ภาพจาก http://www.jpl.nasa.gov/images/stardust/stardust-comet-browse.jpg
ยานสตาร์ดัสสร้างประวัติศาสตร์เก็บฝุ่นดาวหางวิลด์ 2
7 กุมภาพันธ์ ปี 1999 ยานสตาร์ดัส [Stardust Spacecraft] มูลค่า 165 ล้านดอลลาร์ขององค์การนาซ่าสร้างโดย ล็อคฮีดมาร์ตินสเปซซิสเท็มส์ และควบคุม ปฏิบัติการโดยห้องทดลองจรวดขับดัน [Jet Propulsion Laboratory] ทะยานขึ้นสู่อวกาศโดยจรวดเดลต้า 2 ณ แหลมคานาเวอราล ฟลอริดา เพื่อเก็บฝุ่นอวกาศ และฝุ่นของดาวหางวิลด์ 2 [Wild 2]
สตาร์ดัสไม่ได้เดินทาง อย่างโดดเดี่ยว แต่ไปพร้อมกับชื่อมนุษย์กว่า 1 ล้านชื่อ ซึ่งถูกสลักลงบนไมโครชิป 2 แผ่น ในจำนวนนี้ มีคนไทยรวมอยู่ด้วยประมาณสองร้อยคน
ต่อมาในปี 1986 ยานอวกาศ เวก้า 1 และ2 ของ รัสเซียยานกิออตโตของ องค์การอวกาศยุโรป ยาน ซาคากากิ ของญี่ปุ่น ทำการสำรวจดาวหาง ฮัลเลย์ที่สวยงาม ทว่าสตาร์ดัสเป็นยานลำแรกในประวัติศาสตร์ ที่จะเก็บฝุ่นจากดาวหางและฝุ่นอวกาศ กลับมายังโลก
ดาวหางเป็นหนึ่งในเทหวัตถุที่สวยงามที่สุดในจักรวาล ใช่แต่เพียงเท่านั้น ความสำคัญของมันคือ เป็นวัตถุดั้งเดิม ที่ไม่เปลี่ยนแปลงเลย นับตั้งแต่กำเนิดระบบสุริยะเมื่อ 4.5 พันล้านปีก่อน มันจึงอาจเป็นผู้ให้คำตอบ ที่นักวิทยาศาสตร์อยากรู้มานาน เกี่ยวกับการกำเนิด และวิวัฒนาการของระบบดาวเคราะห์ของเรา
ยิ่งไปกว่านั้น นักวิทยาศาสตร์ยังเชื่อว่าดาวหางมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาสิ่งมีชีวิตบนโลก องค์ประกอบของ สิ่งมีชีวิตบางชนิด ประกอบด้วย น้ำและคาร์บอนซึ่งไม่ได้มีบนโลกเราในช่วงแรกๆ แต่ขณะนั้นมีอยู่อย่างอุดมในดาวหาง และโลกยุคนั้นก็ได้ถูกถล่มโดยกองทัพดาวหาง
โทมัส มอร์แกน ผู้เชี่ยวชาญของนาซ่ากล่าวว่า “เหตุผลพื้นฐานประการหนึ่ง ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ให้ความสนใจ ศึกษาดาวหางอย่างมากก็คือ ดาวหางนำกรดอะมิโน องค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตและนิวคลีไอของมัน ก็เป็นส่วนประกอบ ของดาวเคราะห์ชั้นนอก “
