ถ้าระบบสุริยะมีซุปเปอร์เอิร์ธเพิ่มเข้ามา

 

      การทดลองใหม่งานหนึ่งจากมหาวิทยาลัยคาลิฟอร์เนีย ริเวอร์ไซด์ บอกว่าดาวเคราะห์หินที่อยู่ระหว่างดาวอังคารกับดาวพฤหัสฯ น่าจะสามารถผลักโลกหลุดออกจากระบบสุริยะไป และกวาดล้างชีวิตทั้งหมดบนโลกได้

      Stephen Kane นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ ยูซีอาร์ ได้อธิบายว่าการทดลองของเขาตั้งเป้าเพื่อเติมช่องว่าง 2 แห่งในวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ ช่องว่างแรกก็คือ ขนาดที่แตกต่างกันระหว่างดาวเคราะห์หินกับดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ แน่นอนว่าดาวเคราะห์หินที่มีขนาดใหญ่ที่สุดก็คือโลก และดาวเคราะห์ยักษ์ที่มีขนาดเล็กที่สุดคือ เนปจูน ซึ่งมีรัศมี 4 เท่า และมวล 17 เท่าโลก โดยไม่มีอะไรอยู่ระหว่างนี้

      แต่ในระบบสุริยะแห่งอื่น มีดาวเคราะห์มากมายที่มีมวลในช่องว่างนี้ ซึ่งเราเรียกพวกมันว่า ซุปเปอร์เอิร์ธ(super-Earths) Kane กล่าว แม้ว่านักล่าดาวเคราะห์จะได้พบซุปเปอร์เอิร์ธมากกว่า 1500 ดวงแล้ว แต่กลับไม่พบในระบบของเรา เมื่อระบบของเราขาดแคลนดาวเคราะห์ชนิดนี้ จึงยากที่นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จะเข้าใจถึงซุปเปอร์เอิร์ธในระบบแห่งอื่น

      ช่องว่างอีกแห่ง ก็คือ ตำแหน่งทางกายภาพซึ่งอยู่ระหว่างวงโคจรดาวอังคารและดาวพฤหัสฯ ซึ่งเป็นตำแหน่งของแถบดาวเคราะห์น้อยหลัก(main asteroid belt) นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์มักจะหวังว่าจะมีอะไรบางอย่างอยู่ระหว่างดาวเคราะห์ทั้งสองนี้ ซึ่งมันดูเหมือนเป็นพื้นที่อสังหาริมทรัพย์ที่ถูกทิ้ง เขาอธิบาย ช่องว่างทั้งสองอาจจะให้แง่มุมที่สำคัญสู่สถาปัตยกรรมโครงสร้างระบบสุริยะของเรา และสู่วิวัฒนาการโลกได้

      เมื่อไม่มีซุปเปอร์เอิร์ธในระบบของเราให้ศึกษา นักวิจัยจึงมีคำถามจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้การศึกษาผลกระทบทางพลวัตของมวลดาวเคราะห์ที่เพิ่มเข้ามาในระบบสุริยะจึงมีประโยชน์ เพื่อที่จะระบุทฤษฎีการก่อตัวและศึกษานัยยะที่มีต่อสถาปัตยกรรมโครงสร้างระบบดาวเคราะห์โดยรวมด้วย Kane เขียนไว้ในรายงานว่า ในรายงาน เราได้ให้ผลสรุปการศึกษาพลวัตเมื่อใส่ดาวเคราะห์หินดวงหนึ่งเพิ่มเข้าไป โดยมีมวลตั้งแต่ 1-10 เท่าโลก และมีระยะกึ่งแกนหลัก(semi-major axis) ที่ระหว่าง 2-4 หน่วยดาราศาสตร์(astronomical units; AU) หรือละแวกแถบดาวเคราะห์น้อยหลักในระบบสุริยะปัจจุบัน   

