ๆ จริงๆ แล้วคู่นี้ไม่ได้อยู่บนเส้นทางของลูซีเป๊ะ แต่ Sutter ตรวจสอบว่าระบบสุริยะจะเป็นอย่างไรในอนาคต ซึ่งเส้นทางของลูซีจะนำมันเข้าใกล้ทั้งคู่ได้มากพอที่จะสำรวจพวกมัน ซึ่งลูซี และพาโตรคลัส-เมนีเทียส จะมีเส้นทางตัดกันในปี 2033 เป็นโชคดีแท้ๆ Levison กล่าว

จุดที่มีความเสถียรด้านแรงโน้มถ่วงใกล้ดาวพฤหัสฯ ซึ่งพบทรอยได้ที่ L4 และ L5 

     การค้นพบนี้ทำให้ Sutter มีแรงบันดาลใจในการหาเป้าหมายอื่นๆ ตามเส้นทางของลูซีในกรอบการเดินทางของปฏิบัติการ เขาได้ป้อนวงโคจรดาวเคราะห์น้อยที่พบแล้ว 750,000 ดวง, บวกกับเส้นทางของลูซีในเวลานั้น และใช้เวลาอีกหลายเดือนเพื่อทำการคำนวณและพบดาวเคราะห์น้อยอีกจำนวนหนึ่ง ซึ่งมีหลายดวงที่มีองค์ประกอบเคมีที่หลากหลายซึ่งจะเป็นเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่ดีเยี่ยมสำหรับปฏิบัติการ

     ผมเพิ่มการบินผ่านเข้าไปในแบบจำลองเสมือนจริงของผมเรื่อยๆ จนกระทั่งเชื้อเพลิงยานหมดลง และสุดท้ายเราก็ได้เส้นทางของลูซีออกมา Sutter กล่าว อย่างไรก็ตาม ผมก็รู้ว่าตามเส้นทางยังมีเป้าหมายอีกมาก และเราก็ไปได้ถ้าเพิ่มเชื้อเพลิงอีกนิดหน่อย โดยปกติเขาจะใช้ Excel เป็นเครื่องมือหาเส้นทางอย่างหนึ่ง เพื่อออกแบบเส้นทางของลูซี และงานของ Englander ซึ่งตอนนั้นทำงานที่กอดดาร์ด ก็หาเส้นทางที่เหมาะสมที่สุดและใช้ยานผ่านเข้าใกล้เป้าหมาย 8 ดวงที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 3 จนถึง 113 กิโลเมตร

     ขณะนี้ Englander อยู่ที่ห้องทดลองฟิสิกส์ประยุกต์(APL) ของมหาวิทยาลัยจอห์น ฮอบกินส์ ไม่ได้มีส่วนร่วมกับลูซีในช่วงนั้น เขาได้อ่านบทความเกี่ยวกับลูซีบนเวบไซท์แห่งหนึ่ง ก็บังเอิญที่ได้สร้างซอฟท์แวร์ที่เรียกว่า EMTG(Evolutionary Mission Trajectory Generator) ซึ่งขณะนี้เป็นซอฟท์แวร์โอเพ่นซอร์สให้กับทุกคนที่ต้องการใช้มัน EMTG จะผันลำดับเหตุการณ์เส้นทางการบินได้นับล้านแบบในเวลาไม่กี่ชั่วโมงแทนที่จะเป็นหลายเดือน ผมมีความรู้สึกว่ามันน่าจะเป็นประโยชน์กับ Brian และทีมถ้าผมให้เส้นทางที่ได้จาก EMTG Englander กล่าว

     เส้นทางที่ซอฟท์แวร์ Englander จำแนกให้ช่วยลดการใช้เชื้อเพลิงและขนาดของจรวดนำส่งลูซี ด้วยเหตุนี้ มันจึงช่วยประหยัดงบประมาณของปฏิบัติการในขณะที่ทำให้มันบินผ่านดาวเคราะห์น้อยได้มากดวงขึ้น ทำให้ Englander มาอยู่ในทีมและเตรียมลูซีให้พร้อมจนนาซาเลือกปฏิบัติการในปี 2017

เส้นทางบินของลูซี Trojan cycler หลังจากส่งออก ลูซีจะบินเฉียดโลกสองครั้งเพื่อจัดเรียงยานและบินออกสู่วงโคจรดาวพฤหัสฯ ห่วงเส้นทางบินวงนอกของวงนี้จะเรียงตัวพอดีกับทรอยที่ L4 หลังจากทำการสำรวจทรอย 4 ดวงใน L4 ลูซีจะบินกลับมาในระบบสุริยะส่วนในอีกครั้ง เฉียดเข้าใกล้โลกซึ่งจะปรับเส้นทางของลูซีถอยออกไป อยู่ใกล้อีกด้านและบินออกไปที่วงโคจรดาวพฤหัสฯ อีกครั้ง เมื่อไปถึง จะพบกับทรอยกลุ่ม L5 เมื่อมองจากเหนือระบบสุริยะลงมา จะเห็นเป็นวงรี วงนี้จะเกิดซ้ำๆ ทุก 6 ปีอย่างเสถียร ลูซีจะสามารถบินไปบินมาระหว่างวงโคจรดาวพฤหัสฯ กับโลกได้อย่างต่อเนื่องไปอีกล้านปี   

