ถ้ายังจำกันได้ ธันวาคมปีที่แล้ว ยาน Voyager 2 เดินทางออกนอกระบบสุริยะตลอดกาลในช่วงเดียวกับที่ยาน Parker Solar Probe สัมผัสผิวชั้นนอกของดวงอาทิตย์เป็นการปิดฉากการสำรวจอวกาศในปี 2018 อย่างน่าประทับใจ จนถึงวันนี้เวลาผ่านไปเกือบ 1 ปีเต็มนักดาราศาสตร์ได้หลักฐานว่ายาน Voyager 2 นั้นเดินทางออกนอกระบบสุริยะแล้วจริง ๆ แล้วพวกเขารู้ได้อย่างไร วันนี้เราจะมาทำความเข้าใจดินแดนสุดขอบระบบสุริยะที่มืดมิดแต่เต็มไปด้วยปรากฎการณ์และพฤติกรรมทางพลาสม่าและแม่เหล็กที่น่าสนใจ

ถามว่าเรารู้ได้อย่างไรว่ายาน Voyager 2 เดินทางออกนอกระบบสุริยะเมื่อปลายปี 2018 คำตอบนี้ไม่ยาก เนื่องจากในตอนที่ปล่อยออกไปนักฟิสิกส์ได้คาดคะเนทิศทางของมันไว้อย่างแม่นยำ เนื่องจากในการปล่อย Voyager ทั้ง 2 ลำ จำเป็นต้องอาศัยแรงเหวี่ยงจากการบินโฉบดาวในระบบสุริยะ ทำให้การคำนวณทิศทางของยานหรือ Trajectory นั้นต้องทำด้วยความปราณีตและผิดพลาดไม่ได้

ยาน Voyager 2 ที่มา – NASA/JPL

ด้วยเหตุผลนี้ทำให้ระยะทางระหว่างยาน Voyager 1 และ 2 กับโลก สามารถหาได้จากการดูระยะเวลา (time) ที่ผ่านไปบนเส้นทางที่ถูกคำนวณไว้แล้วอย่างแม่นยำ ทำให้เราทราบได้ว่า ณ เวลานี้ยาน Voyager อยู่ห่างออกไปจากโลกเท่าไหร่ ห่างจากดวงอาทิตย์เท่าไหร่ และพ้นขอบเขตของระบบสุริยะเมื่อไหร่ ซึ่งคำตอบนั้นก็คือ สิงหาคม 2012 สำหรับยาน Voyager 1 และธันวาคม 2019 สำหรับยาน Voyager 2

แล้วนักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไรว่า Voyager 2 เดินทางพ้นขอบระบบสุริยะแล้วจริง ๆ มีหลักฐานอะไรมาบอก

มีการตีพิมพ์ Paper ที่ชื่อว่า Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium พร้อมกับ Paper อื่น ๆ อีกกว่า 5 ฉบับลงในวารสาร Nature Astronomy โดยทีมนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จาก University of Iowa ที่ยืนยันด้วยข้อมูลจากอุปกรณ์บนยาน Voyager 2 ว่าข้อมูลที่ได้รับนั้นเป็นหลักฐานยืนยันว่ามันเดินทางออกนอกระบบสุริยะแล้วจริง ๆ

ทีนี้ก่อนจะไปทำความเข้าใจ Paper ตัวนั้นเราต้องมาทำความเข้าใจขอบเขตของระบบสุริยะกันก่อนว่าระบบสุริยะคืออะไรกันแน่ รวมถึงทำความเข้าใจคำสำคัญที่อยู่ในชื่อของ Paper ตัวนี้ได้แก่ Plasma, Heliopause และ Interstellar Medium แค่ชื่อก็ฟังดูวิชาการมาก ๆ แล้ว แต่เราจะมาอธิบายสิ่งที่นักฟิสิกส์ใช้เป็นหลักฐานนี้กัน

ต้องบอกว่าดวงอาทิตย์ของเราให้นึกภาพก็คือแหล่งกำเนิดของอนุภาคต่าง ๆ ที่พวยพุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์เราเรียกว่า Solar Particle หรือ Solar Wind เหมือนกับมีลมบางอย่างเป่าออกมาจากดวงอาทิตย์ (เพียงแต่ว่ามันคืออนุภาค) อนุภาคพวกนี้เดินทางออกมาเหมือนกับกระแสน้ำที่ไหลออกมาจากศูนย์กลางของระบบสุริยะ แต่พอถึงจุดหนึ่งแรงดันที่กระแสน้ำพยายามจะไหลออกมาจากศูนย์กลางก็จะเท่ากับแรงดันจากพยายนอกที่พยายามจะดันเข้าไป

