ที่มาของภาพ, ESO / L.CALCADA
ภาพจำลองของจานฝุ่นก่อกำเนิดดาวเคราะห์ ซึ่งประกอบด้วยวงแหวนหลายชั้นล้อมรอบดาวฤกษ์อายุน้อย
ตอนที่ดวงอาทิตย์ถือกำเนิดขึ้นเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน ดาวฤกษ์ของเราเคยมีวงแหวนล้อมรอบอยู่อย่างน้อย 3 ชั้น ซึ่งในเวลาต่อมาโครงสร้างของวงแหวนเหล่านี้ ได้กลายมาเป็นต้นกำเนิดของโลก ดาวเคราะห์บริวาร แถบดาวเคราะห์น้อย และวัตถุอวกาศต่าง ๆ ในระบบสุริยะ
ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ของสหรัฐฯ ตีพิมพ์ผลการศึกษาล่าสุดในวารสาร Nature Astronomy ฉบับวันที่ 30 ธ.ค. 2021 โดยระบุว่าได้ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ค้นหาคำตอบในเรื่องที่ว่า เหตุใดระบบสุริยะของเราจึงไม่มีดาวเคราะห์คล้ายโลกที่ขนาดใหญ่กว่า หรือที่เรียกว่าซูเปอร์เอิร์ธ (Super-Earth) บ้างเลย ทั้งที่ดาวเคราะห์ประเภทนี้พบได้ทั่วไปในกาแล็กซีทางช้างเผือก โดยมีถึง 30% ในหมู่ดาวบริวารซึ่งโคจรวนรอบดาวฤกษ์ที่คล้ายกับดวงอาทิตย์
ด้วยเหตุนี้ทีมผู้วิจัยจึงได้สร้างแบบจำลองการก่อตัวของระบบสุริยะ ตามแบบอย่างของดาวฤกษ์อายุน้อยที่เพิ่งถือกำเนิดได้ไม่นาน ซึ่งส่วนใหญ่จะมีจานฝุ่นก่อกำเนิดดาวเคราะห์ (protoplanetary disk) ล้อมรอบอยู่ และหากสังเกตดูภายในกลุ่มฝุ่นและก๊าซที่หมุนวนรอบดาวฤกษ์เกิดใหม่ให้ดีแล้ว จะพบว่ามีวงแหวนซ้อนอยู่หลายชั้นทีเดียว
ที่มาของภาพ, ALMA / ESO / NSF
ภาพถ่ายคมชัดที่สุดของของดาวฤกษ์ HL Tauri ซึ่งยังมีวงแหวนล้อมรอบอยู่
เมื่อป้อนข้อมูลลงในโปรแกรมแบบจำลองดังกล่าว ทีมผู้วิจัยพบว่าดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ 8 ดวง และแถบดาวเคราะห์น้อย สามารถก่อกำเนิดขึ้นได้จากวงแหวนที่ล้อมรอบดวงอาทิตย์ในอดีต โดยแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบ รวมทั้งตำแหน่งที่ตั้งและอุณหภูมิภายในวงแหวนแต่ละชั้น สามารถอธิบายถึงประวัติความเป็นมาของระบบสุริยะ รวมถึงสาเหตุที่มันมีโครงสร้างในแบบที่เราทราบกันอยู่ในปัจจุบันด้วย
ดร. อันเดร อิซิโดโร นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์จากทีมวิจัยของมหาวิทยาลัยไรซ์บอกว่า วงแหวนของดาวฤกษ์อายุน้อยนั้น เกิดจากการที่กลุ่มฝุ่นและก๊าซเข้ามารวมตัวกันในบริเวณชายขอบของ “กันชนแรงดัน” (pressure bump) ซึ่งเป็นแถบที่มีแรงดันสูงคอยกั้นขวางไม่ให้อนุภาคจากภายนอกผ่านเข้าไปได้
