บทที่ 7 ระบบสุริยะ

                                          

7.1 การกำเนิดระบบสุริยะ

1) ด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของกลุ่มก๊าซและฝุ่นในโซลาร์เนบิวลาซึ่งหมุนรอบตัวเองทำให้ยุบตัวลงอย่างช้าๆ
2) ก๊าซและฝุ่นส่วนใหญ่ยุบตัวลงทำให้ใจกลางของโซลาร์เนบิวลามีความกดดันสูงขึ้น และหมุนรอบตัวเองเร็วขึ้นเรื่อยๆ เป็นผลให้เศษฝุ่นและก๊าซที่เหลือโคจรรอบแกนหมุน มีรูปร่างเหมือนเป็นจานแบน ฝุ่นและก๊าซบางส่วนถูกเร่งออกมาจากแกนหมุน
3) เมื่อมีอายุได้ประมาณ 100,000 ปี อุณหภูมิที่ใจกลางสูงถึง 15 ล้านเคลวิน จึงเริ่มเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ขึ้นที่แกนกลาง เกิดเป็นดวงอาทิตย์ที่มีอายุน้อยส่องสว่างแต่ยังถูกห้อมล้อมไปด้วยก๊าซและฝุ่นที่เหลือเป็นจำนวนมาก
4) เมื่อเวลาผ่านไปหลายสิบล้านปี ก๊าซและฝุ่นที่เหลือชนกันไปมา ทำให้บางส่วนเกาะติดกันจนมีขนาดใหญ่ขึ้น โดยเฉพาะบริเวณที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ซึ่งมีอุณหภูมิและแรงโน้มถ่วงที่สูงกว่าบริเวณที่ห่างออกไป
5) ก๊าซและฝุ่นบริเวณขอบนอกอยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าและได้รับอิทธิพลจากแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าบริเวณที่ใกล้ดวงอาทิตย์ จึงยุบรวมตัวกันอย่างช้าๆ ก่อตัวเป็นดาวเคราะห์ขนาดใหญ่ที่เต็มไปด้วยก๊าซเป็นจำนวนมาก
6) ใช้เวลานับร้อยล้านปี ดาวเคราะห์ต่างๆ จึงจะมีรูปร่างที่เกือบสมบูรณ์ เศษหินและฝุ่นที่เหลือกลายเป็นดาวเคราะห์น้อย ดวงจันทร์บริวารและวงแหวนของดาวเคราะห์ รวมทั้งวัตถุขนาดเล็กและดาวหาง

7.2 เขตของบริวารดวงอาทิตย์

นักดาราศาสตร์แบ่งเขตพื้นที่ของระบบสุริยะออกเป็น 4 เขต โดยใช้ลักษณะการก่อตัวของบริวารของดวงอาทิตย์เป็นเกณฑ์ คือ

1. เขตดาวเคราะห์ชั้นในหรือดาวเคราะห์หิน เป็นดาวเคราะห์ที่มีพื้นผิวแข็งหรือเป็นหินเหมือนโลก บางครั้งจึงเรียกว่า ดาวเคราะห์แบบโลก ได้แก่ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก และดาวอังคาร เชื่อกันว่าดาวเคราะห์ชั้นในเกิดจากมวลสารของเนบิวลาที่อยู่ถัดออกมาจากบริเวณใจกลาง ที่ไม่ได้เคลื่อนที่ไปรวมกับมวลสารที่เกิดดวงอาทิตย์ แต่เคลื่อนที่รอบดวงอาทิตย์และมีอุณหภูมิพอเหมาะที่จะเกิดเป็นก้อนหินขนาดต่างๆ กันจำนวนมาก ก้อนใหญ่จะดึงก้อนเล็กเข้าหาด้วยแรงโน้มถ่วงพอกพูนกลายเป็นดาวเคราะห์ที่มีความหนาแน่นสูง ดาวเคราะห์ชั้นในจะใช้เวลาในการเกิดประมาณ 100 ล้านปี

2. เขตดาวเคราะห์น้อย เป็นมวลสารที่อยู่ระหว่างวงโคจรของดาวอังคารและดาวพฤหัสบดี คาดว่ามี การก่อตัวเช่นเดียวกับวัตถุที่ก่อกำเนิดเป็นดาวเคราะห์ชั้นใน เศษที่เหลือของการสร้างดาวเคราะห์หินถูกแรงรบกวนของดาวพฤหัสบดีที่มีขนาดใหญ่และเกิดพร้อมดวงอาทิตย์ ทำให้มวลสารในบริเวณแถบดาวเคราะห์น้อยจับตัวเป็นก้อนขนาดใหญ่ไม่ได้ จึงกลายเป็นดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดเล็กจำนวนมาก

