ระบบสุริยะ

ระบบสุริยะ (Solar System) ประกอบด้วยดวงอาทิตย์และวัตถุอื่นๆ ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์เนื่องจากแรงโน้มถ่วง ได้แก่ ดาวเคราะห์ 8 ดวงกับดวงจันทร์บริวารที่ค้นพบแล้ว 166 ดวง ดาวเคราะห์แคระ 5 ดวงกับดวงจันทร์บริวารที่ค้นพบแล้ว 4 ดวง กับวัตถุขนาดเล็กอื่นๆ อีกนับล้านชิ้น ซึ่งรวมถึงดาวเคราะห์น้อย วัตถุในแถบไคเปอร์ ดาวหาง สะเก็ดดาว และฝุ่นระหว่างดาวเคราะห์

โดยทั่วไปแล้วจะแบ่งย่านต่างๆ ของระบบสุริยะ นับจากดวงอาทิตย์ออกมาดังนี้คือ ดาวเคราะห์ชั้นในจำนวน 4 ดวง แถบดาวเคราะห์น้อย ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่รอบนอกจำนวน 4 ดวง และแถบไคเปอร์ซึ่งประกอบด้วยวัตถุที่เย็นจัดเป็นน้ำแข็ง พ้นจากแถบไคเปอร์ออกไปเป็นเขตแถบจานกระจาย ขอบเขตเฮลิโอพอส (เขตแดนตามทฤษฎีที่ซึ่งลมสุริยะสิ้นกำลังลงเนื่องจากมวลสารระหว่างดวงดาว) และพ้นไปจากนั้นคือย่านของเมฆออร์ต

กระแสพลาสมาที่ไหลออกจากดวงอาทิตย์ (หรือลมสุริยะ) จะแผ่ตัวไปทั่วระบบสุริยะ สร้างโพรงขนาดใหญ่ขึ้นในสสารระหว่างดาวเรียกกันว่า เฮลิโอสเฟียร์ ซึ่งขยายออกไปจากใจกลางของแถบจานกระจาย

ดาวเคราะห์ชั้นเอกทั้ง 8 ดวงในระบบสุริยะ เรียงลำดับจากใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดออกไป มีดังนี้คือ ดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก ดาวอังคาร ดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน

นับถึงกลางปี ค.ศ. 2008 วัตถุขนาดย่อมกว่าดาวเคราะห์จำนวน 5 ดวง ได้รับการจัดระดับให้เป็นดาวเคราะห์แคระ ได้แก่ ซีรีสในแถบดาวเคราะห์น้อย กับวัตถุอีก 4 ดวงที่โคจรรอบดวงอาทิตย์อยู่ในย่านพ้นดาวเนปจูน คือ ดาวพลูโต (ซึ่งเดิมเคยถูกจัดระดับไว้เป็นดาวเคราะห์) เฮาเมอา มาคีมาคี และ อีรีส

มีดาวเคราะห์ 6 ดวงและดาวเคราะห์แคระ 3 ดวงที่มีดาวบริวารโคจรอยู่รอบๆ เราเรียกดาวบริวารเหล่านี้ว่า "ดวงจันทร์" ตามอย่างดวงจันทร์ของโลก นอกจากนี้ดาวเคราะห์ชั้นนอกยังมีวงแหวนดาวเคราะห์อยู่รอบตัวอันประกอบด้วยเศษฝุ่นและอนุภาคขนาดเล็ก

สำหรับคำว่า ระบบดาวเคราะห์ ใช้เมื่อกล่าวถึงระบบดาวโดยทั่วไปที่มีวัตถุต่างๆ โคจรรอบดาวฤกษ์ คำว่า "ระบบสุริยะ" ควรใช้เฉพาะกับระบบดาวเคราะห์ที่มีโลกเป็นสมาชิก และไม่ควรเรียกว่า "ระบบสุริยจักรวาล" อย่างที่เรียกกันติดปาก เนื่องจากไม่เกี่ยวข้องกับคำว่า "จักรวาล" ตามนัยที่ใช้ในปัจจุบัน