ดาวหางประกอบด้วยส่วนสำคัญๆ คือใจกลางที่เรียกว่านิวเคลียส ซึ่งมีขนาดไม่กี่กิโลเมตร นิวเคลียสเป็นส่วนผสมของหิน ฝุ่นและน้ำแข็งที่มีสารประกอบหลายชนิด เมื่อดาวหางเดินทางมายังดวงอาทิตย์ความร้อน จะทำให้น้ำแข็งระเหิดและปล่อยก๊าซ และฝุ่นห่อหุ้มนิวเคลียสเรียกว่าโคมา [Coma] โคมาอาจมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางหลายหมื่นกิโลเมตร หรือมากกว่านั้น ปฏิกิริยา จากอนุภาคลมสุริยะจะผลักโคมา ทำให้เกิดหางยาวหลายล้านกิโลเมตร ฝุ่นที่มันทิ้งไว้ทำให้เกิดฝนดาวตก เมื่อโลกโคจร ผ่านในบริเวณนั้น
ดาวแห่งมาจากสองแหล่ง แหล่งแรกคือบริเวณที่หนาวเย็น เลยวงโคจรของดาวเนปจูน และพลูโต ซึ่งเรียกว่าแถบไคเปอร์ [Kuiper Belt] ดาวหางพวกนี้เรียกว่าดาวหางคาบสั้น [Short-Period Comet ] โคจรรอบดวงอาทิตย์ไม่เกิน 200 ปี อีกแหล่งคือเมฆอ๊อต [Oort Cloud] วงแหวนซึ่งอยู่ไกลจากดวงอาทิตย์ถึง 100,000 AU ดาวหางพวกนี้เรียกว่า ดาวหางคาบยาว [Long-Period Comet] นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าบางโอกาสแรงดึงดูดจากดาวฤกษ์รบกวนทำให้ดาวหางถูกดันเข้ามาหาดวงอาทิตย์ บางดวงถูกแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีเปลี่ยนวงโคจรให้เป็นดาวหางคาบสั้น
ส่วนฝุ่นอวกาศ [Interstellar Dust] เพิ่งเย้ายวนใจนักวิทยาศาสตร์เมื่อไม่นานมานี้เอง หลังจากถูกค้นพบโดยยานยูลิซิสในปี 1993 ต่อมายานกาลิเลโอ ได้ค้นพบอีกครั้งหนึ่งระหว่างเดินทางสำรวจดาวพฤหัสบดี และเมื่อเร็วนี้ๆ ก็ได้มีการค้นพบว่า มีฝุ่นอวกาศ มาจากตำแหน่งของกลุ่มดาวคนยิงธนู นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าฝุ่นอวกาศประกอบด้วยเคมีธาตุ ซึ่งมีจุดกำเนิดจากดาวฤกษ์ การศึกษาฝุ่นอวกาศ จะทำให้เรารู้มากขึ้นเกี่ยวกับการกำเนิดของจักรวาล
ภารกิจของสตาร์ดัสเป็นงานที่ท้าทาย การนำยานอวกาศเข้าใกล้ดาวหางในระยะไม่กี่ร้อยกิโลเมตร เป็นปัญหาใหญ่ของปฏิบัติการ เพราะยานและเครื่องมือจะเสียหาย จากการถูกอนุภาคของฝุ่นและหินจากโคมาของดาวหาง พุ่งชนด้วยความเร็ว 20,000 กิโลเมตร ต่อชั่วโมง นักวิทยาศาสตร์แก้ไขปัญหานี้ โดยออกแบบให้ยานมีโล่ป้องกันหรือกันชนซึ่งเรียกว่า ” Whipple Shields” [ชื่อซึ่งเป็นเกียรติ แก่ด๊อกเตอร์ เฟรด วิปเพิล ที่เสนอความคิดนี้เมื่อทศวรรษที่1950] ไว้สองแห่งคือ บริเวณแผงรับแสงอาทิตย์ และบริเวณส่วนสำคัญของยาน
ภาพถ่ายนิวเคลียสดาวหางวิลด์ 2 โดยยานสตาร์ดัสในระยะ 500 กิโลเมตร ภาพซ้ายมือแสดงให้เห็น พื้นผิวขรุขระเป็นหลุมบ่อบ่อ ภาพขวามือแสดงให้เห็นการปล่อยก๊าซและฝุ่นจากนิวเคลียสก่อตัวเป็นโคมา
