โครงสร้างชั้นบรรยากาศของ “ดาวยูเรนัส”
นักดาราศาสตร์บันทึกภาพและทำแผนที่ชั้นบรรยากาศของดาวยูเรนัสเป็นครั้งแรก เผยให้เห็นแสงออโรรา (Aurora) สุดประหลาด รวมถึงอุณหภูมิและอนุภาคที่มีประจุที่เปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูงของชั้นบรรยากาศ
การศึกษานี้นำโดย Paola Tiranti นักดาราศาสตร์จากมหาวิทยาลัยนอร์ทธัมเบรีย ร่วมกับทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติ ใช้เครื่องมือ NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) ของกล้องโทรทรรศน์อว กาศเจมส์ เว็บบ์ (JWST) ศึกษาชั้นบรรยากาศของดาวยูเรนัสเป็นระยะเวลา 15 ชั่วโมง (ดาวยูเรนัสใช้เวลาหมุนรอบตัวเองประมาณ 17 ชั่วโมง) เพื่อทำแผนที่โครงสร้างในแนวตั้ง (vertical structure) พร้อมสร้างแผนที่อุณหภูมิและความหนาแน่นของไอออนในชั้นบรรยากาศ ที่แผ่ขยายขึ้นไปสูงถึง 5,000 กิโลเมตรเหนือบรรยากาศชั้นบนของดาวยูเรนัส เรียกว่า “ชั้นไอโอโนสเฟียร์ (ionosphere)” ซึ่งเป็นบริเวณที่ชั้นบรรยากาศเกิดการแตกตัวเป็นไอออนและมีปฏิสัมพันธ์อย่างเข้มข้นกับสนามแม่เหล็กของดาวยูเรนัส
จากการศึกษาพบว่า อุณหภูมิสูงสุดในชั้นบรรยากาศของดาวยูเรนัสอยู่ระหว่าง 3,000 - 4,000 กิโลเมตร ขณะที่ความหนาแน่นของไอออนสูงสุดมีค่าประมาณ 1,000 กิโลเมตร ซึ่งเผยให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรที่เกิดขึ้นตามแนวยาว (Longitudinal variations) ที่เชื่อมโยงกับโครงสร้างเชิงเรขาคณิตที่ซับซ้อนของสนามแม่เหล็ก ข้อมูลความละเอียดสูงนี้เผยให้เห็นถึงกระบวนการกระจายพลังงานในชั้นบรรยากาศของดาวยูเรนัส และแสดงให้เห็นถึงอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศของดาวยูเรนัสที่ลดลงอย่างต่อเนื่องในช่วง 30 ปีที่ผ่านมา ตั้งแต่ช่วงต้น ค.ศ. 1990 โดยทีมนักดาราศาสตร์วัดอุณหภูมิเฉลี่ยได้ประมาณ 426 เคลวิน (150 องศาเซลเซียส) ซึ่งต่ำกว่าค่าที่บันทึกได้จากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดิน หรือยานอวกาศรุ่นก่อนที่รวบรวมข้อมูลไว้ก่อนหน้านี้
นอกจากนี้ นักดาราศาสตร์ยังค้นพบแสงออโรราแปลกประหลาด 2 แถบ บริเวณขั้วแม่เหล็กของดาวยูเรนัส พร้อมกับตรวจพบการแผ่รังสีและความหนาแน่นของไอออนที่ลดลงอย่างเห็นได้ชัดบริเวณระหว่างแถบทั้งสอง ซึ่งคาดว่ามีความเชื่อมโยงกับเส้นแรงสนามแม่เหล็ก อีกทั้งมีการตรวจพบพื้นที่มืด (darkened regions) คล้ายกับที่พบบนดาวพฤหัสบดี ซึ่งรูปทรงของสนามแม่เหล็กจะควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุผ่านชั้นบรรยากาศด้านบน
ดาวยูเรนัสมีแกนเอียงทำมุมประมาณ 97.77 องศา กับระนาบวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ส่งผลให้ดาวเคราะห์ดวงนี้มีลักษณะเสมือนกำลังกลิ้งไปรอบดวงอาทิตย์ ด้วยแกนเอียงแบบตะแคงนี้ทำให้แสงออโรราบนดาวยูเรนัสพาดผ่านพื้นผิวในรูปแบบที่ซับซ้อนและแปลกประหลาดกว่าดาวเคราะห์ดวงอื่นในระบบสุริยะ อย่างไรก็ตามข้อมูลความละเอียดสูงของกล้อง JWST สามารถศึกษาความซับซ้อนของแสงออโรราที่เป็นผลกระทบจากเส้นสนามแม่เหล็ก รวมถึงช่วยให้เข้าใจสมดุลพลังงานของดาวเคราะห์ยักษ์น้ำแข็งดวงนี้ได้ดียิ่งขึ้น
การศึกษานี้เป็นส่วนหนึ่งของโครงการ JWST 5073 Program Information ที่ใช้เครื่องมือ NIRSpec เพื่อทำการสังเกตการณ์แบบสเปกโตรสโคปี (Spectroscopy) และผลการศึกษาถูกตีพิมพ์ลงในวารสาร Geophysical Research
เรียบเรียง : กฤษดา รุจิรานุกูล - เจ้าหน้าที่สารสนเทศดาราศาสตร์ สดร.
อ้างอิง : Webb maps the mysterious upper atmosphere of Uranus | ESA/Webb
จากประสบการณ์การติดตามข้อมูลดาราศาสตร์ล่าสุด ผมขอแชร์เพิ่มเติมเกี่ยวกับความซับซ้อนของชั้นบรรยากาศดาวยูเรนัสที่พบจากการวิจัยนี้ ที่น่าตื่นเต้นมากคือการพบแสงออโรรา 2 แถบที่ขั้วแม่เหล็กซึ่งดูไม่เหมือนกับแสงออโรราบนโลกหรือดาวพฤหัสบดีเลย ซึ่งสะท้อนถึงลักษณะวงแหวนสนามแม่เหล็กที่ผิดปกติของยูเรนัส นอกจากนั้น การค้นพบพื้นที่มืดตรงบริเวณที่คล้ายกับดาวพฤหัสบดีชี้ให้เห็นว่ารูปแบบสนามแม่เหล็กในชั้นบรรยากาศบนมีบทบาทสำคัญในการกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุ การศึกษาช่วยขยายความรู้ให้เรามองเห็นว่าพลังงานจากสนามแม่เหล็กสามารถกระจายและเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในชั้นบรรยากาศได้อย่างไร รวมถึงทำให้เข้าใจการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ลดลงในรอบสามสิบปีที่ผ่านมาได้ดีขึ้น สำหรับนักดาราศาสตร์มือใหม่หรือผู้ที่สนใจ ผมแนะนำให้ติดตามผลงานวิจัยจาก JWST และการใช้เครื่องมือ NIRSpec ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเช่นนี้มากขึ้นเรื่อยๆ และช่วยขยายขอบเขตการเรียนรู้เกี่ยวกับดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาแกนเอียงของยูเรนัสที่ตั้งผิดปกติ ทำให้มีฤดูกาลและรูปแบบแสงออโรราที่เปลี่ยนแปลงแปลกใหม่ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ดาราศาสตร์ที่น่าสนใจและรอการสำรวจอย่างเต็มที่ในอนาคต