Introduction to 'Comet' ตอนที่9: ดาวหางมีคาบ

posted on 09 Jun 2013 22:08 by daejeonastronomy directory Knowledge



หมายเหตุจากผู้แปลและเรียบเรียง


- เอนทรี่นี้เป็นส่วนหนึ่งของเนื้อหาเรื่องดาวหางที่ "หนุ่มแทจอน"@exteen.com แปลและเรียบเรียงจากหนังสือ Exploring the Solar System ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 1 (ค.ศ.2012) เรียบเรียงโดย Peter Bond

- หนังสือเล่มดังกล่าวมีจุดประสงค์เพื่อใช้เป็นตำราดาราศาสตร์พื้นฐานในระดับปริญญาตรี ดังนั้น จึงต้องอาศัยพื้นฐานทางฟิสิกส์และเคมีด้วย
 
 
 
เอนทรี่ที่แนะนำให้อ่านประกอบ

- Our Solar System 18: ดาวหาง
 
 
เอนทรี่ก่อนหน้านี้
 
- ตอนที่7: ดาวหางในแถบเข็มขัดดาวเคราะห์น้อยหลัก
- ตอนที่8: ดาวหางเฉียดดวงอาทิตย์


---------------------------------------------------------------------------------------------



ดาวหางมีคาบ (Periodic comets)



          ในช่วงต้นคริสตศตวรรษที่ 18 ได้มีความเข้าใจทั่วไปเกี่ยวกับดาวหางว่าเป็นวัตถุท้องฟ้าที่ปรากฏบนท้องฟ้าในบางครั้งบางคราว โดยจะปรากฏตัวขึ้นมาอย่างฉับพลัน และปรากฏให้เห็นบนท้องฟ้านานเพียงไม่กี่สัปดาห์หรือไม่กี่เดือน เมื่อดาวหางโคจรเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์แล้ว จะหายลับไปโดยไม่มาปรากฏให้เห็นอีก ซึ่งในขณะนั้น นักดาราศาสตร์ยังไม่มีความรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมี และแหล่งที่มาของดาวหางมากนัก



          องค์ความรู้เกี่ยวกับดาวหางได้เริ่มพัฒนาอย่างมากในปี ค.ศ.1705 เมื่อ Edmond Halley นักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ศึกษาและคำนวณการโคจรของดาวหาง 24 ดวง และได้พบว่าเส้นทางการโคจรของดาวหางสว่างที่ปรากฏในปี ค.ศ.1682 เหมือนกันกับเส้นทางการโคจรของดาวหางที่ปรากฏใน ค.ศ.1607 และ 1531

          Halley จึงเสนอคำอธิบายที่สมเหตุสมผลว่า ดาวหางทั้ง 3 ดวงนี้ แท้จริงแล้วเป็นดาวหางดวงเดียวกัน ที่โคจรวกกลับมาปรากฏให้เห็นอีกครั้งภายในทุก 75-76 ปี ซึ่งความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยของคาบการโคจรครบรอบแต่ละครั้ง เป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วงของดาวเคราะห์ก๊าซรอบนอกที่รบกวนการโคจรของดาวหาง



          Halley ยังได้คาดการณ์ว่าดาวหางสว่างดวงนี้จะโคจรกลับมาให้เห็นในเดือนธันวาคม ค.ศ.1758 แต่เขาก็เสียชีวิตลงก่อนที่ดาวหางจะปรากฏในปีนั้น ซึ่งการโคจรกลับมาปรากฏของดาวหางดวงนี้ตามช่วงเวลาที่ Halley คาดไว้ ได้ยืนยันแนวคิดของเขาว่าถูกต้อง ดาวหางดวงนี้จึงถูกนับเป็นดาวหางมีคาบ (Periodic comet) ดวงแรกที่รู้จัก โดยตั้งชื่อว่า 1P/Halley เพื่อเป็นเกียรติแก่ Halley



          นักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบบันทึกทางประวัติศาสตร์เกี่ยวกับวัตถุท้องฟ้าตั้งแต่สมัยโบราณ พบว่ามีบันทึกถึงดาวหางฮัลเลย์ที่เก่าแก่ที่สุด โดยนักดาราศาสตร์ชาวจีน ในช่วง 240 ปีก่อน ค.ศ. หลังจากนั้นก็มีบันทึกทางประวัติศาสตร์ถึงการปรากฏของดาวหางดวงนี้จากหลายประเทศ ซึ่งในปัจจุบันนี้ ดาวหางฮัลเลย์กำลังเคลื่อนที่ออกห่างจากดวงอาทิตย์ โดยจะถึงตำแหน่งที่ห่างจากดวงอาทิตย์มากที่สุดในวงโคจร (จุด Aphelion) ในเดือนธันวาคม ค.ศ.2023 ก่อนจะโคจรวกกลับเข้ามา และมาถึงระบบสุริยะชั้นในเมื่อปี ค.ศ.2062





