วงแหวนน้ำแข็งอายุน้อยของดาวเสาร์

 

     แบบจำลองเสมือนจริงซุปเปอร์คอมพิวเตอร์ชุดใหม่ได้เสนอคำตอบให้กับปริศนากำเนิดวงแหวนของดาวเสาร์ โดยบอกว่าเกิดจากการชนครั้งใหญ่เมื่อไม่นานมานี้

     จากงานวิจัยใหม่ที่เผยแพร่ใน Astrophysical Journal ซึ่งมีนาซา และมหาวิทยาลัยเดอร์แรมและมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ บอกว่า วงแหวนดาวเสาร์น่าจะพัฒนามาจากเศษซากของดวงจันทร์น้ำแข็งโบราณสองดวงซึ่งชนกันและกระจายออกเมื่อไม่กี่ร้อยล้านปีก่อน พวกมันน่าจะมีขนาดใกล้เคียงกับดวงจันทร์สองดวงในปัจจุบันของดาวเสาร์คือ ไดโอเน่(Dione) และรีห์อา(Rhea) เศษซากที่ไม่ได้กลายเป็นวงแหวนก็ยังอาจจะมีส่วนในการก่อตัวของดวงจันทร์ปัจจุบันบางส่วนของดาวเสาร์ด้วย

      การตรวจสอบดาวเสาร์ด้วยคุณภาพสูงมาจากยานคาสสินี ซึ่งใช้เวลา 13 ปีศึกษาดาวเคราะห์วงแหวนและระบบของมัน หลังจากเข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์ในปี 2004 คาสสินีได้เก็บข้อมูลที่แม่นยำสูง จากการบินผ่านและบินพุ่งเข้าไปในช่องว่าง(gap) ระหว่างวงแหวนกับตัวดาวเสาร์เอง คาสสินีพบว่าวงแหวนเป็นน้ำแข็งเกือบจะบริสุทธิ์ และสะสมฝุ่นน้อยมากๆ ซึ่งบอกว่า พวกมันก่อตัวเมื่อไม่นานมานี้

      ด้วยแรงบันดาลใจจากความเยาว์วัยของวงแหวน ทีมวิจัยจึงใช้ COSMA ที่มหาวิทยาลัยเดอร์แรม อันเป็นส่วนหนึ่งของระบบ DiRAC(Distributed Research Utilizing Advanced Computing) ทีมจำลองการชนระหว่างดวงจันทร์ต้นกำเนิดว่าจะมีความแตกต่างกันอย่างไร แบบจำลองเสมือนจริงอุทกพลศาสตร์นี้มีความละเอียดมากกว่าที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้กว่าร้อยเท่า ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มีมุมมองที่ดีที่สุดสู่ความเป็นมาของระบบดาวเสาร์

     Vincent Eke รองศาสตราจารย์ที่แผนกฟิสิกส์ สถาบันเพื่อเอกภพวิทยาการคำนวณ มหาวิทยาลัยเดอร์แรม กล่าวว่า เราทดสอบสมมุติฐานที่บอกว่าวงแหวนดาวเสาร์เพิ่งก่อตัวเมื่อเร็วๆ นี้ และได้พบว่าการชนของดวงจันทร์น้ำแข็งนั้นสามารถส่งวัสดุสารเข้าไปใกล้ดาวเสาร์ เพื่อก่อตัวเป็นวงแหวนอย่างที่เราเห็นในทุกวันนี้ได้

ภาพจากแบบจำลองเสมือนจริงแสดงการชนของดวงจันทร์น้ำแข็งสองดวงของดาวเสาร์ เศษซากวัสดุสารจะกระจายไปทั่วระบบ โดยส่วนที่เป็นน้ำแข็งจะไปรวมตัวกลายเป็นวงแหวนที่เป็นอัตลักษณ์ของดาวเสาร์ 

     ลำดับเหตุการณ์นี้โดยธรรมชาติแล้วนำไปสู่การก่อตัววงแหวนที่อุดมไปด้วยน้ำแข็ง เนื่องจากเมื่อดวงจันทร์ต้นกำเนิดชนซึ่งกันและกัน หินในแกนกลางของวัตถุที่ชนกันจะกระจัดกระจายไปในวงแคบกว่า น้ำแข็งที่อยู่ด้านนอกซึ่งจะกระจายไปใกล้กับพื้นผิวดาวเสาร์ได้มากกว่า

