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?