เจาะลึกวงแหวนดาวเสาร์ จากภาพอดีตสู่ปัจจุบัน

นับตั้งแต่มนุษย์คนแรกแหงนหน้ามองดูดวงดาวบนท้องฟ้าในยามราตรี ความเข้าใจเกี่ยวกับดวงดาวของเราเปลี่ยนไปเมื่อชายชาวอิตาเลียนยกกล้องส่องมองดูท้องฟ้าในยามราตรีมองเห็นดาวยักษ์ผู้กลืนดวงจันทร์ของมันเอง

ในอดีตมนุษย์นั้นมองดูท้องฟ้า พวกเขาได้เห็นดวงดาวส่องเป็นประกายระยิบระยับอยู่เสมอ เราสามารถแยกดาวบนท้องฟ้าได้สองประเภท 1.ดาวฤกษ์พื้นหลัง คือดาวที่ไม่เคลื่อนที่ต่างไปจากเดิมไม่ว่าจะเวลานานไปเท่าไหร่ก็ยังคงอยู่ในพื้นที่เดิมเฉกเช่นดาวที่อยู่ข้างเคียง 2.ดาวเคราะห์ คือดาวที่เมื่อระยะเวลาผ่านไปจะเคลื่อนที่ไปตามดาวฤกษ์พื้นหลัง สามารถสังเกตเห็นการเคลื่อนที่ได้อย่างชัดเจน

โดยในอดีตมนุษย์นั้นได้แบ่งดาวเคราะห์ออกมาได้ 7 ดวง คือ ดาวพุธ ดาวศุกร์ ดาวอังคาร ดาวเสาร์ ดวงจันทร์ และดวงอาทิตย์ เพราะเนื่องจากดาวทั้งหมดนี้เคลื่อนตัวผ่านไปบนกลุ่มดาวฤกษ์พื้นหลัง

กาลิเลโอกับดวงตาอันใหญ่โตของเขา

กาลิเลโอผู้ใคร่ครวญในความอยากรู้แหงนหน้ามองขึ้นไปบนท้องฟ้าก็เกิดความสงสัยว่าบนนั้นดาวที่ส่องเป็นประกายระยิบระยับเหล่านั้นคืออะไร มีหน้าตาเป็นอย่างไร เขาจึงเกิดความคิดที่อยากจะมีดวงตาดวงใหญ่ ๆ เพื่อที่จะได้ทำให้ตัวของเขาเองนั้นมองเห็นสิ่งที่คิดว่าอยู่ไกลออกไปได้ชัดเจนมากขึ้น

ภาพวาดของกาลิเลโอ กาลิเลอี โดย Justus Sustermans

โดยสิ่งที่เขารู้ในสมัยนั้นมีเพียงเลนส์ตาของมนุษย์นั้นเป็นเลนส์นูนดังนั้นถ้าเขาจะทำดวงตาดวงใหญ่ก็ย่อมต้องทำจากเลนส์นูนเช่นเดียวกันกับตาของเขา เนื่องด้วยเขาได้รับไอเดียเรื่องกล้องส่องทางไกลของ Hahns Lippershey  จึงได้ลองผิดลองถูกจนกลายมาเป็นกล้องโทรทรรศน์แบบกาลิเลียนที่เราได้รู้จักกัน แต่สำหรับเขาแล้วมันคือดวงตาที่ใหญ่ขึ้นเยอะเลย

ลักษณะของเลนส์และการวางเลนส์ของกาลิเลโอที่ผิดไปจากกฎของสเนล

ด้วยความที่ Willebrord Snellius ยังมิได้คิดค้นทฤษฎีเกี่ยวกับการหักเหของแสงที่เราเรียนกันเป็นชื่อคุ้นปากว่า Snell’s Law กล้องโทรทรรศน์ของเขาจึงแตกต่างจากยุคหลังที่ เลนส์ใกล้ตาของเขาใช้เป็นเลนส์เว้า เพื่อที่จะได้นำตาไปแนบชิดกับเลนส์นั้นเพื่อให้เห็นภาพได้อย่างชัดเจน ซึ่งกล้องโทรทรรศน์นี้ผิดกับหลักการสร้างภาพตามหลักฟิสิกส์เกี่ยวกับแสงในปัจจุบัน ทำให้ภาพที่มองเห็นไม่ได้ชัดเจนอะไรมากนัก

