วงโคจรบนขอบเหวของพลูโต

 

     แบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์อันใหม่ได้แสดงว่า พลูโตนั้นโชคดีที่อยู่ในวงโคจรเช่นนี้ ซึ่งอยู่ใกล้เคียงกับวงโคจรอันวุ่นวายที่อาจจะทำลายพิภพแห่งหัวใจแห่งนี้ได้

    อดีตดาวเคราะห์ดวงที่เก้าซึ่งปัจจุบันกลายเป็นดาวเคราะห์แคระ มีวงโคจรที่ไม่ปกติซึ่งรีมากและเอียง 17 องศาเมื่อเทียบกับวงโคจรของดาวเคราะห์อื่นๆ ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ที่นาน 248 ปีของพลูโต จะมี 20 ปีที่พลูโตขยับเข้ามาภายในวงโคจรของเนปจูน แต่พวกมันไม่เคยชนกันอันเป็นผลจากคุณสมบัติวงโคจรพลูโต 2 ประการคือ azimuthal libration และ latitude libration

      การแกว่งอะซิมุธ อธิบายว่า เมื่อใดก็ตาม ที่พลูโตข้ามวงโคจรเนปจูนเข้าไป มันจะอยู่ห่างจากเนปจูนอย่างน้อย 90 องศาเสมอ ในขณะเดียวกัน การแกว่งแนวสูง เพื่อให้แน่ใจว่าเมื่อพลูโตเข้าใกล้เนปจูนหรือดาวเคราะห์ยักษ์อื่นๆ มากที่สุด มันจะอยู่สูงเหนือระนาบระบบสุริยะเสมอ เมื่อรวมกัน ปัจจัยทั้งสองเหล่านี้รักษาให้พลูโตพ้นจากความยุ่งยาก หมายเหตุ azimuthal libration เรียกอีกอย่างว่า v ZLK oscillation ซึ่งย่อมาจาก von Zeipel, Lidov และ Kozai ซึ่งศึกษาปรากฏการณ์ประหลาดนี้อันเป็นส่วนหนึ่งของ three-body problem

     ขณะนี้ Renu Malhotra นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่ห้องทดลองดวงจันทร์และดาวเคราะห์ มหาวิทยาลัยอริโซนา และ Takashi Ito จากหอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์แห่งชาติญี่ปุ่น ได้พัฒนาความเข้าใจว่าเพราะเหตุใดพลูโตจึงอยู่รอดในวงโคจรที่พิเศษนี้ได้ ให้มากขึ้น ในแบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์ พวกเขาพบว่าเนปจูนมีอิทธิพลสูงสุดต่อ azimuthal libration ซึ่งเป็นผลจากกำทอน 3:2 ของดาวเคราะห์ทั้งสอง ซึ่งกำกับว่าในทุกๆ 3 รอบที่เนปจูนโคจรไปรอบดวงอาทิตย์ พลูโตจะโคจรรอบดวงอาทิตย์ครบ 2 รอบพอดี อย่างไรก็ตาม แบบจำลองบอกว่าเนปจูนไม่ได้มีอิทธิพลมากที่สุดในแง่การ altitude libration

วงโคจรของพลูโตเอียง 17 องศาเมื่อเทียบกับระนาบระบบสุริยะ และมีความรี จนทำให้บางช่วงของวงโคจร พลูโตอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าเนปจูน

     เมื่อรวมแรงโน้มถ่วงจากยูเรนัสเข้าไปด้วย ทุกอย่างจะเริ่มแย่ลง ยูเรนัสทำหน้าที่ทำลายสมดุลทั้ง azimuthal และ latitude ถ้าวงโคจรพลูโตเป็นผลที่ตามมาจากผลจากดาวเคราะห์เพียงสองดวงนี้ มันก็น่าจะไม่เสถียรภายในเวลาเพียงหลายสิบถึงหลายร้อยล้านปีเท่านั้น เป็นผลให้พลูโต ถ้าไม่ชนกับเนปจูน หรือถูกดีดออกจากระบบสุริยะไปโดยสิ้นเชิง(มีโอกาสมากกว่า)

     แต่เป็นเพราะดาวพฤหัสฯ และตามมาด้วยดาวเสาร์ ที่มาช่วยพลูโตไว้ แม้ว่าจะอยู่ไกลจากพลูโตมากกว่าเนปจูนและยูเรนัส แต่แรงโน้มถ่วงของพวกมันก็รุนแรงมากจนเอาชนะได้ ลำพังแต่ดาวพฤหัสฯ ก็มีอิทธิพลแรงโน้มถ่วงเพียงพอที่จะรักษาวงโคจรพลูโตให้เสถียรไปได้อย่างน้อย 5 พันล้านปี(ช่วงเวลาที่แบบจำลองเสมือนจริงเดินเครื่องไป)

     สิ่งที่น่าสนใจเกี่ยวกับงานวิจัยใหม่ก็คือ เขตเสถียรภาพของพลูโตนี้แคบแค่ไหน และดาวเคราะห์แคระก็เสียบเข้าไปได้อย่างไร ต้องขอบคุณการเรียงตัวโดยบังเอิญของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรา การค้นพบยังส่งผลต่อวัตถุที่มีวงโคจรคล้ายๆ กับพลูโตด้วย ซึ่งก็อยู่ในกำทอน 3:2 กับเนปจูน เนื่องจากวงโคจรของประชากรวัตถุขนาดเล็กจำนวนมากมายในแถบไคเปอร์(Kuiper Belt) ที่อยู่เลยเนปจูนออกไป ยังเก็บรักษาความทรงจำว่าพวกมันถูกผลักไปทั่วจากการอพยพของดาวเคราะห์ยักษ์ในช่วงต้นของระบบสุริยะ อย่างไร พวกมันจึงให้หน้าต่างอันเป็นอัตลักษณ์สู่ความเป็นมาของระบบสุริยะ

