วงแหวนกระจ้อยร่อยของดาวพฤหัสฯ

 

ภาพแสดงว่าดาวพฤหัสฯ จะมีสภาพอย่างไรถ้ามันมีวงแหวนเหมือนกับวงแหวนของดาวเสาร์

     เพราะเหตุใด ดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะจึงมีวงแหวนที่บางเฉียบ งานวิจัยใหม่ได้แสดงว่าอาจจะต้องโทษที่ดวงจันทร์ของดาวพฤหัสฯ เอง

      ธรรมชาติอนุญาตให้ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะมีวงแหวนแบบแกร๊นๆ วงแหวนของดาวเสาร์เป็นหนึ่งในรายละเอียดที่พิเศษสุดในระบบสุริยะนับตั้งแต่ที่มีการประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ขึ้นมา แต่ไม่เคยมีใครที่พบว่าดาวพฤหัสฯ เองก็มีระบบวงแหวนของมัน จนกระทั่งยานวอยยาจเจอร์ 1(Voyager 1) บินผ่านดาวพฤหัสฯ ในวันที่ 5 มีนาคม 1979

     เพราะเหตุใด วงแหวนของดาวเสาร์ซึ่งมีมวลเพียงหนึ่งในสามของดาวพฤหัสฯ จึงมีวงแหวนที่ใหญ่กว่าวงแหวนรอบดาวเคราะห์ยักษ์ใหญ่กว่ามันได้ อย่างน้อย คำตอบส่วนหนึ่งก็อาจจะเพราะมีดวงจันทร์วงในสุดของดาวพฤหัสฯ 3 ดวงมาขวางทาง แบบจำลองคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับดวงจันทร์กาลิเลโอ(Galilean moons) ได้แสดงว่ากำทอนแรงโน้มถ่วงเดียวกันกับที่รักษาให้ ไอโอ(Io), ยูโรปา(Europa) และกานิมีด(Ganymede) อยู่ในกำทอนการโคจร 4:2:1 ก็ยังลดขนาดวงโคจรฝุ่นในแนวศูนย์สูตร ซึ่งน่าจะสร้างวงแหวนขึ้นมา

      ผมมักจะสงสัยเสมอว่าเพราะเหตุใดดาวเสาร์จึงมีวงแหวนที่โอ่อ่า Stephen Kane จากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ กล่าว ถ้าดาวพฤหัสฯ มีวงแหวน เราก็คงเห็นวงแหวนที่สว่างกว่าเนื่องจากดาวพฤหัสฯ อยู่ใกล้เรามากกว่าดาวเสาร์ เพื่อที่จะค้นหาว่าเพราะเหตุใดวงแหวนของดาวพฤหัสฯ จึงเทียบไม่ได้เลย หรือครั้งหนึ่งดาวพฤหัสฯ อาจจะเคยมีวงแหวนและสูญเสียมันไป เป็นไปได้ว่าโครงสร้างวงแหวนอาจจะเกิดขึ้นเพียงชั่วคราว

ภาพวงแหวนดาวพฤหัสฯ จากยานวอยยาจเจอร์ 1

     Kane และนักศึกษา Zhexing Li จากยูซี ริเวอร์ไซด์ เช่นกัน ได้พัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อดุว่าดวงจันทร์กาลิเลโอทั้งสี่ของดาวพฤหัสฯ ส่งผลต่อวงแหวนฝุ่นหนารอบดาวเคราะห์อย่างไรบ้าง

     วงแหวนมีพลวัตของมัน รูปร่างและขนาดของวงแหวนในช่วงเวลาจำเพาะหนึ่งๆ จะขึ้นอยู่กับมวลของดาวเคราะห์ที่วงแหวนโคจร และความเป็นมาของดวงจันทร์ที่โคจรรอบดาวเคราะห์ ภายในจุดที่เรียกกันว่า ขีดจำกัดโรช(Roche limit) แรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์จะเป็นตัวกำกับ ป้องกันไม่ให้ดวงจันทร์ก่อตัวขึ้นมาและฉีกดวงจันทร์ใดๆ ที่วิ่งเข้ามาใกล้เกินไป จึงมีวงแหวนก่อตัวขึ้นแทนที่ วงแหวนที่สว่างที่สุดของดาวเสาร์ ก็อยู่ในขีดจำกัดโรช เช่นเดียวกับวงแหวนเกือบทั้งระบบของดาวพฤหัสฯ

