ดาว บริวาร ถูกค้นพบด้วยวิธีการใดบ้าง

เคยสงสัยไหมว่าดาวบริวารทำให้ดาวฤกษ์ดูเหมือน 'โคลงเคลง' ได้อย่างไร? ฉันชอบคิดภาพดาวและบริวารเป็นคู่เต้นรำสองคนที่จับมือกันแล้วหมุนไปรอบจุดศูนย์กลางร่วมกัน—จุดนั้นคือจุดศูนย์กลางมวลหรือ barycenter ซึ่งไม่ได้อยู่ตรงกลางของดาวเสมอไป เมื่อบริวารมีมวลพอประมาณหรืออยู่ใกล้ ดาวฤกษ์เองก็จะเคลื่อนที่เล็กน้อยไปรอบจุดนั้นด้วย ผลที่ตามมาทางสังเกตคือการ 'โคลง' นั้นสามารถวัดได้หลายวิธี เช่น การเปลี่ยนแปลงของความถี่แสงที่เรามองเห็น (Doppler/radial velocity) ซึ่งเป็นเทคนิคที่ทำให้ค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบดวงแรกๆ อย่าง '51 Pegasi b' หรือการวัดตำแหน่งเชิงมุมเล็กๆ ด้วย astrometry เทคนิคเหล่านี้เผยให้เห็นว่าความเร็วเชิงเส้นและอัตราเรืองแสงที่เปลี่ยนแปลงได้บอกอะไรเกี่ยวกับมวลและระยะของบริวารได้บ้าง แม้จะมีข้อจำกัดเช่นมุมเอียง (i) ที่ทำให้เรารู้เพียงมวลขั้นต่ำ m·sin(i) แต่การรวมหลายวิธีเข้าด้วยกันมักให้ภาพที่ชัดเจนกว่า และนั่นแหละคือเสน่ห์ของการตามดูดาวที่ไม่เคยนิ่งเฉยสำหรับฉัน

การเกิดดาวบริวารในระบบสุริยะมักจะเริ่มจากจานโปรโตแพลเนตารีที่ล้อมรอบดาวฤกษ์เกิดใหม่ แก๊สและฝุ่นในจานนี้รวมตัวเป็นก้อนเล็ก ๆ แล้วโตขึ้นเป็นเมล็ดของดาวเคราะห์และดวงจันทร์ เมื่อดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์อย่างดาวพฤหัสก่อตัว มันจะมีวงโคจรของวัสดุหนาแน่นรอบตัวที่เอื้อต่อการรวมตัวเป็นบริวารแบบสม่ำเสมอ สิ่งนี้เป็นเหตุผลที่เราเห็นดวงจันทร์ขนาดใหญ่ที่เรียงตัวสวยงามอย่าง 'กาลิเลียนส์' ของดาวพฤหัส—พวกมันเกิดมาพร้อมกันกับดาวพฤหัสในสภาพแวดล้อมเดียวกัน ผมชอบยกภาพตัวเองนั่งดูภาพจำลองของจานโปรโตแพลเนตารี แล้วจินตนาการว่ามวลสารค่อย ๆ ไหลลงรอยแยกและช่องว่างจนเกิดแกนกลาง ความไม่สเถียริก่อให้เกิดเกล็ดเล็ก ๆ ที่ชนและจับตัวเข้าด้วยกัน ในที่สุดก็กลายเป็นดวงจันทร์ที่มีชั้นภายในแตกต่างกัน การจัดวางนี้อธิบายได้ดีว่าเพราะเหตุใดดวงจันทร์ที่เกิดจากการสะสมภายในจึงมีวงโคจรกลมและใกล้เคียงระนาบเส้นศูนย์สูตรของดาวโฮสต์ และยังชวนให้คิดว่าระบบดาวอื่นอาจมีวิวัฒนาการคล้ายกัน แต่รายละเอียดสุดท้ายขึ้นกับอุณหภูมิ การหมุน และปริมาณฝุ่นในจานนั้น ๆ