แถบไคเปอร์ เป็นแถบวัตถุน้ำแข็งที่อยู่เลยวงโคจรเนปจูนออกไป โดยมีพลูโตเป็นสมาชิกที่มีขนาดใหญ่ที่สุด ในขณะที่เมฆออร์ต(Oort cloud) เป็นทรงกลมของวัตถุที่อยู่ไกลออกไปอีก โดยอาจมีขอบนอกแผ่ออกไปถึงครึ่งระยะทางสู่ระบบดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุด Alpha Centauri

     ด้วยการศึกษาต่อๆ ไป Malhotra เชื่อว่านักดาราศาสตร์จะได้เรียนรู้เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับประวัติการอพยพของดาวเคราะห์ยักษ์ และบอกได้ว่าสุดท้ายพวกมันมาอยู่ในวงโคจรปัจจุบันที่เป็นได้อย่างไร มันอาจจะนำไปสู่การค้นพบกลไกพลวัตที่จะอธิบายกำเนิดวงโคจรของพลูโตและวัตถุอื่นๆ ที่มีความเอียงสูง

     วงโคจรของพวกมันอาจจะซ่อนหลักฐานการมีอยู่ของดาวเคราะห์ที่สาบสูญซึ่งถูกผลักออกจากระบบสุริยะเมื่อหลายพันล้านปีก่อน Malhotra และ Ito กล่าว ผลสรุปเผยแพร่ใน Proceedings of the National Academy of Sciences วันที่ 31 มีนาคม

 

แหล่งข่าว space.com : how Pluto walks a tightrope between a stable and chaotic orbit
                sciencealert.com : researchers think they’ve cracked the secret behind Pluto’s weirdly unstable orbit

ระบบจตุดาราที่น่าจะสร้างซุปเปอร์โนวาพิเศษ

 

ภาพจากศิลปินแสดงระบบพหุดารา HD 74438

     ระบบพหุดารา(multiple system) พบได้ทั่วไปในทางช้างเผือก ในขณะที่ระบบเหล่านี้เกือบทั้งหมดเป็นระบบดาวคู่(binary system) ซึ่งประกอบด้วยดาวฤกษ์สองดวง นอกจากนั้นก็เป็นระบบที่มีดาวฤกษ์สาม, สี่ หรือกระทั่งหกดวง

     ระบบเหล่านี้ดูจะค่อนข้างเสถียรเมื่อระบบที่ไม่เสถียรจะแตกออกหรือควบรวมกันค่อนข้างเร็ว แต่บางครั้งคุณก็จะได้ระบบที่กึ่งเสถียร เป็นระบบที่เมื่อนานไปดาวจะพัฒนาในขณะที่ก็ยังเสถียรอยู่จนวาระสุดท้าย และวาระสุดท้ายนั้นก็อาจจะเป็นซุปเปอร์โนวา ทั้งหมดเกิดขึ้นเพราะพลวัตแรงโน้มถ่วง ในฟิสิกส์ของนิวตัน มวลสองก้อนที่โคจรรอบกันและกันอย่างโดดเดี่ยวมักจะเสถียร หนทางเดียวที่เป็นก็คือวงโคจรรี นี่เป็นเหตุผลว่าเพราะเหตุใดระบบคู่จึงเป็นระบบพหุดาราชนิดที่พบได้ทั่วไปที่สุด

     แต่เมื่อคุณมีมวลสามก้อนหรือมากกว่านั้น ทุกสิ่งจะซับซ้อนมากขึ้น ซับซ้อนมากจนไม่มีคำตอบที่แน่นอนสำหรับปัญหาสามวัตถุ(three-body problem) มิต้องเอ่ยถึงสี่หรือมากกว่านั้นอีก แต่โชคดีที่เราสามารถทำแบบจำลองการโคจรความเที่ยงตรงสูงได้ ดังนั้นในขณะที่เรายังไม่มีคำตอบที่แน่ชัดสำหรับพหุดารา แต่ถ้าเราทำการตรวจสอบการเคลื่อนที่ของดาวได้อย่างแม่นยำ เราก็สามารถสร้างแบบจำลองที่เที่ยงตรงได้

     แบบจำลองเหล่านี้ยังเที่ยงตรงมากจนพวกมันสามารถทำนายหลายล้านปีล่วงหน้าได้ นี่นำเราไปสู่ระบบดาวที่น่าสนใจ HD 74438 มันถูกพบในปี 2017 โดยการสำรวจ Gaia-ESO และก็เป็นสิ่งที่ถูกเรียกว่า คู่ของระบบดาวคู่สเปคตรัม(spectroscopic double binary) นี่หมายความว่า กล้องโทรทรรศน์ของไกอาไม่ได้มีพลังมากพอที่จะสำรวจดาวทีละดวง แต่เราทราบว่าพวกมันอยู่ตรงนั้นก็จากสเปคตรัมของพวกมัน เมื่อดาวฤกษ์โคจรรอบกันและกัน สเปคตรัมของดาวแต่ละดวงจะเกิดการเลื่อนดอปเปลอร์(Doppler shift) ไปเล็กน้อยเนื่องจากการเคลื่อนที่เปรียบเทียบ ดังนั้นเราจึงสามารถคำนวณการเคลื่อนที่และความเร็วของพวกมันได้

     ในบทความล่าสุดใน Nature Astronomy ทีมใช้การสำรวจสเปคตรัม HD 74438 จากภาคพื้นดินเพื่อระบุวงโคจรของดาวทั้งสี่ดวง พวกเขายืนยันว่าดาวอยู่ในการเรียงตัวแบบ 2+2 ซึ่งดาวจับคู่กันในวงโคจรประชิด ซึ่งจะค่อยๆ โคจรไปรอบกันและกัน คู่หนึ่งโคจรรอบกันและกันใช้เวลา 20 วัน ส่วนอีกคู่ใช้เวลา 4 วัน แต่การตรวจสอบก็แม่นยำพอที่จะแสดงว่าแรงโน้มถ่วงของระบบคู่วงนอก กำลังทำให้ระบบคู่วงในไม่เสถียรโดยทำให้มันรีมากขึ้น  