     ขณะนี้ ลูซีจะถูกส่งออกจากโลกไปกับจรวดแอตลาส 5 401 ในช่วงการส่งที่จะเปิดในวันที่ 16 ตุลาคม 2021 มันจะเริ่มต้นด้วยการบินผ่านโลกสองครั้งเพื่อใช้แรงโน้มถ่วงของโลกเร่งความเร็วเข้าหาทรอย ในปี 2025 ลูซีจะบินผ่าน “โดนัลด์โจฮันสัน”(Donaldjohanson) ซึ่งโคจรอยู่ในแถบดาวเคราะห์น้อยที่อยู่ระหว่างดาวอังคารและดาวพฤหัสฯ ทีมจะใช้การบินผ่านนี้เพื่อทดสอบเครื่องมือของยาน

     ในเดือนสิงหาคม 2027 ลูซีจะไปถึงทรอยกลุ่มแรกที่โคจรนำหน้าดาวพฤหัสฯ ในตำแหน่งที่มีความเสถียรทางแรงโน้มถ่วงที่เรียกว่า จุดลากรองจ์(Lagrange point) แห่งหนึ่ง ซึ่งเรียกจำเพาะว่า L4 ที่นั่น ยานจะเสียบเข้าสู่วงโคจรรอบ ยูริบาทิส(Eurybates) และดวงจันทร์บริวารของมัน คีตา(Queta) ในเดือนกันยายน 2027 ลูซีจะบินผ่าน โพลิเมเล(Polymele) และจากนั้นในเดือนเมษายน 2028 บินผ่าน ลิวคัส(Leucus) และ โอรัส(Orus) เดือนพฤศจิกายน 2028

     จากนั้น ลูซีจะเหวี่ยงกลับไปผ่านโลกเพื่อใช้แรงโน้มถ่วงช่วยเหวี่ยงตัวเป็นครั้งที่ 3 ซึ่งจะดีดมันเข้าหาทรอยที่อีกด้านของดาวพฤหัสฯ ที่ตำแหน่ง L5 ซึ่งมันจะพบกับ พาโตรคลัส และ เมนีเทียส ในปี 2033

ดาวเคราะห์น้อยในเส้นทางสำรวจของลูซี สัดส่วนเป็นไปตามจริง

งานวิทยาศาสตร์

     ดาวเคราะห์น้อยทรอยเป็นกลุ่มของเม็ดหินและน้ำแข็งที่ไม่สามารถรวมตัวกลายเป็นดาวเคราะห์เมื่อระบบสุริยะก่อตัวขึ้น พวกมันจึงเป็นหลักฐานที่ถูกเก็บรักษาอย่างดีที่สุดที่เรามีเหลือจากช่วงเวลาดังกล่าว และจึงเป็นกุญแจเพื่ออธิบายว่าระบบสุริยะมีความเป็นมาอย่างไรจนมาถึงจุดนี้

      มีทฤษฎีจำนวนหนึ่งซึ่งอธิบายว่าดาวเคราะห์, ดวงจันทร์ และวัตถุอื่นๆ ก่อตัวและมาจบที่ตำแหน่งในปัจจุบันของพวกมันได้อย่างไร ยกตัวอย่างเช่น Levison ซึ่งเป็นผู้เขียนร่วมแบบจำลองนีซ(Nice model) ซึ่งเป็นชื่อเมืองที่แบบจำลองถูกพัฒนาขึ้นในปี 2004 แบบจำลองระบบสุริยะช่วงต้นงานนี้ได้บอกว่า ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เริ่มต้นด้วยการเรียงตัวกันเป็นกลุ่มรอบๆ ดวงอาทิตย์ ต่อมา ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับดิสก์ของวัตถุขนาดเล็ก และท่ามกลางพวกมันกันเองก็เป็นสาเหตุให้ดาวเคราะห์ที่กำลังเจริญเติบโตขยับออกห่างจากกัน เนปจูน, ยูเรนัส และดาวเสาร์ กระจายออกไปไกลจากดวงอาทิตย์มากขึ้น ในขณะที่ดาวพฤหัสฯ ขยับเข้ามาเล็กน้อย

