วงแหวนดาวเสาร์อาจมีอายุเพียงไม่กี่ร้อยล้านปี

วงแหวนดาวเสาร์ดูจะสะอาดสดใสเกินกว่าจะมีอายุมาก

      การศึกษาใหม่โดยนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ได้ให้หลักฐานที่หนักแน่นที่สุดเท่าที่เคยมีว่า วงแหวนของดาวเสาร์นั้นมีอายุน้อยมากๆ ซึ่งอาจจะตอบคำถามที่คาใจนักวิทยาศาสตร์มาเป็นร้อยปี

     งานวิจัยที่เผยแพร่ในวารสาร Science Advances วันที่ 12 พฤษภาคม ระบุอายุของวงแหวนดาวเสาร์ไว้ที่ไม่เกิน 4 ร้อยล้านปี ซึ่งทำให้วงแหวนมีอายุน้อยกว่าดาวเสาร์ที่ 4.5 พันล้านปีอย่างมาก Sascha Kempf นักฟิสิกส์ รองศาสตราจารย์ที่ห้องทดลองเพื่อฟิสิกส์ชั้นบรรยากาศและอวกาศ(LASP) ซียูโบลเดอร์ กล่าวว่า เมื่อมีคำตอบแบบนี้ เราก็ใกล้จะปิดคำตอบที่เริ่มต้นโดย James Clerk Maxwell

      นักวิจัยมาถึงข้อสรุปดังกล่าวได้โดยการศึกษาสิ่งที่อาจจะดูเหมือนไม่ใช่หัวข้อปกติ โดยการศึกษาการสะสมฝุ่น Kempf อธิบายว่า เม็ดวัสดุสารหินขนาดจิ๋วที่พัดพาไปทั่วระบบสุริยะด้วยความคงที่ ในบางกรณี กระแสนี้ก็อาจทิ้งชั้นฝุ่นบางๆ ไว้บนวัตถุในระบบสุริยะ ซึ่งรวมถึงบนก้อนน้ำแข็งที่เป็นองค์ประกอบในวงแหวนดาวเสาร์ด้วย

     ในการศึกษาใหม่นี้ Kempf และเพื่อนร่วมงานได้เริ่มตรวจสอบอายุวงแหวนดาวเสาร์ โดยการศึกษาว่าชั้นฝุ่นนี้สะสมเร็วแค่ไหน ก็เหมือนกับการพยายามบอกว่าบ้านหลังหนึ่งมีอายุเก่าแก่แค่ไหน จากแค่การไล้นิ้วไปตามกำแพง ลองนึกว่าวงแหวนดาวเสาร์ก็เหมือนพรมที่บ้านคุณ Kempf กล่าว ถ้าคุณมีพรมที่สะอาดวางอยู่ ก็แค่รอเวลา ฝุ่นก็จะไปสะสมบนพรม วงแหวนก็เป็นแบบเดียวกันนี้

     นี่เป็นกระบวนการที่กินเวลา ตั้งแต่ปี 2004 ถึง 2017 ทีมใช้เครื่องมือที่เรียกว่า เครื่องวิเคราะห์ฝุ่นอวกาศ(Cosmic Dust Analyzer) ที่ติดตั้งบนยานคาสสินีของนาซา เพื่อวิเคราะห์ชิ้นฝุ่นที่บินอยู่รอบๆ ดาวเสาร์ จากช่วง 13 ปีนั้นเอง นักวิจัยได้รวบรวมฝุ่นได้เพียง 163 เม็ดที่มีกำเนิดจากนอกละแวกใกล้เคียงดาวเคราะห์ แต่ก็เพียงพอแล้ว

อินโฟกราฟฟิคอธิบายระบบวงแหวนหลักของดาวเสาร์ และตำแหน่งดวงจันทร์

     ทีมประเมินว่าฝุ่นระหว่างดาวเคราะห์ที่ไปถึงวงแหวนดาวเสาร์น่าจะไม่ถึง 1 กรัมฝุ่นต่อทุกตารางฟุตในแต่ละปี ซึ่งดูเล็กน้อยแต่ก็พอจะสะสมได้ เพียงแค่มุ่งเป้าไปที่วงแหวนที่สว่างที่สุดบนดาวเสาร์ มันแผ่จากระยะทาง 70,000 จนถึง 140,000 กิโลเมตรเทียบเท่ากับพื้นที่ 30 เท่าโลก นี่หมายความว่าจะมีฝุ่นราว 166 พันล้านตันตกบนวงแหวนในแต่ละปี  จากการคำนวณ วงแหวนดาวเสาร์เองก็น่าจะรวบรวมฝุ่นขึ้นมาเมื่อเพียงไม่กี่ร้อยล้านปีเท่านั้น

     หรือพูดอีกอย่างก็คือ วงแหวนของดาวเสาร์นั้นเป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่เพิ่งเกิดใหม่ อาจจะเพียงพริบตาในทางดาราศาสตร์ และอาจจะหายไปได้ในที่สุด เราทราบว่าวงแหวนมีอายุคร่าวๆ เท่าใด แต่มันก็ไม่ได้ไขปัญหาอื่นๆ Kempf กล่าว เรายังคงไม่ทราบว่าวงแหวนเหล่านี้ก่อตัวขึ้นได้อย่างไร

