Lucy ภารกิจสำรวจดาวเคราะห์น้อยโทรจัน ในจุดลากรางจ์ของดาวพฤหัส

Lucy จะเป็นภารกิจแรกที่ไปสำรวจดาวเคราะห์น้อยเรียกว่า “โทรจัน” ของดาวพฤหัสบดีซึ่งตั้งอยู่ในจุดที่มีความเสถียรสูงมากเรียกว่าจุดลากรางจ์ของดาวพฤหัสบดีซึ่งวัตถุในแถบนี้ ไม่เคยมียานลำไหนได้ไปสำรวจมาก่อน จึงทำให้ภารกิจ Lucy จะเป็นภารกิจแรกที่ได้ไปเยือนจุดลากรางจ์ของดาวพฤหัสบดี ซึ่งที่นั่น เราอาจพบซากดึกดำบรรพ์ของระบบสุริยะของเราที่เราไม่เคยพบเห็นมาก่อนและอาจช่วยไขปริศนาว่าระบบสุริยะเกิดขึ้นมาได้อย่างไร

ภารกิจ Lucy เริ่มต้นขึ้นในวันที่ 4 มกราคม 2017 เมื่อ Lucy พร้อมกับอีกภารกิจชื่อว่า Psyche ได้รับเลือกโดย Discovery Program ของ NASA สำหรับพัฒนายานและปล่อยยาน โดย Lucy ถูกออกแบบให้ปล่อยไปกับจรวด Atlas V401 ของ United Launch Alliance จากฐานปล่อยแหลมคานาเวอรัล (SLC-41)

อุปกรณ์สำคัญบนยาน

ยาน Lucy เป็นโพรบของ NASA มีชื่อเรียกอีกชื่อว่า Discovery # 13 ดูแลโดย NASA Goddard Space Flight Center SwRI และพัฒนาโดย Lockheed Martin ตัวยานมีความยาวจากหัวจดปลายที่ 13 เมตร ไม่รวมแผงโซลาร์เซลล์ขนาดข้างละ 6 เมตร ยาน Lucy มีอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ทั้งหมด 4 ชิ้น คือ L’Ralph, L’LORRI, L’TES, และ High Gain Antenna + T2CAM

• L’Ralph เป็นชื่อเรียกของ Multi-spectral Visible Imaging Camera (MVIC) และ Linear Etalon Imaging Spectral Array (LEISA) ซึ่ง LEISA จะถูกใช้ในการตรวจจับการดูดซับของแสงเพื่อหาร่องรอยของธาตุต่าง ๆ ซึ่งอาจจะเป็น ซิลิเกต น้ำแข็ง หรือแม้แต่สารอินทรีย์ซึ่งอาจอยู่บนผิวของดาวเคราะห์น้อย ส่วน MVIC จะทำหน้าที่ถ่ายรูปสีของดาวเคราะห์น้อยเพื่อช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถวิเคราะห์พื้นผิวของมันได้ โดย L’Ralph นั้นถูกถอดแบบมาจาก Ralph บนยาน New Horizons
• L’LORRI ย่อมาจาก Long Range Reconnaissance Imager เป็นกล้องถ่ายรูปความละเอียดสูงในช่วงคลื่นที่มองเห็นได้ ใช้สำหรับถ่ายรูปพื้นผิวของดาวเคราะห์น้อยแบบละเอียด โดย L’LORRI นั้นถูกถอดแบบมาจาก LORRI บนยาน New Horizons เช่นกัน แต่ L’LORRI จะถูกพัฒนาโดย APL (แล็บเดียวกับที่สร้างยาน DART)