Nice model

     ในทฤษฎีนี้ การสลับตำแหน่งทำให้เกิดการรบกวนที่วุ่นวาย กระจายวัตถุมากมายออกนอกระบบสุริยะ และดึงบางส่วนเข้ามาและดักพวกมันไว้ที่จุดลากรองจ์ นี่เป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้ข้อหนึ่งว่าทรอยของดาวพฤหัสฯ เป็นมาอย่างไร เมื่อเปรียบเทียบองค์ประกอบของทรอยดาวพฤหัสฯ จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้เผยความเป็นมาของพวกมัน จากโลก ทรอยดูจะมีองค์ประกอบแตกต่างจากกันและกัน นั้นเป็นเพราะแต่ละดวงมาจากส่วนในระบบสุริยะที่แตกต่างกัน และจึงมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันใช่หรือไม่ หรือว่าทรอยมีองค์ประกอบที่เหมือนกัน เพียงแค่มองเห็นบนพื้นผิวที่แตกต่างกันเท่านั้น ซึ่งอาจจะได้รับผลจากระดับการร้อนขึ้น, การรับรังสี และการชนที่แตกต่างกัน ในระหว่างที่เดินทางมาจนถึงจุดลากรังจ์ปัจจุบันของพวกมัน

     นักวิทยาศาสตร์จะพยายามตอบคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ ด้วยลูซี โดยใช้เครื่องมืออย่าง L’Ralph ซึ่งมีพื้นฐานจากเครื่องมือคล้ายๆ กันที่ Olkin นำทีมกับปฏิบัติการนิวฮอไรซันส์(New Horizons) L’Ralph จะตรวจสอบองค์ประกอบเคมีของทุกซอกทุกมุมบนพื้นผิวดาเคราะห์น้อยจากระยะห่างประมาณ 1000 กิโลเมตรโดยเฉลี่ย พื้นหลุมอุกกาบาตลึกหรือกำแพงหลุม อาจจะช่วยให้เข้าถึงภายในของดาวเคราะห์น้อย ซึ่งจะเป็นวัสดุสารที่อายุน้อยกว่า(ในระดับหลายล้านปีเมื่อเทียบกับระดับหลายพันล้านปีของพื้นผิวที่เก่าแก่ที่สุด) พื้นผิวที่เปิดมาออก “ใหม่” เหล่านั้นไม่น่าจะอาบรังสีและการชนของอุกกาบาตจิ๋วมากนัก จึงน่าจะรักษาองค์ประกอบดั่งเดิมของดาวเคราะห์น้อยบางส่วนไว้ได้

     ด้วยการใช้ L’Lorri ของลูซี ซึ่งเป็นกล้องถ่ายภาพขาวดำ นักวิทยาศาสตร์จะนับจำนวนหลุมอุกกาบาตบนพื้นผิว ซึ่งจะให้เงื่อนงำเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่ดาวเคราะห์น้อยต้องเผชิญเมื่อหลายพันล้านปีก่อน หลุมขนาดใหญ๋จำนวนมากน่าจะบ่งชี้ว่าดาวเคราะห์น้อยก่อตัวขึ้นในพื้นที่ที่ปั่นป่วนและอบอุ่นใกล้กับดวงอาทิตย์มากกว่า ในขณะที่หลุมจำนวนน้อยน่าจะบอกว่าทรอยนี้ก่อตัวขึ้นในพื้นที่ที่ค่อนข้างสงบและเย็นที่ชายขอบของระบบสุริยะ การระบุว่าดาวเคราะห์น้อยเหล่านี้ก่อตัวขึ้นบริเวณใดในดิสก์ฝุ่นก๊าซที่ให้กำเนิดระบบสุริยะ จะเพิ่มหลักฐานอีกแนว ซึ่งจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ทดสอบทฤษฎีการก่อตัวดาวเคราะห์ นี่น่าจะเป็นเรื่องราวที่ผมอยากจะเห็นการคลายปมเรื่องออกมาในทศวรรษหน้า Levison กล่าว

แผงเซลส์สุริยะขนาดใหญ่หนึ่งในสองแผงของลูซี ซึ่งมีลักษณะเป็นวงกลมเส้นผ่าศูนย์กลางราว 7 เมตร

    ลูซีจะเป็นยานอวกาศพลังงานสุริยะที่บินออกไปไกลจากดวงอาทิตย์มากที่สุด ทำลายสถิติก่อนหน้านี้ของยานจูโน(Juno) ที่โคจรรอบดาวพฤหัสฯ ในขณะที่ปฏิบัติการอื่นๆ ของนาซาที่บินเข้าไปในอาณาเขตของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อย่าง กาลิเลโอ(Galileo) สำรวจดาวพฤหัสฯ และคาสสินี(Cassini) ที่ศึกษาดาวเสาร์ ต่างก็พึ่งพาพลังงานนิวเคลียร์

แหล่งข่าว phys.org – NASA’s Lucy mission : a journey to the young solar system
                space.com - NASA’s Lucy probe will visit 8 asteroids in 12 years. Here’s how it will work.