Nutn0n

149.6 ระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์กับโลก ชีวิต Habitable Zone จากนิวตันสู่ Bodyslam

December 29, 2018

ชื่อเพลงใหม่ของวง Bodyslam ถูกตั้งชื่อตามระยะห่างระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ 149.6 ล้านกิโลเมตร โชคดีที่โลกของเราอยู่ในเขตที่นักดาราศาสตร์เรียกว่า Circumstellar habitable zone หรือ CHZ เขตที่ทำให้เกิดชีวิต ระยะห่างที่ทำให้เกิดน้ำในรูปแบบของของเหลว และมีความดันบรรยากาศที่เหมาะสมในการอยู่อาศัย ถ้าใกล้กว่านี้ก็จะร้อนมากไป ห่างไปกว่านี้ก็จะหนาวเย็น

ขอบคุณระยะทางที่ไกลกำลังพอดี
ให้โลกนี้ยังคงมีดอกไม้ที่งดงาม
และทำให้มีความหมาย
มีน้ำทะเลสีคราม
ร้อนเย็นเพียงใดก็ตามชีวิตจึงมี

149.6 เป็นอีกเพลงหนึ่งที่สอนให้เราเข้าใจธรรมชาติของระยะห่างที่ไม่มากไปและไม่น้อยไป ในทุกความสัมพันธ์มันมีระยะห่างของมัน เหมือนกับ 149.6 ล้านกิโลเมตรระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ที่ก่อกำเนิดชีวิตขึ้นมาได้

แม้ระยะห่างจะเหมือนเป็นปัจจัยสำคัญในการเกิดสิ่งมีชีวิตบนโลก แต่อันที่จริงปัจจัยของการเกิดชีวิตไม่ได้อยู่แค่ระห่าง ดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ขนาดปานกลางของระบบสุริยะของเราได้กำหนดของเขตของ CHZ ครอบคลุมวงโคจรของดาวศุกร์และดาวอังคาร แต่ดาวศุกร์นั้นมีบรรยากาศที่หนาทำให้แก๊สที่มีมวลโมเลกุลเบาอย่างไฮรโดรเจนไม่สามารถอยู่ในชั้นบรรยากาศได้ บรรยากาศบนดาวศุกร์ยังกักเก็บความร้อนด้วยปรากฎการณ์เรือนกระจกและมีอุณหภูมิสูงมากเป็นเตาอบ ทำให้บนดาวศุกร์ไม่มีโอกาสที่จะพบน้ำได้

ในขณะที่ดาวอังคารมีชั้นบรรยากาศเพียงแค่ 1% เมื่อเทียบกับโลก ความร้อนไม่สามารถถูกกักเก็บไว้ได้ และเมื่อพูดถึงดาวอื่น ๆ ที่มีบรรยากาศใกล้เคียงกับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะชั้นใน

ดวงจันทร์เอ็นเซลาดัสของดาวเสาร์ และยูโรปาของดาวพฤหัส ก็อยู่ไกลเกินทำให้แม้จะมีน้ำก็อาจจะอยู่ในรูปแบบน้ำแข็ง หรือเป็นทะเลซ่อนอยู่ใต้ชั้นน้ำแข็งหนา

ระยะห่างอย่างเดียวไม่สามารถวัดทุกอย่างได้

Issac Newton เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรก ๆ ที่ตั้งข้อสังเกตถึงประเด็นนี้ ว่าระยะห่างจากดวงอาทิตย์จนถึงโลก ทำให้โลกนั้นมีน้ำในสถานะของเหลว Newton เขียนไว้ในหนังสือ Principia อันโด่งดังของเขา Principia ออกแบบมาเพื่ออธิบายธรรมชาติด้วยกฏทางฟิสิกส์ นั่นรวมถึงสภาพของโลกด้วยใจความตอนหนึ่งบอกว่า แค่ระยะห่างอย่างเดียวไม่สามารถกำหนดอุณหภูมิของดาวเคราะห์ได้ แต่ความหนาแน่นของมันก็มีผลด้วย Newton คิดว่าดาวที่อยู่ถัดเข้าไปวงในจากโลก จะต้องมีความหนาแน่นมากกว่า ซึ่งในตอนนั้นเรายังไม่มีอุปกรณ์ที่ใช้วัดความหนาแน่นของบรรยากาศด้วยซ้ำ แต่ผ่านไปร้อยกว่าปีเหตุผลของ Newton ยังคงใช้อธิบายได้อย่างที่อธิบายไปว่าธาตุในบรรยากาศของดาวศุกร์มีความหนาแน่นกว่าบนโลก