• L’TES ย่อมาจาก Thermal Infrared Spectrometer ซึ่งถอดแบบมาจากอุปกรณ์คล้าย ๆ อุปกรณ์ OTES บนยาน OSIRIS-REx ซึ่งใช้ในการวัดอุณหภูมิด้วยแสงอินฟราเรด เพื่อวิเคราะห์ส่วนประกอบและโครงสร้างของดาวเคราะห์น้อย
• High-Gain Antenna นั้นเป็นจานดาวเทียมที่ใช้สำหรับสื่อสารกับโลกผ่าน Deep Space Network (DSN) แต่นอกจากสื่อสารแล้ว มันยังสามารถใช้วิเคราะห์มวลของดาวเคราะห์ได้ด้วยการใช้ปรากฏการณ์ Doppler Shift โดยการยิงสัญญาณลงไปที่ดาวเคราะห์น้อยแล้วรอรับสัญญาณที่สะท้อนกลับมา ซึ่งลักษณะของสัญญาณที่สะท้อนกลับมาสามารถนำมาวิเคราะห์มวลของดาวเคราะห์น้อยได้ นอกจากนี้กล้อง T2CAM (Terminal Tracking Camera) ซึ่งใช้ในการนำทางยังสามารถนำมาใช้ถ่ายรูปมุมกว้างของดาวเคราะห์น้อยได้อีกด้วย

เป้าหมายของภารกิจ Lucy

ภารกิจของ Lucy คือ ทำ Fly-by ดาวเคราะห์น้อยในจุดลากรางจ์ของดาวพฤหัสบดีทั้งหมด 5 ดวงแถมดาวเคราะห์น้อยภายในเข็มขัดดาวเคราะห์น้อยหลักของระบบสุริยะ 1 ดวง อีก 4 ดวงอยู่ในจุดลากรางจ์ที่ 4 ของดาวพฤหัสบดีและอีก 1 ดวงอยู่ที่จุดลากรางจ์จุดที่ 5 ของดาวพฤหัสบดี รวมระยะเวลาภารกิจทั้งหมด 12 ปีนับจากวันที่ปล่อย ซึ่งการที่จะปล่อยยาน Lucy ให้สามารถสำรวจดาวเคราะห์น้อยได้ครบนั้น จะต้องปล่อยยานใน Launch window ระหว่างวันที่ 16 ตุลาคม 2021 จนถึง 5 พฤศจิกายน 2021 เท่านั้น หากปล่อยเกินนี้ยานจะพลาดเป้าหมายทั้ง 6 เป้าทันที เพราะอะไรมาดูกัน

จุดลากรางจ์ คือ จุดที่เมื่อเราอ้างอิงจุด ๆ หนึ่ง เช่น โลก เป็นจุดอ้างอิงแล้ว จุดลากรางจ์จะเป็นจุดที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ไปพร้อม ๆ กับจุดอ้างอิง (Relative Position) ทำให้จุดลากรางจ์เป็นจุดที่มีวงโคจรเสถียรมากและวัตถุใดที่อยู่ในจุดลากรางจ์ก็จะอยู่ในจุดลากรางจ์ตลอดเวลาไม่เคลื่อนที่ออกไปไหน (สามารถอ่านบทความเกี่ยวกับจุดลากรางจ์ได้ที่นี่ Lagrangian Point คืออะไร ทำไมยานอวกาศถึงต้องไปอยู่ตรงนั้น)

ดาวเคราะห์น้อยที่ยาน Lucy กำลังจะสำรวจนั้นเรียกว่า “โทรจัน” ซึ่งในที่นี้เป็นโทรจันของดาวพฤหัสบดี กล่าวคือมันมีคาบการโคจรและลักษณะของวงโคจรทุกอย่างเหมือนกับดาวพฤหัสบดีและจะอยู่ที่ตำแหน่งเดิมตลอดเวลาหากมองจากดาวพฤหัสบดี คล้ายกับโทรจันของโลก เพราะโลกก็มีโทรจันเหมือนกันซึ่งอยู่ในจุดลากรางจ์ L4 ของโลก ซึ่ง ณ ตอนนี้พบเพียงวัตถุเดียวมีชื่อว่า 2010 TK7 หากเรามอง 2010 TK7 จากโลก มันจะอยู่ที่เดิมตลอดเวลาเพราะว่ามันโคจรไปพร้อมกับโลกนั่นเอง

