ผลการศึกษาใหม่ชี้ดาวยูเรนัส-ดาวเนปจูน อาจไม่ใช่ดาวยักษ์น้ำแข็งอย่างที่เคยเชื่อกันมา

งานวิจัยล่าสุดจากมหาวิทยาลัยซูริก (UZH) ร่วมกับศูนย์ความสามารถแห่งชาติเพื่อการวิจัย PlanetS (NCCR PlanetS) กำลังสั่นคลอนความเข้าใจที่นักดาราศาสตร์ยึดถือกันมานานหลายสิบปีเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน ดาวเคราะห์ยักษ์สองดวงที่อยู่ไกลที่สุดของระบบสุริยะ

แม้ในเชิงเทคนิค ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนจะถูกจัดเป็น “ดาวยักษ์ก๊าซ” แต่ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์มักเรียกพวกมันว่า “ดาวยักษ์น้ำแข็ง” (Ice Giants) เนื่องจากเชื่อว่าภายในอุดมไปด้วยสารระเหยอย่างน้ำและมีเทนในปริมาณมาก เมื่ออยู่ภายใต้ความดันมหาศาล สสารเหล่านี้จะเปลี่ยนสภาพเป็นของแข็งคล้ายน้ำแข็ง

อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษาฉบับใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Astronomy & Astrophysics ชี้ว่า ภาพที่เคยเข้าใจกันอาจไม่สมบูรณ์นัก โดยดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนอาจมีแกนกลางที่ประกอบด้วยหินมากกว่าที่เคยคาดไว้ และมีสัดส่วนของน้ำแข็งน้อยกว่าที่แบบจำลองดั้งเดิมเคยประเมิน

แบบจำลองใหม่เปิดความเป็นไปได้ของดาวยักษ์หิน

งานวิจัยนี้นำโดยลูกา มอร์ฟ (Luca Morf) นักศึกษาปริญญาเอก และศาสตราจารย์ราวิต เฮลเลด (Ravit Helled) จากมหาวิทยาลัยซูริก (UZH) ซึ่งมองว่าการจัดประเภทดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนเป็นดาวยักษ์น้ำแข็งนั้นอาจเป็นการเหมารวมที่ง่ายเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อดาวเคราะห์ทั้งสองดวงนี้ยังเป็นดาวเคราะห์ที่มนุษย์เข้าใจน้อยที่สุดในระบบสุริยะ

ทีมวิจัยจึงพัฒนาแนวทางการสร้างแบบจำลองโครงสร้างภายในดาวเคราะห์แบบใหม่ โดยใช้โปรไฟล์ความหนาแน่นแบบสุ่ม แล้วคำนวณสนามแรงโน้มถ่วงที่สอดคล้องกับข้อมูลสังเกตจริง วิธีการนี้เปิดโอกาสให้พิจารณาองค์ประกอบภายในที่หลากหลาย ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงแบบจำลองที่อุดมด้วยน้ำเหมือนในอดีต

ลูกา มอร์ฟ (Luca Morf) อธิบายว่า ทีมงานพยายามผสานจุดแข็งของแบบจำลองทางฟิสิกส์ที่มีสมมติฐานซับซ้อน เข้ากับแบบจำลองเชิงประจักษ์ที่เรียบง่ายเกินไป เพื่อให้ได้กรอบการคำนวณที่เป็นกลาง และยังคงสอดคล้องกับหลักฟิสิกส์พื้นฐาน ผลลัพธ์ที่ได้แสดงให้เห็นว่า โครงสร้างภายในของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนที่สอดคล้องกับข้อมูลมากที่สุด ไม่จำเป็นต้องเป็นน้ำแข็งเป็นหลัก แต่สามารถมีหินเป็นองค์ประกอบสำคัญได้