ภาพจำลองยาน Mariner กำลังสำรวจดาวศุกร์ ที่มา – NASA/JPL

ในปี 1962 ตอนที่ยาน Mariner 2 สำรวจดาวศุกร์ เราได้สร้างแผนที่อุณหภูมิของดาว ด้วยเทคนิค Radiometry อุณหภูมิของดาวศุกร์ในด้านกลางวันและกลางคืนแตกต่างกันพอสมควร แต่ไม่เท่ากับดาวพุธ ดาวพุธมีบรรยากาศที่เบาบางกว่ามาก เรียกได้ว่าแทบไม่มีเลย ดาวพุธมีอุณภูมิพื้นผิว ณ กลางวันกลางคืนแตกต่างกันที่สุดในระบบสุริยะ กลางคืนมันเย็นถึง −173 องศาเซลเซียส ในขณะที่ตอนโดนแสงอาทิตย์ มันร้อนได้มากสุดถึง 800 องศาเซลเซียส

ฟิสิกส์อย่างง่าย ๆ ของการแผ่รังสีความร้อนสามารอธิบายอุณหภูมิพื้นผิวได้บนดาวพุธ แต่ถ้าจะให้เข้าใจมากกว่านั้นเทอร์โมไดนามิกอย่างง่ายก็ต้องถูกนำมาคิดด้วยเช่นกัน นั่นทำให้ตอน ม.ปลาย เราจะถูกสอนกันมาว่า อุณหภูมิไม่เท่ากับความร้อนและไม่เท่ากับพลังงาน ไม่แปลกใจที่เราถึงได้มีหน่วยต่าง ๆ ที่เกี่ยวกับการสั่นสะเทือนของอนุภาคมากมายเช่น อุณหภูมิ (องศา) ความร้อน (ค่าความจุความร้อนจำเพาะ) แถมยังถูกเอาไปเชื่อมโยงกับกลศาสตร์ของไหลอย่างความดันด้วย

พื้นผิวของดาวศุกร์ ภาพจำลองจากข้อมูลของยาน Messenger ที่มา – NASA/JHU

ในปี 1964 Stephen H. Dole นักดาราศาสตร์ ได้เขียนหนังสือชื่อ Habitable Planets for Man และอธิบายเพิ่มเติมแนวคิดเรื่องโซนที่ทำให้ดาวเคราะห์สามารถมีชีวิตอยู่ได้ Dole ได้ประมาณการไว้ว่าในดาราจักรทางช้างเผือกของเรา จะมีดาวเคราะห์ที่อยู่ใน Habitable Zone มากกว่า 600 ล้านดวง แน่นอนว่าในตอนนั้น เรายังไม่ได้ค้นพบ Exo-planet หรือดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ในระบบของดาวฤกษ์อื่น (ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ) ด้วยซ้ำ แต่ก็ไม่มีเหตุผลอะไรที่เราจะไม่เชื่อว่ามันมีอยู่ จากที่การพูดถึง CHZ อยู่แค่โลกกับดวงอาทิตย์ ณ ตอนนี้มันกำลังจะกลายไปเป็นคุณสมบัติของดาวฤกษ์แต่ละดวง

แต่ละระบบ มีระยะห่างของมันเอง

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา เราค้นพบ Exo-planet กันแทบทุกวัน ณ ตอนนี้ฐานข้อมูลเรื่องดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะมีดาวเคราะห์มากกว่า 4,000 ดวงที่ถูกตรวจพบด้วยเทคนิคต่าง ๆ ตั้งแต่การสังเกตการตัดผ่านหน้าดาวแม่ของมัน หรือการดูการแกว่งของดาวที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงของดาวสองดวงที่เหวี่ยงกันไปมาระหว่างโคจร ข้อมูลพวกนี้ทำให้เราสามารถเดามวล ระยะห่างคร่าว ๆ ของดาวแม่และดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่ นอกจากนั้นแล้วการใช้อุปกรณ์ Spectrometer ทำให้เราทราบถึงองค์ประกอบธาตุบรรยากาศของมัน คำนวณกันได้ถึงความหนาแน่นคร่าว ๆ

ภาพจำลองพื้นผิวของ Proximar B ที่มา – ESO

ระบบดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เราที่สุด Proxima Centauri ก็มีดาวเคราะห์ที่อยู่ในเขต CHZ เช่นกัน ในปี 2016 เราค้นพบดาวเคราะห์คล้ายโลกโคจรอยู่ใน Proximar Centauri ชื่อว่า Proxima Centauri b หรือ Proxima b แต่ก็อาจจะไม่เอื้ออำนวยกับชีวิตขนาดนั้น เพราะระบบที่ซับซ้อนเช่นนี้ก็ทำให้สภาพอากาศบนดาวเปลี่ยนไปเยอะในแต่ละฤดูกาลของมัน มันโคจรอยู่ที่ระยะห่าง 7,500,000 กิโลเมตรจาก Proximar Centauri เท่านั้น เป็นระยะห่างแค่ 5% ของระยะห่างจากโลกถึงดวงอาทิตย์ แต่ก็ไม่น่าแปลกใจ Proximar Centauri เป็นดาวฤกษ์ขนาดเล็กเพียงแค่ 1 ใน 7 ของดวงอาทิตย์ และมีมวลแค่ 1 ใน 8 ของดวงอาทิตย์เท่านั้น