อีกปัญหาหนึ่งคือ จะทำอย่างไรที่จะเก็บตัวอย่างอนุภาคฝุ่นให้อยู่ในสภาพดั้งเดิม การจับอนุภาคฝุ่น ซึ่งแม้ว่าจะมีขนาดเล็กกว่า เม็ดทรายแต่มีความเร็วกว่าของกระสุนปืนไรเฟิล 6 เท่า จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทั้งรูปทรง และองค์ประกอบทางเคมีของมัน
วิธีการที่จะไม่ให้อนุภาคฝุ่นเสียหาย คือการลดความเร็วของมันโดยไม่เกิดความเสียหาย นักวิทยาศาสตร์ใช้สารที่เรียกว่า แอโรเจล [Aerogel] ซึ่งพัฒนาโดยห้องทดลองจรวดขับดัน แอโรเจลได้ชื่อว่า เป็นของแข็งที่ได้รับการบันทึก จากหนังสือกินเนสบุ๊คว่า มีน้ำหนักเบาสุด สร้างจากซิลิคอน มีรูปทรงคล้ายฟองน้ำ 99.8 เปอร์เซนต์เป็นอากาศ เมื่ออนุภาคฝุ่นพุ่งชนมันจะช้าลงและค่อยๆ หยุดลง
แอโรเจลถูกติดไว้บนเครื่องมือดักจับอนุภาคฝุ่นรูปทรง คล้ายแร็กเก็ตเทนนิสมีพื้นที่ 1000 ตารางเซนติเมตร มันจะกางออก เมื่อปฏิบัติการ ด้านหนึ่งสำหรับใช้ดักจับอนุภาคจากดาวหางวิลด์ 2 และอีกด้านใช้สำหรับดักจับฝุ่นอวกาศ
ด๊อกเตอร์ ดอน บราวน์ลี จากมหาวิทยาลัย วอชิงตัน ซีแอตเติล หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ โครงการสตาร์ดัสบอกว่า “ ตัวอย่างฝุ่น ที่เราจะเก็บมีขนาดเล็กมาก ขนาด 10-300 ไมครอนเท่านั้น แต่ก็เพียงพอ แก่การศึกษาในห้องปฏิบัติการด้วยเครื่องมือวิเคราะห์ชั้นเยี่ยม”
การเลือกวิลด์ 2 เป็นเป้าหมาย ของสตาร์ดัส เพราะมันมีวงโคจรที่ไม่ใกล้ดวงอาทิตย์เกินไป และเพิ่งโคจรอบดวงอาทิตย์ได้เพียง 5 รอบเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่า มันไม่ได้รับผลกระทบใดๆ จากดวงอาทิตย์ที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง องค์ประกอบดั้งเดิม ของมัน ต่างกับดาวหางฮัลเลย์ ที่เข้าใกล้ดวงอาทิตย์มากและโคจรรอบดวงอาทิตย์มาแล้วกว่า 100 รอบ
วิลด์ 2 ถูกค้นพบ โดยนักดาราศาสตร์ชาวสวิสเมื่อปี 1978 มีขนาดความกว้าง 5.4 กิโลเมตร โคจรรอบดวงอาทิตย์ 6.39 ปี ระยะทางใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด อยู่ประมาณวงโคจรของดาวอังคาร ไกลสุดประมาณวงโคจรของดาวพฤหัสบดี
การเดินทางไปยังดาวหางวิลด์ 2 สตาร์ดัสจะต้องโคจรรอบดวงอาทิตย์เป็นวงรี 3 รอบ และอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลก เหวี่ยงมันด้วย เส้นทางโคจรในรอบที่สองจะตัดกับเส้นทางโคจรของดาวหางวิลด์ 2