ดาวผู้กลืนดวงจันทร์ของมันเอง

หลังจากที่กาลิเลโอส่องดูดาวพฤหัสบดีอยู่นานหลายเดือนทำให้เขามั่นใจกับการค้นพบดวงจันทร์ทั้ง 4 แห่งกาลิเลี่ยน เขาก็ได้ไปส่องดาวอีกดวงนั้นคือ ดาวเสาร์ เมื่อเขาส่องดาวเสาร์เขาก็พบกับเรื่องที่ทำให้เขาประหลาดใจ คือ ดาวสามดวงโคจรรอบกัน !? เขาพยายามวาดรูปดาวเสาร์ตามที่เขาสังเกตเห็นแต่ต่อมาไม่กี่เดือนเขาก็ต้องพบสิ่งที่ประหลาดใจกว่าเดิมคือ ดาวเหล่านั้นหายไปกลายเป็นดาวดวงเดียว เขาพยายามติดตามการเปลี่ยนอยู่นานไม่จนสุดท้ายเขาได้ตั้งข้อสันนิษฐานว่าดาวเสาร์นั้นมีดวงจันทร์โคจรรอบตัวของมันและจะกลืนกินดวงจันทร์ในทุกๆ 3 เดือนและจะคายดวงจันทร์เหล่านี้ออกมาทุกๆ 3 เดือน

เพราะกล้องมันห่วยไปอย่างไรล่ะ! สิ่งที่กาลิเลโอเห็นเป็นเช่นนั้นเพราะกล้องของกาลิเลโอผิดกับกฎของสเนล ดังนั้นภาพที่ได้จึงมีกำลังขยายที่น้อยกว่าที่ควรจะเป็นไป

ช่างนาฬิกากับกล้องโทรทรรศน์

Christiaan Huygens ลูกช่างซ่อมนาฬิกาชาวดัตซ์ ที่บ้านฐานะร่ำรวย มีความคิดอยากลองดูดาวกับเขาสักครั้งด้วยความครั้นจะดูดาวแบบชาวบ้านคนอื่นเขามันก็ดูไม่ศิวิไลซ์สมกับฐานะทางบ้านที่ร่ำรวยของเขาเลยแม้แต่น้อย  เขาจึงได้ประดิษฐ์กล้องโทรทรรศน์ตามกฎของสเนลซึ่งทำให้ส่งผลคือกล้องของฮอยแกนต์นั้นมีกำลังขยายมากกว่ากล้องของกาลิเลโอถึง 50 เท่า และมีความคมชัดสูงกว่ากล้องของกาลิเลโอเป็นอย่างมาก

Christiaan Huygens

ฮอยแกนต์ได้นำกล้องของเขาไปส่องดาวดวงหนึ่งซึ่งยังคงเป็นปริศนา ดาวดวงนั้นคือดาวเสาร์
เมื่อเขานำกล้องไปส่องดูเขาก็พบกับวงแหวนที่โคจรอยู่รอบดาวมีลักษณะเป็นแผ่นจาน นั้นทำให้เขาแทบไม่อยากเชื่อสายตาของตัวเอง เพราะว่าแผ่นจานจะคงอยู่ในสภาพโคจรรอบดาวเสาร์ได้อย่างไรในเมื่อดาวเสาร์นั้นมีแรงโน้มถ่วงคอยดึงอยู่ เขาเฝ้าติดตามดาวเสาร์อยู่เป็นเวลาหลายปีจนพบว่าแผ่นจานเหล่านั้นไม่ยอมหายไป ทั้งที่มันควรจะหายไปเพราะแรงดึงดูดของดาวเสาร์ควรดึงดูดให้เหล่าแผ่นจานที่โคจรอยู่ตกลงสู่ภายในดาว

เขาจึงตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับสิ่งที่เขาได้ค้นพบคือ ดาวเสาร์มีแผ่นจานลอยอยู่รอบดาวเสาร์โดยที่ระหว่างแผ่นจานและตัวดาวมีช่องว่างระหว่างกัน เขาพบช่องว่างระหว่างวงแหวนเลยตั้งชื่อตามตัวเองว่า Huygens Gap และเราจะเห็นปรากฏแผ่นจานเหล่านั้นทุก 3 เดือนเพราะโลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ทำให้เราอยู่ในองศาที่ไม่สามารถมองเห็นวงแหวนได้ อีกทั้งเขายังเป็นผู้ค้นพบดวงจันทร์ที่เป็นบริวาณหนึ่งของดาวเสาร์คือดวงจันทร์ไททัน