รูปที่ 59 ภาพวาดแสดงดาวฮัลเลย์ที่วาดลงในหนังสือที่เมือง Canterbury, สหราชอาณาจักร เมื่อปี ค.ศ.1145 ซึ่งถูกเก็บรักษาที่ห้องสมุดของวิทยาลัย Trinity, เมือง Cambridge, สหราชอาณาจักร

[ที่มาของภาพ: http://cse.ssl.berkeley.edu/SegwayEd/lessons/cometstale/comh1.html]





รูปที่ 60 เมื่อดาวหางฮัลเลย์โคจรเข้ามายังระบบสุริยะชั้นในเมื่อปี ค.ศ.1843 Petrus Apainus นักดาราศาสตร์ชาวเยอรมันได้ทำการศึกษาดาวหางดวงนี้ และใช้แผนภาพนี้อธิบายถึงการที่หางของดาวหางชี้ออกจากดวงอาทิตย์เสมอ ซึ่งเขาเป็นนักดาราศาสตร์คนแรกที่อธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าว

โดยในแผนภาพได้แสดงตำแหน่งของดาวหางบนท้องฟ้า และตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนเส้นสุริยวิถี (Ecliptic: เส้นเชื่อมระหว่างตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนท้องฟ้าในแต่ละวัน) ในวันเดียวกับที่ดาวหางปรากฏในแต่ละตำแหน่ง ถึงแม้ดวงอาทิตย์จะอยู่ใต้ขอบฟ้าก็ตาม รวมทั้งแสดงถึงการใช้เครื่องวัดมุมวัดระยะห่างเชิงมุมระหว่างวัตถุท้องฟ้า

[ที่มาของภาพ: http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/text/comethalley.htm]





รูปที่ 61 บันทึกการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ของเกาหลีสมัยราชวงศ์โชซอน แสดงดาวหางฮัลเลย์ขณะโคจรเข้ามายังระบบสุริยะชั้นในเมื่อปี ค.ศ.1759 และกลุ่มดาวที่ปรากฏข้างเคียง

[Credit ภาพ: Na Il-Seong, มหาวิทยาวิทยาลัยยอนเซ กรุงโซล]



          ตั้งแต่ความสำเร็จที่ Halley ได้คาดการณ์ถึงการวกกลับมาปรากฏของดาวหาง จนถึงปัจจุบัน มีการค้นพบดาวหางมีคาบมากกว่า 230 ดวง และเมื่อนักดาราศาสตร์ได้คำนวณวงโคจรของดาวหางมีคาบเหล่านี้ พบว่าทำการแยกประเภทย่อยลงไปอีกค่อนข้างยาก



          กลุ่มย่อยแรก คือ “ดาวหางกลุ่มดาวพฤหัสบดี” (Jupiter-family comets: JFCs) ประกอบด้วยดาวหางที่มีลักษณะดังนี้

- มีคาบการโคจรไม่เกิน 20 ปี

- มีวงโคจรอยู่บริเวณวงโคจรของดาวพฤหัสบดี (วงโคจรทั้งหมดจะอยู่ภายในวงโคจรของดาวพฤหัสบดี หรือจะอยู่นอกวงโคจรของดาวพฤหัสบดีก็ได้)

- ระนาบวงโคจรของดาวหางมุมเอียงจากระนาบวงโคจรของโลก (มุม Inclination) ไม่เกิน 40 องศา

          ซึ่งแต่เดิมนั้น ดาวหางในกลุ่มนี้ไม่ได้มีวงโคจรในลักษณะดังกล่าว แต่เมื่อดาวหางโคจรเข้ามาใกล้ดาวพฤหัสบดี อิทธิพลทางแรงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสบดีคอยรบกวนดาวหางในกลุ่มนี้ให้เปลี่ยนแปลงเส้นทางการโคจร จนกลายมาเป็นวงโคจรในลักษณะนี้

          ตัวอย่างของดาวหางในกลุ่มนี้ คือ ดาวหาง Encke ที่มีคาบการโคจร 3.3 ปี ซึ่งเป็นดาวหางที่มีคาบการโคจรสั้นที่สุดเท่าที่รู้จัก