เดือนเมษายน ปี 2002 สตาร์ดัสเดินทางได้ไกลกว่า 2 พันล้านกิโลเมตร โคจรรอบดวงอาทิตย์ได้ 1 รอบครึ่ง วันที่ 18 เมษายน มันอยู่ในตำแหน่งที่ไกลดวงอาทิตย์ที่สุด ที่เรียกว่า Aphelion ที่ 2.72 AU หรือ 407 ล้านกิโลเมตร ใกล้จุดกึ่งกลาง ของแถบ ดาวเคราะห์น้อย ทำให้สตาร์ดัสกลายเป็นยานที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ทำสถิติเดินทางได้ไกลที่สุด
สตาร์ดัสเก็บฝุ่นอวกาศครั้งแรก ตั้งปลายเดือนกุมภาพันธ์ถึงเดือนมิถุนายน 2000 และครั้งที่สองตั้งแต่เดือนสิงหาคมถึงธันวาคม ปี 2002 เครื่องมือสองชนิดของยาน คือ A Dust Flux Monitor Instrument [DFMI] ทำหน้าที่ตรวจจับอนุภาคของฝุ่นอวกาศ และส่งข้อมูลมายังโลก และ A Cometary and Interstellar Analyzer
Instrument [CIDA] ทำหน้าวิเคราะห์องค์ประกอบของฝุ่น แต่ทั้งหมดนี้จะถูกส่งมาวิเคราะห์ยังโลกเพิ่มเติมอีกครั้งหนึ่ง วันที่ 2 พฤศจิกายน 2002 สตาร์ดัสบินผ่านดาวเคราะห์น้อย แอนนีแฟรงค์ [Annefrank] ที่ระยะ 3300 กิโลเมตร นักวิทยาศาสตร์ถือโอกาสนี้ให้ยานปฏิบัติการซ้อมใหญ่โดยทดสอบเครื่องมือทุกชนิดซึ่งปฎิบัติงานได้ผลดีรวมทั้งการคุมภาคพื้นดินด้วย
หลังจากเดือนทางมาเกือบ 5 ปี ด้วยระยะทาง 2 พันล้านไมล์ วันที่ 18 พฤศจิกายน ปี 2003 กล้องนำร่องของยานสตาร์ดัส ก็จับภาพแรกของดาวหางดวงนี้ ได้ที่ระยะห่าง 15 ล้านไมล์
วิลด์ 2 เป็นจุดเล็กๆ สลัวเกินกว่าที่สายตามนุษย์จะมองเห็นได้ถึง 1500 เท่า แวดล้อมด้วยดาวฤกษ์สามดวง ท่ามกลาง ความมืดมิดของอวกาศ
“คริสต์มาส ปีนี้ช่างมาเร็วเสียจริง” ทอม ดักเบอรี ผู้บริหารโครงการสตาร์ดัสของห้องทดลองจรวดขับดัน [Jet Propulsion Laboratory] กล่าวด้วยความปิติยินดี เพราะการเห็นวิลด์ 2 ล่วงหน้าก่อนกำหนดเดิมถึงสองสัปดาห์เช่นนี้ มีความสำคัญ ต่อการนำยานเข้าประชิด
การหาเส้นทางการโคจรของดาวหางเป็นงานที่ยากยิ่ง ดาวหางไม่ได้เหมือนกับเทหวัตถุอื่น ขณะที่มันเดินทางในระบบสุริยะ วงโคจรของมัน ไม่ได้ขึ้นอยู่แรงโน้มถ่วงเท่านั้น แต่ก๊าซและฝุ่นที่หางของมันมีผลต่อวงโคจร ซึ่งยากต่อการทำนายที่แม่นยำ
ความสำเร็จ หรือความล้มเหลวของยานสำรวจดาวหางจึงขึ้นอยู่กับระบบการนำร่อง