     เพื่อเติมช่องว่างนี้ Kane จึงใช้แบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์พลวัตของดาวเคราะห์ซุปเปอร์เอิร์ธดวงหนึ่งที่อยู่ระหว่างดาวอังคารและดาวพฤหัสฯ โดยมีมวลที่แตกต่างกันไประหว่าง 1 ถึง 10 มวลโลกโดยเพิ่มมวลทีละ 1 เท่าโลก เขาวางดาวเคราะห์จำลองไว้ในตำแหน่งเริ่มต้นที่แตกต่างกันในวงโคจรที่กลม วงโคจรยังอยู่ในระนาบร่วมกับระนาบของโลก และระยะกึ่งแกนหลักก็อยู่ระหว่าง 2 ถึง 4 AU โดยเพิ่มระยะทีละ 0.01 AU

ภาพจากงานวิจัยแสดงขอบเขตแบบจำลองเสมือนจริงที่ Kane ทำ วงสีดำรอบนอกเป็นวงโคจรดาวพฤหัสฯ(5.2 AU) และวงสีแดงครอบคลุมพื้นที่ที่ Kane วางซุปเปอร์เอิร์ธลงไป

     ผลที่ได้เป็นแบบจำลองเสมือนจริงหลายพันอัน โดยแต่ละอันจะปล่อยให้เดินเครื่องไป 107 ปี เริ่มต้นจากช่วงเวลาปัจจุบัน และให้ผลการเรียงตัววงโคจรทุกๆ 100 ปีแบบจำลอง จากนั้นก็สำรวจความอลหม่านที่มีต่อวงโคจรของดาวเคราะห์อื่นๆ ทั้งหมดในระบบ

     แบบจำลองเสมือนจริงแสดงว่าดาวเคราะห์วงในจะอ่อนไหวต่อความไม่เสถียรจากการเพิ่มซุปเปอร์เอิร์ธเข้ามา ได้มากกว่าดาวเคราะห์วงนอก พื้นที่ที่กว้างระหว่าง 2-4 AU ยังมี MMR(mean motion resonance) ได้หลายตำแหน่งกับดาวเคราะห์วงใน ซึ่งจะยิ่งขยายวิวัฒนาการระบบสุริยะส่วนในที่วุ่นวายให้เพิ่มขึ้น

     ผลสรุปที่ได้รายงานใน Planetary Science Journal บอกถึงหายนะต่อระบบสุริยะของเรา ดาวเคราะห์จำลองดวงนี้ส่งแรงกระตุกต่อดาวพฤหัสฯ เพียงพอที่จะทำให้ทุกๆ สิ่งเสียสมดุลไป Kane กล่าว แม้ว่านักดาราศาสตร์หลายคนเคยหวังว่าจะมีดาวเคราะห์พิเศษนี้ แต่เป็นเรื่องดีที่เราไม่มีมันจริงๆ

     ดาวพฤหัสฯ นั้นมีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์อื่นทั้งหมดรวมกัน มวลของมันที่ 318 เท่าโลก ดังนั้นอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของมันจึงรุนแรงด้วย ถ้ามีซุปเปอร์เอิร์ธสักดวงในระบบของเรา, มีดาวฤกษ์ผ่านเข้ามาใกล้ หรือวัตถุอื่นๆ ที่รบกวนดาวพฤหัสฯ แม้แต่น้อยนิด ดาวเคราะห์ที่เหลือทั้งหมดก็น่าจะได้รับผลอย่างรุนแรง

ภาพอธิบายจากรายงานแสดงว่าความรีวงโคจร(eccentricity) ของดาวเคราะห์วงในจะพัฒนาอย่างไร เมื่อดาวเคราะห์ขนาด 7 เท่ามวลโลกถูกวางที่ระยะทาง 2.0 AU ดาวเคราะห์วงในทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นวงโคจรที่รีมากและถูกผลักออกจากระบบไปก่อนที่แบบจำลองจะทำงานเสร็จสิ้น

      ซุปเปอร์เอิร์ธจำลองนี้ ขึ้นอยู่กับมวลและตำแหน่งที่แน่นอนระหว่างวงโคจรดาวอังคารและดาวพฤหัสฯ  การมีอยู่ของมันน่าจะผลักดาวพุธและดาวศุกร์ รวมทั้งโลกออกจากระบบสุริยะ วงโคจรเฉลี่ยของดาวอังคารอยุ่ที่ 1.5 เท่าระยะทางจากโลกถึงดวงอาทิตย์(astronomical unit; AU) ส่วนวงโคจรดาวพฤหัสฯ อยู่ที่ 5.2 AU