ดาวบริวารโดยพื้นฐานคือวัตถุที่โคจรรอบวัตถุขนาดใหญ่กว่า เช่น ดวงจันทร์โคจรรอบโลกหรือดวงจันทร์ของดาวพฤหัส โครงสร้างคำอธิบายง่าย ๆ แบบนี้ช่วยให้ผมเห็นภาพว่า ‘บริวาร’ ไม่ได้จำกัดอยู่แค่ก้อนหินเท่านั้น แต่รวมถึงชิ้นส่วนของวงแหวนและวัตถุขนาดเล็กด้วย ผมชอบยกตัวอย่างดวงจันทร์ของดาวพฤหัสอย่าง Io และ Europa เพื่อชี้ให้เห็นความหลากหลาย: Io เป็นภูเขาไฟที่ปะทุตลอดเวลา ต่างจาก Europa ที่มีน้ำแข็งหนาปกคลุมและเป็นเป้าหมายสำคัญในการค้นหาชีวิต ส่วนดวงจันทร์ของดาวเสาร์อย่าง Titan ก็มีบรรยากาศหนาและทะเลของมีเทน—ซึ่งแสดงให้เห็นว่าดาวบริวารสามารถมีสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนได้ไม่แพ้โลก การเข้าใจว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไรและแตกต่างกันอย่างไรคือเสน่ห์ของเรื่องนี้

เรื่องดาวบริวารในระบบดาวคู่เป็นหัวข้อที่ชวนให้คิดมากกว่าที่หลายคนคาดไว้ — มันไม่ใช่แค่เรื่องของสองดวงดาวแล้วปล่อยให้ดวงจันทร์โคจรไปเรื่อยๆ ผมชอบคิดแบบภาพรวมว่าเสถียรภาพขึ้นกับขนาดและระยะห่างของดาวทั้งสอง ตลอดจนมวลของดวงบริวารด้วย ในหลายกรณี ดวงจันทร์ที่โคจรรอบดาวดวงเดียว (S-type) จะปลอดภัยถ้ามันอยู่ภายในฮิลล์สเฟียร์ของดาวนั้นและห่างพอจากดาวเพื่อนร่วมระบบ แต่ถ้าดาวทั้งสองใกล้กันหรือมีความเยื้องศูนย์มาก การรบกวนแบบสม่ำเสมอจะทำให้วงโคจรเปลี่ยนแปลงจนยาวไปอาจถูกดึงออกหรือพลัดหลงได้ ขณะเดียวกัน ดวงบริวารที่โคจรรอบทั้งสองดวงพร้อมกัน (P-type หรือ circumbinary) จะต้องอยู่ไกลกว่ารัศมีวิกฤตที่มักเป็นหลายเท่าของระยะห่างของคู่ดาว บางระบบอย่าง 'Kepler-16b' แสดงให้เห็นว่าดาวเคราะห์ขนาดใหญ่รอบคู่ดาวอยู่ได้ แต่ดาวจันทราเล็กๆ อาจไม่อาจคงตัวตลอดหลายล้านปีได้เสมอไป

เคยคิดว่าดาวบริวารที่โคจรรอบดาวยักษ์ก๊าซน่าจะมีโอกาสรับรองชีวิตมากกว่าที่คนทั่วไปคิดไว้ ฉันชอบจินตนาการถึงดวงจันทร์ขนาดใหญ่ที่โคจรรอบดาวก๊าซ คล้ายกับภาพของ 'Avatar' ที่ทุกอย่างดูเขียวชอุ่ม มีบรรยากาศ และแม้ตัวหลักจะเป็นก๊าซ แต่บริวารเหล่านั้นสามารถมีชั้นบรรยากาศที่หนาพอจะรักษาอุณหภูมิและน้ำของตัวเองได้ ในแง่ของฟิสิกส์ การมีดาวยักษ์ช่วยให้พื้นที่โคจรมีพลังงานสำรอง เช่นแสงสะท้อน ความร้อนจลน์จากแรงดึงที่ทำให้เกิดการอุ่นภายใน (tidal heating) ซึ่งอาจเป็นแหล่งพลังงานสำหรับสิ่งมีชีวิตใต้ผิวหรือในมหาสมุทร อีกจุดที่ผมค่อนข้างชอบคือการมีสนามแม่เหล็กของดาวยักษ์ที่อาจช่วยบังรังสีจากอวกาศ แต่ต้องระวังอยู่อย่างหนึ่งคือแถบรังสีของดาวยักษ์ซึ่งเข้มข้นได้ ถ้าบริวารรั้งอยู่ในแถบรังสีเข้มมากชีวิตบนพื้นผิวอาจเป็นไปได้ยาก แต่หากบริวารมีชั้นบรรยากาศหนา หรือมหาสมุทรลึกที่คอยเป็นบังแดดและเป็นตัวกลางเคมี ชีวิตแบบไมโครฟอร์มและแม้แต่ชีวิตหลายเซลล์ก็มีโอกาสเกิดขึ้นได้ นี่คือสาเหตุที่ผมมองว่าดาวบริวารใหญ่รอบดาวก๊าซในเขตเอื้อต่อการอยู่อาศัยเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจและสมจริงมากกว่าที่หลายคนคาดไว้