หน้าหนึ่งจากหนังสือที่ Huygens ได้ตีพิมพ์ในปี 1659

ต่อมาในปี 1997 ชื่อของเขาได้ถูกตั้งมาเป็นชื่อยานสำรวจดวงจันทร์ไททันที่ติดไปกับยาน Cassini มันคือยาน Huygens สร้างโดย ESA โดยยานลำนี้เป็นยานลำแรกและลำเดียวในปัจจุบันที่ลงจอดบนดวงจันทร์ไททันและเป็นสิ่งประดิษฐ์ของมนุษย์ที่ลงจอดไกลที่สุดเท่าที่อารยธรรมของมนุษย์จะสร้างมันได้

ปริศนาวงแหวนแห่งดาวเสาร์

วงแหวนที่สวยงามสะท้อนแสงให้เห็นราวกับเป็นสิ่งที่พระเจ้าเป็นผู้สร้างและมันไม่ควรเป็นสิ่งที่คงสภาพอยู่ได้ แม้แต่ Sir Isaac Newton ผู้ยิ่งใหญ่ก็ยังไม่บังอาจตอบคำถามปริศนาแห่งวงแหวนนี้ได้เลย วงแหวนที่สวยงามนั้นทิ้งปริศนาอันแสนน่าฉงนให้กับมนุษยชาติไปนานอีกนับสองร้อยปีจวบจนกระทั่งบุรุษเครางามได้ถือกำเนิดขึ้นเขาจะเฉลยคำถามว่าเพราะเหตุใดวงแหวนของดาวเสาร์จึงคงสภาพอยู่ได้และทำไมมันจึงเป็นเช่นนั้น

ภาพถ่ายของ James Clerk Maxwell ในวัย 25 ปี

ปี 1857

ชายนามว่า James Clerk Maxwell ได้ตั้งหัวข้องานวิจัยทางฟิสิกส์เกี่ยวกับปริศนาวงแหวนของดาวเสาร์ เพราะเหตุใดมันจึงเสถียรและไม่ตกลงไปในดาวเสาร์เสียที ในบทความนั้นแมกซ์เวลล์ได้กล่าวว่าแท้จริงแล้ววงแหวนของดาวเสาร์ควรเป็นเกล็ดน้ำแข็งเนื่องด้วยมันสะท้อนแสงและมีขนาดเล็กมาก เพราะถ้าเทียบกับระยะห่างจากแกนกลางดาวกับสมการแรงโน้มถ่วงแล้ว จะได้ค่าโมเมนตัมมาค่าหนึ่งซึ่งโมเมนตัมนั้นเป็นผลรวมของความเร่งและมวลเข้าด้วยกันซึ่งถ้ามวลมีน้อยความเร่งก็จะมีได้มากแปรผันตามกัน แต่หากเป็นวัตถุที่มีลักษณะเป็นแผ่นดิสก์คล้ายกับโดนัทแล้ววัตถุนั้นต้องมีความเร็วในการหมุนสูงมากจนไม่นานก็จะแตกหักเนื่องด้วยความเครียดในตัววัตถุเองและตกสู่ใจกลางของดาว หากเป็นแก๊สมันจะกระจายรอบดาวอย่างรวดเร็วไม่สามารถคงสภาพได้นานนับ 200 ปีตั้งแต่เห็นครั้งแรก หากเป็นของเหลวโคจรรอบดาวมันจะพุ่งกระจายออกจากกันกลายสภาพเป็นแก๊สหรือของแข็งและเคลื่อนที่ออกจากกันในทันที และหากเป็นวัตถุขนาดใหญ่มันจะตกลงสู่ใจกลางดาวในไม่กี่ปีเพราะความเร็วที่คงสภาพไว้ได้ไม่พออีกทั้งยังอาจมีชนกันเองอีกทำให้ไม่สามารถรักษาสภาพไว้ได้นาน