     ถ้า Kane ใส่ดาวเคราะห์ให้มีมวลน้อยลงและวางมันที่ 3 AU เป็นไปได้ที่ดาวเคราะห์จะยังคงเสถียรไปได้เป็นเวลานาน แต่การเคลื่อนที่ขยับเพียงเล็กน้อยในทิศทางใดก็แล้วแต่ จะทำให้ทุกอย่างเลวร้ายลง เขากล่าว ซุปเปอร์เอิร์ธนี้ยังเปลี่ยนรูปร่างวงโคจรของโลก ทำให้ฤดูกาลแปรผันอย่างรุนแรง ทำให้โลกมีความสามารถในการเอื้ออาศัยได้น้อยกว่าที่เป็นในทุกวันนี้ แต่ก็ยังไม่ได้ลบชีวิตทั้งหมดทิ้งไป

     ดาวเคราะห์ที่ 3.1 ถึง 4 AU จะทำให้วงโคจรดาวพุธถูกรบกวน ที่ 2.0 ถึง 2.7 AU ดาวอังคารก็จะส่าย แต่ดาวพฤหัสฯ และดาวเสาร์ได้รับผลเพียงเล็กน้อย แต่โมเมนตัมเชิงมุมที่ส่งต่อไปที่ระบบสุริยะส่วนนอกออกไปอีก ทำให้วงโคจรยูเรนัสและเนปจูน ไร้เสถียรภาพด้วย ซึ่งจะเหวี่ยงพวกมันออกสู่ห้วงอวกาศเช่นกัน ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ดาวศุกร์, ดาวพุธ, โลก, ดาวอังคาร, ยูเรนัส และเนปจูน ทั้งหมดถูกผลักออกจากระบบสุริยะ

     หลักฐานต่างๆ ยังได้บอกว่าดาวพฤหัสฯ แสดงบทบาทต่อความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของโลก โดยปกป้องเราจากการระดมชนของดาวเคราะห์น้อย(asteroid bombardment) งานของ Kane ได้บอกว่า มันยังแสดงอีกบทบาทในการทำให้ระบบสุริยะอยู่ในสมดุล นักดาราศาสตร์เชื่อว่าอิทธิพลแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสฯ ป้องกันไม่ได้ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นในห้วงอวกาศอันเป็นแหล่งที่อยู่ของแถบดาวเคราะห์น้อยหลัก

แบบจำลองเสมือนจริงซุปเปอร์เอิร์ธมวล 7 เท่าโลกที่ระยะทาง 3.79 AU สุดท้ายซุปเปอร์เอิร์ธถูกผลักออกไป ซึ่งส่งผลต่อมาถึงความรีวงโคจรของดาวเสาร์, ยูเรนัส และเนปจูน

      โดยทำให้แถบหลักมีวัสดุสารไม่เพียงพอที่จะก่อตัวดาวเคราะห์ขึ้นมา โดยปัจจุบันมีมวลรวมของแถบเพียง 0.04 เท่ามวลโลกเท่านั้น แต่ก่อนหน้านี้ในอดีต คิดกันว่าแถบหลักน่าจะมีมวลสูงกว่านี้มาก นักดาราศาสตร์เคยคิดว่าระบบดาวเคราะห์ที่มีดาวเคราะห์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ทุกประการ น่าจะเป็นระบบที่มีเสถียรภาพสำหรับชีวิตมากที่สุด ซึ่งงานของ Kane ก็เพิ่มน้ำหนักให้กับประเด็นนี้

          ในหลายทศวรรษก่อนหน้านี้ นักดาราศาสตร์ใช้โครงสร้างสถาปัตยกรรมระบบสุริยะของเราเพื่อพัฒนาแบบจำลองการก่อตัวและสถาปัตยกรรมระบบสุริยะ แต่ขณะนี้เราทราบว่าระบบของเราไม่ได้เป็นตัวแทนของระบบทั้งปวง โดยเฉพาะเมื่อมันไม่มีซุปเปอร์เอิร์ธ ความแตกต่างนี้อาจจะงอกเงยมาจากที่ดาวเคราะห์ยักษ์อพยพ(migrated) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การอพยพของดาวเคราะห์ยักษ์อาจจะส่งผลต่อกระบวนการการก่อตัวดาวเคราะห์หินในระบบสุริยะส่วนใน และยับยั้งการก่อตัวดาวเคราะห์ชนิดที่พบได้ทั่วไปที่สุด-ซุปเปอร์เอิร์ธ รายงานระบุ