นอกจากนี้ แบบจำลองยังชี้ว่า ภายในของดาวเคราะห์ทั้งสองอาจไม่ได้มีโครงสร้างนิ่งอย่างที่เคยคิด แต่มีการพาความร้อนและการไหลเวียนของสสารเกิดขึ้น คล้ายกับกระบวนการแปรสัณฐานในโลก ซึ่งความเป็นไปได้นี้อาจช่วยอธิบายพฤติกรรมลึกลับหลายประการของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนได้ดีขึ้น

กุญแจไขปริศนาสนามแม่เหล็กสุดประหลาด

ศาสตราจารย์ศาสตราจารย์ราวิต เฮลเลด (Ravit Helled) ระบุว่า "แบบจำลองใหม่นี้สอดคล้องกับแนวคิดที่เธอเคยเสนอไว้เมื่อเกือบ 15 ปีก่อน แต่ในครั้งนี้ ทีมวิจัยมีกรอบการคำนวณเชิงตัวเลขที่แข็งแรงพอจะแสดงให้เห็นอย่างเป็นรูปธรรม"

หนึ่งในประเด็นสำคัญคือการอธิบายสนามแม่เหล็กของดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน ซึ่งแตกต่างจากดาวเคราะห์ส่วนใหญ่อย่างชัดเจน สนามแม่เหล็กของทั้งสองดวงไม่ได้เป็นแบบสองขั้วเรียบง่ายเหมือนโลก แต่มีลักษณะซับซ้อนและบิดเบี้ยว

ศาสตราจารย์ราวิต เฮลเลด (Ravit Helled) อธิบายเพิ่มเติมว่า "แบบจำลองใหม่เผยให้เห็นการมีอยู่ของชั้นน้ำไอออนิก (ionic water layers) ภายในดาวเคราะห์ หรือ น้ำที่ใกล้เคียงของเหลวแต่ไม่ใช่สถานะของเหลวธรรมดาแบบบนโลก และอนุภาคภายในเป็นไอออนที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดไดนาโมแม่เหล็กในตำแหน่งที่สามารถอธิบายสนามแม่เหล็กแบบไม่เป็นไดโพลที่ตรวจพบได้จริง นอกจากนี้ แบบจำลองยังชี้ว่า สนามแม่เหล็กของดาวยูเรนัสอาจมีต้นกำเนิดลึกกว่าของดาวเนปจูน"

ความไม่แน่นอนและภารกิจสำรวจในอนาคต

แม้งานวิจัยนี้จะเปิดมุมมองใหม่ที่น่าสนใจ ศาสตราจารย์ราวิต เฮลเลด (Ravit Helled) ย้ำว่า ข้อมูลที่มีอยู่ในปัจจุบันยังไม่เพียงพอจะสรุปได้อย่างเด็ดขาดว่า ดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนเป็น “ดาวยักษ์หิน” หรือ “ดาวยักษ์น้ำแข็ง” กันแน่ เนื่องจากผลลัพธ์ยังขึ้นอยู่กับสมมติฐานที่ใช้ในแต่ละแบบจำลอง

งานวิจัยดังกล่าวตอกย้ำถึงความไม่แน่นอนของความเข้าใจในปัจจุบัน และชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นเร่งด่วนในการส่งภารกิจอวกาศไปสำรวจดาวยูเรนัสและดาวเนปจูนโดยตรงในอนาคต เพื่อเก็บข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างภายใน สนามแม่เหล็ก และองค์ประกอบที่แท้จริงของดาวเคราะห์ยักษ์ลึกลับทั้งสองดวงนี้

ไม่เพียงเท่านั้น การค้นพบครั้งนี้ยังอาจช่วยปูทางไปสู่การศึกษาวัสดุศาสตร์และฟิสิกส์ของสสารภายใต้สภาวะสุดขั้ว ซึ่งมีบทบาทสำคัญต่อความเข้าใจการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวเคราะห์ทั้งในและนอกระบบสุริยะในอนาคต งานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Astronomy & Astrophysics โดยทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยซูริก และ NCCR PlanetS วันที่ 16 ธันวาคม ที่ผ่านมา