ประวัติการค้นพบและการสำรวจนับเป็นเวลาหลายพันปีในอดีตกาลที่มนุษยชาติไม่เคยรับรู้มาก่อนว่ามีสิ่งที่เรียกว่า ระบบสุริยะ แต่เดิมมนุษย์เชื่อว่า โลกเป็นศูนย์กลางจักรวาลที่อยู่นิ่ง มีดวงดาวต่างๆ โคจรไปรอบๆ ผ่านไปบนท้องฟ้า แม้ว่านักดาราศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวอินเดียชื่อ Aryabhata และนักปรัชญาชาวกรีก Aristarchus เคยมีแนวคิดเกี่ยวกับการที่ดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางจักรวาล และจัดลำดับจักรวาลเสียใหม่ แต่ผู้ที่สามารถคิดค้นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อพิสูจน์แนวคิดนี้ได้สำเร็จเป็นคนแรกคือ นิโคเลาส์ โคเปอร์นิคัส ในคริสต์ศตวรรษที่ 17 มีผู้สืบทอดแนวทางการศึกษาของเขาต่อมา คือกาลิเลโอ กาลิเลอี โยฮันเนส เคปเลอร์ และ ไอแซค นิวตัน พวกเขาพยายามทำความเข้าใจระบบทางฟิสิกส์และเสาะหาหลักฐานการพิสูจน์ยืนยันว่า โลกเคลื่อนไปรอบๆ ดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ทั้งหลายต่างก็ดำเนินไปภายใต้กฎทางฟิสิกส์แบบเดียวกันนี้ ในยุคหลังต่อมาจึงเริ่มมีการสืบสวนค้นหาปรากฏการณ์ทางภูมิธรณีต่างๆ เช่น เทือกเขา แอ่งหิน ปรากฏการณ์สภาพอากาศที่แปรเปลี่ยนตามฤดูกาล การศึกษาเกี่ยวกับเมฆ พายุทราย และยอดเขาน้ำแข็งบนดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ

การสำรวจยุคแรก

การสำรวจระบบสุริยะในยุคแรกดำเนินไปได้โดยอาศัยกล้องโทรทรรศน์ เพื่อช่วยนักดาราศาสตร์จัดทำแผนภาพท้องฟ้าแสดงตำแหน่งของวัตถุที่จางเกินกว่าจะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

กาลิเลโอ กาลิเลอี คือผู้แรกที่ค้นพบรายละเอียดทางกายภาพของวัตถุในระบบสุริยะ เขาค้นพบว่าผิวดวงจันทร์นั้นขรุขระ ส่วนดวงอาทิตย์ก็มีจุดด่างดำ และดาวพฤหัสบดีมีดาวบริวารสี่ดวงโคจรไปรอบๆ^[6] คริสเตียน ฮอยเกนส์ เจริญรอยตามกาลิเลโอโดยค้นพบไททัน ดวงจันทร์ของดาวเสาร์ รวมถึงวงแหวนของมันด้วย^[7] ในเวลาต่อมา จิโอวันนี โดเมนิโก กัสสินี ค้นพบดวงจันทร์ของดาวเสาร์เพิ่มอีก 4 ดวง ช่องว่างในวงแหวนของดาวเสาร์ รวมถึงจุดแดงใหญ่บนดาวพฤหัสบดี^[8]

ปี ค.ศ. 1705 เอ็ดมันด์ ฮัลเลย์ ค้นพบว่าดาวหางหลายดวงในบันทึกประวัติศาสตร์ที่จริงเป็นดวงเดิมกลับมาปรากฏซ้ำ ถือเป็นการพบหลักฐานชิ้นแรกสำหรับการโคจรรอบดวงอาทิตย์ของวัตถุอื่นนอกเหนือจากดาวเคราะห์^[9] ในช่วงระยะเวลาเดียวกันนี้จึงเริ่มมีการใช้คำว่า "ระบบสุริยะ" ขึ้นเป็นครั้งแรก^[10]

ค.ศ. 1781 วิลเลียม เฮอร์เชล ค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่คือ ดาวยูเรนัส โดยที่ในตอนแรกเขาคิดว่าเป็นดาวหาง^[11] ต่อมาในปี ค.ศ. 1801 จิวเซปเป ปิอาซซี ค้นพบวัตถุโคจรอยู่ระหว่างดาวอังคารกับดาวพฤหัสบดี ในตอนแรกเขาคิดว่าเป็นดาวเคราะห์ แต่ต่อมาจึงมีการค้นพบวัตถุขนาดเล็กนับเป็นพันดวงในย่านอวกาศนั้น ซึ่งในเวลาต่อมาจึงเรียกวัตถุเหล่านั้นว่า ดาวเคราะห์น้อย^[12]