ปรากฏการณ์ลักษณะเดียวกันเกิดขึ้นกับจุดลากรางจ์ของดาวพฤหัสบดี กล่าวคือจะมีดาวเคราะห์น้อยจำนวนมากที่อยู่ในจุดลากรางจ์ของดาวพฤหัสบดีเคลื่อนที่ไปพร้อมกับดาวพฤหัสบดี จึงถูกเรียกว่าโทรจันนั่นเอง เพราะว่ามันมีคุณสมบัติวงโคจรเหมือนกับดาวพฤหัสบดีเป๊ะ ขาดแต่มันไม่ใช่ดาวพฤหัสบดีจริง ๆ ไง เลยเรียกว่าโทรจัน

ตัวยานถูกปล่อยจากโลกด้วยจรวด Atlas 5 ของบริษัท ULA จากฐานปล่อยที่แหลมเคอเนอเวอรัล ในวันที่ 16 ตุลาคม 2021 และเริ่มต้นการเดินทางของมัน

ยาน Lucy จะใช้ Gravity assist จากโลก 2 รอบเพื่อเหวี่ยงตัวมันเองไปที่จุด L4 ระหว่างทางไปจุด L4 จะ Intercept กับดาวเคราะห์น้อยในเข็มขัดดาวเคราะห์น้อย 1 ดวง ชื่อว่า DonaldJohanson จากนั้นเมื่อถึงจุด L4 มันก็จะบินผ่านดาวเคราะห์น้อยทั้ง 4 ดวงภายในจุด L4 ชื่อว่า Eurybates, Polymele, Leucus, และ Orus จากนั้นจึงออกจากจุด L4 ตามวิถีวงโคจรเผื่อกลับมายังโลก และ Gravity assist เหวี่ยงตัวมันเองไปที่ที่เดิมอีกครั้ง แต่เพราะว่าจุด L5 หมุนรอบดวงอาทิตย์ ตอนที่ Lucy เดินทางถึงที่เดิม จุด L5 ก็โคจรมาถึงตำแหน่งของมันพอดีจากนั้นก็ทำ Fly-by กับดาวเคราะห์น้อย Patroclus & Menoetius จึงเป็นอันเสร็จสิ้นภารกิจที่วางแผนไว้ หากยานไม่สามารปล่อยตามกำหนดได้ ความบังเอิญนี้จะพังลงทั้งหมดทันทีนั่นเอง

รวมการเดินทางทั้งหมด 12 ปี เพื่อสำรวจดาวเคราะห์น้อยในจุดลากรางจ์ L4 และ L5 ซึ่งถือเป็นการสำรวจดาวเคราะห์น้อยจำนวนมากด้วยยานเพียงยานเดียวเท่านั้นและเพียงภารกิจเดียวด้วย หลังจากเสร็จสิ้นการสำรวจทั้งหมดยาน Lucy ก็จะถูกปลดเป็น Extended mission เพื่อทำการสำรวจต่อเท่าที่ทำได้จนกว่ายานจะไม่สามารถสื่อสารกับโลกได้

Lucy จะทำการเก็บข้อมูลด้วย Remote sensing ทั้งหมด 4 หมวดหมู่ด้วยกัน คือ

• Surface Geology – ยานจะเก็บข้อมูลค่า Albedo (ค่าสะท้อนแสง) รูปร่าง หลุมอุกกาบาต อายุคาดคะเนของพื้นผิว ลักษณะของแผ่นเปลือกดาวเคราะห์น้อย
• Surface Color and Composition – แมพสี ส่วนประกอบ และคุณสมบัติของดาวเคราะห์น้อยรวมถึงหาแร่ธาตุที่อยู่บนดาวเคราะห์น้อย
• Interiors and Bulk Properties – หาค่าความหนาแน่นและมวลของดาวเคราะห์น้อย รวมถึงหาส่วนประกอบด้วยการสำรวจหลุมอุกกาบาตและพื้นผิวของดาวเคราะห์น้อย
• Satellites and Rings – หาดาวบริวารและวงแหวนของดาวเคราะห์น้อย