     แต่วงแหวนก็ก่อตัวขึ้นนอกขีดจำกัดโรชได้เช่นกัน อย่างที่เห็นรอบๆ ทั้งดาวเสาร์และดาวพฤหัสฯ ในจุดนั้นแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์จะแสดงบทบาท ทีมของ Kane พบว่าวงโคจรของดวงจันทร์ขนาดใหญ่วงในสุด 3 ดวงของดาวพฤหัสฯ คือ ไอโอ, ยูโรปา และกานิมีดซึ่งถูกจับไว้ในกำทอนการโคจรที่แน่นหนา กล่าวคือ ไอโอโคจรรอบดาวพฤหัสฯ ครบ 4 รอบและยูโรปาโคจรครบสองรอบ ในทุกๆ รอบที่กานิมีดโคจรครบหนึ่งรอบ หมายเหตุ ดวงจันทร์กาลิเลโอดวงนอกสุดคือ คัลลิสโต(Callisto) อยู่ในกำทอนที่แตกต่างออกไป คือ ถูกจับไว้ด้วยแรงบีบฉีก(tidal locked) จนมันหันด้านเดียวด้านเดิมเข้าหาดาวพฤหัสฯ ตลอดวงโคจร เหมือนกับที่ดวงจันทร์ของโลกหันด้านเดียวเข้าหาเรา

     แบบจำลองคอมพิวเตอร์ของ Kane แสดงว่ากำทอนระหว่างดวงจันทร์วงในน่าจะกวาดฝุ่นใดๆ ที่มีออกจากขีดจำกัดโรช ตั้งแต่ยอดเมฆของดาวเคราะห์จนถึงระยะ 28 เท่ารัศมีดาวพฤหัสฯ ภายในเวลา 1 ล้านปี จะมีเพียงวงแหวนบางๆ(ringlet) ไม่กี่วงที่คงอยู่ในพื้นที่เหล่านั้นได้ บางวงก็อยู่ระหว่างวงโคจรของกานิมีด-คัลลิสโต และบางส่วนก็อยู่ใกล้วงโคจรของคัลลิสโต และเมื่อ Kane และ Li ขยายเวลาในแบบจำลองไปเป็น 10 ล้านปี วงแหวนบางๆ ก็หายไปด้วย

      กำทอนการโคจรระหว่างกานิมีดกับคัลลิสโต น่าจะกวาดวัสดุสารออกไปเลย 29 เท่ารัศมีดาวพฤหัสฯ เลยวงโคจรคัลลิสโตออกไป ภายในเวลาไม่กี่สิบล้านปี ทีมรายงานไว้ใน Planetary Science Journal ในขณะที่ Kane บอกไว้ว่าดวงจันทร์ส่งผลกระทบเพียงเล็กน้อยในขีดจำกัดโรช แต่ก็เป็นไปได้ที่สนามแม่เหล็กของดาวพฤหัสฯ ซึ่งไม่ได้รวมไว้ในแบบจำลองนี้ ก็อาจจะป้องกันไม่ให้วัสดุสารก่อตัวขึ้นภายในนั้นด้วย

     ดวงจันทร์กาลิเลโอของดาวพฤหัสฯ ซึ่งเป็นกลุ่มดวงจันทร์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะน่าจะทำลายวงแหวนขนาดใหญ่ใดๆ ที่อาจจะก่อตัวขึ้นได้อย่างรวดเร็วมาก ด้วยเหตุนี้ ดาวพฤหัสฯ จึงไม่น่ามีวงแหวนขนาดใหญ่ในอดีตเลย ดาวเคราะห์ยักษ์ที่ก่อตัวดวงจันทร์ยักษ์ ก็ทำให้พวกมันเองมีวงแหวนไม่ได้ Kane กล่าว

ไดอะแกรมแสดงขนาดและระยะทางเปรียบเทียบของดวงจันทร์ดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ ตามลำดับ เส้นประสีแดงระบุขีดจำกัดโรช(Roche limit) ของดาวเคราะห์ไว้ ภายในเส้นแรงโน้มถ่วงจะป้องกันไม่ให้ดวงจันทร์ก่อตัวขึ้น หรือวัตถุที่เข้าใกล้เกินเส้นนี้จะถูกฉีกออกเป็นชิ้น 

     ดาวเคราะห์ยักษ์ทั้งสี่ในระบบสุริยะในความเป็นจริงแล้วก็มีระบบวงแหวนทั้งหมด อย่างไรก็ตาม วงแหวนของดาวพฤหัสฯ และเนปจูนนั้นเบาบางมากจนยากที่จะมองเห็นด้วยเครื่องมือดูดาวแบบดั้งเดิม วงแหวนเบาบางของดาวพฤหัสฯ ในปัจจุบันประกอบขึ้นด้วยฝุ่นเกือบทั้งหมดซึ่งผลักออกจากดวงจันทร์บางส่วน บางทีอาจจะมีวัสดุสารที่ถูกโยนออกสู่อวกาศจากการชน ในทางตรงกันข้าม วงแหวนของดาวเสาร์เป็นน้ำแข็งเกือบทั้งหมด ซึ่งก็อาจเป็นชิ้นส่วนจากดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อย หรือดวงจันทร์น้ำแข็งดวงหนึ่งซึ่งอาจแตกออกอันเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของดาวเสาร์ หรือชนแล้วสาดเศษซากออกมาก่อตัวเป็นวงแหวน

