แถบไคเปอร์ที่ใหญ่ขึ้น หรือแถบที่สอง

 

     การสำรวจครั้งใหม่จากยานนิวฮอไรซันส์ของนาซาได้บอกใบ้ว่า แถบไคเปอร์ ซึ่งเป็นพื้นที่กว้างใหญ่ส่วนนอกที่ไกลโพ้นของระบบสุริยะและเต็มไปด้วยวัตถุดิบก่อตัวดาวเคราะห์หินน้ำแข็งหลายแสนดวง อาจจะแผ่ออกไปไกลกว่าที่เราเคยคิดไว้

    ยานนิวฮอไรซันส์(New Horizons) ของนาซาซึ่งวิ่งผ่านขอบนอกของแถบไคเปอร์(Kuiper Belt) ที่เกือบ 60 เท่าระยะทางจากดวงอาทิตย์ถึงโลก เครื่องมือ SDC(Venetia Burney Student Dust Counter) ตั้งชื่อตามเด็กหญิงผู้เสนอชื่อพลูโต บนยานตรวจพบระดับฝุ่นที่สูงกว่าที่เคยคาดไว้ ฝุ่นเหล่านี้เป็นซากฝุ่นแข็งขนาดจิ๋วที่เกิดจากการชนระหว่างวัตถุในแถบไคเปอร์(Kuiper Belt Objects; KBOs) ขนาดใหญ่กว่า กับอนุภาคที่ถูกผลักออกจาก KBOs ซึ่งถูกปะพรมด้วยตัวชนสร้างฝุ่นขนาดจิ๋วจากภายนอกระบบสุริยะ

     ค่าที่อ่านได้สะเทือนแบบจำลองทางวิทยาศาสตร์ที่บอกว่าประชากร KBO และความหนาแน่นของฝุ่นน่าจะเริ่มลดลงราว 1.6 พันล้านกิโลเมตร และยิ่งเพิ่มหลักฐานที่บอกว่า ขอบนอกของแถบไคเปอร์หลักน่าจะแผ่ออกไปไกลกว่าที่เคยประเมินไว้หลายพันล้านกิโลเมตร หรืออาจจะมีแถบที่สอง อยู่เลยแถบไคเปอร์แรกที่เรารู้จัก ผลสรุปนี้เผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters

     นิวฮอไรซันส์กำลังทำการตรวจสอบฝุ่นในห้วงอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ในตำแหน่งที่อยู่เลยเนปจูนและพลูโตออกไปโดยตรงได้เป็นครั้งแรก ดังนั้นการสำรวจทุกๆ งานน่าจะนำไปสู่การค้นพบได้ Alex Doner ผู้เขียนนำรายงาน และนักศึกษาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้นำทีม SDC

โครงสร้างโดยย่อของระบบสุริยะ ซึ่งมีดวงอาทิตย์อยู่ด้านซ้ายสุด 

     แนวคิดที่ว่าเราอาจจะตรวจพบแถบไคเปอร์ที่แผ่ขยายออกไป โดยมีประชากรวัตถุกลุ่มใหม่เอี่ยมที่กำลังชนกันและสร้างฝุ่นเพิ่มขึ้น ก็ได้ให้เงื่อนงำอีกอย่างในการไขปริศนาพื้นที่ไกลโพ้นส่วนนอกสุดของระบบสุริยะได้

     ตามความเข้าใจเดิม แถบไคเปอร์(Kuiper-Edgeworth Belt) ได้ชื่อตาม Gerard Kuiper และ Kenneth Edgeworth ซึ่งต่างคนก็ต่างเสนอการมีอยู่ของมัน อยู่ไกลออกไปมาก และวัตถุน้ำแข็งในพื้นที่นี้ก็มีขนาดเล็กและสลัวมาก ซึ่งต้องรอจนกระทั่งปี 1992 ที่ได้พบ KBOs ดวงแรก นับแต่นั้นก็มีการพบ KBOs หลายพันดวง เลยจากแถบไคเปอร์ออกไป เป็นดิสก์กระเจิง(scattered disk) ซึ่งมี KBOs ที่กระจายออกจากแถบไคเปอร์โดยปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงกับเนปจูน

    วัตถุในดิสก์กระเจิงนี้ น่าจะมีวงโคจรที่รีมาก และเอียงจากระนาบระบบสุริยะ และอาจจะถอยออกไปได้ไกลหลายร้อย AU จากดวงอาทิตย์ เลยจากแถบไคเปอร์และดิสก์กระเจิงออกไปอีกไกล เป็นเมฆออร์ต(Oort Cloud) ซึ่งเป็นพื้นที่ทรงกลมขนาดใหญ่โตซึ่งมีวัตถุเยือกแข็งอยู่กันในระยะทางที่อาจไกลเกิน 1 ปีแสง นักวิทยาศาสตร์ทราบการมีอยู่ของเมฆออร์ตได้จากวงโคจรของดาวหางคาบยาว(long-period comets) ที่สามารถตามรอยกลับไปที่เมฆออร์ตได้

     SDC ซึ่งออกแบบและสร้างโดยนักศึกษาที่ห้องทดลองเพื่อฟิสิกส์ชั้นบรรยากาศและอวกาศ(LASP) ที่มหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ภายใต้คำแนะนำของวิศวกรมืออาชีพ SDC ตรวจจับเม็ดฝุ่นจิ๋วที่เกิดจากการชนในกลุ่มดาวเคราะห์น้อย, ดาวหางและวัตถุในแถบไคเปอร์ ตลอดเส้นทางการเดินทาง 8 พันล้านกิโลเมตร และการเดินทางข้ามระบบสุริยะ 18 ปีของนิวฮอไรซันส์ ซึ่งถูกส่งออกสู่อวกาศในปี 2006 รวมถึงการบินผ่านพลูโตครั้งประวัติศาสตร์ในปี 2015 และ KBO ดวงหนึ่งที่มีชื่อว่า อาร์โรกอธ(Arrokoth) ในวันปีใหม่ปี 2019 ที่ระยะทางเฉลี่ย 44.6 AU

Arrokoth 

      เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ชิ้นแรกบนปฏิบัติการข้ามพิภพที่ถูกออกแบบ, สร้างและบินโดยนักศึกษา SDC ติดตั้งบนด้านหน้าของยาน ประกอบด้วยเครื่องตรวจจับฝุ่นฟิล์มพลาสติก 14 อันซึ่งแต่ละอันมีขนาด 14.2*6.5 เซนติเมตร และหนาเพียง 28 ไมครอน มีเครื่องตรวจจับราวหนึ่งโหลที่เปิดพื้นผิวออกสู่อวกาศ ในขณะที่มีสองอันที่ปิดไว้เพื่อทำหน้าที่เป็นเครื่องตรวจจับอ้างอิง บันทึกเหตุการณ์ใดๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับการชนของฝุ่น

     เมื่อมีอนุภาคฝุ่นชนกับหนึ่งในเครื่องตรวจจับ การชนจะทิ้งรูจิ๋วไว้บนฟิล์มพลาสติก ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงความสามารถในการนำไฟฟ้าของพื้นผิวไป จะนับและตรวจสอบขนาดอนุภาคฝุ่น สร้างข้อมูลอัตราการชนในวัตถุหลายชนิดในระบบสุริยะส่วนนอก ผลสรุปล่าสุดที่น่าประหลาดใจเกิดขึ้นในช่วงสามปีที่ยานเดินทางจากระยะทาง 45 ไปถึง 55 AU จากดวงอาทิตย์