เมื่อพูดถึงดาวบริวารที่เป็นแก๊สยักษ์ สิ่งแรกที่โผล่มาในหัวคือแรงโน้มถ่วงมหาศาลที่มันขยับวงโคจรของเพื่อนร่วมระบบจนแทบเป็นคนละเรื่อง แก๊สยักษ์มีมวลมากกว่าดาวหินหลายเท่า ทำให้พื้นที่รอบๆ ของมันกลายเป็นผู้กำหนดเส้นทาง—ทั้งการดึงวัตถุเข้าไปในฮิลล์สเฟียร์ การสร้างเรโซแนนซ์ที่คงรูป และการเคลียร์ช่องว่างในดิสก์ฝุ่นในระยะแรกเริ่ม เมื่อดาวแก๊สยักษ์เกิดขึ้นในดิสก์ปฐมภูมิ มันสามารถกวาดฝุ่น ก๊าซ และดาวเคราะห์น้อยเป็นแนว ทำให้บางพื้นที่มีโอกาสเกิดดาวเคราะห์หินน้อยลง หรือขยับตำแหน่งที่เหมาะสมสำหรับการเกิดชีวิตได้เลย ภาพชัดเจนกว่านั้นคือพฤติกรรมแบบไดนามิกของวงโคจร: ตัวอย่างง่ายๆ ก็คือการดิสโรกต์หรือแย่งชิงความเสถียรในแถบดาวเคราะห์น้อยของระบบสุริยะของเรา นับตั้งแต่ไกลระดับวงโคจร ดาวแก๊สยักษ์สามารถจับวัตถุให้อยู่ในเรโซแนนซ์ เช่น 2:1, 3:2 ทำให้มีจุดว่างหรือช่องว่างที่เราเรียกกันว่า Kirkwood gaps กรณีอื่นๆ เช่นดวงจันทร์โบราณของดาวแก๊สยักษ์มักถูกล็อกด้วยเรโซแนนซ์แบบแปลป ซึ่งบอกอะไรได้เยอะว่าการโยกย้ายของแก๊สยักษ์ในอดีตสามารถกำหนดสภาพปัจจุบันได้มากแค่ไหน นอกจากนี้ การเคลื่อนที่ของแก๊สยักษ์เองก็ไม่ได้นิ่ง—มันอาจเกิดการย้ายวงโคจรเข้าหาหรือออกจากดาวแม่ (migration) เพราะแรงจากดิสก์ กรณีนี้สามารถผลักดาวน้อยให้พุ่งชนกัน หรือลากเข้าไปใกล้ดาวแม่จนกลายเป็นดาวเคราะห์ใกล้ดาว (hot Jupiter) ได้ แง่มุมที่ผมมักเล่าให้เพื่อนฟังคือบทบาทสองด้านของแก๊สยักษ์: ผู้คุ้มกันและผู้ปั่นแตกร้าว ในระบบของเรา Jupiter ทำหน้าที่ดักจับดาวหางหลายรอบ ทำให้โลกได้รับการปกป้องจากการชนขนาดใหญ่บ่อยครั้ง แต่ในสถานการณ์อื่นๆ แรงดึงของมันก็ส่งดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อยบางดวงมุ่งสู่เขตในของระบบ ส่งผลให้โอกาสเกิดการชนเคยมีสูงขึ้น ประกอบกับผลของแรงปะทะระหว่างดาวใหญ่สองดวงหรือการรบกวนจากเพื่อนร่วมระบบระยะไกล (เช่น Kozai–Lidov) ทำให้วงโคจรเปลี่ยนจากกลมเป็นรี ส่งผลให้ระบบโดยรวมอาจเปลี่ยนรูปแบบจากสภาพที่อ่อนโยนเป็นฮาร์ดคอร์ได้ ท้ายที่สุด ผลกระทบของแก๊สยักษ์ต่อวงโคจรคือการเขียนชะตาของระบบดาวทั้งระบบ—มันกำหนดตำแหน่งที่ชีวิตอาจเกิด การกระจายของน้ำและธาตุหนัก และความเสถียรระยะยาวของวงโคจร การมองดูการโต้ตอบเหล่านี้เหมือนดูหมากรุกในระดับจักรวาล บางครั้งการเคลื่อนไหวเดียวของดาวยักษ์ก็ทำให้เกมเปลี่ยนไปทั้งกระดาน และนั่นแหละคือเสน่ห์ที่ทำให้ผมไม่เบื่อเวลาคิดถึงจักรวาล

