สนามแม่เหล็กยูเรนัสเอียง 59 องศา ปริศนา 40 ปี แบบจำลองใหม่ชี้ต้นเหตุอยู่ลึกในดาว

นักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักรเสนอคำอธิบายใหม่สำหรับสนามแม่เหล็กที่ผิดปกติของดาว ยูเรนัส และ เนปจูน ซึ่งเป็นปริศนามานานกว่า 40 ปี โดยใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ร่วมกับข้อมูลสนามแม่เหล็กที่ยาน Voyager 2 วัดไว้ ผลงานตีพิมพ์เมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายนในวารสาร Communications Physics

ยาน Voyager 2 เป็นยานลำเดียวที่เคยเดินทางไปถึงดาวทั้งสอง โดยผ่านยูเรนัสในเดือนมกราคม 1986 และเนปจูนในเดือนสิงหาคม 1989 ข้อมูลที่ได้พบว่าสนามแม่เหล็กของดาวทั้งสองมีลักษณะบิดเบี้ยว ของยูเรนัสเอียงจากแกนหมุน 59 องศา และไม่ได้อยู่ที่แกนกลางของดาว แต่อยู่ที่ตำแหน่งราวสองในสามของระยะทางลงไปด้านใน ส่วนของเนปจูนไม่เป็นระเบียบและเอียง 47 องศา โดยศูนย์กลางอยู่กึ่งกลางระหว่างแกนกลางกับยอดเมฆที่มองเห็น ขณะที่สนามแม่เหล็กของโลกมีความเสถียรและเอียงเพียง 11 องศา

ที่ผ่านมามีผู้เสนอคำอธิบายหลายแบบ เช่น ยูเรนัสเอียงตัว 97 องศาและกลิ้งโคจรรอบดวงอาทิตย์ จึงมีการคาดว่าเมื่อหลายพันล้านปีก่อนดาวถูกชนด้วยดาวเคราะห์ขนาดเท่าโลกที่สูญหายไปแล้ว อย่างไรก็ตาม เนปจูนมีสนามแม่เหล็กบิดเบี้ยวคล้ายกันโดยไม่เคยมีการชนเช่นนั้น สาเหตุจึงน่าจะมาจากลักษณะภายในของดาวยักษ์น้ำแข็งทั้งสองเอง

งานวิจัยนี้พิจารณากลไก dynamo effect (การที่ของเหลวนำไฟฟ้าซึ่งไหลวนและพาความร้อนอยู่ในวัตถุที่หมุนรอบตัวเอง สร้างและรักษาสนามแม่เหล็กไว้) ภายในโลก ของเหลวนำไฟฟ้าคือเหล็กหลอมเหลวในส่วนนอกของแกนกลาง และให้สนามแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ชัดเจนแบบ dipole (สองขั้ว) เหมือนแท่งแม่เหล็กทั่วไป

สภาพภายในของยูเรนัสและเนปจูนต่างออกไป ดาวทั้งสองมีสารระเหยง่ายจำนวนมาก ทั้งแอมโมเนีย ไฮโดรเจน ฮีเลียม มีเทน และน้ำ ล้อมรอบแกนหินที่น่าจะมีอยู่ และมีมวลมากกว่าโลก 14.5 เท่า และ 17 เท่า ตามลำดับ จึงเกิดสภาพที่ถูกบีบอัดอย่างรุนแรงภายใน

Chi Yan จาก University of Texas at Austin หัวหน้าทีมวิจัย กล่าวในแถลงการณ์ว่า ลึกลงไปในดาวทั้งสองมีความดันและอุณหภูมิสูงมาก ซึ่งอาจทำให้โมเลกุลของน้ำแตกตัวเป็นไอออน และวัสดุอาจนำไฟฟ้าได้ดีขึ้นเมื่ออยู่ลึกลงไป

เมื่อใส่ค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นตามความลึกและองค์ประกอบของดาวเข้าไป แบบจำลองสามารถสร้างสนามแม่เหล็กผิดปกติของยูเรนัสและเนปจูนขึ้นมาได้ และแสดงว่าโครงสร้างของสนามแม่เหล็กวิวัฒนาการไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของการไหลของของไหลที่ขับเคลื่อนด้วยการพาความร้อนและอุณหภูมิภายในดาว

แบบจำลองยังชี้ว่ากระบวนการนี้อาจยังไม่สิ้นสุด สนามแม่เหล็กของทั้งสองดาวอาจเปลี่ยนแปลงอย่างมากภายในเวลาเพียงไม่กี่ทศวรรษ Yan กล่าวว่า ความเอียงของสนามแม่เหล็กโลกเคลื่อนเพียงราวหนึ่งองศาใน 50 ปี แต่แบบจำลองของทีมแสดงว่าดาวยักษ์น้ำแข็งแตกต่างกันมาก บางช่วงความเอียงแกว่งหลายสิบองศาภายในไม่กี่ทศวรรษ ขณะที่บางช่วงเปลี่ยนเพียงเล็กน้อยในระยะเวลาเท่ากัน

เพื่อไม่ต้องพึ่งข้อมูลจาก Voyager 2 ที่มีอายุ 40 ปีแต่เพียงอย่างเดียว Tom Stallard จาก Northumbria University ในสหราชอาณาจักร ผู้ร่วมเขียนงานวิจัย นำการสังเกตการณ์ด้วย James Webb Space Telescope (JWST) ต่อแสงออโรราอินฟราเรดจางๆ บนดาวทั้งสอง ออโรราเกิดเมื่ออนุภาคมีประจุในลมสุริยะมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของดาว และถูกนำเข้าสู่ชั้นบรรยากาศเหนือขั้วแม่เหล็ก ตำแหน่งของออโรราจึงบ่งชี้สถานะของสนามแม่เหล็กได้ ทั้งนี้ เนปจูนมีองค์ประกอบแบบ quadrupole (สี่ขั้ว) ซึ่งทำให้ขั้วเหนือและขั้วใต้ไม่ชัดเจน

Stallard กล่าวว่าทีมกำลังวิเคราะห์ข้อมูลจากการสังเกตการณ์ และรูปร่างกับโครงสร้างของออโรรา รวมถึงรูปแบบแปลกๆ ในไอโอโนสเฟียร์ (ชั้นบรรยากาศส่วนบน) น่าจะช่วยให้เข้าใจว่าสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญ

ทีมหวังว่าการรวมข้อมูลออโรราจาก JWST เข้ากับค่าที่ Voyager 2 วัดไว้และผลจากแบบจำลอง จะช่วยประเมินลักษณะสนามแม่เหล็กของยูเรนัสและเนปจูนในปัจจุบัน และเปรียบเทียบกับช่วงทศวรรษ 1980 ได้ ซึ่งจะเป็นการทดสอบเชิงการสังเกตว่าแบบจำลองใหม่อยู่ในทิศทางที่ถูกต้องหรือไม่ แต่จะยืนยันได้แน่ชัดเมื่อมีภารกิจใหม่ไปถึงดาวทั้งสอง

ด้านภารกิจในอนาคต NASA ให้ความสำคัญกับภารกิจกลับไปยังยูเรนัสในช่วงต้นทศวรรษ 2040 ส่วนภารกิจ Tianwen-4 ขององค์การอวกาศแห่งชาติจีน (CNSA) ซึ่งมีกำหนดส่งไปยังดาวพฤหัสบดีในปี 2029 จะปล่อยยานสำรวจขนาดเล็กเดินทางต่อไปยังยูเรนัสโดยอาศัยแรงเหวี่ยงจากแรงโน้มถ่วง