     การอ่านค่าเกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์นิวฮอไรซันส์ ใช้หอสังเกตการณ์อย่างกล้องโทรทรรศน์ซูบารุในฮาวาย ยังได้พบจำนวน KBOs ที่อยู่เลยขอบนอกเดิมของแถบไคเปอร์ออกไป เคยคิดว่าขอบนอก(ซึ่งความหนาแน่นของวัตถุควรจะลดลง) อยู่ที่ราว 50 AU แต่หลักฐานใหม่บอกว่าแถบอาจจะแผ่ขยายไปจนถึง 80 AU หรือไกลกว่านั้น นอกจากนี้ยังมีวงโคจรที่ไม่รีที่จะระบุถึงดิสก์กระเจิง แต่กลับอยู่ในระนาบเดียวกับแถบไคเปอร์  

     การสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์ยังคงดำเนินต่อไป Doner บอกว่านักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาเหตุผลอื่นสำหรับค่าฝุ่นสูงที่ SDC อ่านได้ ความเป็นไปได้ทางหนึ่ง(อาจจะเป็นไปได้น้อยหน่อย) ก็คือ แรงดันการแผ่รังสีและปัจจัยอื่นๆ ที่ผลักฝุ่นที่ถูกสร้างในแถบไคเปอร์ส่วนในออกจนผ่าน 50 AU ไป นิวฮอไรซันส์ยังอาจจะเจอกับอนุภาคน้ำแข็งที่อายุสั้นซึ่งไม่สามารถเข้าไปถึงระบบสุริยะส่วนในกว่านี้ได้ และไม่ได้ถูกผนวกรวมในแบบจำลองแถบไคเปอร์ปัจจุบัน

เส้นทางและตำแหน่งปัจจุบันของยานนิวฮอไรซันส์ ณ วันที่ 22 กุมภาพันธ์ 2024

     ผลสรุปใหม่จากนิวฮอไรซันส์อาจจะเป็นครั้งแรกที่ยานใดๆ จะได้พบประชากรวัตถุชนิดใหม่ในระบบสุริยะของเรา Alan Stern ผู้นำปฏิบัติการนิวฮอไรซันส์ จากสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์ กล่าว ผมแทบรอไม่ไหวที่จะได้เห็นว่าระดับฝุ่นในแถบไคเปอร์จะยังคงสูง ออกไปจนไกลได้แค่ไหน

     ขณะนี้เมื่อปฏิบัติการเข้าสู่ภาคต่อรอบที่สอง อยู่ที่ระยะทางมากกว่า 58 AU และคาดว่านิวฮอไรซันส์จะมีเชื้อเพลิงและพลังงานมากพอเพื่อทำงานผ่านทศวรรษ 2040 บินไปไกลกว่า 100 AU และอาจจะถึง 120 AU จากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นขอบของระบบสุริยะ ที่ระยะไกลขนาดนี้ SDC น่าจะยังสามารถบันทึกการผ่านข้ามพรมแดนเข้าสู่พื้นที่ที่มีอนุภาคในห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว(interstellar) มากกว่าสภาพฝุ่นฟุ้ง

     ด้วยการสำรวจแถบไคเปอร์จากกล้องโทรทรรศน์บนโลกเพิ่มเติม นิวฮอไรซันส์ซึ่งเป็นยานลำเดียวที่กำลังทำงานอยู่ภายในแถบไคเปอร์ จะรวบรวมข้อมูลใหม่ๆ ได้สร้างโอกาสอันเป็นอัตลักษณ์สู่การเรียนรู้เกี่ยวกับ KBOs, แหล่งฝุ่น และการแผ่ขยายของแถบ และฝุ่นในห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว และดิสก์ฝุ่นรอบดาวฤกษ์อื่นได้

แหล่งข่าว phys.org : NASA’s New Horizons detects dusty hints of extended Kuiper Belt
                sciencealert.com : NASA’s New Horizons discovered a large surprise in the Kuiper Belt
                space.com : our solar system map may need an update – the Kuiper Belt could be way bigger   ค