ภาพนี้แสดงตัวอย่างของพฤติกรรมของลมสุริยะกับแรงดันภายนอกของระบบสุริยะได้อย่างใกล้ตัว บริเวณ Termination shock คือจุดที่เริ่มสู้กับแรงภายนอกไม่ไหว และ Heliopause คือจุดที่ความเร็วของอนุภาคที่วิ่งออกไปเริ่มช้าลงจนไม่สามารถออกไปไกลกว่านี้ได้อีกแล้ว ที่มา – Yanpas

จุดที่แรงดันภายนอกมีค่าเท่ากับแรงดันจากภายในจุดนี้คือขอบเขตของระบบสุริยะเรียกว่า Heliopause (มาจากคำว่า Helios เทพแห่งดวงอาทิตย์ และ pause ที่แปลว่าหยุด) ดังนั้นถามว่าจุดสิ้นสุดของระบบสุริยะคือตรงไหนก็คือจุด Heliopause นี่แหละ

ใครที่หลงใหลกับการมองระบบสุริยะผ่านแนวคิดของกลศาสตร์ของไหล (Magnetohydrodynamics) สามารถอ่านบทความ – กลศาสตร์ของไหล ความเชื่อมโยงที่นำไปสู่การศึกษาอวกาศที่ไม่ว่างเปล่า

คำถามต่อไปก็คือเราไม่มีนิยามของจุดสิ้นสุดของระบบสุริยะที่ดีกว่านี้แล้วเหรอ ตรงนี้ต้องถามกลับว่า แล้วจะใช้อะไร จะใช้แรงโน้มถ่วงก็ไม่ได้ เนื่องจากถ้าเราดูสมการทางฟิสิกส์ที่เรียนกันตอน ม.ปลาย แรงโน้ม (รวมถึงแรงไฟฟ้า) ถ่วงมีพฤติกรรมแบบ Inverse Square Law คือยิ่งห่างก็จะยิ่งน้อยลงเรื่อย ๆ แต่ไม่มีจุดใดเลยที่จะมีค่าเป็น 0 มีแค่น้อยมาก ๆ จนเราไม่คิดเท่านั้น จะใช้ระยะทางยิ่งเป็นไปไม่ได้ใหญ่เพราะขนาดของแต่ละระบบก็ไม่เท่ากัน การดูจากพฤติกรรมของ Solar Wind แบบนี้น่าจะตอบโจทย์ของการนิยามขอบเขตระบบสุริยะมากที่สุด

ภาพแสดงบริเวณของ Heliopause คือจุดที่แรงดันที่เกิดจากลมสุริยะไม่สามารถเอาชนะแรงดันจากภายนอกได้ ที่มา – NASA/JPL

พอมีจุด Heliopause แล้ว ต่อไปก็คือ Interstellar Medium ซึ่งคำว่า Medium แปลว่าตัวกลาง Inter แปลว่าระหว่าง stellar แปลว่าดาว รวมกันก็คือช่องว่างระหว่างดวงดาว บริเวณนี้เช่นเดียวกับทุกบริเวณในจักรวาลไม่ได้ว่างเปล่า แต่เต็มไปด้วยฝุ่นและละอองแก๊ส อย่างไรก็ตามบริเวณ ณ สองจุดนี้ควรจะมีสภาพที่แตกต่างกันอย่างชัดเจน เนื่องจากพฤติกรรมของพลาสม่าในบริเวณขอบระหว่าง Heliopause และ Insterstellar Medium จะแตกต่างกันเพราะแรงดันระหว่างภายในกับภายนอกของระบบสุริยะ

แล้วบริเวณสุดขอบระบบสุริยะนี้หน้าตาเป็นอย่างไรจากมุมมองของ Voyager 2

ย้อนกลับไปที่ตัว Paper Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium ที่เพิ่งออกมานั้น เราอาจจะพอเดาออกว่า Voyager 2 ใช้เครื่องมือบนยานที่มีชื่อว่า PLS หรือ Plasma Science และวาดกราฟออกมาดูพฤติกรรมทางพลาสม่าที่เปลี่ยนไปของบริเวณที่ยาน Voyager เดินผ่าน โดยค่าที่วัดได้คือแกนตั้ง (y) มีหน่วยเป็น fA (femto Amp) และเวลาหรือระยะห่างจากดวงอาทิตย์เป็นแกนนอน (x)

