ระบบสุริยะจักรวาล

ระบบสุริยะ (อังกฤษ: Solar System) ประกอบด้วยดวงอาทิตย์และวัตถุอื่นๆ ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์เนื่องจากแรงโน้มถ่วง ได้แก่ ดาวเคราะห์ 8 ดวงกับดวงจันทร์บริวารที่ค้นพบแล้ว 166 ดวง^[1]ดาวเคราะห์แคระ 5 ดวงกับดวงจันทร์บริวารที่ค้นพบแล้ว 4 ดวง กับวัตถุขนาดเล็กอื่นๆ อีกนับล้านชิ้น ซึ่งรวมถึง ดาวเคราะห์น้อย 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 มีดังนี้คือดาวพุธ 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

การสำรวจยุคแรก

กล้องโทรทรรศน์จำลองจากชุดที่ไอแซก นิวตันใช้

การสำรวจระบบสุริยะในยุคแรกดำเนินไปได้โดยอาศัยกล้องโทรทรรศน์ เพื่อช่วยนักดาราศาสตร์จัดทำแผนภาพท้องฟ้าแสดงตำแหน่งของวัตถุที่จางเกินกว่าจะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

กาลิเลโอ กาลิเลอี คือผู้แรกที่ค้นพบรายละเอียดทางกายภาพของวัตถุในระบบสุริยะ เขาค้นพบว่าผิวดวงจันทร์นั้นขรุขระ ส่วนดวงอาทิตย์ก็มีจุดด่างดำ และดาวพฤหัสบดีมีดาวบริวารสี่ดวงโคจรไปรอบๆ^[2] คริสเตียน ฮอยเกนส์ เจริญรอยตามกาลิเลโอโดยค้นพบไททัน ดวงจันทร์ของดาวเสาร์ รวมถึงวงแหวนของมันด้วย^[3] ในเวลาต่อมา จิโอวันนี โดเมนิโก กัสสินี ค้นพบดวงจันทร์ของดาวเสาร์เพิ่มอีก 4 ดวง ช่องว่างในวงแหวนของดาวเสาร์ รวมถึงจุดแดงใหญ่บนดาวพฤหัสบดี^[4]

ปี ค.ศ. 1705 เอ็ดมันด์ ฮัลเลย์ ค้นพบว่าดาวหางหลายดวงในบันทึกประวัติศาสตร์ที่จริงเป็นดวงเดิมกลับมาปรากฏซ้ำ ถือเป็นการพบหลักฐานชิ้นแรกสำหรับการโคจรรอบดวงอาทิตย์ของวัตถุอื่นนอกเหนือจากดาวเคราะห์^[5] ในช่วงระยะเวลาเดียวกันนี้จึงเริ่มมีการใช้คำว่า "ระบบสุริยะ" ขึ้นเป็นครั้งแรก^[6]

ค.ศ. 1781 วิลเลียม เฮอร์เชล ค้นพบดาวเคราะห์ดวงใหม่คือ ดาวยูเรนัส โดยที่ในตอนแรกเขาคิดว่าเป็นดาวหาง^[7] ต่อมาในปี ค.ศ. 1801 จิวเซปเป ปิอาซซี ค้นพบวัตถุโคจรอยู่ระหว่างดาวอังคารกับดาวพฤหัสบดี ในตอนแรกเขาคิดว่าเป็นดาวเคราะห์ แต่ต่อมาจึงมีการค้นพบวัตถุขนาดเล็กนับเป็นพันดวงในย่านอวกาศนั้น ซึ่งในเวลาต่อมาจึงเรียกวัตถุเหล่านั้นว่า ดาวเคราะห์น้อย^[8]

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^[9] 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^[10]

โครงสร้าง

ขนาดวงโคจรของวัตถุต่างๆ ในระบบสุริยะ จากเล็กไปใหญ่ เริ่มจากด้านซ้านบนวนตามเข็มนาฬิกา

องค์ประกอบหลักที่สำคัญของระบบสุริยะคือ ดวงอาทิตย์ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลักประเภท G2 ซึ่งมีมวลคิดเป็น 99.86% ของมวลรวมทั้งระบบเท่าที่เป็นที่รู้จัก และเป็นแหล่งแรงโน้มถ่วงหลักของระบบ^[23] โดยมีดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ซึ่งเป็นวัตถุในวงโคจรใหญ่ที่สุดสองดวงครอบครองมวลอีก 90% ของมวลส่วนที่เหลือ