ไม่อาจระบุได้แน่ชัดว่า ระบบสุริยะถูก "ค้นพบ" เมื่อใดกันแน่ แต่การสังเกตการณ์ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 19 สามรายการสามารถบรรยายลักษณะและตำแหน่งของระบบสุริยะในเอกภพได้อย่างไม่มีข้อสงสัย รายการแรกเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1838 เมื่อฟรีดดริค เบสเซล สามารถวัดพารัลแลกซ์ของดาวได้ เขาพบว่าตำแหน่งปรากฏของดาวเปลี่ยนแปลงไปตามการเคลื่อนที่ของโลกที่โคจรไปรอบดวงอาทิตย์ นี่ไม่เพียงเป็นข้อพิสูจน์ทางตรงต่อแนวคิดดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางจักรวาล แต่ยังได้เปิดเผยให้ทราบถึงระยะทางมหาศาลระหว่างระบบสุริยะของเรากับดวงดาวอื่นเป็นครั้งแรก ต่อมาในปี ค.ศ. 1859 โรเบิร์ต บุนเซน และ กุสตาฟ เคอร์ชอฟฟ์ ได้ใช้สเปกโตรสโคปที่ประดิษฐ์ขึ้นใหม่ตรวจวัดค่าสเปกตรัมจากดวงอาทิตย์ และพบว่ามันประกอบด้วยธาตุชนิดเดียวกันกับที่มีอยู่บนโลก นับเป็นครั้งแรกที่พบข้อมูลทางกายภาพที่เกี่ยวโยงกันระหว่างโลกกับสวรรค์^[13] หลังจากนั้น คุณพ่อแองเจโล เชคคี เปรียบเทียบรายละเอียดสเปกตรัมของดวงอาทิตย์กับดาวฤกษ์ดวงอื่น และพบว่ามันเหมือนกันทุกประการ ข้อเท็จจริงที่พบว่าดวงอาทิตย์ก็เป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่งนำไปสู่ข้อสมมุติฐานว่าดาวฤกษ์ดวงอื่นก็อาจมีระบบดาวเคราะห์ของมันเองเช่นกัน แม้ว่ากว่าจะค้นพบหลักฐานสำหรับข้อสมมุติฐานนี้จะต้องใช้เวลาต่อมาอีกกว่า 140 ปี

ค.ศ. 1992 มีการค้นพบหลักฐานแรกที่ส่อถึงระบบดาวเคราะห์แห่งอื่นนอกเหนือจากระบบของเรา โคจรอยู่รอบดาวพัลซาร์ พีเอสอาร์ บี1257+12 สามปีต่อมาจึงพบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกคือ 51 เพกาซี บี โคจรรอบดาวฤกษ์ลักษณะคล้ายดวงอาทิตย์ ตราบจนถึงปี ค.ศ. 2008 มีการค้นพบระบบดาวเคราะห์อื่นแล้วกว่า 221 ระบบ^[14]

การสำรวจด้วยยานอวกาศ                                                                                            ยุคของการสำรวจอวกาศด้วยยานอวกาศเริ่มต้นขึ้นนับแต่สหภาพโซเวียตส่งดาวเทียมสปุตนิก 1 ขึ้นสู่วงโคจรรอบโลกเมื่อปี ค.ศ. 1957 โดยได้โคจรอยู่เป็นเวลา 1 ปี ต่อมายานเอกซ์พลอเรอร์ 6 ของสหรัฐอเมริกา ขึ้นสู่วงโคจรในปี 1959 และสามารถถ่ายภาพโลกจากอวกาศได้เป็นครั้งแรก

ยานสำรวจลำแรกที่เดินทางไปถึงวัตถุอื่นในระบบสุริยะ คือยานลูนา 1 ซึ่งเดินทางผ่านดวงจันทร์ในปี ค.ศ. 1959 ในตอนแรกตั้งใจกันว่าจะให้มันตกลงบนดวงจันทร์ แต่ยานพลาดเป้าหมายแล้วจึงกลายเป็นยานที่สร้างโดยมนุษย์ลำแรกที่ได้โคจรรอบดวงอาทิตย์ ยานมาริเนอร์ 2 เป็นยานอวกาศลำแรกที่เดินทางไปถึงดาวเคราะห์อื่นในระบบสุริยะ คือไปเยือนดาวศุกร์ในปี ค.ศ. 1962 ต่อมายานมาริเนอร์ 4 ได้ไปถึงดาวอังคารในปี ค.ศ. 1965 และมาริเนอร์ 10 ไปถึงดาวพุธในปี ค.ศ. 1974

