วงแหวนของดาวเสาร์ที่หมุนรอบเส้นศูนย์สูตรของดาวเคราะห์นั้นเป็นของแถมที่โลกหมุนด้วยความเอียง ยักษ์คาดเข็มขัดหมุนทำมุม 26.7 องศาเมื่อเทียบกับระนาบที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ นักดาราศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่าความเอียงนี้มาจากปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงกับดาวเนปจูนเพื่อนบ้าน ในขณะที่ความเอียงของดาวเสาร์เคลื่อนตัวไปข้างหน้า ราวกับยอดหมุน ในอัตราเกือบเท่าวงโคจรของดาวเนปจูน
แต่จากการศึกษาแบบจำลองใหม่โดยนักดาราศาสตร์ที่ MIT และที่อื่น ๆ พบว่าในขณะที่ดาวเคราะห์ทั้งสองดวงอาจมีการประสานกัน แต่ดาวเสาร์ก็รอดพ้นจากการดึงของเนปจูน อะไรเป็นสาเหตุของการปรับแนวดาวเคราะห์ดวงนี้? ทีมงานได้ทดสอบสมมติฐานหนึ่งอย่างพิถีพิถัน นั่นคือ ดวงจันทร์ที่หายไป
ในการศึกษาที่ปรากฏในวารสาร Science ในวันนี้ ทีมงานได้เสนอว่าดาวเสาร์ซึ่งปัจจุบันมีดวงจันทร์ 83 ดวง ซึ่งครั้งหนึ่งเคยเก็บดาวดวงอื่นไว้อย่างน้อย 1 ดวง ซึ่งเป็นดาวเทียมอีกดวงที่มีชื่อว่า Chrysalis นักวิจัยแนะนำว่า Chrysalis โคจรรอบดาวเสาร์เป็นเวลาหลายพันล้านปี ดึงและดึงดาวเคราะห์ในลักษณะที่คงความเอียงหรือ “ความเอียง” สอดคล้องกับดาวเนปจูนร่วมกับพี่น้องของมัน
แต่เมื่อราว 160 ล้านปีก่อน ทีมงานประเมินว่าดักแด้เริ่มไม่เสถียรและเข้าใกล้ดาวเคราะห์ของมันมากเกินไปในการเผชิญหน้ากันที่ดึงดาวเทียมออกจากกัน การสูญเสียดวงจันทร์ก็เพียงพอที่จะขจัดดาวเสาร์ออกจากเงื้อมมือของดาวเนปจูนและปล่อยให้มันเอียงในปัจจุบัน
ยิ่งไปกว่านั้น นักวิจัยคาดการณ์ว่าในขณะที่ร่างที่แตกสลายของ Chrysalis ส่วนใหญ่อาจส่งผลกระทบต่อดาวเสาร์ เศษเสี้ยวของมันอาจจะยังลอยอยู่ในวงโคจร ในที่สุดก็แตกเป็นชิ้นเล็ก ๆ ที่เป็นน้ำแข็งเพื่อสร้างวงแหวนที่เป็นลายเซ็นของดาวเคราะห์
ดาวเทียมที่หายไปจึงสามารถอธิบายความลึกลับที่มีมายาวนานสองประการ: ความลาดเอียงในปัจจุบันของดาวเสาร์และอายุของวงแหวนซึ่งก่อนหน้านี้ประมาณว่ามีอายุประมาณ 100 ล้านปี ซึ่งอายุน้อยกว่าดาวเคราะห์มาก
“เช่นเดียวกับดักแด้ของผีเสื้อ ดาวเทียมดวงนี้หยุดนิ่งนานและจู่ ๆ ก็เริ่มทำงาน และวงแหวนก็ปรากฏขึ้น” แจ็ค วิสดอม ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่ MIT และผู้เขียนนำของการศึกษาใหม่กล่าว
ผู้ร่วมวิจัย ได้แก่ Rola Dbouk จาก MIT, Burkhard Militzer จาก University of California at Berkeley, William Hubbard จาก University of Arizona, Francis Nimmo และ Brynna Downey จาก University of California at Santa Cruz และ Richard French จาก Wellesley College
ช่วงเวลาแห่งความก้าวหน้า
ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอแนวคิดที่ว่าแกนเอียงของดาวเสาร์เป็นผลมาจากดาวเคราะห์ที่ติดอยู่ในเรโซแนนซ์หรือความโน้มถ่วงกับดาวเนปจูน แต่การสังเกตการณ์ของยานอวกาศแคสสินีของนาซ่าซึ่งโคจรรอบดาวเสาร์ตั้งแต่ปี 2547 ถึง พ.ศ. 2560 ทำให้เกิดปัญหาใหม่ นักวิทยาศาสตร์พบว่าไททัน ซึ่งเป็นดาวเทียมที่ใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์ กำลังอพยพออกจากดาวเสาร์ด้วยคลิปที่เร็วกว่าที่คาดไว้ ในอัตราประมาณ 11 เซนติเมตรต่อปี การอพยพอย่างรวดเร็วของไททันและแรงดึงดูดของไททัน ทำให้นักวิทยาศาสตร์สรุปได้ว่าดวงจันทร์น่าจะมีส่วนรับผิดชอบต่อการเอียงและทำให้ดาวเสาร์สอดคล้องกับดาวเนปจูน