รูปที่ 62
แผนภาพแสดงวงโคจรของดาวหาง 2P/Encke ที่จำลองจาก Small-Body Database Browser ของ JPL

[ที่มาของภาพ: http://spiff.rit.edu/classes/phys235/comets/comets.html]





รูปที่ 63 แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์แสดงปริมาตรรูปกล่องที่อ้างอิงระนาบวงโคจรของโลก โดยมีความกว้าง-ยาวด้านละ 20 AU และมีความหนา 8 AU โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่พิกัด (x, y, z) = (0, 0, 0)

ในแบบจำลองนี้แสดงวงโคจรของกลุ่มตัวอย่างของดาวหางกลุ่มดาวพฤหัสบดี 166 ดวง (วงโคจรสีแดง) โดยอ้างอิงจากระบบฐานข้อมูลวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะของ JPL (JPL small-body database) ส่วนวงโคจรสีขาวเป็นวงโคจรของดาวเคราะห์ ตั้งแต่ดาวพุธเรื่อยไปจนถึงดาวเสาร์

[Credit ภาพ: David Jewitt/Amaya Moro-Martin/Pedro Lacerda]




          กลุ่มย่อยที่ 2 คือ “ดาวหางกลุ่มฮัลเลย์” (Halley-family comets: HFCs) หรือตามตำราบางเล่มเรียกว่า “ดาวหางคาบกลาง” (Intermediate-period comets) เป็นกลุ่มของดาวหางที่มีลักษณะดังนี้

- คาบการโคจรตั้งแต่ 20-200 ปี

- ระนาบวงโคจรของดาวหางในกลุ่มนี้สามารถทำมุม Inclination ได้มากกว่าดาวหางกลุ่มดาวพฤหัสบดี

- อาจมีทิศทางการโคจรสวนทางกับทิศทางการโคจรของดาวเคราะห์ได้

          นักดาราศาสตร์มีแนวคิดว่าดาวหางส่วนใหญ่ในกลุ่มนี้มาจากแถบเข็มขัด Kuiper ซึ่งเป็นบริเวณที่มีวัตถุน้ำแข็งขนาดเล็กอยู่มาก และเป็นบริเวณที่มีรูปร่างคล้ายโดนัทที่อยู่ตั้งแต่บริเวณวงโคจรดาวเนปจูนเลยออกไปจนถึงระยะประมาณ 50 เท่าของระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ โดยอิทธิพลทางแรงโน้มถ่วงของดาวยูเรนัสกับดาวเนปจูน (หรืออาจจะรวมถึงดาวเคราะห์ก๊าซดวงอื่นด้วย) รบกวนให้ดาวหางเหล่านี้หลุดเข้ามาจากแถบเข็มขัด Kuiper

          ตัวอย่างของดาวหางในกลุ่มนี้คือ ดาวหางฮัลเลย์ ที่มีวงโคจรตั้งแต่ระหว่างระบบสุริยะชั้นในไปจนเลยวงโคจรดาวยูเรนัสออกไปเล็กน้อย





รูปที่ 64 แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์แสดงปริมาตรรูปกล่องที่อ้างอิงระนาบวงโคจรของโลก โดยมีความกว้าง-ยาวด้านละ 100 AU และมีความหนา 40 AU โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่พิกัด (x, y, z) = (0, 0, 0)

ในแบบจำลองนี้แสดงวงโคจรของวัตถุที่อยู่ในแถบเข็มขัด Kuiper (Kuiper-belt objects: KBOs) ได้แก่

- Classical KBOs ("วัตถุในแถบเข็มขัด Kuiper แบบดั้งเดิม" - วงโคจรสีแดง) เป็นวัตถุพวก KBOs ที่มีค่าความเยื้องศูนย์กลางของวงโคจรค่อนข้างต่ำ, อยู่เลยวงโคจรของดาวเนปจูน และไม่มีการโคจรที่สอดคล้อง (Orbital resonance) กับการโคจรของดาวเนปจูน

- Resonant KBOs (วงโคจรสีน้ำเงิน) เป็นวัตถุ KBOs ที่มีการโคจรที่สอดคล้องกับการโคจรของดาวเนปจูน ในอัตราส่วนที่เป็นเลขจำนวนเต็ม เช่น พลูโต ที่มีการโคจรที่สอดคล้องกับดาวเนปจูน ในอัตราส่วน 2:3 (ดาวพลุโตใช้เวลาโคจรรอบดวงอาทิตย์ครบ 2 รอบ เท่ากับเวลาที่ดาวเนปจูนโคจรไปครบ 3 รอบ)