จากกราฟเราจะเห็นจุดที่เกิดการ Jump บริเวณวันที่ 300 กว่า ๆ ซึ่งถูกขีดเส้นว่า HP คือจุด Heliopause นั่นเอง ที่มา – Iowa/PLS

ทีมนักวิทยาศาสตร์วัดค่าจากอุปกรณ์ Faraday cups บนยาน ที่ดักจับอนุภาคมีประจุแล้ววัดค่าด้วย Electrometer ออกมาเป็นกราฟ ซึ่งจากกราฟเราจะเห็นว่ามีบริเวณที่เกิดปรากฎการณ์ที่เรียกว่า Plasma Density Jump ปรากฎการณ์นี้เคยเกิดขึ้นตอนที่ยาน Voyager 1 เดินทางออกนอกระบบสุริยะในปี 2012

บริเวณที่หลุดออกไปจากขอบของระบบสุริยะพวกเขาเรียกจุดนี้ว่า VLISM หรือ Very Local Interstellar Medium คือช่องว่างระหว่างดาวที่ใกล้กับเราหรือใกล้กับบริเวณ Heliopause (ที่ต้องนิยามแบบนี้เพราะยิ่งออกไปไกล ก็อาจจะมีพฤติกรรมที่ต่างกัน แล้วเราก็ยังไม่เคยส่งยานไปสัมผัสบริเวณนั้น)

เปรียบเทียบค่าที่วัดได้จาก Faraday Cup กับค่าที่ทำนายไว้ ที่มา – Iowa/PLS

อีกกราฟนึงที่น่าสนใจและอยากชวนดูก็คือ ทีมได้ลองนำข้อมูลจาก Faraday Cup แต่ละตัวซึ่งแยกรับเฉพาะอนุภาคในระดับพลังงานที่เราสนใจ (ในที่นี้คือ 1.2-14.5 eV และ 16.8-19.3 eV) แล้วนำมาพล็อตรวมกับ Simulation ที่ได้ทำนายเอาไว้ว่าพอถึงจุด Heliopause แล้วกราฟที่วัดออกมากจะได้แบบนี้ ซึ่งก็ใกล้เคียงมาก ๆ

นอกจากนี้ยังมีข้อมูลอื่น ๆ ที่น่าสนใจอีกเช่นว่าพลาสมา ในบริเวณ VLISM นั้นมีอุณหภูมิสูงกว่าที่ทำนายไว้อยู่ที่ 30,000–50,000 เคลวิน ซึ่งเราเคยทำนายไว้ว่าอยู่แค่ 15,000–30,000 เคลวินเท่านั้น

สิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากการออกนอกระบบสุริยะของ Voyager 1 และ 2 บอกอะไรเรา

ทีนี้กลายเป็นว่าทั้งยาน Voyager 1 และ 2 ก็ได้ออกนอกระบบสุริยะของเราไปเรียบร้อยแล้ว แถมมีกราฟของพลาสม่าจากจุดที่แตกต่างกันสองจุด ซึ่งเรารู้ทั้งระยะห่าง ทิศทางและเวลา ทำให้เราสามารถใช้ข้อมูลจาก 2 บริเวณนี้คิดคร่าว ๆ ได้ว่า “รูปร่าง” ของระบบสุริยะ (heliosphere) ของเราเป็นอย่างไร Don Gurnett นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ผู้ร่วมเขียน Paper นี้บอกว่า “It implies that the heliosphere is symmetric, at least at the two points where the Voyager spacecraft crossed” ก็คือ heliosphere ของเราสมมาตรกัน (หรือสามารถคาดเดา ทำนายรูปร่างได้ชัดเจน เพราะมีจุด Reference point 2 จุด) หรืออย่างน้อย ก็สมมาตรกันใน 2 จุดที่ยานทั้งสองลำบินผ่านแน่ ๆ

ที่เป็นเช่นนี่ก็เพราว่ายาน Voyager 1 นั้นบินออกทางเหนือ ส่วน Voyager 2 นั้นบินออกทางใต้ แต่ตัวเลขที่ออกมาพบว่า ทั้ง Voyager 1 และ 2 เจอจุด Heliopause ที่ระยะห่างจากดวงอาทิตย์ใกล้ ๆ กัน ที่ประมาณ 121.6 AU