     นักวิจัยประทับใจกับวงแหวนตระการตาเหล่านี้มานานกว่า 400 ปีแล้ว ในปี 1610 นักดาราศาสตร์ชาวอิตาลี Galileo Galilei เป็นคนแรกที่สำรวจรายละเอียดนี้ผ่านกล้องโทรทรรศน์ แม้ว่าเขาจะยังไม่รู้ว่ามันคืออะไร ภาพวาดของกาลิเลโอเขียนให้วงแหวนดูคล้ายกับหูจับของเหยือกน้ำ ในศตวรรษ 18 Maxwell นักวิทยาศาสตร์ชาวสก๊อต สรุปว่าวงแหวนดาวเสาร์ไม่ได้เป็นของแข็ง แต่ประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนมากมาย

     ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าดาวเสาร์มีวงแหวน 7 วงที่ประกอบด้วยก้อนน้ำแข็งจำนวนนับไม่ถ้วน ซึ่งเกือบทั้งหมดไม่ใหญ่ไปกว่ากองหินบนโลก แต่เมื่อรวมเข้าด้วยกันแล้ว น้ำแข็งนี้มีมวลราวครึ่งหนึ่งของดวงจันทร์ไมมาส(Mimas) ของดาวเสาร์ และแผ่ออกไปเกือบ 280 ล้านกิโลเมตรจากพื้นผิวดาวเคราะห์ Kempf กล่าวเสริมว่า เกือบตลอดศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าวงแหวนน่าจะก่อตัวขึ้นในเวลาเดียวกับดาวเสาร์

การสำรวจดาวเสาร์ของ Christiaan Huygens ระบุว่า สิ่งที่กาลิเลโออธิบายว่าคล้ายแขนหรือหูถ้วย แท้จริงแล้วเป็นวงแหวน image credit: wikipedia.org 

      แต่แนวคิดนี้ก็สร้างปัญหาขึ้นมา เมื่อวงแหวนดาวเสาร์ดูสะอาดสดใส การสำรวจได้บอกว่ารายละเอียดเหล่านี้ประกอบด้วยน้ำแข็งบริสุทธิ์ราว 98% โดยปริมาตร โดยมีวัสดุสารหินเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เป็นไปไม่ได้เลยที่จะมีวงแหวนที่เป็นน้ำแข็งเกือบทั้งหมดอย่างนี้ Kempf กล่าว

     คาสสินีได้ให้โอกาสในการระบุอายุของวงแหวนดาวเสาร์ เมื่อยานไปถึงดาวเสาร์ในปี 2004 และรวบรวมข้อมูลจนกระทั่ง ยานจบชีวิตด้วยการพุ่งเข้าสู่ชั้นบรรยากาศดาวเคราะห์ในปี 2017 เครื่องวิเคราะห์ฝุ่นอวกาศซึ่งมีรูปร่างคล้ายตะกร้า ก็เก็บอนุภาคขนาดเล็กเมื่อยานพุ่งเข้าไปได้

     วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ที่ LASP ออกแบบและสร้างเครื่องวิเคราะห์ฝุ่นที่ดีขึ้นไปอีก ให้กับปฏิบัติการ ยูโรปา คลิปเปอร์(Europa Clipper) ของนาซา ซึ่งมีกำหนดบินออกสู่อวกาศในปี 2024 ทีมประเมินว่าฝุ่นระหว่างดาวเคราะห์ที่ไปถึงวงแหวนดาวเสาร์น่าจะไม่ถึง 1 กรัมฝุ่นต่อทุกตารางฟุตในแต่ละปี ซึ่งดูเล็กน้อยแต่ก็พอจะสะสมได้ การศึกษาก่อนหน้านี้ยังบอกว่าวงแหวนน่าจะมีอายุน้อย แต่ก็ไม่ได้รวมการตรวจสอบการสะสมฝุ่นไว้

      วงแหวนน่าจะค่อยๆ หายไป ในการศึกษาก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์นาซาได้รายงานว่าน้ำแข็งค่อยๆ ตกลงสู่ดาวเคราะห์ และอาจจะหายไปโดยสิ้นเชิงในอีก 1 ร้อยล้านปีข้างหน้า รายละเอียดที่ปรากฏเพียงไม่นานเหล่านี้เมื่อยานกาลิเลโอและคาสสินีได้สำรวจ ก็แทบจะเกินฝันไป Kempf กล่าว และมันก็ให้คำอธิบายว่าวงแหวนก่อตัวขึ้นได้อย่างไร

     นักวิทยาศาสตร์บางคนเคยสงสัยว่าวงแหวนดาวเสาร์อาจจะก่อตัวขึ้นเมื่อแรงโน้มถ่วงดาวเคราะห์ได้ฉีกทำลายหนึ่งในดวงจันทร์ของมันไป ถ้าวงแหวนมีอายุสั้นและมีพลวัต เพราะเหตุใดเราจึงยังเห็นมันในตอนนี้ นี่ต้องเรียกว่าโชคดีอย่างมาก

     ผู้เขียนร่วมการศึกษาใหม่ได้แก่ Nicolas Altobell จากองค์กรอวกาศยุโรป, Jürgen Schmidt จากมหาวิทยาลัยอิสระแห่งแบร์ลิน, Jeffrey Cuzzi และ Paul Estrada จากศูนย์วิจัยเอมส์นาซา และ Ralf Srama จากมหาวิทยาลัยชตุดการ์ด

แหล่งข่าว phys.org - new study puts a definitive age on Saturn’s rings: they’re really young
                iflscience.com – Saturn’s rings are much, much younger than their planet