ยานอวกาศลำแรกที่ลงจอดบนวัตถุอื่นในระบบสุริยะได้คือยานลูนา 2 ของสหภาพโซเวียต ซึ่งลงจอดบนดวงจันทร์ได้ในปี ค.ศ. 1959 หลังจากนั้นก็มียานลงจอดบนดาวอื่นได้มากขึ้นเรื่อยๆ ยานเวเนรา 3 ลงจอดบนพื้นผิวดาวศุกร์ในปี 1966 ยานมาร์ส 3 ลงถึงพื้นดาวอังคารในปี 1971 (แต่การลงจอดที่สำเร็จจริงๆ คือยานไวกิ้ง 1 ในปี 1976) ยานเนียร์ชูเมกเกอร์ไปถึงดาวเคราะห์น้อย 433 อีรอส ในปี 2001 และยานดีปอิมแพกต์ไปถึงดาวหางเทมเพล 1 ในปี 2005

ยานสำรวจลำแรกที่ไปถึงระบบสุริยะชั้นนอกคือยานไพโอเนียร์ 10 ที่เดินทางผ่านดาวพฤหัสบดีในปี ค.ศ. 1973 ต่อมาในปี ค.ศ. 1977 ยานสำรวจอวกาศในโครงการวอยเอจเจอร์จึงได้เริ่มต้นการเดินทางครั้งใหญ่ โดยเดินทางผ่านดาวพฤหัสบดีในปี 1979 ผ่านดาวเสาร์ในปี 1980-1981 ยานวอยเอจเจอร์ 2 ได้เข้าใกล้ดาวยูเรนัสในปี 1986 และเข้าใกล้ดาวเนปจูนในปี 1989 ปัจจุบันนี้ ยานสำรวจวอยเอจเจอร์ทั้ง 2 ลำได้เดินทางออกพ้นวงโคจรของดาวเนปจูนไปไกลแล้ว และมุ่งไปบนเส้นทางเพื่อค้นหาและศึกษากำแพงกระแทก เฮลิโอชีท และเฮลิโอพอส ข้อมูลล่าสุดจากองค์การนาซาแจ้งว่า ยานวอยเอจเจอร์ทั้ง 2 ลำได้เดินทางผ่านกำแพงกระแทกไปแล้วที่ระยะห่างประมาณ 93 หน่วยดาราศาสตร์จากดวงอาทิตย์^[15]

กำเนิดและวิวัฒนาการ

ระบบสุริยะถือกำเนิดขึ้นจากการแตกสลายด้วยแรงโน้มถ่วงภายในของเมฆโมเลกุลขนาดยักษ์เมื่อกว่า 4,600 ล้านปีมาแล้ว เมฆต้นกำเนิดนี้มีความกว้างหลายปีแสง และอาจเป็นต้นกำเนิดของดาวฤกษ์อื่นอีกจำนวนมาก^[16]

เมื่อย่านเนบิวลาก่อนสุริยะ ซึ่งน่าจะเป็นจุดกำเนิดของระบบสุริยะ^[17]เกิดแตกสลายลง โมเมนตัมเชิงมุมที่มีอยู่ทำให้มันหมุนตัวไปเร็วยิ่งขึ้น ที่ใจกลางของย่านซึ่งเป็นศูนย์รวมมวลอันหนาแน่นมีอุณหภูมิเพิ่มสูงมากขึ้นกว่าแผ่นจานที่หมุนอยู่รอบๆ^[16] ขณะที่เนบิวลานี้หดตัวลง มันก็เริ่มมีทรงแบนยิ่งขึ้นและค่อยๆ ม้วนตัวจนกลายเป็นจานดาวเคราะห์ก่อนเกิด ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางราว 200 AU^[16] พร้อมกับมีดาวฤกษ์ก่อนเกิดที่หนาแน่นและร้อนจัดอยู่ ณ ใจกลาง^[18][19] เมื่อการวิวัฒนาการดำเนินมาถึงจุดนี้ เชื่อว่าดวงอาทิตย์ได้มีสภาพเป็นดาวฤกษ์ชนิด T Tauri ผลจากการศึกษาดาวฤกษ์ชนิด T Tauri พบว่ามันมักมีแผ่นจานของมวลสารดาวเคราะห์ก่อนเกิดที่มีมวลประมาณ 0.001-0.1 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ กับมวลของเนบิวลาในตัวดาวฤกษ์เองอีกเป็นส่วนใหญ่จำนวนมหาศาล^[20] ดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นจากแผ่นจานรวมมวลเหล่านี้^[21]