ด๊อกเตอร์ ไชแอม บาสคาแรน ผู้ควบคุมปฏิบัติการนำร่องกล่าวว่า “เมื่อฉันเห็นภาพนี้ครั้งแรก ฉันไม่อยากจะเชื่อเลย เราไม่ได้คาดหวังว่า จะเห็นมันล่วงหน้าเกินกว่าสองอาทิตย์ก่อนกำหนดการเข้าประชิด แต่มันก็เกิดขึ้นแล้วและ มันใกล้มากกว่า ที่เราคิดไว้ด้วย “
ด้วยภาพดังกล่าว บาสคาแรน คาดว่าจะสามารถนำยานเข้าประชิดดาวหางวิลด์ 2 ได้ในระยะ 300 กิโลเมตร และบอกว่า ถ้าหากไม่มีภาพนี้การนำยานเข้าใกล้ดาวหางอย่างปลอดภัยจะอยู่ในระยะมากกว่าหลายพันกิโลเมตร ซึ่งนั่นก็หมายความว่า ปฏิบัติการนี้อาจล้มเหลว
เมื่อกำหนดการเข้าประชิดดาวหางวิลด์ 2 มาถึงในวันที่ 2 มกราคม 2004 สตาร์ดัสทำได้ดีกว่าที่นักวิทยาศาสตร์หวังไว้เสียอีก มันบินผ่านวิลด์ 2 ที่ระยะทางห่างจากนิวเคลียสเพียง 240 กิโลเมตรเท่านั้นและประสบความสำเร็จอย่างงดงาม ในเก็บตัวอย่าง อนุภาคฝุ่นที่พุ่งออกจากโคมาของวิลด์ 2 “ทุกๆอย่างเกิดขึ้นอย่างสวยงามมากภายในชั่วครู่เท่านั้น” ทอม ดักเบอรี กล่าวชื่นชมในความสำเร็จ
นอกเหนือจากการเก็บฝุ่นของดาวหาง สตาร์ดัสยังสร้างเซอร์ไพรท์ด้วยการถ่ายภาพที่คมชัด ของดาวหางดวงนี้จำนวน 72 ภาพ จนนักวิทยาศาสตร์บอกว่า มันเป็นภาพที่ดีที่สุดของดาวหางเท่าที่ถ่ายมาเลยทีเดียว ”ภาพเหล่านี้เป็นภาพดาวหางที่ดีที่สุดเท่าที่เคยถ่ายมา” ดอน บราวน์ลี กล่าว
ภาพแรก ซึ่งถ่ายในระยะ 500 กิโลเมตร เผยให้เห็นพื้นผิวของนิวเคลียสที่ขรุขระ เป็นหลุมบ่อเหมือนข้าวตัง ดอน บราวน์ลี และเรย์ นิวเบิร์นเพื่อนร่วมทีม เชื่อว่าหลุมบ่อเหล่านี้ ไม่น่าจะเกิดขึ้นจากการโดนชน แต่มันเป็นผลของกระบวนการเปลี่ยนแปลง ของแข็งของนิวเคลียส ให้เป็นก็าซและฝุ่นหรือโคมาซึ่งล้อมรอบนิวเคลียส ภาพเดียวกันในอีกเวอร์ชั่นหนึ่ง แสดงให้เห็นกระแสก๊าซ และฝุ่นที่พุ่งออกจากนิวเคลียสและก่อตัวเป็นโคมา
ทีมนักวิทยาศาสตร์โครงการสตาร์ดัส เชื่อลึกๆ ว่า ผลการวิเคราะห์ตัวอย่างฝุ่น ที่ได้มาจะเปิดเผยความลับ ไม่เพียงเฉพาะ ของดาวหาง แต่เกี่ยวกับประวัติศาสตร์ช่วงแรก ของการกำเนิดระบบสุริยะด้วย
สตาร์ดัสจะเดินทางกลับถึงโลก ในเดือนมกราคม ปี 2006 ตัวอย่างฝุ่นซึ่งบรรจุอยู่ในแคปซูล จะถูกปล่อยลงสู่พื้นโลกโดยร่มชูชีพ ณ ฐานทัพอากาศในรัฐยูทาห์ และจะถูกส่งไปเก็บ และวิเคราะห์ที่ศูนย์อวกาศจอห์นสัน ฮุสตัน เท็กซัส
โดย
บัณฑิต คงอินทร์
kbandish@ratree.psu.ac.th
เว็บดาราศาสตร์.คอม