กันชนแรงดันในจานฝุ่นของดาวฤกษ์ ทำให้เกิดวงแหวนก่อตัวเป็นชั้น ๆ และมีการสะสมของอนุภาคต่าง ๆ เป็นก้อนใหญ่ขึ้น ซึ่งต่อมาจะกลายเป็นเมล็ดพันธุ์หรือตัวอ่อนของดาวเคราะห์ (planetesimal) ที่ทำให้ดวงดาวและวัตถุอวกาศในระบบสุริยะเริ่มก่อตัว
วงแหวนชั้นในที่ใกล้กับดวงอาทิตย์มากที่สุดและมีอุณหภูมิสูงสุด ให้กำเนิดดาวเคราะห์ชั้นในอย่างดาวพุธ ดาวศุกร์ โลก ดาวอังคาร และแถบดาวเคราะห์น้อยใกล้ดาวอังคาร จากฝุ่นของเม็ดทรายเล็กจิ๋วหรืออนุภาคของแร่ซิลิเกตเป็นส่วนใหญ่
องค์ประกอบหลักของวงแหวน 3 ชั้น ที่ดวงอาทิตย์เคยมีในอดีต ชั้นในสุด (สีแดง) คือแร่ซิลิเกต ชั้นกลาง (สีขาว-ฟ้า) คือโมเลกุลน้ำ ส่วนชั้นนอกสุด (สีเขียว) คือคาร์บอนมอนอกไซด์ บริเวณกรอบสี่เหลี่ยมคือที่ตั้งของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะชั้นใน
ที่มาของภาพ, R.DASGUPTA
องค์ประกอบหลักของวงแหวน 3 ชั้น ที่ดวงอาทิตย์เคยมีในอดีต ชั้นในสุด (สีแดง) คือแร่ซิลิเกต ชั้นกลาง (สีขาว-ฟ้า) คือโมเลกุลน้ำ ส่วนชั้นนอกสุด (สีเขียว) คือคาร์บอนมอนอกไซด์ บริเวณกรอบสี่เหลี่ยมคือที่ตั้งของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะชั้นใน
ส่วนวงแหวนชั้นกลางซึ่งมีอุณหภูมิต่ำกว่า ให้กำเนิดดาวเคราะห์ก๊าซอย่างดาวพฤหัสบดี ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส และดาวเนปจูน เนื่องจากมีองค์ประกอบหลักเป็นอนุภาคน้ำแข็งหรือละอองหิมะนั่นเอง ส่วนวงแหวนชั้นนอกสุดซึ่งประกอบไปด้วยอนุภาคน้ำแข็งแห้งหรือละอองหิมะของคาร์บอนมอนอกไซด์ ก่อตัวเป็นดาวเคราะห์น้อยและวัตถุอวกาศในแถบไคเปอร์ (Kuiper Belt)
เมื่อทีมผู้วิจัยทดลองเปลี่ยนการตั้งค่าในแบบจำลองคอมพิวเตอร์ใหม่ โดยเจาะจงให้วงแหวนชั้นกลางของดวงอาทิตย์ก่อตัวช้าลงกว่าเดิม ผลปรากฏว่ามีการก่อตัวของดาวเคราะห์ซูเปอร์เอิร์ธเกิดขึ้นในระบบสุริยะ ซึ่งดาวเคราะห์ประเภทนี้แม้จะมีสภาพคล้ายโลก แต่ก็มีขนาดใหญ่กว่า 2-3 เท่า และมีมวลมากกว่าได้สูงสุดถึง 10 เท่า
ดร. อิซิโดโรกล่าวสรุปว่า “หากวงแหวนชั้นกลางถือกำเนิดขึ้นช้ากว่าเดิมสักหน่อย อนุภาคต่าง ๆ จากรอบนอกของจานฝุ่นที่ล้อมรอบดวงอาทิตย์อยู่ จะสามารถเข้าไปยังด้านในของระบบสุริยะได้มากขึ้น และคงจะทำให้โลกของเรากลายเป็นดาวเคราะห์ซูเปอร์เอิร์ธ ซึ่งมีขนาดใหญ่กว่าทุกวันนี้”