     HD 74438 ยังมีอายุน้อยมากๆ มันเป็นส่วนหนึ่งของกระจุกดาวเปิด(open cluster) IC 2391 ซึ่งมีอายุเพียง 43 ล้านปีเท่านั้น ดาวทั้งหมดมีมวลพอๆ กับดวงอาทิตย์ของเรา ดังนั้นพวกมันจึงมีช่วงชีวิตที่ใกล้เคียงกัน ถ้าให้เวลามากพอ ดาวก็น่าจะจบชีวิตโดยเป็นดาวแคระขาว และเนื่องจากความไร้เสถียรภาพแรงโน้มถ่วงของระบบนี้มีน้อย ดาวจึงน่าจะอยู่ได้นานพอที่จะกลายเป็นดาวแคระขาว แต่วงโคจรของพวกมันก็น่าจะยังไม่เสถียร แต่อาจจะทำให้พวกมันชนกันในที่สุด

ซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Typer Ia supernovae) จากดาวแคระขาวสองดวงควบรวมกัน 

      นั้นเป็นสิ่งที่น่าสนใจไม่น้อยเนื่องจาก HD 74438 เป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมว่าระบบพหุดาราจะสามารถพัฒนาจนสร้างการควบรวมของดาวแคระขาวได้อย่างไร การควบรวมของดาวแคระขาวเป็นหนทางหนึ่งที่จะเกิดซุปเปอร์โนวาชนิดหนึ่งเอ(Type Ia supernovae) ได้ ซุปเปอร์โนวาเหล่านี้แสดงบทบาทสำคัญในการตรวจสอบการขยายตัวของเอกภพ ระบบพหุดาราอย่าง HD 74438 ก็น่าจะเป็นแหล่งหลักของซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ

     ซุปเปอร์โนวาหนึ่งเอ ดูจะระเบิดด้วยกำลังสว่าง(luminosity) ที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งทำให้มันเป็นเทียนมาตรฐาน(standard candle) สำหรับตรวจสอบระยะทางที่ดีเยี่ยม เมื่อทราบความสว่างของวัตถุที่เห็นไกลออกไป ถ้าคุณทราบกำลังสว่างที่แท้จริงของเหตุการณ์ และเปรียบเทียบกับความสว่างที่ตรวจสอบได้จากโลก ก็จะบอกได้ว่าเหตุการณ์เกิดขึ้นไกลออกไปแค่ไหน

     ในขณะที่คู่ระบบดาวคู่จะพบได้เพียงส่วนน้อยในระบบพหุดารา แต่การศึกษานี้ก็แสดงว่าบางครั้งพวกมันก็อยู่ในความสัมพันธ์ระยะยาวที่ไม่เสถียร งานวิจัยเผยแพร่ใน Nature Astronomy

แหล่งข่าว sciencealert.com : this unstable double binary star system could implode into type Ia supernova
                iflscience.com : fascinating quadruple star system might be pathway to rare supernova

ปลูกพืชในดินฝุ่นดวงจันทร์สำเร็จเป็นครั้งแรก

 

นักบินอวกาศอพอลโล 17 Harrison Schmitt เก็บตัวอย่างจากดวงจันทร์ในระหว่างปฏิบัติการภารกิจเดือนธันวาคม 1972 ชุดของเขาก็เปื้อนดินฝุ่นดวงจันทร์ด้วย image credit: NASA 

   ในช่วงต้นๆ ของยุคอวกาศ นักบินอวกาศอพอลโลมีส่วนร่วมในการวางแผนระยะยาว เมื่อนำตัวอย่างวัสดุสารดินฝุ่นบนพื้นผิวดวงจันทร์ที่เรียกว่า รีโกไลธ์(regolith) กลับมาที่โลก ซึ่งจะถูกศึกษาด้วยเครื่องมือที่ละเอียดอ่อนและเก็บรักษาไว้ในงานวิจัยในอนาคตที่ไม่เคยจินตนาการถึง และในอีกห้าสิบปีต่อมา ในช่วงอรุณรุ่งแห่งยุคอาร์เทมิส(Artemis) และนักบินอวกาศที่จะกลับไปดวงจันทร์อีกครั้ง มีการใช้ตัวอย่างรีโกไลธ์จากอพอลโล่ 3 ตัวอย่างเพื่อปลูกพืช เป็นครั้งแรกที่นักวิจัยประสบความสำเร็จในการปลูกพืชชนิดที่ทนทานและถูกศึกษาเป็นอย่างดี เธลเครส(thale cress; Arabidopsis thaliana) ในรีโกไลธ์ดวงจันทร์ที่ขาดแคลนสารอาหาร

     งานวิจัยนี้มีความจำเป็นอย่างยิ่งยวดต่อเป้าหมายการสำรวจโดยมนุษย์ในระยะยาวของนาซา เมื่อเราต้องใช้ทรัพยากรที่พบบนดวงจันทร์และดาวอังคารเพื่อสร้างแหล่งอาหารสำหรับนักบินอวกาศในอนาคตได้อยู่อาศัยและทำงานในอวกาศห้วงลึก Bill Nelson ผู้บริหารนาซา กล่าว งานวิจัยการเจริญพืชพื้นฐานนี้ยังเป็นตัวอย่างสำคัญว่านาซากำลังทำอะไรเพื่อสร้างนวัตกรรมทางการเกษตร ซึ่งอาจจะช่วยเราให้เข้าใจว่าพืชพันธุ์อาจจะเอาชนะสภาวะที่แล้งแค้นในพื้นที่ที่ขาดแคลนอาหารบนโลกได้อย่างไร

     นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา ได้ทำการค้นพบครั้งประวัติศาสตร์ ซึ่งใช้ความพยายามหลายสิบปีในการสร้างซึ่งทั้งช่วยเหลือการสำรวจอวกาศและเป็นประโยชน์ต่อมวลมนุษยชาติ Robert Ferl ศาสตราจารย์ที่แผนกวิทยาศาสตร์พืชสวน มหาวิทยาลัยฟลอริดา เกนส์วิลล์ และผู้เขียนรายงานที่เผยแพร่ในวารสาร Communications Biology วันที่ 12 พฤษภาคม กล่าวว่า ตอนนี้ในอีก 50 ปีต่อมา ก็เป็นการเสร็จสิ้นการทดลองที่เริ่มต้นมาตั้งแต่แล๊ปอพอลโล ตอนแรกเราตั้งคำถามว่าพืชจะสามารถเจริญในรีโกไลธ์ได้หรือไม่ และอย่างที่สอง แล้ววันหนึ่งมันจะช่วยมนุษยชาติให้อยู่ในยาวนานบนดวงจันทร์ ได้อย่างไร