แมกซ์เวลล์ได้รับรางวัล Adams Prize จากหัวข้องานวิจัยทางฟิสิกส์เกี่ยวกับปริศนาวงแหวนของดาวเสาร์นี้ในปีนั้น ซึ่งนับว่าเป็นบุคคลที่อายุน้อยมากเมื่อเทียบกับบุคคลที่ได้รับรางวัลนี้กันมา อีกทั้งเขายังได้รับเชิญเป็นอาจารย์ใน King’s College London ตั้งแต่อายุยังไม่ก้าวถึงเลข 3 อีกด้วย

ในปี 1895 ได้มีการใช้เครื่อง Spectroscopic ในการศึกษาวัตถุที่อยู่ในวงแหวนของดาวเสาร์ว่าวัตถุเหล่านั้นประกอบด้วยธาตุอะไรและมันคืออะไรกันแน่ ซึ่งผลออกมาว่าประกอบด้วยน้ำแข็งเป็นหลักซึ่งเป็นหลักฐานว่าทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ถูกต้อง

วงแหวนในยุคอวกาศ

ภาพวาดยาน Pioneer 11 กับดาวเสาร์

ปี 1973

เวลาล่วงเลยมาร้อยกว่าปี NASA ได้ส่งยาน Pioneer 11 ออกสู่อวกาศเพื่อเดินทางไปยังดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ซึ่งยานลำนี้หน้าที่หลักคือถ่ายภาพดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ วัดความเข้มของสนามแม่เหล็ก ตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดาวทั้งสองและวิเคราะห์ว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นประกอบด้วยธาตุะไรเป็นไปตามที่แมกซ์เวลล์ทำนายไว้หรือไม่

ภาพถ่ายดาวเสาร์จากยาน Pioneer 11

ยาน Pioneer 11 เข้าสู่วงโคจรของดาวเสาร์เมื่อ 28 สิงหาคม 1979 และเข้าไปใกล้ดาวเสาร์ที่สุดที่ระยะ 20,900 กิโลเมตร ทำให้ได้ภาพถ่ายกลับมามากมาย โดยมันได้ค้นพบวงแหวนชั้น F ของดาวเสาร์เพิ่มขึ้นมาอีกหนึ่งชั้น ภาพทุกภาพนั้นนักวิทยาศาสตร์พบว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นมืดกว่าปกติที่เห็นผ่านโลกนั้นเป็นเพราะกล้องบนยานนั้นคุณภาพค่อนข้างแย่ทำให้ไม่สามารถเก็บภาพออกมาได้อย่างตาเห็นจากโลก ซึ่งจะถูกพัฒนาในยานรุ่นใหม่กว่า และแท้จริงแล้วอัตราการสะท้อนแสงจากวงแหวนนั้นแท้จริงแล้วมีน้อยกว่าที่เราคาดคิดไว้มาก

ภาพวงแหวนของดาวเสาร์ที่ดูมืดกว่าที่ตามองเห็นปกติ
ภาพถ่ายดวงจันทร์ไททันจากยาน Pioneer 11

ข้อมูลเกี่ยวกับวงแหวนได้ส่งกลับมาถึงโลก ข้อมูลนี้นำไปสนับสนุนกับทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ที่ว่าไว้เกี่ยวกับวงแหวนของดาวเสาร์ แต่ข้อมูลที่ได้รับนั้นยังไม่เพียงพอกับทฤษฎีที่แมกซ์เวลล์ได้กล่าวไว้

ปี 1980

ยาน Voyager 1 เข้าสู่วงโคจรของดาวเสาร์หลังจากที่ออกจากโลกมาได้ 3 ปี

ยาน Voyager 1 มีภารกิจหลักในการสำรวจและตรวจสอบวงแหวนของดาวเสาร์อีกครั้ง โดยครั้งนี้ยานได้ศึกษาวงแหวนได้ละเอียดยิ่งกว่าที่ยาน Pioneer 11 เคยได้เก็บข้อมูล ศึกษาชั้นบรรยากาศและพื้นผิวของดวงจันทร์ไททัน ศึกษาสนามแม่เหล็กของดาวเสาร์และดวงจันทร์บริวารของดาวเสาร์

ภาพถ่ายดาวเสาร์จากยาน Voyager 1
ภาพถ่าย F ring จากยาน Voyager 1

ยาน Voyager 1 ได้ส่งข้อมูลที่เป็นการยืนยันเกี่ยวกับทฤษฎีของแมกซ์เวลล์ ทฤษฎีของแมกซ์เวลล์จึงได้รับการพิสูจน์ว่าถูกต้องอย่างแท้จริง