3. เขตดาวเคราะห์ชั้นนอกหรือดาวเคราะห์ยักษ์ เป็นดาวเคราะห์ที่มีขนาดใหญ่ องค์ประกอบหลักเป็นแก๊สไฮโดรเจนและแก๊สฮีเลียม ได้แก่ ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน เกิดจากมวลสารของเนบิวลาที่อยู่ถัดออกมาจากดาวเคราะห์หิน ดาวเคราะห์ยักษ์เกิดจากการสะสมของแก๊สและสารที่ระเหยง่าย เช่น น้ำ เข้าไว้เป็นก้อนใหญ่ แก๊สส่วนใหญ่หลุดจากดวงอาทิตย์ และบริเวณชั้นในของระบบสุริยะที่ดวงอาทิตย์ส่งแรงดันของการแผ่รังสีผลักแก๊สเหล่านี้ออกไปไกล รวมกันเป็นดาวเคราะห์ชั้นนอกซึ่งมีความหนาแน่นต่ำ ดาวเคราะห์ชั้นนอกบางดวงมีความหนาแน่นน้อยมาก

 4. เขตของดาวหาง อยู่บริเวณขอบนอกของระบบสุริยะ ดาวหางเกิดจากเศษที่เหลือจากการสร้าง ดาวเคราะห์ยักษ์ ดาวหางเป็นวัตถุท้องฟ้าที่ประกอบด้วยน้ำและแก๊สที่เย็นจัด รวมตัวกันเป็นก้อนน้ำแข็ง โดยมีฝุ่นและแร่ธาตุต่างๆ มารวมตัวกัน เมื่อดาวหางโคจรมาใกล้ดวงอาทิตย์ จะดูดพลังงานจากดวงอาทิตย์ในรูปของพลังงานความร้อนและรังสี ทำให้ก้อนน้ำแข็งกลายเป็นไอกระจายออกไป ประกอบกับลมสุริยะผลักดันให้แก๊สและฝุ่นในส่วนหัวพุ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามกับดวงอาทิตย์ ปรากฏเป็นหางยาวและมีแสงสว่างจ้า ซึ่งเกิดจากการสะท้อนแสงของแก๊สในดาวหาง หางของดาวหางจะยาวขึ้นเมื่อโคจรใกล้ดวงอาทิตย์มากขึ้น

สะเก็ดดาว คือ เศษวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะ มีขนาดตั้งแต่ก้อนหินขนาดใหญ่ลงไปถึงผงฝุ่น เมื่อสะเก็ดดาวเคลื่อนที่เข้าสู่บรรยากาศของโลก (หรือของดาวเคราะห์อื่น) ทำให้เกิดความร้อนและแสงสว่างมองเห็นเป็นดาวตก คนทั่วไปมักเข้าใจว่าแสงสว่างนี้เกิดจากความเสียดทานระหว่างสะเก็ดดาวกับบรรยากาศ แต่ในความเป็นจริง กระบวนการหลักของการเกิดดาวตก คือ การแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ของอนุภาคในบรรยากาศ หากสะเก็ดดาวมีขนาดใหญ่ วัตถุที่ตกลงถึงพื้นดิน เรียกว่า อุกกาบาต (meteorite) สะเก็ดดาวที่ลุกไหม้จนหมดในชั้นบรรยากาศของโลกเรียกว่า ดาวตก หรือ ผีพุ่งไต้ (meteor) ดาวตกที่สว่างมาก ๆ คือสว่างกว่าดาวศุกร์ อาจเรียกว่าลูกไฟ (fireball) สะเก็ดดาวจำนวนมากเป็นส่วนหนึ่งอยู่ในฝนดาวตก

แถบไคเปอร์  หมายถึง บริเวณที่อยู่เลยวงโคจรของดาวเนปจูนออกไป ที่ด้านนอกระบบสุริยะรอบนอก มีบริเวณกว้าง 3,500 ล้านไมล์ มีก้อนวัตถุแข็ง เป็นน้ำแข็งขนาดเล็กจำนวนมากโคจรรอบดวงอาทิตย์ ลักษณะคล้ายกับแถบดาวเคราะห์น้อย ที่อยู่ระหว่างวงโคจรของดาวอังคารกับดาวพฤหัสบดี วัตถุที่อยู่ในแถบไคเปอร์ มีชื่อเรียกว่า วัตถุในแถบไคเปอร์(Kuiper Belt Object - KBO) หรืออีกชื่อหนึ่งว่า วัตถุพ้นดาวเนปจูน (Trans-Neptunian Object - TNO) ซึ่งมีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นน้ำแข็ง เชื่อกันว่าก้อนน้ำแข็งเหล่านี้ เป็นแหล่งกำเนิดของดาวหางคาบสั้น โดยชื่อแถบไคเปอร์นี้ ได้ตั้งเพื่อเป็นเกียรติแก่ เจอราร์ด ไคเปอร์ ผู้ค้นพบ