Rob Ferl(ซ้าย) และ Anna-Lisa Paul จ้องแผ่นที่มีดินดวงจันทร์ส่วนหนึ่ง กับดินชุดควบคุมอีกส่วนหนึ่ง ซึ่งอยู่ใต้แสงแอลอีดี ในเวลานั้น นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ทราบว่าเมล็ดพันธุ์จะเจริญในดินดวงจันทร์หรือไม่ 

     ปริมาณรีโกไลธ์ดวงจันทร์ที่นำกลับมาโลกนั้นมีค่อนข้างน้อย Ferl และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา ใช้ความพยายามสามครั้งตลอด 11 ปี และสุดท้ายก็ได้ขอยืมรีโกไลธ์ดวงจันทร์มา 12 กรัม

     คำตอบสำหรับคำถามแรกก็คือใช่ พืชสามารถเจริญได้ในรีโกไลธ์ดวงจันทร์ มันไม่ได้เจริญงอกงามเหมือนกับพืชเจริญในดินบนโลก หรือแม้กระทั่งเท่ากับการเจริญในดินดวงจันทร์จำลองที่ทำมาจากเถ้าภูเขาไฟ แต่พวกมันก็เจริญเติบโตจริงๆ และด้วยการศึกษาว่าพืชตอบสนองในตัวอย่างดินดวงจันทร์อย่างไร ทีมก็หวังว่าจะเดินทางไปถึงคำตอบของคำถามที่สองได้เช่นกัน โดยการแผ้วถางหนทางให้กับนักบินอวกาศในอนาคต เพื่อที่วันหนึ่งข้างหน้าจะสามารถปลูกพืชที่อุดมด้วยสารอาหารมากกว่านี้บนดวงจันทร์ และมีชีวิตรอดในห้วงอวกาศได้

     เพื่อที่จะสำรวจให้ไกลขึ้นและเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับระบบสุริยะที่เราอาศัยอยู่ เราต้องใช้ประโยชน์จากสิ่งที่มีบนดวงจันทร์ เพื่อที่เราจะได้ไม่ต้องขนทั้งหมดไปกับเราด้วย Jacob Bleacher หัวหน้านักวิทยาศาสตร์สำรวจที่สนับสนุนโครงการอาร์ทีมิสของนาซา ที่สำนักงานใหญ่นาซา ในวอชิงตัน กล่าว เขาชี้ว่านี่ยังเป็นเหตุผลที่นาซากำลังส่งปฏิบัติการหุ่นยนต์ไปที่ขั้วใต้ของดวงจันทร์ ซึ่งเชื่อว่าอาจจะมีน้ำที่นักบินอวกาศในอนาคตจะสามารถใช้ได้ ยิ่งกว่านั้น การปลูกพืชก็เป็นสิ่งที่เราจะศึกษาเมื่อเราเดินทาง ดังนั้น การศึกษาเหล่านี้บนพื้นโลกจะปูเส้นทางเพื่อขยายงานวิจัยจากมนุษย์บนดวงจันทร์คนถัดไป

Arabidopsis thaliana

     Arabidopsis thaliana ซึ่งเป็นพืชท้องถิ่นที่พบบนทวีปยูเรเชียและอาฟริกานั้นเป็นญาติกับผักกาดเขียวปลี(mustard green) และพืชตระกูลกะหล่ำ(cruciferous vegetables) อย่าง บรอคโคลี, กะหล่ำดอก และกะหล่ำดาว(Brussels sprouts) มันยังมีบทบาทสำคัญสำหรับนักวิทยาศาสตร์ อันเนื่องมาจากขนาดที่เล็กและโตง่าย จึงเป็นพืชชนิดหนึ่งที่ถูกศึกษามากที่สุดบนโลก ใช้เป็นตัวอย่างสิ่งมีชีวิตสำหรับงานวิจัยในทุกแขนงของพฤกษศาสตร์ ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงทราบดีว่าจีนส์ของมันมีสภาพอย่างไร, มันมีพฤติกรรมอย่างไรในสถานการณ์ต่างๆ แม้แต่กระทั่งมันเจริญเติบโตในอวกาศอย่างไร

     เพื่อที่จะปลูกเธลเครส ทีมใช้ตัวอย่างที่รวบรวมจากปฏิบัติการอพอลโล 11, 12 และ 17 โดยใช้รีโกไลธ์เพียงหนึ่งกรัมต่อพืช 1 ต้น ทีมเติมน้ำและจากนั้นก็เพาะเมล็ดพันธุ์ในตัวอย่าง จากนั้น ทีมก็เอาถาดไว้ในกล่องในห้องปลอดเชื้อ แล้วเติมสารอาหารให้ทุกวัน หลังจากนั้นสองวัน พวกมันก็เริ่มงอก Anna-Lisa Paul ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์พืชสวนที่มหาวิทยาลัยฟลอริดา และเป็นผู้เขียนคนแรกในรายงาน กล่าว ทุกอย่างงอก ฉันบอกไม่ได้เลยว่าทึ่งแค่ไหน พืชทุกต้น ไม่ว่าจะอยู่ในตัวอย่างจากดวงจันทร์ หรือในชุดควบคุม ดูเหมือนกันหมดจนกระทั่งวันที่หก