ดาวเคราะห์น้อยที่ Lucy ไปสำรวจคืออะไรบ้าง

52246 Donaldjohanson เป็นดาวเคราะห์น้อยในเข็มขัดดาวเคราะห์น้อยหลักของระบบสุริยะ มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 4 กิโลเมตร จัดเป็นดาวเคราะห์น้อยชนิด C (Carbonaceous) หมายความว่ามันมีส่วนประกอบของ Carbon เป็นจำนวนมากรวมถึงหินและธาตุต่าง ๆ ด้วย มีความสามารถในการสะท้อนแสงต่ำ โดยนักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า 52246 Donaldjohanson เป็นเศษซากของการชนขนาดใหญ่เมื่อ 130 ล้านปีที่แล้วทำให้เกิดเศษซากดาวเคราะห์น้อยจำนวนมาก และ 52246 Donaldjohanson เป็นหนึ่งในนั้น โดย Lucy จะบินผ่านมันในวันที่ 20 เมษายน 2025

(3548) Eurybates – Eurybates จะเป็นดาวเคราะห์น้อยในจุดลากรางจ์ดวงแรกที่จะถูกสำรวจโดยยาน Lucy และยังเป็นดวงแรกที่ถูกสำรวจในมนุษยชาติด้วย โดย (3548) Eurybates มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 64 กิโลเมตร ถูกจัดอยู่ในกลุ่ม C โดย (3548) Eurybates เป็นเศษซากของการชนกันในอดีตที่มีหลักฐานยืนยันทฤษฎีการชน จึงทำให้มันเป็นจุดสนใจนั่นเองและการสำรวจ (3548) Eurybates จะช่วยบอกเราว่าทำไมเศษซากการชนทุกอันถึงเป็น ดาวเคราะห์น้อยกลุ่ม C แต่ไม่ใช่กลุ่ม D เพราะว่าดาวเคราะห์น้อยกลุ่ม C นั้นส่วนใหญ่เจออยู่ในเข็มขัดดาวเคราะห์น้อยหลักเท่านั้น ไม่ค่อยมาอยู่ไกลขนาดนี้ นอกจากนี้ (3548) Eurybates ยังมีดาวเคราะห์น้อยบริวารขนาด 1 กิโลเมตรอยู่อีกด้วย โดย Lucy จะบินผ่าน (3548) Eurybates ในวันที่ 12 สิงหาคม 2027

(15094) Polymele – เป็นดาวเคราะห์น้อยเส้นผ่านศูนย์กลาง 21 กิโลเมตร ถูกจัดอยู่ในกลุ่ม P ซึ่งเป็นกลุ่มที่มีแร่ธาตุอินทรีย์จำพวก ซิลิเกต คาร์บอน และน้ำแข็ง มีความสามารถในการสะท้อนแสงต่ำทำให้มันมืด นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่า (15094) Polymele เป็นเศษซากจากการชนกันกับวัตถุกลุ่ม P ขนาดใหญ่ โดย Lucy จะบินผ่าน (15094) Polymele ในวันที่ 15 กันยายน 2027