เราอาจจะคิดว่าถ้างั้นระบบ Proximar Centauri กับ Proximar B ก็เหมือนกับโลกดวงอาทิตย์ย่อส่วน ที่เล็กลงแค่นั้น แต่จริง ๆ แล้วคิดแบบนั้นง่ายไป Proximar Centauri เป็นดาวฤกษ์ที่มี Activity สูงมาก มันปล่อยอนุภาคพลังงานสูงและลมสุริยะ และคายมวล (Mass Ejection) บ่อยและถี่กว่าดวงอาทิตย์ ทำให้ Proximar B ต้องคอยรับความเกรี้ยวกราดของดาวแม่มัน และชีวิตก็อาจจะเกิดขึ้นได้ยาก

ระยะห่างที่คงที่ แต่แปรเปลี่ยนได้

นอกจากประเด็นในเรื่องความหนาแนน อุณหภูมิ ขนาด และอื่น ๆ แล้ว วงโคจรก็มีผลเช่นกัน ดาวเคราะห์บางดวงโคจรรอบดาวแม่ของมันด้วยวงโคจรแบบเป็นวงรี ทำให้มันอยู่ในเขต CHZ เพียงแค่ฤดูกาลหนึ่งเท่านั้น เมื่อมันค่อย ๆ เคลื่อนที่ออก ดาวก็จะกลายเป็นดาวที่หนาวเหน็บและแสงอาทิตย์ค่อย ๆ จางหายไป บ้างใช้เวลาเป็นปี แต่บ้างก็ใช้เวลานับร้อย ดังนั้น การเกิดชีวิตบนดาวอาศัยความสม่ำเสมอและระยะห่างที่คงที่ แต่คงที่มากไปก็ไม่โอเคอีก ขนาดโลกเรายังมีฤดูกาล และฤดูกาลก็เป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ทำให้สิ่งมีชีวิตบนโลกรู้จักการใช้ชีวิต สิ่งนี้อธิบายไว้ในงาน Understanding Evolutionary Impacts of Seasonality: An Introduction to the Symposium ที่บอกว่าฤดูกาลบนโลกนั้น กระตุ้นให้เกิดการย้ายถิ่นฐาน ความสมบูรณ์ของระบบนิเวศ ตลอดจนมีส่วนสำคัญในกระบวนการวิวัฒนาการ ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตรู้จักปรับตัว

Iceball หนึ่งใน Exo-planet ที่ถูกค้นพบโดยกล้อง Kepler ที่มา – NASA/JPL

ดังนั้น ไม่ใช้แค่ระยะทาง แต่หลายอย่างต้องสอดคล้อง พอดีกัน นั่นจึงไม่แปลกใจเลยว่าทำไมความสัมพันธ์แบบโลกกับดวงอาทิตย์ ถึงได้หายาก และแทบจะเป็นสุดยอดแห่งความบังเอิญ พูดได้ว่าชีวิตนี้เกิดเพราะความบังเอิญที่พอดี หรือถ้าคิดว่าการอยู่แบบเดี่ยว ๆ อ้างว้างในทะเลดาวที่กว้างใหญ่นั้นตอบโจทย์ ได้มี Paper ที่ชื่อว่า A proposal for a habitable planet in interstellar space กล่าวถึงชีวิตที่เป็นไปได้บน Rogue Planets ดาวเคราะห์กำพร้าในทะเลดาวที่มืดมิด ว่าอาจเป็นไปได้เช่นกัน

และสุดท้าย เรื่องนี้ก็อาจสอนให้เรารู้ว่า แม้ระยะห่างที่เหมาะสม ก็ยังมีปัจจัยอื่น ๆ อีกมากมายที่จะทำให้ชีวิตไม่อาจเกิดขึ้นได้ หรือสิ่งที่เราควรจะสนใจ ไม่ใช่การถามหาถึงความพอดี หรือหากฎเพื่อมาอธิบายและพยายามสร้างความสัมพันธ์ แต่สิ่งที่เราควรจะสนใจคือเข้าใจและยอมรับที่ความบังเอิญจะเกิดขึ้นและเกิดความสัมพันธ์ขึ้นมา เมื่อเกิดขึ้นมาแล้วก็ดูแลมันให้ดีที่สุดให้คุ้มค่ากับความบังเอิญที่ให้ชีวิต เหมือนกับโลกและดวงอาทิตย์ ที่อาจไม่มีอีกแล้วในจักรวาลนี้

 

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co 

อ้างอิง





Read More

บทความอื่น ๆ ที่ควรอ่านต่อ



In Coversation

เรื่องราวน่าสนใจที่กำลังเป็นบทสนทนา