นอกจากนั้น ยังได้ค้นพบวงแหวน G อีกหนึ่งชั้น ทำให้ความรู้เกี่ยวกับวงแหวนมากขึ้นอีกขั้นหนึ่ง

ยาน Voyager 1 นั้นศึกษาได้เพียงเล็กน้อยเพราะมันมีภารกิจที่ต้องเดินทางไปต่ออีกยาวไกล แต่ถึงเช่นนั้นมันก็เปิดเผยความจริงมาได้อีกเยอะแยะเกี่ยวกับดาวเสาร์

ปี 1981

ยาน Voyager 2 บินโฉบดาวเสาร์เพื่อเก็บข้อมูล มันได้ศึกษาเพิ่มเติมจากที่ยานพี่ของมันได้ศึกษามา ถ่ายภาพที่คมชัดมากยิ่งขึ้น เก็บข้อมูลได้มากกว่าเดิม ซึ่งภาพถ่ายหนึ่งได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เห็นว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นไม่ได้ราบเรียบอย่างที่เราคิดกัน มันศึกษาดาวเสาร์ได้เพียงไม่นานมันก็ต้องจากลาดาวเสาร์ไปเพื่อไปยังดาวยูเรนัสเป็นระบบถัดไป

ภาพถ่ายดาวเสาร์จากยาน Voyager 2
ภาพถ่ายวงแหวนจาก Voyager 2

วงแหวนใหญ่โตมโหฬาร

ลองนึกภาพดาวเสาร์สิ มันใหญ่กว่าโลกตั้ง 10 เท่าแหนะ แล้วคุณลองนึกภาพวงแหวนของมัน แน่นอนมันใหญ่มาก ๆ เลยแหละ แต่เอาเข้าจริงมันใหญ่มากกว่าที่เรามองเห็นอยู่อีกนะ

ปี 2009

Spitzer Space Telescope ได้ส่องเข้าไปที่ดาวเสาร์เพื่อตรวจสอบวงแหวนของดาวเสาร์ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบเรื่องที่ตื่นตะลึง

เท้าความกันก่อน Spitzer Space Telescope เป็นกล้องโทรทัศน์อวกาศที่มองเห็นในย่านคลื่นอินฟราเรดซึ่งเป็นย่านที่ต่ำกว่าตามนุษย์มองเห็น

ภาพวาด Spitzer Space Telescope

ซึ่งสิ่งที่กล้องค้นพบคือกลุ่มฝุ่นที่ล้อมรอบดาวเสาร์อยู่ เมื่อวิเคราะห์ข้อมูลที่ได้รับมาจาก Spitzer แล้วทำให้เราค้นพบว่ากลุ่มฝุ่นเหล่านี้คือหนึ่งในชั้นวงแหวนของดาวเสาร์ ซึ่งวงแหวนนี้มีขนาดใหญ่ถึง 60 ล้านกิโลเมตร!!!

เราเรียกว่าวงแหวน Phoebe ที่เราไม่สามารถเห็นมันด้วยคลื่นย่านแสงที่สายตามนุษย์มองเห็นเพราะฝุ่นเหล่านี้มีลักษณะคือดูดกลืนแสงทำให้เราสามารถตรวจจับมันด้วยย่านอื่นแทน โดยวงแหวนนี้หนากว่าวงแหวนหลัของดาวเสาร์ถึง 40 เท่า และมันทำให้อาณาเขตของดาวเสาร์เพิ่มขึ้นถึง 250 เท่าจากเดิม

นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าวงแหวนนี้เกิดจากการที่ดวงจันทร์ Phoebe ถูกพุ่งชนจากเทหวัตถุทำให้เกิดการแตกตัวกลายสภาพเป็นวงแหวนเหล่านี้เนื่องจากการศึกษาวงโคจรของเหล่าเทหวัตถุในวงแหวนนั้นเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับดวงจันทร์ Phoebe และอยู่ในคาบวงโคจรเดียวกัน ซึ่งวงโคจรนี้เป็นวงโคจรที่ส่วนทางกับการหมุนรอบตัวเองของดาวเสาร์ วงแหวนนี้ถูกแบ่งออกจากวงแหวน E ด้วยความไม่สมมาตรของโมเมนตัมจาก Orbital resonance ของดวงจันทร์ Iapetus กับ Phoebe