     สมมุติฐาน grand tack ได้แสดงว่าดาวพฤหัสฯ ก่อตัวที่ 3.5 AU แล้วอพยพเข้ามาจนถึง 1.5 AU จากนั้นก็ถอยออกไปที่ 5.2 AU ราชาแห่งดาวเคราะห์เคลื่อนที่ผ่านระบบสุริยะเช่นนี้น่าจะส่งผลต่อทุกๆ สิ่งที่อยู่รอบมัน มันอาจจะทำให้เกิดการชนที่วุ่นวายของวัตถุในระบบส่วนใน, ผลักวัสดุสารเข้าหาดวงอาทิตย์ซึ่งน่าจะก่อตัวซุปเปอร์เอิร์ธ นักวิจัยบางส่วนคิดว่าระบบของเราเคยมีซุปเปอร์เอิร์ธอยู่ในอดีตเมื่อนานมาแล้ว ซึ่งจากลาดวงอาทิตย์ไป

ขยับซุปเปอร์เอิร์ธจาก 3.79 มาเป็น 3.8 AU จะผลักยูเรนัสออกจากระบบไปพร้อมกับซุปเปอร์เอิร์ธเองด้วย

     Kane จึงเรียกการขาดแคลนซุปเปอร์เอิร์ธในระบบของเราว่าเป็นดาบสองคม ในทางหนึ่ง เราไม่มีโอกาสที่จะได้ศึกษาซุปเปอร์เอิร์ธอย่างใกล้ชิดอย่างที่เราศึกษาดาวเคราะห์หิน, ดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์หรือน้ำแข็งยักษ์ แต่การมีอยู่ของซุปเปอร์เอิร์ธก็น่าจะเปลี่ยนโฉมหน้าระบบสุริยะไปโดยสิ้นเชิง และอาจจะทำลายสิ่งมีชีวิตได้ ผลสรุปเผยให้เห็นความบอบบางทางพลวัตในการเรียงตัวดาวเคราะห์ที่ปรากฏอยู่ ช่วยให้มีการตรวจสอบการเรียงตัวนี้ในรายละเอียดมากขึ้นภายในบริบทสถาปัตยกรรมระบบดาวเคราะห์ที่กว้างขึ้น Kane บอกว่าจุดประสงค์หลักของงานนี้ก็เพื่อช่วยให้เกิดการเปรียบเทียบระหว่างระบบ “ประหลาด” ของเราเอง กับระบบที่มีซุปเปอร์เอิร์ธซึ่งพบได้กลาดเกลื่อน

     การศึกษามีนัยยะต่อความสามารถของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะแห่งอื่นที่จะมีสิ่งมีชีวิตอยู่ แม้ว่าจะพบดาวเคราะห์ที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ไกลจากดาวฤกษ์แม่เพียง 10% เท่านั้น แต่การมีอยู่ของพวกมันก็ตัดสินว่าโลกหรือซุปเปอร์เอิร์ธที่อยู่ใกล้เคียงจะมีวงโคจรที่เสถียรได้หรือไม่

     ผลสรุปเหล่านี้ทำให้ Kane รู้สึกเลื่อมใสความเป็นระเบียบที่ละเอียดอ่อนซึ่งยึดเกาะดาวเคราะห์ไว้ด้วยกันรอบดวงอาทิตย์ ระบบสุริยะของเรานั้นถูกปรับแต่งอย่างดีกว่าที่ผมเคยคิดถึงมาก่อน ทุกๆ สิ่งทำงานประสานแม่นยำเหมือนกับเฟืองนาฬิกา การโยนเฟืองเข้าไปอีกอัน ทั้งหมดก็จะพัง Kane กล่าว

แหล่งข่าว phys.org - the planet that could end life on Earth: experiment demonstrates solar system’s fragility             

               sciencealert.com – astrophysicist shows how one small change to our solar system could unravel it
                phys.org - what would happen if the solar system gained a super-Earth?