ภายในช่วงเวลา 50 ล้านปี ความดันและความหนาแน่นของไฮโดรเจนที่ใจกลางของดาวฤกษ์ก่อนเกิดก็มีมากพอจะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นขึ้นได้^[22] ทั้งอุณหภูมิ อัตราการเกิดปฏิกิริยา ความดัน ตลอดจนความหนาแน่นต่างเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งถึงสภาวะสมดุลอุทกสถิต โดยมีพลังงานความร้อนที่มากพอจะต้านทานกับการหดตัวของแรงโน้มถ่วงได้ ณ จุดนี้ดวงอาทิตย์จึงได้วิวัฒนาการเข้าสู่แถบลำดับหลักอย่างสมบูรณ์^[23]

ภาพวาดโดยศิลปินแสดงให้เห็นวิวัฒนาการของดวงอาทิตย์

ซ้าย: ดวงอาทิตย์ของเราในปัจจุบันซึ่งอยู่ในแถบลำดับหลัก

กลาง: ดาวยักษ์แดง

ขวา: ดาวแคระขาว

ระบบสุริยะจะดำรงสภาพอย่างที่เรารู้จักกันในปัจจุบันนี้ไปตราบจนกระทั่งดวงอาทิตย์ได้วิวัฒนาการจนออกพ้นจากแถบลำดับหลักบนไดอะแกรมของเฮิร์ตสปรัง-รัสเซลล์ เมื่อดวงอาทิตย์เผาผลาญเชื้อเพลิงไฮโดรเจนภายในไปเรื่อยๆ พลังงานที่คอยค้ำจุนแกนกลางของดาวอยู่ก็จะลดน้อยถอยลง ทำให้มันหดตัวและแตกสลายลงไป การหดตัวจะทำให้แรงดันความร้อนในแกนกลางเพิ่มมากขึ้น และทำให้มันยิ่งเผาผลาญเชื้อเพลิงเร็วขึ้น ผลที่เกิดคือดวงอาทิตย์จะส่องสว่างมากยิ่งขึ้นโดยมีอัตราเพิ่มขึ้นประมาณ 10% ในทุกๆ 1,100 ล้านปี^[24]

ในอีกประมาณ 5,400 ล้านปีข้างหน้า ไฮโดรเจนในแกนกลางของดวงอาทิตย์จะเปลี่ยนไปเป็นฮีเลียมทั้งหมด ซึ่งเป็นอันจบกระบวนการวิวัฒนาการบนแถบลำดับหลัก ในเวลานั้น ชั้นผิวรอบนอกของดวงอาทิตย์จะขยายใหญ่ขึ้นประมาณ 260 เท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางในปัจจุบัน ดวงอาทิตย์จะกลายเป็นดาวยักษ์แดง การที่พื้นผิวของดวงอาทิตย์ขยายตัวขึ้นอย่างมหาศาล ทำให้อุณหภูมิที่พื้นผิวของมันเย็นลงยิ่งกว่าที่เคยเป็นเมื่ออยู่บนแถบลำดับหลัก (ตำแหน่งเย็นที่สุดคือ 2600 K) ^[25]

สิ่งที่เกิดขึ้นตามมาก็คือ ชั้นผิวนอกของดวงอาทิตย์จะแตกสลาย กลายไปเป็นดาวแคระขาว คือวัตถุที่มีความหนาแน่นอย่างยิ่งยวด มวลประมาณครึ่งหนึ่งของมวลดั้งเดิมของดวงอาทิตย์จะอัดแน่นอยู่ในพื้นที่ของวัตถุขนาดประมาณเท่ากับโลก^[26] การแตกสลายของชั้นผิวรอบนอกของดวงอาทิตย์จะทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าเนบิวลาดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นการส่งคืนสสารต่างๆ อันประกอบขึ้นเป็นดวงอาทิตย์กลับคืนให้แก่สสารระหว่างดาว