ภาพที่ได้รับการประมวลผลจากคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับวงแหวน Phoebe
ภาพถ่ายดวงจันทร์ Iapetus โดยยาน Cassini
ภาพถ่ายดวงจันทร์ Phoebe โดยยาน Cassini

Cassini ผู้ไขปริศนาวงแหวน

ปี 1997

ภาพการปล่อยจรวด Titan-IV ที่บรรทุกยาน Cassini ไปด้วย ในวันที่ 15 ตุลาคม 1997

ยาน Cassini-Huygens ได้ถูกส่งออกจากโลกเพื่อเดินทางไปยังดาวเคราะห์วงแหวน มันใช้เวลาเดินทางร่วม 7 ปีจึงจะเดินทางไปถึงดาวเสาร์ ภารกิจหลักของมันคือการสำรวจดาวเสาร์และวงแหวนของมันด้วยอุปกรณ์ทุกอย่างที่มันพกติดไปด้วย ซึ่งการศึกษาวงแหวนในครั้งนี้ได้รับข้อมูลตอบกลับออกมาอย่างมากมายด้วยทั้งอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่ใหม่กว่า กล้องที่มีความคมชัดสูงกว่าจากโครงการ Voyager และระยะเวลาที่ใช้ในการสำรวจที่ยาวนานกว่า

ยาน Cassini ได้ใช้กล้องอินฟราเรด กล้องคมชัดความละเอียดสูง Spectroscopic เครื่องปล่อยคลื่นสัญญาณวิทยุเพื่อทำการศึกษาวงแหวนอย่างละเอียดทำให้เราค้นพบหลายสิ่งหลายอย่างเกี่ยวกับวงแหวนจนเราแทบจะต้องพลิกโฉมตำราเรียนในสมัยนั้นหมดเลยทีเดียว

ภาพเปรียบเทียบความหนาแน่นของอนุภาคฝุ่นในวงแหวนแต่ละชั้นด้วยคลื่นวิทยุเทียบกับภาพวงแหวนปกติที่ตามองเห็น โดยสีม่วงคือหนาแน่นมาก สีเขียวคือหนาแน่นต่ำ
ภาพถ่ายจากด้านหลังของดาวเสาร์ทำให้เห็นองค์ประกอบของวงแหวนของดาวเสาร์อย่างละเอียดและสวยงาม จากยาน Cassini

ความหนาแน่นของอนุภาคฝุ่นน้ำแข็งในวงแหวนแต่ละชั้นไม่เท่ากัน ซึ่งความหนาแน่นที่ไม่เท่ากันนั้นเกิดจากดวงจันทร์ที่อยู่ภายในวงแหวนเป็นผู้กระทำ

ยาน Cassini ทำให้นักวิทยาศาสตร์พบว่าภายในวงแหวนนั้นมีดวงจันทร์อยู่ทำให้เกิด Orbital resonance หรือ การสั่นพ้องของวงโคจร

Orbital resonance ภายในวงแหวนของดาวเสาร์เกิดจากการที่ดวงจันทร์ที่โคจรภายในวงแหวนนั้นแต่ละดวงมีคาบการโคจรที่ไม่เท่ากันเนื่องจากมวล ระยะห่างจากตัวแกนกลางมวลของดาว ขนาดของตัวดวงจันทร์ ส่งผลให้เมื่อดวงจันทร์แต่ละดวงเมื่อเข้าใกล้กันจะเกิดการเปลี่ยนแปลงค่าของโมเมนตัมในระบบซึ่งผลของโมเมนตัมเหล่านี้คือทำให้อนุภาคในวงแหวนเกิดการจัดระเบียบใหม่ตลอดเวลา ทำให้อนุภาคเหล่านี้ค่อย ๆ กระจุกรวมกันเป็นชั้นที่มีความหนาแน่นมากขึ้นเรื่อยๆ ช่องว่างระหว่างวงแหวนก็มากขึ้นเรื่อยๆและดวงจันทร์เหล่านี้ที่เก็บสะสมเศษฝุ่นระหว่างทางก็จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆเช่นกัน ซึ่งเหตุการณ์นี้จะดำเนินไปอย่างที่ช้ามาก ๆ จนเราแทบไม่สามารถสังเกตวัดผลในระยะเวลาสั้นๆได้