     อย่างไรก็ตาม หลังจากวันที่หก ก็ชัดเจนว่าพืชไม่ได้เจริญงอกงามเหมือนกับพืชกลุ่มควบคุมที่ปลูกในดินภูเขาไฟ และพืชก็เจริญแตกต่างกันขึ้นอยู่กับว่าตัวอย่างที่ใช้ปลูกเป็นอะไร พืชจะเจริญช้ากว่าและมีรากสั้นๆ นอกจากนี้ บางส่วนก็มีใบเหลือง(stunted leaves) และสังเกตเห็นรงควัตถุสีแดง เธลเครสที่ปลูกในรีโกไลธ์เกือบทั้งหมดมีลักษณะแกร็น

Anna-Lisa Paul พยายามใช้ปิเปตให้ความชุ่มชื้นกับดินดวงจันทร์ นักวิทยาศาสตร์คิดว่าดินผลักน้ำ(hydrophobic) ทำให้น้ำเกาะเป็นหยดบนพื้นผิว จึงต้องคนดินกับน้ำ เพื่อทำให้สภาพการผลักน้ำ และให้ดินชุ่มชื้นโดยทั่วถึง เมื่อดินชุ่มแล้วก็จะใช้การเคลื่อนที่ของของเหลวในท่อขนาดเล็กจิ๋ว(capillary action) เพื่อให้น้ำเพื่อปลูกพืชต่อไป 

    หลังจากผ่านไป 20 วันก่อนที่เธลเครสจะเริ่มออกดอก ทีมก็ตัดมัน แล้วบด และศึกษาอาร์เอ็นเอ ในระบบทางชีววิทยา มีการถอดรหัสจีนส์ในหลายขั้นตอน อย่างแรก จีนส์หรือดีเอ็นเอ จะถอดรหัสเป็นอาร์เอ็นเอ จากนั้น อาร์เอ็นเอก็จะถูกแปลออกมาเป็นลำดับของโปรตีน โปรตีนเหล่านี้มีส่วนร่วมในกระบวนการทางชีววิทยามากมายในสิ่งมีชีวิตที่ยังมีชีวิตอยู่ การลำดับอาร์เอ็นเอเผยให้เห็นรูปแบบของจีนส์ที่แสดงออก ซึ่งแสดงว่าพืชอยู่ในสภาพเครียด และปฏิสัมพันธ์ในแบบที่นักวิจัยเคยเห็นเธลเครสเจริญในสภาพแวดล้อมที่ทารุณอื่นๆ เช่น เมื่อดินมีเกลือหรือโลหะหนักมากเกินไป

     นอกจากนี้ เธลเครสยังแสดงออกแตกต่างไปขึ้นอยู่กับว่าตัวอย่างที่ใช้ ซึ่งแต่ละตัวอย่างเก็บจากพื้นที่ที่ต่างกันบนดวงจันทร์ เธลเครสที่ปลูกในตัวอย่างจากอพอลโล 11 ไม่ได้เจริญดีเหมือนกับอีกสองชุด กระทั่งมีหลุมหนึ่งที่ตายในที่สุด แต่อย่างไรซะ เธลเครสก็ยังโตได้

     นักวิจัยคิดว่ายิ่งดินดวงจันทร์ต้องอาบรังสีในอวกาศและลมสุริยะบนดวงจันทร์นานแค่ไหน พืชก็ยิ่งโตไม่ดีขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างของอพอลโล 11 ซึ่งเก็บจากพื้นผิวของ Sea of Transquility ซึ่งมีความเก่าแก่กว่าหลายพันล้านปี พืชก็ยิ่งเจริญไม่ดีที่สุด รีโกไลธ์ดวงจันทร์นั้นเต็มไปด้วยชิ้นส่วนแก้วขนาดจิ๋วจากการชนของอุกกาบาตจิ๋ว(micrometeorite) ที่ปรากฏอยู่ทั่วทุกพื้นที่ลงจอดของอพอลโล และยังเปื้อนบนชุดอวกาศของนักบินที่ออกไปย่ำดวงจันทร์ด้วย 

ต้น Arabidopsis หกวันหลังจากที่เพาะเมล็ด สี่หลุมแรกทางซ้ายเป็นต้นที่เจริญในดินดวงจันทร์จำลอง JSC-1A อีกสามหลุมทางขวาเป็นต้นที่โตในดินดวงจันทร์ที่รวบรวมในปฏิบัติการอพอลโล 11, 12 และ 17 

     งานวิจัยนี้จึงเปิดประตูบานใหม่ไม่เพียงแต่สู่อนาคตที่วันหนึ่งจะปลูกพืชในที่อาศัยบนดวงจันทร์ แต่ยังมีคำถามเพิ่มเติมอีกมากมายตามมา ความเข้าใจว่าจีนส์ในพืชอันใดที่ต้องปรับเพื่อให้เจริญในรีโกไลธ์จะช่วยเราให้เข้าใจธรรมชาติที่เคร่งเครียดของดินดวงจันทร์ได้หรือไม่? วัสดุสารจากพื้นที่ต่างกันบนดวงจันทร์จะเหมาะแก่การปลูกพืชมากกว่าพื้นที่อื่นจริงหรือไม่? แล้วการศึกษารีโกไลธ์ดวงจันทร์ช่วยเราให้เข้าใจเกี่ยวกับรีโกไลธ์ดาวอังคารได้หรือไม่ จะอาจจะช่วยปลูกพืชในวัสดุสารเหล่านั้นได้ดีหรือ คำถามทั้งหมดเหล่านี้ที่ทีมหวังจะศึกษาต่อไป เพื่อที่จะสนับสนุนนักบินอวกาศในอนาคตที่จะเดินทางไปดวงจันทร์

     ไม่เพียงแต่เป็นเรื่องน่ายินดีที่มีพืชพันธุ์อยู่รอบๆ เรา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราเดินทางไปยังเป้าหมายใหม่ๆ ในอวกาศ แต่พวกมันยังเป็นแหล่งอาหารที่สำคัญและช่วยในการสำรวจของมนุษยชาติในอนาคต Sharmila Bhattacharya นักวิทยาศาสตร์โครงการ ที่แผนกวิทยาศาสตร์ทางชีววิทยาและกายภาพ(BPS) ของนาซา กล่าว พืชพันธุ์เป็นสิ่งที่ช่วยให้เราเป็นนักสำรวจได้ ความจริงที่ว่าไม่ว่าตรงไหนพืชก็โตหมายความว่าเรามีจุดเริ่มต้นที่ดี และขณะนี้คำถามก็คือเราจะปรับแต่งให้เหมาะสมอย่างไร