      ต่อไป Kane ก็นำไปเปรียบเทียบกับวงโคจรของยูเรนัส ในขณะที่วงแหวนของมันไม่ได้สว่างเหมือนกับวงแหวนของดาวเสาร์ แต่ก็เป็นระบบวงแหวนที่ถูกสำรวจเป็นลำดับต่อไป ในหมู่ดาวเคราะห์ยักษ์ และพวกมันก็หนาพอที่จะบังดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างไกลได้ ผู้สังเกตการณ์สามารถใช้การบังดาว(occultation) เหล่านี้เพื่อตรวจสอบวงแหวน

     เราไม่เข้าใจประวัติทางพลวัตของวงแหวนยูเรนัส Kane บอก นั้นเป็นเพราะมันเอียงข้าง โดยที่ศูนย์สูตรตั้งฉากกับระนาบการโคจรรอบดวงอาทิตย์ บางทีอาจจะเกิดจากการชนครั้งใหญ่เมื่อนานมาแล้ว ซึ่งวงแหวนก็อาจเป็นสิ่งที่เหลือจากการชนนี้ การศึกษาดวงจันทร์และวงแหวนของยูเรนัสก็น่าจะช่วยทดสอบทฤษฎีนี้ การสำรวจหาวงแหวนรอบดาวเคราะห์นอกระบบก็อาจจะให้การทดสอบพิเศษ แต่ก็ต้องใช้การถ่ายภาพโดยตรง(direct imaging) ซึ่งก็เกินเลยเทคโนโลจีปัจจุบันนอกจากทำกับเป้าหมายดาวเคราะห์ที่อยู่ใกล้มากที่สุดเท่านั้น

      นอกจากความสวยงาม วงแหวนช่วยนักดาราศาสตร์ให้เข้าใจความเป็นมาของดาวเคราะห์ เนื่องจากพวกมันมักจะให้หลักฐานการชนกับดวงจันทร์หรือดาวหางซึ่งเกิดขึ้นในอดีต รูปร่าง, ขนาด รวมถึงองค์ประกอบของวัสดุสารในวงแหวน ก็ให้ข้อบ่งชี้เกี่ยวกับชนิดของเหตุการณ์ที่ก่อตัววงแหวนขึ้น

ภาพอินฟราเรดจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์แสดงวงแหวนดาวพฤหัสฯ ที่เบาบางกว่าวงแหวนดาวเสาร์ ซ้ายไปขวาคือ ดวงจันทร์ธีบี(Thebe), ยูโรปา, เมทิส(Metis) และอะดรัสเทีย(Adrastea)

     และวงแหวนก็ไม่ได้จำกัดแค่รอบๆ ดาวเคราะห์เท่านั้น วัตถุขนาดเล็กดวงหนี่งที่เรียกว่า ชาริโคล(Chariklo) ซึ่งมีความกว้างราว 230 กิโลเมตร โคจรอยู่ระหว่างดาวพฤหัสฯ กับยูเรนัสเอง ก็มีระบบวงแหวนของมัน เช่นเดียวกับดาวเคราะห์แคระ เฮามี(Haumea) ซึ่งอยู่ในแถบไคเปอร์(Kuiper Belt) ร่วมกับพลูโต แบบจำลองเสมือนจริงบอกว่าวงแหวนรอบๆ วัตถุน้ำแข็งเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องแปลกประหลาด เนื่องจากปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงจะดันน้ำแข็งออกจากพื้นผิววัตถุดังกล่าว ก่อตัวเป็นวงแหวนล้อมรอบ

     ดาวอังคารเองก็อาจจะมีวงแหวน เมื่อดวงจันทร์โฟบอส(Phobos) ของมันกำลังขยับเข้าใกล้ดาวเคราะห์แดงทีละนิด ในอีกหนึ่งร้อยล้านข้างหน้า มันจะเข้าใกล้มากพอที่แรงโน้มถ่วงดาวอังคารจะฉีกมันออก ก่อตัวเป็นวงแหวนที่มีอายุสั้น ซึ่งสุดท้ายก็จะรวมตัวกลับเป็นดวงจันทร์อีกครั้ง Kane กล่าวว่า สำหรับเราเหล่านักดาราศาสตร์ วงแหวนก็เหมือนรอยเลือดสาดบนกำแพงในเหตุฆาตกรรม เมื่อเราตรวจสอบวงแหวนดาวเคราะห์ยักษ์ ก็เป็นหลักฐานว่าบางสิ่งถูกทำลายและทิ้งวัสดุสารไว้ที่นั้น

แหล่งข่าว skyandtelescope.com : why are Jupiter’s rings so thin?
                phys.org : why Jupiter doesn’t have rings like Saturn
                space.com : Jupiter’s rings may be so puny because of the planet’s massive moons
                sciencealert.com : now we know why Jupiter doesn’t have big, glorious rings like Saturn