นักวิทยาศาสตร์คาดว่าแท้จริงแล้วดวงจันทร์อยู่ภายในวงแหวนนั้นเมื่อก่อนเป็นเพียงอนุภาคที่มีมวลมากค่อย ๆ รวมตัวเอาเศษฝุ่นรอบตัวของมันมาให้มีขนาดพื้นผิวที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งเริ่มมีขนาดใหญ่และมีวงโคจรเป็นของตัวเองจากนั้นจึงทำให้เกิดช่องว่างระหว่างวงแหวน

ชั้นของวงแหวนและช่องว่างในวงแหวน
รูปดวงจันทร์ที่อยู่ภายในวงแหวนที่โคจรใน 1 รอบวงโคจรไม่พร้อมเพรียงกันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าโมเมนตัมของแรงที่กระทำกันส่งผลให้ช่องว่างระหว่างวงแหวนใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ
ภาพดวงจันทร์ Daphnis ที่อยู่ภายในชั้นวงแหวน A ทำให้กิดช่องว่าง Keeler Gap
ภาพถ่ายดวงจันทร์ Daphnis ในระยะใกล้
ดวงจันทร์ Daphnis ทำให้อนุภาคในวงแหวนกลับเข้าไปอยู่ชั้นของมัน
ภาพถ่ายเกิดดวงจันทร์ใหม่ในวงแหวนซึ่งเกิดจากรวมตัวของอนุภาคในวงแหวนก่อให้เกิดดวงจันทร์ใหม่นั้นเอง
ดวงจันทร์ Pan ใน Encke Gap
ภาพถ่ายดวงจันทร์ Pandora ในวงแหวนชั้น F
ภาพถ่ายดวงจันทร์ Pandora ในระยใกล้ด้วยความละเอียดสูง
ดวงจันทร์ขนาดเล็กที่กำลังก่อตัวอยู่ภายในวงแหวน A
ดวงจันทร์ Prometheus ที่จัดระเบียบวงแหวน F

วงแหวนที่ใหญ่ขึ้น

หนึ่งสิ่งที่ยาน Cassini ค้นพบระหว่างโคจรรอบดาวเสาร์อยู่คือน้ำพุบนดวงจันทร์ Enceladus 

ภาพดวงจันทร์ Enceladus จากยาน Cassini

ดวงจันทร์ Enceladus เป็นดวงจันทร์ที่อยู่ใกล้กับวงแหวนอีกดวงจันทร์หนึ่ง ดวงจันทร์นี้ได้รับแรงไทดัลจากดาวเสาร์ทำให้ดวงจันทร์น้ำแข็งนี้ได้รับความร้อนจากการถูกดึงไปมาจนใจกลางค่อย ๆ ละลายทีละเล็กน้อยเป็นเวลานานแสนนานทำให้มันกลายเป็นแอ่งน้ำใต้ชั้นน้ำแข็งขนาดใหญ่ ความดันที่เพิ่มขึ้นอีกทั้งรอยแตกจากการถูกดึงและบีบจากแรงไทดัล น้ำที่ร้อนและความดันสูงเหล่านี้จึงพุ่งออกมาตามรอยเหล่านี้อย่างรุนแรง ทันทีที่มันหลุดออกจากร่องน้ำแข็งเหล่านี้มันจะกลายสภาพเป็นน้ำแข็งในแทบจะทันที โดยเกล็ดน้ำแข็งเหล่านี้บ้างก็ลอยตกลงกลับไปบนพื้นผิวของตัวดวงจันทร์เอง บ้างก็หลุดออกไปกลายเป็นชั้นบรรบากาศของดวงจันทร์และส่วนมากกลายไปเป็นวงแหวนชั้น E ของดาวเสาร์

(ซ้าย)ภาพน้ำพุบนดวงจันทร์ Enceladus เนื่องด้วยแรงไทดัลที่รุนแรงถ่ายจากยาน Cassini (ขวา)ภาพที่ได้รับการประมวลผลจากคอมพิวเตอร์แล้วทำให้เห็นรอยแตกบนพื้นผิวของดวงจันทร์