พืชที่ปลูกในดินดวงจันทร์สามชุด และดินดวงจันทร์จำลองอีกหนึ่งชุด

     งานวิจัยนี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ ANGSA(Apollo Next Generation Sample Analysis) ซึ่งเป็นความพยายามที่จะศึกษาตัวอย่างที่อพอลโลนำกลับมาโลก เพื่อเตรียมให้กับปฏิบัติการอาร์ทีมิสที่จะไปขั้วใต้ดวงจันทร์

แหล่งข่าว scitechdaily.com : for the first time ever, scientists grow plants in lunar soil
                phys.org : scientists grow plants in lunar dirt, next stop moon
                sciencealert.com : for the first time, scientists have grown plants in Moon dirt. It didn’t go great     

ความไร้เสถียรภาพในระบบสุริยะช่วงต้น

 

ดาวฤกษ์ทั้งหมดรวมทั้งดวงอาทิตย์ของเราด้วย ก่อตัวขึ้นจากเมฆฝุ่นและก๊าซ เมฆนี้ยังสร้างดาวเคราะห์ที่จะโคจรรอบดาวฤกษ์ด้วย

     นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอทฤษฎีใหม่ซึ่งอาจจะช่วยไขปริศนาใหญ่ว่าระบบสุริยะของเราพัฒนาอย่างไร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์เช่น ดาวพฤหัสฯ, ดาวเสาร์, ยูเรนัส และเนปจูน ไปอยู่ในที่ๆ พวกมันโคจรรอบดวงอาทิตย์ในตอนนี้ได้อย่างไร งานวิจัยยังบอกเป็นนัยว่าดาวเคราะห์หินอย่างโลกก่อตัวได้อย่างไร และความเป็นไปได้ที่จะมีดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ดวงที่ห้าอยู่ห่างออกไป 8 หมื่นล้านกิโลเมตรด้วย

     ระบบสุริยะของเราไม่ได้ดูเหมือนที่เป็นในตอนนี้เสมอไป ตลอดความเป็นมาของมัน วงโคจรดาวเคราะห์เปลี่ยนแปลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป Seth Jacobson ผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ แผนกโลกและวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยมิชิกันสเตท กล่าว แต่เราก็สามารถบอกได้ว่าเคยเกิดอะไรขึ้นบ้าง งานวิจัยซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Nature วันที่ 27 เมษายน โดย Jacobson และเพื่อนร่วมงานจากจีนและฝรั่งเศส ได้ให้คำอธิบายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นกับก๊าซยักษ์ในระบบสุริยะอื่นๆ และของเราด้วย

     ดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้นจากเมฆก๊าซและฝุ่นก้อนยักษ์ที่หมุนวน เมื่อดวงอาทิตย์จุดประกายการหลอมนิวเคลียร์ ระบบสุริยะในช่วงต้นก็ยังคงเต็มไปด้วยดิสก์ก๊าซ ซึ่งจะแสดงบทบาทในการก่อตัวและวิวัฒนาการดาวเคราะห์ซึ่งรวมถึงดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ด้วย ในช่วงปลายทศวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์เริ่มเชื่อว่าดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์จะเริ่มต้นในวงโคจรที่กะทัดรัด, เป็นระเบียบและมีระยะห่างที่เท่าๆ กัน อย่างไรก็ตาม ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ก็ไปอยู่ในวงโคจรที่รี, ยึกยัก และกระจายกันไกล ดังนั้น คำถามสำหรับนักวิจัยจึงเป็นว่า เพราะเหตุใด

Nice model อธิบายการก่อตัวของระบบสุริยะ โดยบอกว่าดาวเคราะห์ยักษ์ก่อตัวขึ้นก่อน ด้วยระยะห่างเท่าๆ กัน และอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่าในปัจจุบัน ปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง ระหว่างดาวพฤหัสกับดิสก์ก่อตัวดาวเคราะห์ ทำให้มันขยับเข้ามาใกล้ แล้วก็ถอยออกไปไกลกว่าเดิม

     ในปี 2005 ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติได้เสนอคำตอบให้กับคำถามเป็นรายงานสามฉบับใน Nature โดยคำตอบเดิมถูกพัฒนาที่เมืองนีซ ฝรั่งเศส และเป็นที่รู้จักในชื่อ แบบจำลองนีซ(Nice model) มันบอกว่ามีความไร้เสถียรภาพท่ามกลางดาวเคราะห์เหล่านั้น เป็นชุดของปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงที่สับสนวุ่นวาย ซึ่งสุดท้ายส่งพวกมันออกสู่เส้นทางในปัจจุบัน เป็นการสั่นสะเทือนวิธีคิดของผู้คนเกี่ยวกับระบบสุริยะยุคต้น Jacobson กล่าว

     แบบจำลองนีซยังคงเป็นคำอธิบายนำ แต่ตลอด 17 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบคำถามใหม่ๆ ว่าอะไรที่เหนี่ยวนำให้เกิดความไร้เสถียรภาพในแบบจำลองนีซนี้ ยกตัวอย่างเช่น เดิมเคยคิดว่าความไร้เสถียรภาพของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ เกิดขึ้นหลายร้อยล้านปีหลังจากการสลายของดิสก์ก๊าซเดิมที่ให้กำเนิดระบบสุริยะ แต่หลักฐานใหม่ซึ่งรวมถึงบางส่วนที่พบในหินดวงจันทร์ที่ปฏิบัติการอพอลโลเก็บกลับมา บอกว่ามันเกิดขึ้นเร็วกว่านั้นมาก ซึ่งก็สร้างคำถามใหม่ว่าระบบสุริยะส่วนในที่เป็นที่อยู่ของบ้านพัฒนาอย่างไร