อีกปัจจัยนึงที่น่าสนใจก็คือแม้ยาน Voyager 1 และ 2 จะเดินทางออกนอกระบบสุริยะเหมือนกัน แต่ Voyager 1 เดินทางออกในช่วง Solar Mininum และ Voyager 2 เดินทางออกในช่วง Solar Maximum ซึ่งต่างกันตรงที่ความรุนแรงของลมสุริยะที่พัดเอาอนุภาคต่าง ๆ ออกมา ทำให้จริง ๆ แล้ว Heliosphere ควรจะยืดและหดตามช่วงของดวงอาทิตย์ แต่ทำไม Heliopause ยังวัดได้ที่ 121.6 AU ใกล้เคียงกัน

ซึ่งเราจะไม่สามารถยืนยันแบบนี้ได้เลยหากยาน Voyager ทั้ง 2 ลำไม่ได้เดินทางออกนอกระบบสุริยะในทิศทางที่แตกต่างกัน หรือใช้อุปกรณ์ที่ Calibrate มาเหมือนกัน

ภาพอธิบายการออกนอกระบบสุริยะของ Voyager 1 และ 2 ว่ามีปัจจัยอะไรที่ต้องนำมาคิดบ้าง ที่มา – University of Iowa

Paper อีกตัวหนึ่งที่ชื่อว่า Energetic charged particle measurements from Voyager 2 at the heliopause and beyond ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับพฤติกรรมของสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นภายในและนอก Heliosphere ผ่านการศึกษาอนุภาคมีประจุ ซึ่งจะนำไปสู่การศึกษา Galactic Magnetic Field หรือสนามแม่เหล็กระหว่างดวงดาว (ที่เรายังรู้เกี่ยวกับมันน้อยนิดนัก)

การเทียบข้อมูลที่ทั้งเหมือนและต่างกันระหว่างยาน Voyager 1 และ 2 นั้นจะช่วยให้เราสร้างฐานของความเข้าใจเกี่ยวกับระบบสุริยะและ VLISM มากขึ้น

Voyager 1 และ 2 นักเดินทางที่เหนื่อยล้า ที่มา – NASA/JPL

ยาน Voyager ทั้ง 1 และ 2 นั้นคือตัวแทนของมนุษย์ในการเดินทางไปยังจุดที่เราไม่รู้จักอย่าลืมว่านี่เป็นเวลาเพียงแค่ไม่ถึงร้อยปีนับจากวันที่จรวดลำแรกถูกสร้างและบินขึ้นไปสำรวจอวกาศ เวลาแค่ห้าสิบปีนับจากที่มนุษย์เดินทางเหยียบดวงจันทร์ แต่วันนี้เราสามารถส่งยานไปสำรวจดาวเคราะห์ในระบบสุริยะได้แล้วครบทุกดวง แถมมีวัตถุที่เดินทางออกนอกระบบสุริยะแล้วถึง 2 วัตถุ

Voyager 1 และ 2 นั้นชื่อของมันแปลว่านักเดินทางสำหรับการเดินทางอันแสนยาวนาน แต่เหนือสิ่งอื่นใดแล้วการเดินทางนั้นอาจไม่มีจุดหมายแต่สุดท้ายสิ่งที่สำคัญที่สุดไม่ใช่ว่าเรากำลังไปไหน แต่เรากำลังเดินทางอยู่ต่างหาก แล้วระหว่างทางเราได้อะไร ได้ความรู้ ได้แนวคิด ได้สิ่งใหม่ ๆ ที่ทำให้เราไม่เสียใจเลยที่เดินในทุก ๆ ก้าว เราทุกคนคือนักเดินทางแม้คุณจะนั่งเฉย ๆ คุณก็กำลังเดินทางผ่านเวลา การเดินทางที่ไม่มีวันหวนกลับ และในทุกก้าวหรือทุกวินาที ทุก v = s/t คือสิ่งที่บอกว่าคุณมีตัวตนอยู่ในจักรวาลนี้

Carl Sagan เคยกล่าวไว้ว่า “ข้าพเจ้าไม่รู้ว่าข้าพเจ้ากำลังไปไหน แต่ข้าพเจ้ากำลังเดินทาง”

อ่านเพิ่มเติม – ยานวอยาเจอร์ สองฝาแฝดนักท่องจักรวาล

อ้างอิง
Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium
Plasma Science (PLS) on Voyager 2 – NASA
The Voyage to Interstellar Space – NASA



บทความที่เกี่ยวข้อง





เข้าสู่ระบบ