เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
สองฉบับก่อนหน้านี้ ฉันได้เล่าเรื่องกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม แถมด้วยการทดลองหามวลดาวพฤหัสบดีด้วยกฎของเคปเลอร์ เพื่ออธิบายให้เพื่อน ๆ ผู้อ่านได้เข้าใจว่าศิลปะการเคลื่อนที่แบบหมุน ๆ นั้นมีความสำคัญต่อระบบการเคลื่อนที่ในอวกาศอย่างไรบ้าง
ในฉบับนี้ฉันจะขอย้อนอดีตกันเสียหน่อย ใช่แล้วฉันกำลังจะพาทุกคนไปดูต้นกำเนิดของระบบสุริยะของเราเมื่อครั้งหนึ่งนานมาแล้ว อันเกิดจากการหมุนติ้ว ๆ ๆ นี่แหละ !
ฉันคิดสงสัยมานานว่า ระบบสุริยะของเราเกิดขึ้นได้อย่างไร ทำไมถึงมีดาวเคราะห์ต่าง ๆ มาโคจรรอบดวงอาทิตย์ และเหตุใดพวกเราถึงกลายมาเป็นส่วนหนึ่งของระบบหมุน ๆ นี้
เนื่องจากพวกเรา (ยัง) ไม่มีไทม์แมชีน การศึกษาเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในอดีตอันไกลโพ้นก็ย่อมเริ่มต้นจากการวิเคราะห์จากสิ่งที่มีอยู่ในปัจจุบันเสียก่อน ระบบสุริยะของเราที่รู้จักกันดีในปัจจุบันนั้นมีลักษณะพิเศษที่จะเป็นกุญแจลับเพื่อไขกลับสู่อดีตได้ ข้อมูลสำคัญที่หลาย ๆ คนทราบกันดีก็คือดาวเคราะห์หินทั้งสี่ ไล่จากดวงอาทิตย์ออกไปจนถึงแถบดาวเคราะห์น้อย (asteroid belt) ที่คั่นระหว่างทาง อันได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวโลกบ้านของเรา และดาวอังคาร ก่อนเข้าสู่โซนของดาวเคราะห์ก๊าซ อย่างดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน
ดาวเคราะห์ทั้งแปดในระบบสุริยะของเราสามัคคีกันสุด ๆ ล้วนโคจรรอบดวงอาทิตย์ไปในทิศทางเดียวกัน อีกทั้งยังอยู่ในระนาบเดียวกันด้วย ! นี่คงไม่ใช่เรื่องบังเอิญเป็นแน่ ยิ่งไปกว่านั้นดาวเคราะห์แทบทุกดวงยังหมุนรอบตัวเองในทิศทวนเข็มนาฬิกา เว้นก็แต่ดาวศุกร์ที่หมุนในทิศตามเข็มนาฬิกา และดาวยูเรนัสที่แทนจะหมุนรอบตัวเองดี ๆ แกนหมุนกลับเอียงจนดูเหมือนมันกลิ้งหลุน ๆ ไปตามรอบวงโคจรเสียมากกว่า
ข้อสังเกตที่ได้จากการสำรวจระบบสุริยะต่างชี้ไปถึงจุดกำเนิดของมันว่ามีความเป็นไปได้สูงที่พวกเราเคยเป็นหนึ่งเดียวกันมาก่อน ส่งผลให้มีระบบและรูปแบบคล้ายคลึงบางอย่างที่ยังคงหลงเหลือมาจนถึงปัจจุบันแม้เวลาจะล่วงเลยผ่านมานานโข ฉันขอยกตัวอย่างเปรียบเทียบเพื่อให้เข้าใจเพิ่มขึ้น ลองนึกภาพเมื่อเราจับมือเป็นวงกลมกับเพื่อน ๆ แล้วหมุนไปรอบ ๆ ในทิศทางเดียวกันสักสองสามรอบ จากนั้นค่อย ๆ ปล่อยมือออก ต่างคนต่างกระจายกันออกไป แต่ยังคงความหมุนติ้วทิ้งท้ายตามติดไปในแต่ละคน เป็นหลักฐานว่าต่างคนต่างเคยจับมือหมุนด้วยกันมาก่อน นั่นแหละ
ข้อสันนิษฐานการเกิดและพัฒนาของระบบสุริยะที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดก็เห็นจะเป็นข้อสันนิษฐานเนบิวลา (nebular hypothesis) ที่เชื่อว่า ระบบสุริยะของเราเริ่มต้นมาจากกลุ่มก๊าซและฝุ่นผง หรือเนบิวลาที่มีการเคลื่อนที่หมุนวนจนผสมผสานออกเป็นก้อนมวลที่ใหญ่ขึ้น ผ่านการพุ่งชนและรวมตัวกันเกิดเป็นดาวเคราะห์ที่มีส่วนผสมแตกต่างกันไป
กำเนิดระบบสุริยะจึงอาจแบ่งออกคร่าว ๆ ได้ 5 ขั้นตอนด้วยกันดังนี้
1) เมื่อ 4.6 พันล้านปีที่แล้ว กลุ่มก๊าซและฝุ่นผง solar nebula มีลักษณะคล้ายก้อนเมฆที่หมุนวนไปมา จนถึงจุด ๆ หนึ่งที่มันหดตัวลงภายใต้แรงโน้มถ่วงของตัวเอง วัตถุดิบทั้งหลายถูกดึงดูดเข้าสู่ใจกลาง ทั้งหดลง เข้มข้นขึ้น และร้อนขึ้นจนวัตถุแข็งต่าง ๆ ระเหิดหายไป วัตถุที่รวมเข้าสู่ใจกลางนี้ได้กลายไปเป็นดาวฤกษ์เกิดใหม่ (protostar) หรือดวงอาทิตย์ในวัยทารกนั่นเอง
2) ในขณะเดียวกันก้อนก๊าซนี้ก็หมุนเร็วขึ้นตามหลักของกฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม ที่กล่าวว่า หากไม่มีแรงภายนอกมากระทำ โมเมนตัมของระบบจะมีค่าคงที่ และในเมื่อระบบมีรัศมีวงโคจรที่แคบลงจากการหดตัว ความเร็วของระบบจึงต้องเพิ่มขึ้นเพื่อรักษาสมดุลและคงค่าโมเมนตัมให้คงเดิม ผลของความเร็วที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้มวลบางส่วนถูกปั่นจนปลิวออกไปไกล จากก้อนกลุ่มก๊าซที่คล้ายทรงกลมจะถูกปั่นเหวี่ยงและกดลงจนหลงเหลืออยู่เพียงแผ่นดิสก์แบน ๆ ที่เต็มไปด้วยฝุ่นผง การเคลื่อนที่แบบหมุนเหวี่ยงนี้ทำให้พลังงานศักย์แปรเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์และกลายเป็นพลังงานความร้อน ซึ่งเป็นอีกพลังงานหนึ่งที่สำคัญต่อการก่อเกิดระบบสุริยะ
3) ขณะเดียวกันนี้เอง ดาวฤกษ์แรกเกิดหรือดวงอาทิตย์ของเราก็ได้กำเนิดขึ้นที่ใจกลางของดิสก์นี้ ความร้อนที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงเหนี่ยวนำเริ่มแผ่ออกและอุ่นให้แผ่นดิสก์โดยรอบมีอุณหภูมิสูงขึ้น ฝุ่นผงเล็ก ๆ เริ่มเกาะตัวกันด้วยแรงดึงดูดจากการเหนี่ยวนำเชิงไฟฟ้า เมื่อใหญ่ขึ้นก็พุ่งชนกันและหลอมรวมกันไป จากผงเล็ก ๆ ก็ก่อร่างสร้างตัวเป็นก้อนใหญ่ขึ้น ยิ่งใหญ่มากก็มีโอกาสชนกันมากเพื่อก่อเกิดก้อนที่ใหญ่กว่าขึ้นไปอีก กระบวนการนี้มักจะเกิดในบริเวณใกล้ใจกลางที่มีมวลมาอยู่รวมกันชุกชุม เพราะมวลทั้งหลายถูกแรงโน้มถ่วงดึงดูดเข้าเป็นบริวารล้อมรอบดวงอาทิตย์แรกเกิด ก่อนทั้งหมดทั้งมวลจะเริ่มเย็นตัวลง แล้วสิ้นสุดขั้นตอนนี้ด้วยการที่ดวงอาทิตย์เริ่มปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน หรือการที่อะตอมของไฮโดรเจนรวมตัวกันกลายเป็นฮีเลียม เพื่อสร้างพลังงานให้แก่ดวงอาทิตย์ในฐานะดาวฤกษ์ที่เปิดทำการเต็มตัว
4) ต่อมาก็ถึงคราวของเหล่าดาวเคราะห์กันบ้าง ในขั้นตอนการก่อร่างสร้างตัวของเหล่าก้อนมวล หรือ planetesimal ที่เป็นวัตถุดิบเริ่มต้นของดาวเคราะห์ ในขั้นนี้ดาวเคราะห์จะเริ่มก่อเกิดเป็นรูปเป็นร่างขึ้นมาบ้างแล้ว การที่อุณหภูมิ ณ ระยะทางจากใจกลางดวงอาทิตย์ต่างกันไป ก่อให้เกิดการแบ่งแยกของธาตุที่พบได้ในแต่ละโซน การเย็นตัวลงของธาตุ ณ อุณหภูมิต่าง ๆ กัน (condensation temperature) บ่งบอกว่าต้องใช้อุณหภูมิมากแค่ไหนจึงจะทำให้ธาตุนั้น ๆ หลอมและระเหยได้ ธาตุต้นกำเนิดหินแข็งจำพวกโลหะและซิลิเกตที่มีอุณหภูมิการควบแน่นหรือจุดหลอมเหลวสูง จึงพบมากในบริเวณใกล้ดวงอาทิตย์ที่ร้อนกว่า เพราะยังคงรักษาสภาพของแข็งได้แม้อุณหภูมิจะสูงมาก ส่วนน้ำและน้ำแข็งมีจุดหลอมเหลวต่ำก็จะก่อตัวกันในบริเวณที่ไกลออกไปจากใจกลางที่เย็นลงตามลำดับ นี่คือสาเหตุที่ดาวเคราะห์หินและดาวเคราะห์ก๊าซแบ่งแยกอย่างชัดเจนตามระยะห่างจากดวงอาทิตย์ที่ส่งผลต่ออุณหภูมิ ณ จุดนั้น ๆ นั่นเอง จะสังเกตเห็นว่าดาวเคราะห์ชั้นในไม่ค่อยมีส่วนประกอบของน้ำแข็ง เพราะอุณหภูมิไม่เคยต่ำพอให้น้ำควบแน่น ในทางกลับกันดาวเคราะห์ชั้นนอกที่มีอุณหภูมิต่ำพอให้ออกซิเจนและไฮโดรเจนรวมตัวกัน จะลงเอยในรูปน้ำแข็ง
ทั้งนี้ด้วยวัตถุดิบที่ต่างกันออกไป ดาวเคราะห์หินและดาวเคราะห์ก๊าซต่างก็มีกระบวนการก่อตัวที่ต่างกัน ดังนี้
“ดาวเคราะห์หิน”
กระบวนการต่อเนื่องมาจากที่อธิบายไว้ในขั้นตอนที่ 3 planetesimal หรือเหล่าก้อนมวลที่เป็นวัตถุดิบเริ่มต้นของดาวเคราะห์นี้ บ้างก็ยังคงหลงเหลืออยู่ถึงปัจจุบันในรูปของอุกกาบาต บ้างก็ใหญ่มากพอที่จะดึงดูดมวลอื่น ๆ เข้าหาตนและก่อเกิดเป็นดาวเคราะห์แรกเกิด หรือ protoplanet แรงดึงดูดจากการหมุนเหวี่ยงและรวมตัวกันนี้ก่อให้เกิดพลังงานความร้อนที่อุ่นดาวเคราะห์แรกเกิดจนอุณหภูมิสูงมากพอจะหลอมหินและธาตุโลหะให้ละลาย อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะปัดเป่าก๊าซออกไป เหลือแค่เพียงธาตุหนัก ๆ ความหนาแน่นสูง ๆ แข็งตัวลง เช่น ดาวศุกร์ ที่กำเนิดขึ้นในโซนที่มีอุณหภูมิราว 900 เคลวิน ประกอบไปด้วยธาตุที่คงสถานะของแข็งอยู่ได้ในสภาพอุณหภูมิ 900 เคลวิน จากนั้นดาวเคราะห์แต่ละดวงก็เข้าสู่ขั้นตอนการแยกชั้น หรือ planetary differentiation ที่ธาตุโลหะที่หนักกว่าจะจมลงสู่ใจกลางดาว ส่วนธาตุซิลิเกตที่เบากว่าจะลอยขึ้นสู่ผิวดาว ขั้นตอนนี้เองที่ส่งผลให้โลกของเรามีองค์ประกอบใจกลางเป็นแก่นโลหะ และมีชั้นต่าง ๆ ที่องค์ประกอบต่างกันไปไล่มาจนถึงเปลือกโลก (เหมือนไข่ต้ม)
“ดาวเคราะห์ก๊าซ”
ในบริเวณที่ไกลออกไปจากดวงอาทิตย์ วัตถุดิบต่าง ๆ อย่างน้ำแข็งและหินได้ก่อตัวกันขึ้นและมีขนาดใหญ่กว่าโลกราวสิบเท่า ขนาดที่ใหญ่และมีแรงโน้มถ่วงมากพอจะดึงดูดก๊าซที่อยู่โดยรอบเข้ามาได้ และเพิ่มขนาดขึ้นอย่างรวดเร็ว ก๊าซไฮโดรเจนและฮีเลียมถูกดึงดูดเข้าหาแก่นกลางของดาว พลังงานจากการดึงดูดนี้อุ่นดาวเคราะห์ก๊าซให้ร้อนขึ้น แม้จะเป็นดาวเคราะห์ชั้นนอกเหมือนกัน แต่ดาวเสาร์กับดาวพฤหัสบดีจะดึงดูดก๊าซได้มากกว่า ส่วนยูเรนัสกับเนปจูนที่ห่างไกลออกไปในเขตที่ก๊าซเบาบางลงจะมีส่วนผสมจำพวกน้ำแข็งเสียมากกว่า นี่อาจฟังดูคล้ายกับขั้นตอนการกำเนิดดาวฤกษ์ แต่อย่างไรก็ตามอุณหภูมิก็ยังไม่มากพอที่จะกระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบดาวฤกษ์ กลับกัน มันจะค่อย ๆ เย็นตัวลง แต่ก็ยังคงองค์ประกอบก๊าซที่คล้ายกับดวงอาทิตย์จนมาถึงปัจจุบัน
5) มาถึงขั้นตอนสุดท้าย ดวงอาทิตย์ที่เติบโตเต็มที่ดึงดูดมวลเข้าสู่ใจกลาง ดาวเคราะห์ทั้งหลายได้มีวงโคจรเป็นของตัวเอง เศษที่เหลืออยู่ที่ไม่ได้ไปต่อในรูปดาวเคราะห์ก็ลงเอยเป็นพวกอุกกาบาตและดาวเคราะห์น้อย แม้แต่ดวงจันทร์ของดาวเคราะห์เองก็เกิดมาจากฝุ่นผงเดียวกันนี้แหละ และสุดท้ายจริง ๆ คือ หลังจากนั้นการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์ ประกอบกับลมสุริยะ จะปัดเป่าก๊าซที่หลงเหลือทั้งหลายออก จนเป็นระบบสุริยะของเราอย่างที่เห็นในทุกวันนี้
5 ขั้นตอนที่กล่าวมานี้ได้อธิบายคุณลักษณะของระบบสุริยะที่เรากล่าวไว้ข้างต้นได้เป็นอย่างดี
การที่ระบบสุริยะของเราเคยเป็นหนึ่งเดียวกันมาก่อน อธิบายถึงสาเหตุที่ดาวเคราะห์ทั้งหลายมีลักษณะการโคจรและทิศทางการหมุนรอบตัวเองไปในทิศเดียวกัน ส่วนดาวเคราะห์สองดวงคือ ดาวศุกร์และดาวยูเรนัสที่มีทิศทางการหมุนรอบตัวเองต่างจากเพื่อน ๆ ไปนั้น มีอีกข้อสันนิษฐานว่าอาจเปลี่ยนแปลงไปหลังจากโดนอุกกาบาตพุ่งชนครั้งใหญ่จนหลุดสมดุลเดิมและเสียศูนย์
ปัจจุบันมีการเก็บรวบรวมข้อมูลเพื่อสนับสนุนข้อสันนิษฐานเนบิวลามากขึ้น จนได้รับการยอมรับเป็น “ทฤษฎีเนบิวลา” (Nebular Theory) อธิบายการกำเนิดระบบสุริยะ
หลักฐานหลัก ๆ ของทฤษฎีนี้ก็เห็นจะเป็นการค้นพบระบบดาวฤกษ์-ดาวเคราะห์อื่น ๆ นอกระบบสุริยะของเรา หรือที่คุ้นกันในชื่อ exoplanets เป็นการพิสูจน์ว่ามีอีกหลายระบบที่มีลักษณะคล้ายกับระบบสุริยะของเรา คือ มีดาวเคราะห์ขนาดและลักษณะต่างกันออกไปตามระยะโคจรต่าง ๆ รอบดาวฤกษ์ ณ ใจกลาง แถมลักษณะระนาบโคจรและทิศการหมุนรอบตัวเองก็เป็นไปในทางเดียวกันตามที่คาดไว้
นอกจากนี้การค้นพบดิสก์ในระบบอื่น ๆ ที่เต็มไปด้วยช่องว่างตามวิถีโคจรของดาวเคราะห์ก็สนับสนุนข้อสันนิษฐานที่ว่า ทั้งระบบนั้นเคยประกอบด้วยฝุ่นก๊าซจำนวนมากก่อนจะถูกกวาดออกให้พ้นทางโดยวงโคจรของดาวเคราะห์ที่กำเนิดขึ้น เกิดเป็นวงแหวนฝุ่นที่เห็นได้ชัดเมื่อมองจากภาพถ่าย
อย่างไรก็ตามด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาล้ำไปมาก เราจึงศึกษาระบบดาวอื่น ๆ นอกเหนือจากระบบสุริยะของเราเอง ไม่แน่ว่าอาจจะพบความจริงใหม่ ๆ ที่อธิบายการเกิดระบบสุริยะได้แม่นยำขึ้น หรือแม้แต่หักล้างทฤษฎีในปัจจุบันก็เป็นได้ แต่ในระหว่างนี้เราก็ยึดตามทฤษฎีเนบิวลานี้ไปก่อนด้วยความสมเหตุสมผลและสอดรับกับหลักฐานที่มีอยู่ได้ดี
กล่าวโดยสรุป ทฤษฎีเนบิวลาสนับสนุนว่า ดาวเคราะห์ถือกำเนิดเป็นผลโดยธรรมชาติจากการกำเนิดของดาวฤกษ์ แปลว่าทุก ๆ การเกิดของดาว ก็ย่อมมีดาวเคราะห์กำเนิดขึ้นมาเช่นกัน ได้ฟังแบบนี้แล้วฉันก็รู้สึกขนลุกแปลก ๆ หรือนี่จะหมายถึงว่า มีโอกาสสูงที่จะเจอดาวเคราะห์แบบโลกของเราในอวกาศอันไกลโพ้น หรือแม้แต่สิ่งมีชีวิตจากดาวดวงอื่น
แน่นอนว่าปัจจุบันเราได้ค้นพบระบบที่คล้ายคลึงกับระบบสุริยะของเราจำนวนมาก มีดาวเคราะห์ขนาดต่าง ๆ กันหลายดวงโคจรรอบดาวของมัน ผ่านการสำรวจด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศ James Webb เราจึงศึกษาเชิงลึกถึงชั้นบรรยากาศและองค์ประกอบของดาวเหล่านั้นเพื่อสืบหาสัญญาณสิ่งมีชีวิตที่อาจมีอยู่
เห็นแบบนี้แล้วก็ชวนให้ฉันคิดว่า ถ้าไม่มีสิ่งมีชีวิตบนดาวอื่นเลยในอวกาศสุดไกลโพ้นนี้ It would be a waste of ‘space’! จริงไหม ?!
ทั้งนี้คงต้องติดตามกันต่อไป แล้วพบกันใหม่ฉบับหน้า
About Author