(11351) Leucus – (11351) Leucus เป็นดาวเคราะห์น้อยขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 34 กิโลเมตร จัดอยู่ในชนิด D หมายความว่ามันมีค่าการสะท้อนแสงต่ำและมีสเปกตรัมออกไปทางสีแดง อาจมีธาตุจำพวก ซิลิเกต คาร์บอน และน้ำแข็ง โดย (11351) Leucus มีอัตราหมุนรอบตัวเองต่ำมากโดยใช้เวลาถึง 466 ชั่วโมง ถึงจะหมุนครบรอบ นักวิทยาศาสตร์จึงจะใช้โอกาศนี้ที่ (11351) Leucus หมุนรอบตัวเองช้าศึกษาส่วนประกอบของดาวเคราะห์น้อยอย่างละเอียดโดยเฉพาะเรื่องอุณหภูมิ เพราะว่ามันหมุนช้าด้านที่หันหน้าเข้าดวงอาทิตย์จะมีอุณหภูมิสูง ส่วนอีกด้านจะมีอุณหภูมิต่ำ การศึกษาคุณสมบัติการแผ่ความร้อนอาจช่วยบอกเราได้ว่าพื้นผิวของดาวมีอะไรเป็นส่วนประกอบ โดย Lucy จะบินผ่าน (11351) Leucus ในวันที่ 18 เมษายน 2028

(21900) Orus – เป็นดาวเคราะห์น้อยดวงสุดท้ายในจุด L4 ของดาวพฤหัสบดีที่ Lucy จะทำการสำรวจ (21900) Orus มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 51 กิโลเมตร ชนิด D มีผิวสีแดงและความสามารถในการสะท้อนแสงต่ำ ทำให้มันมืดมาก โดยนักวิทยาศาสตร์จะใช้ (21900) Orus เทียบกับ (11351) Leucus ซึ่งเป็นดาวเคราะห์น้อยชนิดเดียวกัน โดยสันนิษฐานว่า (21900) Orus ประกอบไปด้วยสารอินทรีย์และคาร์บอน โดย Lucy จะบินผ่านมันในวันที่ 11 พฤศจิกายน 2028

หลังจากการสำรวจ (21900) Orus ยาน Lucy จะจบการสำรวจดาวเคราะห์น้อยในเขต L4 ของมันและวกกลับโลกเพื่อใช้ Gravity assist เหวี่ยงมันกลับไปอีกครั้งเมื่อ L5 ของดาวพฤหัสบดีวนมาพอดีโดยดาวเคราะห์น้อยอันสุดท้ายที่ Lucy จะสำรวจ คือ (617) Patroclus & Menoetius

(617) Patroclus & Menoetius – เป็นดาวเคราะห์น้อยคู่ในจุดลากรางจ์ L5 ของดาวพฤหัสบดี โดยทั้งคู่เป็นดาวเคราะห์น้อยชนิด P มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 113 และ 104 กิโลเมตรตามลำดับ นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่ามันทั้งคู่อาจเป็นดาวเคราะห์น้อยปฐมภูมิที่เหลือจากการก่อตัวของระบบสุริยะ โดยเป็นโอกาสที่ดีมากที่เราจะได้สำรวจมันเพราะว่าวงโคจรของมันนั้นไม่ได้ราบเรียบเหมือนกับพวกดาวเคราะห์น้อยที่อยู่ใน L4 เพราะวงโคจรของมันมีความเอียงอ้างอิงกับระนาบของดวงอาทิตย์ (Heliocentric orbit) ถึง 22 องศา หมายความว่า มันใช้เวลาส่วนใหญ่อยู่ใต้และอยู่เหนือโลกเรา การจะยิงยานอวกาศอะไรก็ตามไปแถวนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย แต่ครั้งนี้มันผ่านจุดที่ตัดกับ Heliocentric orbit plane พอดีทำให้ยาน Lucy สามารถสำรวจพวกมันได้ในวันที่ 2 มีนาคม 2033

การสำรวจดาวเคราะห์น้อยต่าง ๆ เหล่านี้จะเป็นตัวบอกใบ้ประวัติศาสตร์ของระบบสุริยะเมื่อ 4 พันล้านปีที่แล้วว่าเกิดขึ้นมาได้อย่างไรรวมถึงสารอินทรีย์ต่าง ๆ และชีวิตบนโลก หลังจบภารกิจ Lucy อาจจะถูกยืดอายุภารกิจออกเพื่อทำการสำรวจต่อไปจนกว่ายานจะไม่สามารถทำงานต่อได้

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co