- Scattered Disc Objects ("วัตถุในแถบวัตถุกระจาย": SDOs - วงโคจรสีเขียว) เป็นวัตถุน้ำแข็งขนาดเล็กที่กระจายตัวอย่างเบาบาง ในห้วงอวกาศระหว่างแถบเข็มขัด Kuiper กับเมฆออร์ตที่อยู่ห่างออกไปจากดวงอาทิตย์อีก

ส่วนวงโคจรสีขาว คือวงโคจรของดาวเคราะห์ตั้งแต่ดาวพฤหัสบดีถึงดาวเนปจูน จะเห็นได้ว่าวงโคจรของวัตถุพวก Classical KBOs จะกระจุกตัวกันเป็นบิรเวณที่มีรูปร่างคล้ายโดนัท ที่อยู่เลยวงโคจรของดาวเนปจูน ซึ่งจำนวนวัตถุน้ำแข็งแต่ละประเภทที่นำมาพลอตวงโคจรนั้น มีอยู่ 1 ใน 5 จากจำนวนวัตถุน้ำแข็งทั้งหมดในแต่ละประเภท เท่าที่รู้จักในเดือนสิงหาคม ค.ศ.2008

[Credit ภาพ: David Jewitt/Amaya Moro-Martin/Pedro Lacerda]





รูปที่ 65 แผนภาพแสดงวงโคจรของดาวหางฮัลเลย์ ซึ่งจะเห็นได้ว่าทิศทางการโคจรของดาวหางฮัลเลย์สวนทางกับทิศทางการโคจรของ ดาวเคราะห์ และในภาพได้แสดงตัวเลขปีกำกับตำแหน่งของดาวหางบนวงโคจร

[ที่มาของภาพ: http://www.outerspaceuniverse.org/eta-aquarid-meteor-shower-halleys-comet-debris-trail.html]





รูปที่ 66 แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์แสดงปริมาตรรูปกล่องที่อ้างอิงระนาบวงโคจรของโลก โดยมีความกว้าง-ยาวด้านละ 100 AU และมีความหนา 60 AU โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่พิกัด (x, y, z) = (0, 0, 0)

ในแบบจำลองนี้ แสดงวงโคจรของกลุ่มตัวอย่างของดาวหางกลุ่มฮัลเลย์ 44 ดวง ซึ่งมีทั้งดาวหางที่มีทิศทางการโคจรไปทางเดียวกันกับทิศทางการโคจรของดาวเคราะห์ (วงโคจรสีเขียว) และดาวหางที่มีทิศทางการโคจรไปสวนทางกันกับทิศทางการโคจรของดาวเคราะห์ (วงโคจรสีม่วง) โดยอ้างอิงจากระบบฐานข้อมูลวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะของ JPL (JPL small-body database) ส่วนวงโคจรสีขาวเป็นวงโคจรของดาวเคราะห์ ตั้งแต่ดาวพุธเรื่อยไปจนถึงดาวเนปจูน

[Credit ภาพ: David Jewitt/Amaya Moro-Martin/Pedro Lacerda]



          กลุ่มย่อยที่ 3 คือ “ดาวหางในแถบเข็มขัดดาวเคราะห์น้อยหลัก” (Main-belt comets: MBCs) ซึ่งได้กล่าวไปแล้ว





รูปที่ 67 แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์แสดงปริมาตรรูปกล่องที่อ้างอิงระนาบวงโคจรของโลก โดยมีความกว้าง-ยาวด้านละ 10 AU และมีความหนา 4 AU โดยที่ดวงอาทิตย์อยู่ที่พิกัด (x, y, z) = (0, 0, 0)

ในแบบจำลองนี้ แสดงวงโคจรของกลุ่มตัวอย่างของดาวหางในแถบดาวเคราะห์น้อยหลัก 3 ดวง (วงโคจรหนาสีส้ม) และวงโคจรของกลุ่มตัวอย่างดาวเคราะห์น้อย 100 ดวงที่โคจรในบริเวณแถบเข็มขัดดาวเคราะห์น้อย (วงโคจรสีเหลือง) โดยอ้างอิงจากระบบฐานข้อมูลวัตถุขนาดเล็กในระบบสุริยะของ JPL (JPL small-body database) ส่วนวงโคจรสีขาวเป็นวงโคจรของดาวเคราะห์ ตั้งแต่ดาวพุธเรื่อยไปจนถึงดาวพฤหัสบดี

[Credit ภาพ: David Jewitt/Amaya Moro-Martin/Pedro Lacerda]











 

Comment

Comment:

Tweet