วงแหวน E เป็นวงแหวนชั้นที่เบาบางยากแก่การมองเห็นด้วยตาเปล่าต้องใช้กล้องความคมชัดสูง กล้องอินฟราเรด เครื่องรับสัญญาณวิทยุ Radar และไมโครโฟนภายในยานในการวิเคราะห์ว่าวงแหวนนี้มีตัวตนจริงหรือไม่ อีกทั้งวงแหวนนี้กว้างใหญ่มาก นักวิทยาศาสตร์ได้คำนวนขนาดของวงแหวนโดยคาดว่าวงแหวนนี้แยกชั้นอกจากวงแหวนหลักโดยมีระยะห่าง 2000 km และคาดว่ามันกว้างไปจนถึงวงโคจรของดวงจันทร์ไททันเลยทีเดียว

แล้วยาน Cassini บินผ่านไม่เป็นไรหรอ ?

ไม่เป็นไรหรอกเพราะวงแหวนนี้มีช่องว่างระหว่างเกล็ดน้ำแข็งค่อนข้างมากทำให้เหมือนบินผ่านในอวกาศปกติเลย

ภาพแสดงระยะและขอบเขตของวงแหวน E

วงแหวน D ที่เกือบหายไป

ปี 2017

ยาน Cassini เข้าสู่ภารกิจสุดท้ายของมันคือ Grand Finale ซึ่งเป็นการดำดิ่งทั้งหมด 22 ครั้งเข้าสู่ความตาย นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าวงแหวนของดาวเสาร์นั้นเข้าไปลึกถึงชั้นบรรยากาศของดาวเสาร์เลย นี่จึงเป็นครั้งแรกที่มียานสำรวจผ่านช่องว่างระหว่างวงแหวนและชั้นบรรยากาศของดาวเสาร์ ในช่วงแรกๆนักวิทยาศาสตร์กังวลเกี่ยวกับอนุภาคเกล็ดน้ำแข็งของวงแหวนจะชนกับยานจนทำให้ยานเสียหายอย่างรุนแรงจึงให้นำจานรับสัญญาณเป็นเกราะป้องกันเศษฝุ่นพุ่งชนกับยานด้วยความเร็วสูง

ภาพจำลองการรูปแบบภารกิจ Grand Finale ของยาน Cassini

แต่ก็เกิดสิ่งที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ฉงนไปตามๆกันคือทุกครั้งที่ Cassini ดำลงไปมันกลับไม่พบอนุภาคใด ๆ มาชนยานเลย นักวิทยาศาสตร์จึงปรับโดยการเปิด Radar และไมโครโฟนเพื่อใช้ในการหาอนุภาคที่อาจมาชนยานได้ให้ทำงานไวที่สุด ผลคือก็ยังไม่พบอะไรอีกเช่นเคย สิ่งนี้คือสิ่งที่น่าฉงนที่สุดเกี่ยวกับวงแหวนเพราะมันควรจะมีอนุภาคที่หลุดออกมาจากวงแหวนอยู่บริเวณช่องว่างเหล่านี้เป็นจำนวนมาก แล้วอนุภาคเหล่านั้นหายไปไหน ก็ยังคงเป็นคำถามที่ต้องรอยานสำรวจรุ่นใหม่มาสานต่อในอนาคต

วงแหวนที่สวยงามและเป็นเอกลักษณ์ที่สุดในระบบสุริยะนี้ยังคงเต็มไปด้วยปริศนามากมายที่มนุษย์ต้องคอยค้นหาคำตอบ หากแต่ว่าจากภาพวาดของกาลิเลโอในวันนั้นเวลาที่ผ่านไปบวกกับความก้าวหน้าในการสำรวจอวกาศ ทำเราเห็นภาพของวงแหวนนี้ชัดเจนมากว่าที่เคย และหวังว่าซักวัน มนุษย์จะได้เข้าไปสัมผัสความสวยงามของวงแหวนยักษ์นี้ด้วยตนเอง

อ้างอิง

Space.com – Who Invented Telescope

Caltech – Telescope

Maxwell Foundation – Ring of Saturn

NASA/JPL – Pioneer 11 mission

NASA/JPL Voyager Saturn approach

Caltech – Infrared Image of Saturn Ring

NASA/JPL – Orbital Resonance

NASA/JPL – Cassini Grand Finale