7.3 ดวงอาทิตย์

โครงสร้างภายในดวงอาทิตย์ (solar interior) ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ

แกน (Core) : บริเวณที่ผลิตพลังงาน

แกนกลางของดวงอาทิตย์ เป็นบริเวณตั้งแต่ใจกลางของดวงอาทิตย์จนกระทั่งถึงหนึ่งในสี่ของระยะทางสู่ผิวของดวงอาทิตย์ แกนกลางมีปริมาตรประมาณ 2% ของดวงอาทิตย์ แต่มีมวลถึงประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์ อุณหภูมิที่สูงที่สุดมีค่าประมาณ 15 ล้านเคลวิน มีความหนาแน่นประมาณ 150 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร หรือประมาณเกือบ 15 เท่าของความหนาแน่นของตะกั่ว

สาเหตุที่แกนกลางของดวงอาทิตย์มีอุณหภูมิสูงมาก และมีความหนาแน่นสูงมากเป็นเพราะว่าแกนกลางนี้มีความดันสูงมาก ๆ สูงในระดับที่มากกว่าความดันของบรรยากาศโลกประมาณสองแสนล้านเท่าของบรรยากาศของโลกที่ระดับน้ำทะเล ความดันที่สูงมากของแกนกลางนี้เองทำให้แก๊สไม่สามารถยุบตัวและดวงอาทิตย์สามารถคงรูปอยู่ได้

เขตแผ่รังสี (Radiative zone)

เขตแผ่รังสีเป็นชั้นที่อยู่รอบ ๆ แกนกลางของดวงอาทิตย์ที่ขอบนอกของเขตแผ่รังสีนี้เป็นระยะประมาณ 70% ของระยะทางจากแกนกลางถึงผิวของดวงอาทิตย์ เขตแผ่รังสีนี้มีปริมาตร 32% ของปริมาตรดวงอาทิตย์ และมีมวล 48% ของมวลของดวงอาทิตย์ ที่ด้านล่างของเขตแผ่รังสีนี้มีความหนาแน่นประมาณ 22 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ประมาณ 2 เท่าของความหนาแน่นของตะกั่ว และมีอุณหภูมิประมาณ 8,000,000 เคลวิน ที่ด้านบนของเขตแผ่รังสีนี้มีความหนาแน่นประมาณ 0.2 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร และมีอุณหภูมิประมาณ 2,000,000 เคลวิน

เขตแผ่รังสีได้ชื่อว่าเป็นเขตแผ่รังสีเพราะการส่งผ่านพลังงานในชั้นนี้เกิดขึ้นโดยการแผ่รังสี พลังงานที่เกิดในแกน (core) ของดวงอาทิตย์จะถูกส่งผ่านมายังเขตแผ่รังสีโดยรังสีแกมมา เขตแผ่รังสีนี้มีความหนาแน่นมากทำให้รังสีแกมมาสะท้อนไปมาอยู่ภายใน และไม่สามารถออกไปสู่เขตการพาได้เป็นเวลาหลายล้านปี โดยเฉลี่ยแล้วรังสีแกมมาจะถูกกักไว้เป็นเวลานานประมาณ 170,000 ปีจึงสามารถออกจากเขตแผ่รังสีได้ นั่นหมายความว่าถ้าดวงอาทิตย์ของเราหยุดกระบวนการผลิตพลังงานในวันนี้หรือพรุ่งนี้ อีกประมาณ 170,000 ปีเราจึงจะรับรู้ได้

 เขตการพา (Convection zone)

ดวงอาทิตย์ก็เป็นเหมือนดาวฤกษ์อื่น ๆ ที่มีมวลปานกลาง นั่นคือมีเขตการพาซึ่งอยู่ใต้ผิว ซึ่งในเขตการพานี้จะมีการเคลื่อนไหวแบบปั่นป่วน เพื่อนำพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นในแกนมาสู่ภายนอก จากการสังเกตดวงอาทิตย์เราพบการเคลื่อนไหวที่ปั่นป่วน และโครงสร้างแม่เหล็กเชิงซ้อน และพบว่าเขตการพาซึ่งเป็นบริเวณตั้งแต่เหนือเขตแผ่รังสีจนถึงผิวของดวงอาทิตย์ กินบริเวณประมาณ 30% ของรัศมีของดวงอาทิตย์ หรือประมาณ 200,000,000 เมตร เขตการพานี้จะประกอบด้วยเซลล์การพาที่มีลักษณะคล้ายน้ำเดือด เขตการพามีปริมาตร 66 เท่าของปริมาตรของดวงอาทิตย์ แต่มีมวลแค่ 2% ของมวลของดวงอาทิตย์ ที่ด้านบนสุดของเขตการพามีความหนาแน่นเข้าใกล้ศูนย์ และมีอุณหภูมิลดลงจากเขตแผ่รังสีจนเหลือประมาณ 5,800 เคลวิน เซลล์การพาที่มีลักษณะคล้ายน้ำเดือดนี้ลอย (ปุด) ขึ่นสู่ผิวของดวงอาทิตย์เนื่องจาก โฟตอนจากเขตแผ่รังสีให้พลังงานกับมัน