วัตถุใหญ่ๆ ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์จะเคลื่อนที่อยู่บนระนาบใกล้เคียงกับระนาบโคจรของโลก ที่เรียกว่า ระนาบสุริยวิถีดาวเคราะห์ทั้งหมดจะเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับระนาบนี้ ขณะที่ดาวหางและวัตถุในแถบไคเปอร์มักเคลื่อนที่ทำมุมกับระนาบค่อนข้างมาก

ดาวเคราะห์ทั้งหมดและวัตถุส่วนใหญ่ในระบบยังโคจรไปในทิศทางเดียวกับการหมุนรอบตัวเองของดวงอาทิตย์ (ทวนเข็มนาฬิกา เมื่อมองจากมุมมองด้านขั้วเหนือของดวงอาทิตย์) มีเพียงบางส่วนที่เป็นข้อยกเว้นไม่เป็นไปตามนี้ เช่น ดาวหางฮัลเลย์เป็นต้น

ตามกฎการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์ของเคปเลอร์ อธิบายถึงลักษณะการโคจรของวัตถุต่างๆ รอบดวงอาทิตย์ กล่าวคือ วัตถุแต่ละชิ้นจะเคลื่อนที่ไปตามแนวระนาบรอบดวงอาทิตย์โดยมีจุดโฟกัสหนึ่งจุด วัตถุที่อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มากกว่า (มีค่ากึ่งแกนเอกน้อยกว่า) จะใช้เวลาโคจรน้อยกว่า บนระนาบสุริยวิถีหนึ่งๆ ระยะห่างของวัตถุกับดวงอาทิตย์จะแปรผันไปตามเส้นทางบนทางโคจรของมัน จุดที่วัตถุอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุดเรียกว่า "จุดใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด" (perihelion) ขณะที่ตำแหน่งซึ่งมันอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ที่สุด เรียกว่า "จุดไกลดวงอาทิตย์ที่สุด" (aphelion) วัตถุจะเคลื่อนที่ได้ความเร็วสูงที่สุดเมื่ออยู่ในตำแหน่งใกล้ดวงอาทิตย์ที่สุด และเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำสุดเมื่ออยู่ในตำแหน่งไกลดวงอาทิตย์ที่สุด ลักษณะของวงโคจรของดาวเคราะห์มีรูปร่างเกือบจะเป็นวงกลม ขณะที่ดาวหาง ดาวเคราะห์น้อย และวัตถุในแถบไคเปอร์ มีวงโคจรค่อนข้างจะเป็นวงรี

เมื่อศึกษาถึงระยะห่างระหว่างดาวเคราะห์ในที่ว่างมหาศาลของระบบ เราพบว่า ยิ่งดาวเคราะห์หรือแถบต่างๆ อยู่ไกลจากดวงอาทิตย์เท่าไร มันก็จะยิ่งอยู่ห่างจากวัตถุอื่นใกล้เคียงมากเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ดาวศุกร์มีระยะห่างจากดาวพุธประมาณ 0.33 หน่วยดาราศาสตร์ ส่วนดาวเสาร์อยู่ห่างจากดาวพฤหัสบดีไป 4.3 หน่วยดาราศาสตร์ และดาวเนปจูนอยู่ห่างจากดาวยูเรนัสออกไปถึง 10.5 หน่วยดาราศาสตร์ เคยมีความพยายามศึกษาและอธิบายถึงระยะห่างระหว่างวงโคจรของดาวต่างๆ (ดูรายละเอียดใน กฎของทิเทียส-โบเด) แต่จนถึงปัจจุบันยังไม่มีทฤษฎีใดเป็นที่ยอมรับ

ดาวเคราะห์ส่วนมากในระบบสุริยะจะมีระบบเล็กๆ ของตัวเองด้วย โดยจะมีวัตถุคล้ายดาวเคราะห์ขนาดเล็กโคจรไปรอบตัวเองเป็นดาวบริวาร หรือดวงจันทร์ ดวงจันทร์บางดวงมีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์เสียอีก ดาวบริวารขนาดใหญ่เหล่านี้จะมีวงโคจรที่สอดคล้องกันเป็นส่วนใหญ่ คือจะหันหน้าด้านหนึ่งของดาวเข้าหาดาวเคราะห์ดวงแม่ของมันเสมอ ดาวเคราะห์ใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะ 4 ดวงยังมีวงแหวนดาวเคราะห์อยู่รอบตัวด้วย เป็นแถบบางๆ ที่ประกอบด้วยเศษชิ้นส่วนเล็กๆ โคจรไปรอบๆ อย่างเป็นอันหนึ่งอันเดียวกัน

ดวงอาทิตย์

ภาพถ่ายดวงอาทิตย์ในรังสีเอกซ์

ดูบทความหลักที่ ดวงอาทิตย์

ดวงอาทิตย์ คือดาวฤกษ์ดวงแม่ที่เป็นหัวใจของระบบสุริยะ มีขนาดประมาณ 332,830 เท่าของมวลของโลกด้วยปริมาณมวลที่มีอยู่มหาศาลทำให้ดวงอาทิตย์มีความหนาแน่นภายในที่สูงมากพอจะทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันอย่างต่อเนื่อง และปลดปล่อยพลังงานมหาศาลออกมา โดยมากเป็นพลังงานที่แผ่ออกไปในลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เช่น แสง

ดวงอาทิตย์จัดว่าเป็นดาวแคระเหลืองขนาดใหญ่ปานกลาง ทว่าเมื่อเปรียบเทียบกับดาวฤกษ์อื่นๆ ที่อยู่ในดาราจักรของเรา ถือได้ว่าดวงอาทิตย์มีขนาดใหญ่และสว่างมาก การจัดประเภทของดาวฤกษ์นี้เป็นไปตามไดอะแกรมของเฮิร์ตสปรัง-รัสเซลล์ ซึ่งเป็นแผนภูมิของกราฟระหว่างความสว่างของดาวฤกษ์เทียบกับอุณหภูมิพื้นผิว โดยทั่วไปดาวฤกษ์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่ามักจะสว่างกว่า ซึ่งดาวฤกษ์ใดๆ ที่มีคุณสมบัติเป็นไปดังที่ว่ามานี้ก็จะเรียกว่าเป็นดาวฤกษ์ที่อยู่ในแถบลำดับหลัก ดวงอาทิตย์ของเราก็อยู่บนแถบลำดับหลักโดยอยู่ในช่วงกึ่งกลางทางด้านขวา แต่มีดาวฤกษ์จำนวนไม่มากนักที่จะสว่างกว่าและมีอุณหภูมิสูงกว่าดวงอาทิตย์ของเรา ส่วนมากจะอ่อนแสงกว่าและมีอุณหภูมิต่ำกว่าทั้งนั้น^[31]

เชื่อว่าตำแหน่งของดวงอาทิตย์บนแถบลำดับหลักนั้นจัดได้ว่าอยู่ใน "ช่วงรุ่งโรจน์ของยุค" ของอายุดาวฤกษ์ มันยังมีไฮโดรเจนมากเพียงพอที่จะสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันไปอีกนาน ดวงอาทิตย์กำลังเพิ่มพูนความสว่างมากขึ้น ในอดีตดวงอาทิตย์เคยมีความสว่างเพียงแค่ 70% ของความสว่างอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน^[32]

ดวงอาทิตย์จัดเป็นดาวฤกษ์ชนิดดารากร 1 ถือกำเนิดขึ้นในช่วงปลายๆ ของวิวัฒนาการของเอกภพ มีองค์ประกอบธาตุหนักที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม (ในภาษาดาราศาสตร์จะเรียกว่า "โลหะ") มากกว่าดาวฤกษ์ชนิดดารากร 2 ซึ่งมีอายุมากกว่า^[33] ธาตุหนักเหล่านี้ก่อกำเนิดขึ้นจากแก่นกลางของดาวฤกษ์โบราณที่ระเบิดออก ดังนั้นดาวฤกษ์ในยุคแรกเริ่มจึงต้องแตกดับไปเสียก่อนจึงจะทำให้เอกภพเต็มไปด้วยอะตอมธาตุเหล่านี้ได้ ดาวฤกษ์ที่มีอายุเก่าแก่มากๆ จะไม่ค่อยมีองค์ประกอบโลหะมากนัก ขณะที่ดาวฤกษ์ที่เกิดในยุคหลังจะมีโลหะมากกว่า สันนิษฐานว่า การมีองค์ประกอบโลหะจำนวนมากนี้น่าจะเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้ดวงอาทิตย์สามารถสร้างระบบดาวเคราะห์ของตัวเองขึ้นมาได้ เพราะดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้นมาจากการรวมตัวกันของธาตุหนักเหล่านั้น^[34]