      Jacobson ซึ่งทำงานกับ Beibei Liu จากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียงในจีน และ Sean Raymond จากมหาวิทยาลัยบอร์โดซ์ ในฝรั่งเศส ได้หาทางออกว่าความไร้เสถียรภาพเริ่มต้นได้อย่างไร ทีมได้เสนอตัวการใหม่ ผมคิดว่าแนวความคิดใหม่ของเราสามารถบรรเทาความตึงเครียดลงได้ระดับหนึ่ง เนื่องจากสิ่งที่เราเสนอเป็นคำตอบที่ธรรมดามากๆ ว่าดาวเคราะห์ก๊าซเริ่มเกิดความไร้เสถียรภาพเมื่อไหร่ Jacobson กล่าว

     แนวคิดเริ่มต้นด้วยการพูดคุยระหว่าง Jacobson กับ Raymond ย้อนไปในปี 2019 พวกเขาตั้งทฤษฎีว่าก๊าซยักษ์อาจจะถูกส่งไปสู่วงโคจรปัจจุบันของพวกมัน เนื่องจากรูปแบบที่ดิสก์ก๊าซเดิมระเหยไป ซึ่งนี่จะอธิบายว่าดาวเคราะห์กระจายออกในช่วงต้นของวิวัฒนาการระบบสุริยะได้เร็วกว่าแบบจำลองนีซเดิมบอกไว้ และบางทีอาจไม่ต้องใช้ความไร้เสถียรภาพเพื่อผลักพวกมันออกไปที่นั้นก็ได้

ภาพจากศิลปินแสดงระบบสุริยะในช่วงต้นในแบบจำลอง เมื่อดวงอาทิตย์อายุน้อยได้กวาดช่องในเมฆก๊าซและฝุ่นที่เหลืออยู่หลังจากการก่อตัวของมัน กิจกรรมการปัดกวาดนี้น่าจะส่งผลต่อวงโคจรดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์

  

    เราสงสัยว่าแบบจำลองนีซนั้นจำเป็นต่อการอธิบายระบบสุริยะจริงหรือ Raymond กล่าว เราก็ได้ความคิดว่าดาวเคราะห์ยักษ์บางทีอาจจะกระจายออกโดยผลสะท้อนกลับเมื่อดิสก์สลายตัวไป บางทีอาจไม่ต้องเกิดความไร้เสถียรภาพด้วย Raymond และ Jacobson ก็ติดต่อไปที่ Liu ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกความคิดผลสะท้อนกลับผ่านแบบจำลองเสมือนจริงดิสก์ก๊าซและดาวเคราะห์นอกระบบขนาดใหญ่ที่โคจรใกล้กับดาวฤกษ์แม่ของพวกมัน

     สถานการณ์ในระบบของเราแตกต่างออกไปเล็กน้อย เพราะดาวพฤหัสฯ, ดาวเสาร์, ยูเรนัส และเนปจูน กระจายในวงโคจรที่กว้างกว่า Liu กล่าว หลังจากสุมหัวกันพอสมควร เราก็เริ่มตระหนักว่าปัญหานี้แก้ได้ถ้าดิสก์ก๊าซสลายตัวจากด้านในออกข้างนอก

     ทีมได้พบว่าการสลายตัวจากในออกนอก กลายเป็นตัวเหนี่ยวนำตามธรรมชาติให้กับความไร้เสถียรภาพในแบบจำลองนีซ Raymond กล่าว สุดท้ายเรากลับทำให้แบบจำลองนีซเข้มแข็งมากขึ้นแทนที่จะทำลายมัน นี่เป็นเรื่องสนุกที่ได้ทดสอบแนวความคิดแผลงๆ และตามผลสรุปว่าจะนำทางไปถึงไหน

     ด้วยตัวเหนี่ยวนำใหม่ ภาพในช่วงแรกความไร้เสถียรภาพก็ยังดูเหมือนเดิม ยังคงมีดวงอาทิตย์ในช่วงทารก ที่ล้อมรอบด้วยเมฆก๊าซและฝุ่น มีดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อายุน้อยจำนวนหนึ่งโคจรไปรอบๆ ดวงอาทิตย์ในวงโคจรที่เนี๊ยบและกะทัดรัด ในเมฆก๊าซและฝุ่น Jacobson กล่าวว่า ระบบสุริยะทุกแห่งก่อตัวขึ้นในดิสก์ก๊าซและฝุ่น มันเป็นผลพลอยได้ตามธรรมชาติที่เหลือจากที่ดาวฤกษ์ก่อตัวขึ้น แต่เมื่อดวงอาทิตย์เริ่มจุดระเบิดและเผาไหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ของมัน จะสร้างแสงอาทิตย์ ทำให้ดิสก์ร้อนขึ้น และสุดท้ายก็เป่าก๊าซและฝุ่นหายไปจากข้างในออกนอก

      สิ่งนี้สร้างรูที่ขยายตัวในเมฆก๊าซ โดยมีจุดศูนย์กลางที่ดวงอาทิตย์ เมื่อรูขยายออก ขอบของมันจะกวาดผ่านวงโคจรของดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ทีละดวง แบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์ของทีมบอกว่า มีความน่าจะเป็นที่สูงมากๆ ที่ช่วงเปลี่ยนผ่านนี้นำไปสู่ความไร้เสถียรภาพของดาวเคราะห์ยักษ์ กระบวนการเลื่อนตำแหน่งดาวเคราะห์ยักษ์สู่วงโคจรปัจจุบันของพวกมันเหล่านี้ ยังเดินทางได้เร็วเมื่อเทียบกับไทม์ไลน์ของแบบจำลองนีซเดิม ซึ่งใช้เวลาหลายร้อยล้านปี

