วิทย์ประถม: ระบบสุริยะเกิดอย่างไร

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์พ่อโก้ที่ศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล สัปดาห์นี้เราคุยกันต่อเรื่องระบบสุริยะว่าดวงอาทิตย์เกิดอย่างไร ดาวเคราะห์เกิดอย่างไร และทำไมวงโคจรของดาวเคราะห์ทั้งหลายจึงแบนๆอยู่ในระนาบเดียวกัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลรูบิค:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ผมเล่าให้เด็กๆฟังเรื่องทำไมวงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะถึงอยู่ในระนาบแบนๆ ทำไมระบบสุริยะของเราซึ่งเริ่มต้นจากการเป็นเพียงก้อนก๊าซและฝุ่นที่ไร้รูปทรงเมื่อ 4.6 พันล้านปีก่อน ถึงได้กลายมาเป็นแผ่นจานที่แบนราบเช่นนี้

ความแบนของระบบสุริยะเป็นผลมาจากปัจจัยสำคัญสองอย่างคือ: การหมุน (spin) และการชนกัน (collisions)

ในช่วงแรก กลุ่มเมฆก๊าซและฝุ่น หรือเนบิวลาต้นกำเนิดของเรานั้น แม้จะดูไร้รูปทรง แต่เมื่อมองภาพรวมทั้งหมด มันมีระนาบการหมุนหลักอยู่เพียงระนาบเดียว อย่างไรก็ตาม อนุภาคแต่ละชิ้นที่อยู่ในกลุ่มเมฆนั้นไม่ได้เคลื่อนที่อยู่แค่ในระนาบเดียว พวกมันเคลื่อนที่ “ขึ้นๆ ลงๆ” อย่างไร้ทิศทางไปทั่ว มีการชนกันไปมา

เมื่ออนุภาคที่เคลื่อนที่ขึ้นและลงเหล่านี้พุ่งเข้าชนกัน พลังงานในการเคลื่อนที่แนวดิ่งของพวกมันก็จะถูกหักล้างกันไป พลังงานในแนวดิ่งนี้จะสลายไปกลายเป็นความร้อนและแรงยึดเหนี่ยวในทุกครั้งที่อนุภาคชนและเกาะกลุ่มกัน

แต่ในขณะที่การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งหายไป การหมุนโดยรวมของทั้งระบบยังคงอยู่และต้องถูกอนุรักษ์ไว้ ดังที่หลักการที่ว่า “ปริมาณการหมุนทั้งหมดในระบบปิดใดๆ จะคงที่เสมอ” (กฎอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม)

เมื่อเวลาผ่านไป การชนกันนับครั้งไม่ถ้วนได้ทำให้กลุ่มเมฆได้สูญเสียความฟูฟ่องในแนวดิ่ง และบังคับให้ทุกอย่างยุบตัวลงมาอยู่ในระนาบเดียว กลายเป็นจานหมุนที่แบนราบอย่างที่เราเห็นในปัจจุบัน และเมื่อเรามองออกไปในอวกาศ เราก็พบว่ากลไกพื้นฐานของการชนและการอนุรักษ์การหมุนนี้ไม่ได้เกิดขึ้นแค่กับเรา แต่เป็นปรากฏการณ์ที่พบเห็นได้ทั่วไปในจักรวาล ตัวอย่างเช่น:

• ระบบดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะจำนวนมาก

• กาแล็กซีจำนวนมาก (โดยเฉพาะกาแล็กซีชนิดก้นหอยอย่างทางช้างเผือกของเรา)

• จานพอกพูนมวลของหลุมดำ (Black hole accretion disks)

• วงแหวนของดาวเสาร์

ความแบนราบที่คุ้นตาของระบบสุริยะและกาแล็กซีต่างๆ ไม่ได้เกิดขึ้นอย่างเรียบร้อยสวยงาม แต่เป็นผลลัพธ์จากการชนกันอย่างวุ่นวายนับครั้งไม่ถ้วน ซึ่งช่วยกำจัดการเคลื่อนที่ในแนวดิ่งให้หมดไป ในขณะที่ยังคงรักษาระดับการหมุนโดยรวมของทั้งระบบเอาไว้

ผมเล่าเรื่องนี้ตามคลิปวิดีโอนี้:

สำหรับขั้นตอนการเกิดระบบสุริยะน่าจะเกิดตามขั้นตอนประมาณนี้ (สมมุติฐานเนบูลา):

1. จุดเริ่มต้น: กลุ่มเมฆหมุนวน (The Nebula)

ทุกอย่างเริ่มต้นจากกลุ่มเมฆแก๊สและฝุ่นขนาดมหึมาในอวกาศที่เรียกว่า “เนบิวลา” (Nebula)