     วงแหวนดาวเสาร์ในปัจจุบันอยู่ใกล้กับดาวเคราะห์ อยู่ภายในสิ่งที่เรียกว่า ขีดจำกัดโรช(Roche limit) ซึ่งเป็นวงโคจรที่ไกลที่สุดที่แรงโน้มถ่วงจากดาวเคราะห์ จะทรงพลังมากพอที่จะทำลายวัตถุหินหรือน้ำแข็งขนาดใหญ่ที่เข้ามาใกล้กว่านั้น วัสดุสารที่โคจรอยู่ไกลออกไปจากขีดจำกัดนี้จะสามารถเกาะกุมตัวเข้าด้วยกันก่อตัวดวงจันทร์ได้

     ด้วยการจำลองการชนหลากหลายแบบรวมเกือบ 200 แบบ ทีมวิจัยได้พบว่า ลำดับเหตุการณ์การชนกลุ่มกว้างๆ ที่สามารถกระจายน้ำแข็งในปริมาณที่สอดคล้องเข้าสู่ขีดจำกัดโรชของดาวเสาร์ได้ ซึ่งจะไปก่อตัวเป็นวงแหวน ในสภาพที่มีน้ำแข็งมากพอๆ กับที่พบในปัจจุบัน

     ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เป็นที่แน่ชัดแล้วว่าระบบวงแหวนของดาวเสาร์นั้นไม่ได้ก่อตัวขึ้นมาพร้อมกับดาวเคราะห์ วงแหวนน่าจะก่อตัวเมื่อไม่นานมานี้ สมมุติฐานทางเลือกหนึ่งบอกว่าอาจจะมีดวงจันทร์ดวงหนึ่งที่เข้าไปใกล้ดาวเสาร์มากเกินไป ข้ามขีดจำกัดโรชไป แรงโน้มถ่วงจึงฉีกดวงจันทร์ออกและกระจายเศษซากกลายเป็นวงแหวน แต่ลำดับเหตุการณ์จากการชนดูจะมีสีสันกว่ามาก ผลจากแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ยังอาจจะสร้างกำทอนกับดวงจันทร์สองดวงที่อยู่ใกล้กัน ชักนำให้พวกมันชนกันในที่สุด จากนั้นเศษซากก็กระจายไปทั่วระบบและส่งผลต่อดวงจันทร์อื่นๆ ด้วย

     โดยปกติ เมื่อดวงจันทร์มีอายุมากขึ้น พวกมันมักจะขยับออกห่าง อันเนื่องจากผลของแรงโน้มถ่วง วงโคจรของรีห์อาเองก็อยู่เลยเขตกำทอนออกมาเล็กน้อย ถ้ารีห์อามีอายุเก่าแก่มันก็จะต้องมีกำเนิดในเขต และก็ไม่น่ารอดจนข้ามออกมาได้ แต่ถ้ามันอยู่ตรงนี้ สำหรับนักวิจัยแล้ว นี่บ่งชี้ว่าการชนได้ก่อตัววงแหวน และแปรสภาพดวงจันทร์ กระทั่งกระจายน้ำแข็งให้กับดวงจันทร์อื่นๆ ในระบบด้วย

ภาพจำลองการกระจายของวัสดุสารน้ำแข็งซึ่งเบากว่าวัสดุสารที่เป็นหิน 

     Jacob Kegerreis อดีตนักศึกษาปริญญาเอกจากเดอร์แรม ซึ่งขณะนี้เป็นนักวิทยาศาสตร์วิจัยที่สูนย์วิจัยเอมส์ของนาซา กล่าวว่า ยังมีอะไรอีกมากที่เราไม่ทราบเกี่ยวกับระบบดาวเสาร์ รวมถึงดวงจันทร์ของมันที่มีสภาพแวดล้อมที่น่าจะเกื้อกูลสิ่งมีชีวิต ดังนั้นจึงน่าตื่นเต้นที่ได้ใช้แบบจำลองเสมือนจริงขนาดใหญ่อย่างนี้เพื่อศึกษาในรายละเอียดว่า ระบบมีพัฒนาการอย่างไร

     Luis Teodoro จากมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ กล่าวว่า อายุทางธรณีวิทยาของวงแหวนดาวเสาร์ที่ดูเหมือนจะน้อย เป็นปริศนามานับตั้งแต่ยานวอยยาจเจอร์ส่งภาพแรกๆ จากดาวเสาร์กลับมาแล้ว ความร่วมมือนี้ช่วยให้เราได้ตรวจสอบสภาพที่เป็นไปได้ที่ให้กำเนิด(วงแหวน) โดยให้ผลที่น่าทึ่งมาก

 

แหล่งข่าว phys.org : new simulations shed light on origins of Saturn’s rings and icy moons
               space.com : a giant moon collision may have given rise to Saturn’s iconic rings, study suggests
                iflscience.com : Saturn’s rings might have come from the collision between two icy moons