ลองจินตนาการว่าคุณยืนบนดวงจันทร์ที่มีขนาดใกล้เคียงโลก—แรงโน้มถ่วงทำให้ก้าวยาวกว่าบนโลกนิดหน่อย แต่ยังเดินได้สบาย ๆ ผมมองว่าขนาดของบริวารที่จะถูกเรียกว่า 'มีโลกเหมือนเรา' ไม่ได้ขึ้นกับตัวเลขเดียวเพียงอย่างเดียว แต่เป็นชุดเงื่อนไขที่ต้องมาบรรจบกัน: มวลที่พอจะกักเก็บชั้นบรรยากาศ การมีแกนเหล็กทำงานให้เกิดสนามแม่เหล็ก และแหล่งความร้อนภายในเพียงพอจะคงการเคลื่อนไหวเปลือกโลกแบบแผ่นเปลือก (plate tectonics) หรืออย่างน้อยก็การรีไซเคิลสารอาหาร จากมุมมองเชิงตัวเลข ผมมักอ้างค่าประมาณคร่าว ๆ ว่าดาวบริวารควรมีมวลประมาณ 0.3–1.0 เท่าของมวลดวงอาทิตย์โลก (M⊕) เพื่อรักษาบรรยากาศได้นานระดับพันล้านปีและมีแรงโน้มถ่วงพื้นผิวใกล้เคียง 0.6–1.0g ซึ่งช่วยให้ของเหลวคงสถานะบนพื้นผิว การมีรัศมีราว 0.8–1.0 R⊕ ก็สอดคล้องกับมวลดังกล่าว อย่างไรก็ดี ดวงจันทร์ขนาดเล็กกว่าอาจยังมีสภาพแวดล้อมที่เป็นมิตรได้ถ้าได้รับการปกป้องจากสนามแม่เหล็กของดาวยักษ์หรือมีการให้ความร้อนจากแรงเฉือน (tidal heating) เหมือนบางภาพในนิยายวิทย์ฝัน ๆ ที่ชอบเห็น ท้ายที่สุด ผมคิดว่าสิ่งที่จะทำให้บริวารถูกมองว่าเป็น 'โลกเหมือนเรา' คือการรวมกันของขนาด มวล โครงสร้างภายใน และบริบททางวงโคจร มากกว่าจะยึดแค่ตัวเลขเดียวเพียงอย่างเดียว — มันคือเรื่องของระบบทั้งระบบมากกว่าแค่เส้นผ่านศูนย์กลาง

มุมมองหนึ่งที่ฉันชอบคือมองดาวกับบริวารเป็น 'ตัวละคร' ในเรื่อง ไม่ใช่แค่ฉากหลังที่เดินผ่านไปมา การให้ดาวหรือดวงจันทร์มีบุคลิกช่วยขับเนื้อเรื่องได้มาก เช่น บางดวงมีฤดูที่เปลี่ยนแปลงเร็วจนคนต้องย้ายถิ่นแบบ nomad, บางดวงมีพายุตลอดปีที่กลายเป็นพิธีกรรมการเอาตัวรอดของชุมชน สิ่งสำคัญคือการทำให้ผู้อ่านรู้สึกว่าระบบดาวนั้นมีผลถึงชีวิตประจำวันของตัวละคร ความสัมพันธ์ระหว่างแรงโน้มถ่วง ระยะเวลาเวลากลางวัน กลิ่นอากาศ และทรัพยากรที่หาได้ ล้วนสร้างจังหวะของเรื่อง ตัวอย่างที่ฉันชอบคือวิธีที่ 'Dune' ทำให้โลกทราย Arrakis เป็นทั้งผู้บงการและศัตรูของตัวละคร การออกแบบลักษณะพื้นที่และสิ่งแวดล้อมจนกลายเป็นแรงผลักดันของพล็อตถือว่าสำคัญมาก เวลาเขียนฉันมักตั้งคำถามว่า: ดาวนี้ 'ต้องการ' อะไรจากคนบนมัน และคนเหล่านั้นต้องแลกอะไรบ้าง นั่นแหละจะทำให้ดาวบริวารมีน้ำหนักและความทรงจำตามมาเอง