• การยุบตัว: เมื่อมีแรงบางอย่างมากระตุ้น (เช่น แรงระเบิดจากดาวตายแล้ว หรือ Supernova) เนบิวลาจะเริ่มยุบตัวลงเข้าสู่จุดศูนย์กลางเพราะแรงดึงดูด
• การหมุน: เมื่อมันยุบตัว มันจะเริ่มหมุนปั่นและรูปร่างแบนลงเหมือนแป้งพิซซ่าที่ถูกหมุน

2. กำเนิดดาวฤกษ์ (The Star is Born)

วัสดุส่วนใหญ่ (กว่า 99%) จะไหลไปรวมกันที่จุดกึ่งกลาง จนมีความดันและอุณหภูมิสูงมหาศาล จนเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน กลายเป็น “ดาวฤกษ์” (เช่น ดวงอาทิตย์ของเรา)

3. จานกำเนิดดาวเคราะห์ (Protoplanetary Disk)

รอบๆ ดวงอาทิตย์ที่เพิ่งเกิดใหม่ จะมีเศษฝุ่นและแก๊สที่เหลือวนอยู่รอบๆ เป็นแผ่นจานแบนๆ เรียกว่า Protoplanetary Disk นี่คือ “วัตถุดิบ” ที่จะกลายมาเป็นดาวเคราะห์

4. การพอกพูนมวล (Accretion): จากฝุ่นสู่ก้อนหิน

กระบวนการสร้างดาวเคราะห์เริ่มขึ้นในจานฝุ่นนี้:

1. การชนกัน: เม็ดฝุ่นเล็กๆ ชนกันและเกาะติดกันด้วยไฟฟ้าสถิต (เหมือนฝุ่นเกาะทีวี)
2. ก้อนใหญ่ขึ้น: จากฝุ่นกลายเป็นก้อนกรวด เป็นก้อนหิน และเป็นภูเขาขนาดย่อม
3. Planetesimals: เมื่อก้อนวัตถุใหญ่พอ (เรียกว่า ดาวเคราะห์ตั้งต้น หรือ Planetesimals) มันจะมีแรงดึงดูดของตัวเอง และเริ่มดึงดูดก้อนหินอื่นๆ เข้ามาชนและหลอมรวมกันจนใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

5. ทำไมดาวเคราะห์ถึงต่างกัน? (เส้นแบ่งความเย็น)

ทำไมโลกเป็นหิน แต่พฤหัสบดีเป็นแก๊ส? คำตอบอยู่ที่ ระยะห่างจากดวงอาทิตย์

• ดาวเคราะห์หิน (Terrestrial Planets):
  • อยู่ ใกล้ ดวงอาทิตย์ (ร้อนมาก)
  • สสารจำพวกน้ำแข็งและแก๊สระเหยหนีไปหมด เหลือแต่ หินและโลหะ ที่ทนความร้อนได้
  • เกิดเป็น: พุธ, ศุกร์, โลก, อังคาร
• ดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ (Gas Giants):
  • อยู่ ไกล ออกไป (หลังเส้น Frost Line ซึ่งหนาวเย็น)
  • น้ำแข็งและแก๊สสามารถจับตัวกันได้ ทำให้มีแกนกลางขนาดใหญ่มาก
  • แรงดึงดูดมหาศาลของมันจึงดึงเอาแก๊สไฮโดรเจนและฮีเลียมรอบๆ เข้ามาห่อหุ้มไว้จนตัวพองใหญ่
  • เกิดเป็น: พฤหัสบดี, เสาร์, ยูเรนัส, เนปจูน

6. การจัดระเบียบครั้งสุดท้าย

ในช่วงท้าย ดาวเคราะห์ขนาดใหญ่จะ “กวาดล้าง” วงโคจรของตัวเอง โดยการดึงดูดเศษซากที่เหลือให้มาชน หรือเหวี่ยงออกไปนอกระบบ จนเหลือแต่ดาวเคราะห์หลักๆ ที่โคจรอยู่

ผมมีแบบจำลองการเกิดระบบสุริยะให้เด็กๆเล่นที่ https://witpoko.com/p/solar-system-formation.html ครับ หน้าตาประมาณนี้:

เวลาที่เหลือผมเอา “กระปุกหลุมดำ” (Vortex Piggy Bank หรือ Vortex Bank) มาให้เด็กๆเล่นปล่อยลูกแก้วแบบต่างๆให้ดูการโคจรของลูกแก้วก่อนจะตกลงไปในกระปุกกันครับ หน้าตาจะเป็นประมาณนี้: