Frontpage Slideshow | Copyright © 2006-2011 JoomlaWorks Ltd.

การสังเกตการณ์ดาวพฤหัสบดีเบื้องต้น (ตอนที่ 2)

Share

การสังเกตการณ์ดาวพฤหัสบดีเบื้องต้น (ตอนที่ 2)

 

บทความตอนแรก: ภาพรวมเกี่ยวกับดาวพฤหัสบดี

http://www.narit.or.th/index.php/astronomy-article/2904-jupiter-01

การศึกษาเกี่ยวกับดาวพฤหัสบดี

 

นักดาราศาสตร์ศึกษาวิจัยดาวพฤหัสบดีในประเด็นต่างๆ ดังนี้

 

- ศึกษาดาวพฤหัสบดีในฐานะตัวแทนของดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ในระบบสุริยะของเรา เปรียบเทียบกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่เป็นดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ เช่น มวลของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะเหล่านี้มักประเมินเป็นกี่เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี 

 

รูปที่ 15 การเปรียบเทียบดาวพฤหัสบดีกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะประเภท “ดาวพฤหัสบดีร้อน” (Hot Jupiter) ดาวพฤหัสบดีกับดาวเคราะห์พวกดาวพฤหัสบดีร้อน จะเหมือนกันตรงองค์ประกอบทางเคมี (ส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนกับฮีเลียม) ขนาดและมวลใกล้เคียงกัน ซึ่งมวลของพวกดาวพฤหัสบดีร้อนในรูประบุว่าอยู่ที่ราว 0.2-2 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี แต่ก็มีแนวคิดอื่นที่ยอมรับค่ามวลในช่วง 0.38-11.8 เท่าของมวลดาวพฤหัสบดี

ขณะที่คุณสมบัติของพวกดาวพฤหัสบดีร้อนที่แตกต่างจากดาวพฤหัสบดีอย่างมาก ได้แก่ ระยะห่างจากดาวดวงแม่ คาบการโคจร อุณหภูมิยอดเมฆ ส่วนองค์ประกอบของเมฆ ดวงจันทร์บริวาร วงแหวน และสนามแม่เหล็กของพวกดาวพฤหัสบดีร้อน ยังต้องศึกษาเพิ่มเติม

[ที่มาของภาพ: http://lasp.colorado.edu/education/outerplanets/exoplanets.php ]

 

- ศึกษาเชิงเปรียบเทียบระหว่างสภาพอากาศที่เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศดาวพฤหัสบดีกับบรรยากาศโลก เช่น พายุหมุน ฟ้าผ่า

 

รูปที่ 16 แผนภาพเปรียบเทียบแนวกระแสลมกรด (Jet stream) ระหว่างบนโลก (ด้านขวา) และดาวพฤหัสบดี (ด้านซ้าย) ซึ่งกระแสลมกรดบนดาวพฤหัสบดีจะมี 5 กระแสในแต่ละซีกดาว และพัดในทิศสวนทางกัน กระแสลมเหล่านี้สามารถมีอัตราเร็วมากถึง 530 กิโลเมตร/ชั่วโมง 

ส่วนในกรณีของโลก การหมุนรอบตัวเองของโลกก่อให้เกิดกระแสลมกรด ซึ่งส่งผลต่อรูปแบบสภาพอากาศบนโลก โลกมีกระแสลมกรด 4 กระแส (ซีกโลกเหนือ 2 กระแส ซีกโลกใต้ 2 กระแส) ที่พัดจากทิศตะวันตกไปทิศตะวันออก

[ที่มาของภาพ: http://www.lpi.usra.edu/education/explore/solar_system/background/ ]

 

- ศึกษาโครงสร้างลึกลงไปภายในของตัวดาวพฤหัสบดี นักวิทยาศาสตร์คิดว่าน่าจะมีชั้นของเหลวนำไฟฟ้าได้ ภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิสูง เช่น ชั้นโลหะไฮโดรเจนเหลว ซึ่งอาจประยุกต์เข้ากับการศึกษาเรื่องตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด (Superconductor)

 

รูปที่ 17 การทดลองในห้องปฏิบัติการโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาฮาร์วาร์ดของสหรัฐฯ ที่อ้างว่าได้ตรวจพบโลหะไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการณ์ ในปี ค.ศ.2016 โดยทำการอัดโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนภายใต้สภาพความดันมหาศาล จนไฮโดรเจนถูกบีบอัดมากขึ้น จะมีสภาพเปลี่ยนไปจากโมเลกุลแก๊สไฮโดรเจนโปร่งใสและไม่นำไฟฟ้า (ที่ความดัน 205,000 ล้านปาสคาล ทางซ้ายของภาพ) จนเริ่มนำไฟฟ้าได้และมีสีคล้ำขุ่น (ที่ความดัน 415,000 ล้านปาสคาล ตอนกลางของภาพ) กระทั่งโมเลกุลไฮโดรเจนแตกตัวกลายเป็นอะตอม มีสภาพเป็นโลหะและสะท้อนแสงได้ดี (ที่ความดัน 495,000 ล้านปาสคาล ทางขวาของภาพ) แต่ผลการทดลองนี้ยังเป็นที่ถกเถียงในวงการฟิสิกส์และเคมีในปัจจุบัน

[Credit ภาพ: R.Dias & I.F.Silvera]

 

- ศึกษาดาวบริวารของดาวพฤหัสบดี ในประเด็นทางธรณีวิทยาและชีวดาราศาสตร์ เช่น การศึกษาชั้นมหาสมุทรใต้เปลือกน้ำแข็งของดวงจันทร์ยูโรปา ซึ่งนักวิทยาศาสตร์คิดว่าอาจเป็นสภาพแวดล้อมที่เอื้อต่อการอยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิต หรือการศึกษาดวงจันทร์ส่วนหนึ่งของดาวพฤหัสบดีที่มีโครงสร้างเป็นน้ำแข็งเจือปนค่อนข้างมาก ต่างจากกรณีดวงจันทร์ของโลกที่องค์ประกอบหลักเป็นหิน

 

รูปที่ 18 แผนภาพแสดงแบบจำลองโครงสร้างภายในของดวงจันทร์กาลิเลียน ตามทฤษฎีของนักดาราศาสตร์ในช่วงไม่กี่สิบปีมานี้

- ดวงจันทร์ไอโอ (Io) ประกอบด้วยแก่นกลางดาว (Core) ที่เป็นเหล็ก ชั้นแมนเทิล (Mantle) ที่มีหินหลอมเหลว และเปลือกดาว (Crust) ที่เป็นหินแข็ง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์คาดว่าความร้อนในตัวดวงจันทร์ไอโอ จากการยืดหดตัวดาวด้วยแรงไทดัลของดาวพฤหัสบดี ทำให้น้ำในสถานะของเหลวและของแข็งไม่เหลืออยู่แล้ว

- ดวงจันทร์ยูโรปา (Europa) และดวงจันทร์แกนีมิด (Ganymede) มีแก่นกลางดาว ชั้นแมนเทิล และเปลือกดาวที่เป็นน้ำแข็งเหมือนกัน แต่แตกต่างกันตรงที่ชั้นแมนเทิลของดวงจันทร์แกนีมิดมีทั้งชั้นแมนเทิลหินและชั้นแมนเทิลน้ำแข็ง (ของดวงจันทร์ยูโรปามีแต่ชั้นแมนเทิลหิน) และชั้นมหาสมุทรใต้เปลือกดาวของดวงจันทร์ยูโรปามีหลักฐานบ่งชี้ค่อนข้างแน่ชัดกว่าของดวงจันทร์แกนีมิด

- ดวงจันทร์คัลลิสโต (Callisto) ประกอบด้วยชั้นโครงสร้างภายในที่ผสมกันระหว่างหิน-น้ำแข็ง และเปลือกดาว ขณะที่มีความเป็นไปได้ที่จะมีชั้นมหาสมุทรใต้เปลือกดาว แต่ก็ยังไม่ชัดเจน

[ที่มาของภาพ: http://www.public.asu.edu/~atpcs/atpcs/Univ10e/chapter13-07.html ]

 

ตัวอย่างโครงงานดาราศาสตร์เรื่องดาวพฤหัสบดีในระดับโรงเรียน

 

สำหรับการศึกษาดาวพฤหัสบดีด้วยกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงขนาดหน้ากล้อง 10 นิ้ว ที่แต่ละโรงเรียนได้รับ สามารถทำโครงงานในหัวข้อต่อไปนี้

 

รูปที่ 19 กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงขนาดหน้ากล้อง 10 นิ้วและสื่อการเรียนรู้ดาราศาสตร์ ในโครงการกระจายโอกาสการเรียนรู้ดาราศาสตร์ฯ ของสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ

- การหาคาบการโคจรของดวงจันทร์กาลิเลียน ซึ่งสามารถหามวลของดาวพฤหัสบดี ผ่านกฏการโคจรของเคปเลอร์ ข้อ 3

 

รูปที่ 20 การพิสูจน์กฏการโคจรของเคปเลอร์ข้อ 3 โดยใช้เนื้อหาฟิสิกส์ ม.ปลาย ได้แก่เรื่องความโน้มถ่วง และการเคลื่อนที่เป็นวงกลม (ถึงแม้พวกดวงจันทร์จะมีวงโคจรรูปวงรีก็ตาม แต่ก็มีความรีน้อยจนสามารถอนุมานว่าเป็นรูปวงกลมได้ในการพิสูจน์นี้) ซึ่งจากสมการกฏของเคปเลอร์ข้อ 3 (สมการในกรอบสี่เหลี่ยมทางขวาของภาพ) หากเราทราบคาบการโคจรของดวงจันทร์รอบดาวเคราะห์ (ตัวแปร T) ระยะห่างระหว่างดาวเคราะห์กับดวงจันทร์ (ตัวแปร r) ก็จะหาค่ามวลของดาวเคราะห์ได้ (ตัวแปร M ในกรณีที่มวลดาวเคราะห์มากกว่ามวลดวงจันทร์หลายเท่า)

 

- การหาค่าความแบน (Flattening) ของรูปร่างดาวพฤหัสบดี ซึ่งค่านี้จะบ่งชี้ว่าดาวพฤหัสบดีจะมีรูปร่างป่องออกตรงบริเวณเส้นศูนย์สูตรมากน้อยแค่ไหน (ถ้าดาวมีรูปร่างกลม จะมีค่าความแบนเป็น 0) และสามารถนำไปหาปริมาตรของตัวดาวพฤหัสบดี โดยคิดในกรณีรูปร่างทรงรีต่อไปได้

 

รูปที่ 21 แผนภาพเปรียบเทียบระหว่างรูปทรงกลม (Sphere) และรูปทรงรี (Ellipsoid) โดยขนาดรัศมีในแนวเส้นศูนย์สูตรของดาว (a) และขนาดรัศมีของดาวในแนวขั้วดาว (b) สามารถนำมาใช้ค่าความแบนของรูปร่างดาวเคราะห์ได้

[Credit ภาพ: Deepak Kaira]

 

- การหาค่าความหนาแน่นเฉลี่ยของตัวดาวพฤหัสบดี จากมวลและปริมาตรดาวพฤหัสบดีที่หามาได้

 

- การวัดคาบการหมุนรอบตัวเองของดาวพฤหัสบดี ผ่านการสังเกตตำแหน่งจุดแดงใหญ่

 

- การวัดค่าประสิทธิภาพการสะท้อนแสงของพื้นผิวหรือบรรยากาศชั้นบน (ค่า Albedo) ของดาวพฤหัสบดี ซึ่งในกรณีนี้ ต้องมีเครื่องวัดความเข้มของแสง

 

รูปที่ 22 แผนภาพแสดงค่าประสิทธิภาพการสะท้อนแสงของพื้นผิว (Albedo) สำหรับกรณีของวัสดุต่างๆบนพื้นผิวโลก เช่น หิมะ พืช ยางมะตอย คอนกรีต มหาสมุทร หรือกรณีพื้นผิวดวงจันทร์ จะมีค่าประสิทธิภาพการสะท้อนแสงของพื้นผิวแตกต่างกัน ขณะที่ในกรณีของดาวเคราะห์แก๊ส หรือดาวเคราะห์หินที่มีบรรยากาศหนาทึบปกคลุมอย่างดาวศุกร์ ค่าประสิทธิภาพการสะท้อนแสงของพื้นผิวของดาวเคราะห์จะเป็นผลจากการสะท้อนแสงของเมฆในบรรยากาศชั้นบน ซึ่งค่านี้สามารถนำไปใช้ศึกษาเกี่ยวกับสมดุลของพลังงาน บริเวณพื้นผิวหรือภายในตัวดาวเคราะห์ต่อได้

 

- การวัดอัตราเร็วของแสง จากปรากฏการณ์อุปราคาของดวงจันทร์กาลิเลียน (ดวงจันทร์โคจรเข้าไปในเงาของดาวพฤหัสบดี) สำหรับเนื้อหาที่เกี่ยวข้อง สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่ http://www.narit.or.th/index.php/astronomy-article/1105-ligth-speed 

 

-----------------------------------------------

 

เรียบเรียงโดย

 

พิสิฏฐ นิธิยานันท์

เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์

ศูนย์บริการวิชาการและสื่อสารทางดาราศาสตร์

สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)