ในเขตการพานี้ แก๊สที่ร้อนกว่าจะพาพลังงานขึ้นสู่ด้านบนของผิวดวงอาทิตย์ แก๊สที่เย็นกว่าจะจมลงสู่ด้านล่าง โดยแก๊สจะหมุนวนเป็นวงกลมซึ่งเราเรียกว่าเป็นเซลล์ ซึ่งเซลล์การพานี้มีช่วงของขนาด (scale) ในแนวนอน (horizontal) กว้างมาก คือตั้งแต่ 1,000,000 เมตรจนถึง 30,000,000 เมตร และแบ่งได้เป็น 3 ขนาด ได้แก่

- กรานูล (granules) มีขนาดประมาณ 1,000กิโลเมตรหรือ 1,000,000 เมตร

- กรานูลขนาดกลาง (mesogranules)มีขนาดประมาณ 5,000,000 เมตร

- ซูปเปอร์กรานูล (supergranules) มีขนาดประมาณ 30,000 กิโลเมตร หรือ 30,000,000 เมตร

และมีช่วงความลึก (จากผิว) ลงไป  200,000,000 เมตร 

  ชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ แบ่งออกได้เป็น 3 ชั้น (layers) คือ    

  โฟโตสเฟียร์ (Photosphere): ผิวของดวงอาทิตย์

ชั้นบรรรยากาศของดวงอาทิตย์ที่อยู่ล่างที่สุด คือ ชั้นโฟโตสเฟียร์ ชั้นนี้เองเป็นชั้นที่ปล่อยแสงที่เรามองเห็นโฟโตสเฟียร์นี้หน้าประมาณ 500 กิโลเมตร แต่แสงส่วนใหญ่ที่เรามองเห็นมาจากโฟโตสเฟียร์ชั้นที่บางกว่านั้นคือประมาณ 150 กิโลเมตร นักดาราศาสตร์เรียกชั้นโฟโตสเฟียร์นี้ว่าผิวของดวงอาทิตย์ บริเวณล่างสุดของชั้นโฟโตสเฟียร์นี้มีอุณหภูมิประมาณ 6,400 เคลวิน ในขณะที่ส่วนบนสุดของชั้นโฟโตสเฟียร์นี้มีอุณหภูมิประมาณ 4,400 เคลวิน

โครโมสเฟียร์ (Chromosphere)

โครโมสเฟียร์เป็นชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์ที่อยู่เหนือชั้นโฟโตสเฟียร์ หนาประมาณ 10,000 กิโลเมตรและมีอุณหภูมิตั้งแต่ 6000 องศาเซลเซียสไปจนถึง 20,000 องศาเซลเซียส ที่อุณหภูมิระดับนี้ไฮโดรเจนจะปล่อยแสงสีแดง และเราสามารถเห็นจะเห็นโพรมิเนนซ์ (prominence) ซึ่งเราจะเห็นได้เฉพาะตอนเกิดสุริยุปราคาเต็มดวง การที่เราเห็นโครโมสเฟียร์เป็นสี เป็นที่มาของชื่อของชั้นบรรยากาศนี้นั่นเอง (chromo = color -> color sphere)

โคโรนา (X-ray corona and coronal hole)

โคโรนาเป็นส่วนนอกสุดของชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์  เราสามารถมองเห็นชั้นโคโรนาได้เฉพาะเมื่อเกิดสุริยุปราคาเต็มดวงเท่านั้น โคโรนาประกอบด้วยส่วนหลัก ๆ 2 ส่วนคือ โคโรนาชั้นใน (inner corona) และโคโนนาชั้นนอก (outer corona) โดยในส่วนของโคโรนาชั้นใน (inner corona) นั้นหนาประมาณ 75,000 กิโลเมตร อุณหภูมิประมาณ 2 ล้านเคลวิน ส่วนโคโรนาชั้นนอก (outer corona) นั้นอุณหภูมิจะต่ำกว่าโคโรนาชั้นใน (inner corona) เล็กน้อย และแผ่ขยายออกไปในอวกาศหลายล้านกิโลเมตร เรียกว่า ลมสุริยะ (solar wind)