      ความไร้เสถียรภาพเกิดขึ้นตั้งแต่ต้นทันทีที่ดิสก์ก๊าซฝุ่นของดวงอาทิตย์เริ่มสลายตัว ซึ่งอาจจะเกิดขึ้นภายในช่วงไม่กี่ล้านปีจนถึงสิบล้านปี หลังจากการถือกำเนิดของระบบสุริยะ Liu กล่าว ตัวเหนี่ยวนำใหม่ยังนำไปสู่การผสมรวมวัสดุสารจากระบบสุริยะส่วนนอกและระบบสุริยะส่วนใน ธรณีเคมีของโลกได้บอกว่าต้องมีการผสมเช่นนี้เกิดขึ้นในขณะที่ดาวเคราะห์ของเรายังอยู่ระหว่างการก่อตัว

     จริงๆ แล้วกระบวนการนี้ได้ก่อตัวระบบสุริยะส่วนใน และโลกก็เจริญขึ้นจากสิ่งนี้ Jacobson กล่าว นี่ค่อนข้างสอดคล้องกับการสำรวจ การศึกษาความเชื่อมโยงระหว่างความไร้เสถียรภาพกับการก่อตัวโลก จะเป็นหัวข้อศึกษาของทีมในอนาคต

     สุดท้าย คำอธิบายใหม่ของทีมยังบอกถึงระบบสุริยะแห่งอื่นในกาแลคซีของเรา ที่ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้สำรวจพบดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์โคจรรอบดาวฤกษ์แม่ในการจัดเรียงแบบที่คล้ายกับในระบบของเรา เรามีตัวอย่างระบบสุริยะเพียงแห่งเดียวในกาแลคซี Jacobson สิ่งที่เรากำลังแสดงให้เห็นก็คือ ความไร้เสถียรภาพเกิดขึ้นในวิถีที่แตกต่างกัน วิถีที่เป็นสากลมากกว่าและสอดคล้องมากกว่า

จากการสำรวจวัตถุที่มีวงโคจรละแวกเนปจูน(Trans-Neptunian objects) พบลักษณะการกระจุกตัวของวงโคจรไปที่ด้านหนึ่งของระบบสุริยะ โดยแต่ละดวงมีตำแหน่งที่เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากที่สุด(perihelion) ใกล้เคียงกัน ทีม Caltech จึงเสนอว่าการมีอยู่ของ Planet Nine

     แม้ว่ารายงานของทีมไม่ได้ระบุไว้ แต่ Jacobson บอกว่างานนี้ส่งผลต่อหนึ่งในการโต้เถียงที่ดุเดือดที่สุดและเป็นที่นิยมมากที่สุดเกี่ยวกับระบบสุริยะของเราว่า จริงๆ แล้วมีดาวเคราะห์ในระบบกี่ดวงกัน ในตอนนี้ คำตอบก็คือ 8 แต่กลับเป็นว่าแบบจำลองนีซ ทำงานได้ดีกว่าถ้าระบบสุริยะในช่วงต้นมีดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ 5 ดวงแทนที่จะเป็น 4 แต่โชคร้ายที่ในแบบจำลอง ดาวเคราะห์ที่เกินมาจะถูกเหวี่ยงออกจากระบบของเราในระหว่างไร้เสถียรภาพ ซึ่งจะช่วยให้ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ที่เหลือเดินทางไปวงโคจรของพวกมันได้

     อย่างไรก็ตาม ในปี 2015 นักวิจัยคาลเทคได้พบหลักฐานว่าอาจจะมีดาวเคราะห์ที่ยังไม่ถูกพบอีกดวงที่ชายขอบระบบสุริยะ ห่างจากดวงอาทิตย์ราว 80 พันล้านกิโลเมตร ไกลกว่าเนปจูนราว 75.5 พันล้านกิโลเมตร ยังคงไม่มีข้อพิสูจน์ที่หนักแน่นว่าดาวเคราะห์ในทฤษฎีดวงนี้ ซึ่งมีชื่อเล่นว่า ดาวเคราะห์เก้า(Planet 9) หรือที่แบบจำลองนีซ เรียกว่า ดาวเคราะห์พิเศษ จะมีอยู่จริง แต่ถ้ามีจริง จะเป็นดวงเดียวกันหรือไม่

      Jacobson และทีมไม่สามารถตอบคำถามโดยตรงได้ด้วยแบบจำลองเสมือนจริง แต่พวกเขาตอบได้ดีพอๆ กัน เมื่อทราบว่าตัวเหนี่ยวนำความไร้เสถียรภาพของพวกเขา สร้างภาพระบบสุริยะในปัจจุบันได้อย่างถูกต้อง พวกเขาทดสอบว่าแบบจำลองทำงานได้ดีขึ้นโดยเริ่มต้นที่ก๊าซยักษ์ 4 หรือ 5 ดวง สำหรับเรา ผลที่ได้เหมือนกันไม่ว่าจะเริ่มด้วยสี่หรือห้าดวง Jacobson กล่าว ถ้าคุณเริ่มด้วยห้าดวง คุณก็มีโอกาสมากขึ้นที่จบที่สี่ดวง แต่ถ้าคุณเริ่มที่สี่ดวง วงโคจรที่ได้จะสอดคล้องกับปัจจุบันมากกว่า

คุณสมบัติของดาวเคราะห์เก้า ตามที่ทีมคาลเทคได้คำนวณไว้

     ไม่ว่าจะเป็นแบบไหน มนุษยชาติก็น่าจะมีคำตอบในไม่ช้า เมื่อกล้องโทรทรรศน์รูบิน(Vera Rubin Observatory) ซึ่งมีกำหนดทำงานในช่วงสิ้นปี 2023 ก็น่าจะสามารถพบดาวเคราะห์เก้าได้ ถ้ามันอยู่ข้างนอกนั้นจริงๆ ดาวเคราะห์เก้าเป็นที่มาของการถกเถียงขั้นสุด ดังนั้นเราจึงไม่อยากเอาเรื่องเครียดใส่ในรายงานนี้ Jacobson กล่าว แต่เราอยากจะพูดถึงมันในที่สาธารณะมากกว่า มันจะเป็นตัวย้ำเตือนว่าระบบสุริยะของเราเป็นสถานที่แห่งพลวัต เต็มไปด้วยปริศนาและรอคอยการค้นพบอยู่

แหล่งข่าว phys.org - the stability at the beginning of the solar system : does it portend an undiscovered planet?