แต่คำอธิบายนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ไม่รู้ที่สำคัญอย่างหนึ่ง นั่นคือ โมเมนต์ความเฉื่อยของดาวเสาร์ ซึ่งเป็นการกระจายมวลภายในดาวเคราะห์ ความเอียงของดาวเสาร์อาจมีพฤติกรรมแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับว่าสสารมีความเข้มข้นอยู่ที่แกนกลางหรือพื้นผิวมากกว่า
Wisdom กล่าวว่า “เพื่อให้ปัญหาคืบหน้า เราต้องกำหนดโมเมนต์ความเฉื่อยของดาวเสาร์
องค์ประกอบที่หายไป
ในการศึกษาครั้งใหม่นี้ Wisdom และเพื่อนร่วมงานของเขามองหาการตรึงโมเมนต์ความเฉื่อยของดาวเสาร์โดยใช้การสังเกตครั้งสุดท้ายของ Cassini ใน “Grand Finale” ซึ่งเป็นช่วงของภารกิจในระหว่างที่ยานอวกาศเข้าใกล้อย่างมากเพื่อทำแผนที่อย่างแม่นยำ สนามโน้มถ่วงรอบโลกทั้งใบ สนามโน้มถ่วงสามารถใช้เพื่อกำหนดการกระจายของมวลในโลก
Wisdom และเพื่อนร่วมงานของเขาจำลองการตกแต่งภายในของดาวเสาร์และระบุการกระจายของมวลที่ตรงกับสนามโน้มถ่วงที่ Cassini สังเกต น่าแปลกที่พวกเขาพบว่าโมเมนต์ความเฉื่อยที่ระบุใหม่นี้ทำให้ดาวเสาร์อยู่ใกล้ แต่อยู่นอกการสะท้อนของดาวเนปจูน ดาวเคราะห์อาจเคยมีการซิงค์กัน แต่ก็ไม่ได้อีกต่อไป
“จากนั้นเราก็ออกล่าสัตว์เพื่อหาทางดึงดาวเสาร์ออกจากเสียงสะท้อนของดาวเนปจูน” Wisdom กล่าว
ทีมงานได้ทำการจำลองครั้งแรกเพื่อวิวัฒนาการพลวัตการโคจรของดาวเสาร์และดวงจันทร์ของดาวเสาร์ย้อนเวลากลับไป เพื่อดูว่าความไม่เสถียรตามธรรมชาติของดาวเทียมที่มีอยู่อาจส่งผลต่อการเอียงของดาวเคราะห์หรือไม่ การค้นหานี้ว่างเปล่า
ดังนั้น นักวิจัยจึงตรวจสอบสมการทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายการเคลื่อนตัวของดาวเคราะห์อีกครั้ง ซึ่งเป็นการที่แกนหมุนของดาวเคราะห์เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา หนึ่งเทอมในสมการนี้มีส่วนร่วมจากดาวเทียมทั้งหมด ทีมงานให้เหตุผลว่าหากดาวเทียมดวงหนึ่งถูกลบออกจากยอดรวมนี้ อาจส่งผลต่อการเคลื่อนตัวของดาวเคราะห์
คำถามคือ ดาวเทียมดวงนั้นจะต้องมีมวลขนาดเท่าใด และจะต้องผ่านการเปลี่ยนแปลงแบบใดเพื่อกำจัดดาวเสาร์ออกจากการสะท้อนของดาวเนปจูน
Wisdom และเพื่อนร่วมงานของเขาทำการจำลองเพื่อกำหนดคุณสมบัติของดาวเทียม เช่น มวลและรัศมีการโคจร และการเปลี่ยนแปลงของวงโคจรที่จะต้องทำให้ดาวเสาร์หลุดออกจากเสียงสะท้อน
พวกเขาสรุปว่าการเอียงของดาวเสาร์ในปัจจุบันเป็นผลมาจากการสั่นพ้องกับดาวเนปจูนและการสูญเสียดาวเทียมดักแด้ซึ่งมีขนาดประมาณ Iapetus ซึ่งเป็นดวงจันทร์ที่ใหญ่เป็นอันดับสามของดาวเสาร์ ปล่อยให้มันหลุดพ้นจากการสั่นพ้อง
ในช่วง 200 ถึง 100 ล้านปีก่อน Chrysalis เข้าสู่เขตโคจรที่วุ่นวาย พบกับ Iapetus และ Titan อย่างใกล้ชิดหลายครั้ง และในที่สุดก็เข้าใกล้ดาวเสาร์มากเกินไป ในการเผชิญหน้ากันที่กินหญ้าจนทำให้ดาวเทียมแตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย เหลือเพียงเศษเสี้ยว เพื่อโคจรรอบดาวเคราะห์เป็นวงแหวนเศษซาก
พวกเขาพบการสูญเสียดักแด้ อธิบายถึงการเคลื่อนตัวของดาวเสาร์ และการเอียงของดาวเสาร์ในปัจจุบัน ตลอดจนการก่อตัวของวงแหวนในช่วงปลาย
“มันเป็นเรื่องที่ค่อนข้างดี แต่ก็เหมือนกับผลงานอื่นๆ ที่จะต้องถูกตรวจสอบโดยคนอื่นๆ” วิสดอมกล่าว “แต่ดูเหมือนว่าดาวเทียมที่หายไปนี้เป็นเพียงดักแด้ รอให้มันไม่เสถียร”
งานวิจัยชิ้นนี้ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดย NASA และ National Science Foundation
