/ Science

สิ่งที่เราเข้าใจผิดเกี่ยวกับยานอวกาศและแรงโน้มถ่วง

แน่นอนว่าสื่อต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็นหนังสือ ภาพยนตร์ หรือแม้กระทั่งเรื่องที่เราเรียนรู้มาจากที่โรงเรียน ได้นำเสนอเรื่องราวของอวกาศไว้หลากหลายรูปแบบ แต่สิ่งที่เรารับรู้มาก่อนหน้านี้อาจจะเป็นเพียง ความเข้าใจผิด ก็ได้

เราไม่ได้ใช้ v = s/t ในการเดินทางท่องอวกาศ

ตามหนังสือต่าง ๆ หรือแม้กระทั่งข่าวบางสำนักจะชอบเปรียบเทียบเวลาในการเดินทางแบบง่าย ๆ โดยอาศัยสมการ อัตราเร็ว = ระยะทาง / เวลาที่ใช้

ในช่วงนี้คงจะไม่มีข่าวไหนดังไปกว่าการค้นพบดาวเคราะห์ Exo-planet ที่อยู่ในระบบดาวของ Proxima Centauri ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้โลกเราที่สุดซึ่งห่างออกไปเพียง 4.2 ปีแสงเท่านั้น ซึ่งหากเราไม่มีความรู้เรื่องฟิสิกส์ (ซึ่งไม่ใช่เรื่องผิด) เราอาจจะคิดง่าย ๆ ว่าหากเราต้องการเดินทางไปที่ Proxima Centauri ด้วยยานอวกาศที่มีความเร็ว 50,000 km/h (ความเร็วของยาน New Horizons ที่เดินทางไปดาวพลูโต) เราจะต้องใช้เวลาในการเดินทาง ดังนี้

4.2 ปีแสง = 3.974 x 10^13 กิโลเมตร
ดังนั้นหากเรามียานที่เดินทาง 50,000 km/h เราจะใช้เวลา

50,000 = (3.974 x 10^13) / t
t = (3.974 x 10^13) / 50,000
t = 794,800,000 ชั่วโมง
หรือใช้เวลาประมาณ 90,730 ปี

บอกเลยครับว่าถ้าคิดแบบนี้ผิดเต็ม ๆ

จริง ๆ มันก็ไม่ผิดหรอกนะครับถ้าเราเดินทางเป็นการกระจัดเป็นเส้นตรงเหมือนกับแสง ซึ่งในความเป็นจริงเราไม่สามารถทำได้ อ้าว! แล้วทำไมเราไม่เดินทางไปตรง ๆ เลยล่ะ คำตอบก็คือมันเป็นไปไม่ได้น่ะสิครับ

ดังนั้นหากจะเดินทางไปยัง Proxima Centauri ด้วยยาน New Horizons นั้นเราต้องใช้เวลามากกว่า 90,730 ปี อาจจะหลายแสนหรือเกือบหนึ่งล้านปีด้วยซ้ำ!

แล้วยานอวกาศเดินทางยังไง ทำไมถึงไม่เป็นเส้นตรง ?

ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องราวของศาสตร์ที่ชื่อว่า Orbital Machanism ผมจะลองยกตัวอย่างกรณีการส่งยานไปสำรวจดาวอังคาร การที่เราจะทำให้ยานอวกาศหลุดจากวงโคจรของโลกนั้นเราต้องเร่งโดยใช้ความเร็วหลุดพ้นใช่ไหมครับ นั่นแหละเราก็เร่งความเร็วหลุดพ้นไปจนหลุดจากวงโคจรโลก แล้วถามว่า หลังจากที่เราหลุดจากวงโคจรของโลกเราไปไหนต่อ .... คำตอบก็คือเราก็จะโคจรรอบวัตถุชิ้นใหญ่ต่อไป ซึ่งก็คือดวงอาทิตย์นั่นเอง ดังนั้นหากเราหลุดจากวงโคจรของโลกแล้วเราก็จะไปโคจรรอบดวงอาทิตย์แทน ด้วยอัตราเร็วและวงโคจรที่อยู่ในระดับเดียวกับโลก (หากปล่อยไว้แบบนั้น ยานจะใช้เวลาโคจรรอบดวงอาทิตย์เท่ากับ 1 ปีบนโลกพอดี)

การที่เราจะไล่ตามดาวอังคารซึ่งอยู่ในวงโคจรถัดไปจากโลกนั้นเราก็ต้อง “ขยายวงโคจร” ให้ไปทับซ้อนกับวงโคจรของดาวอังคาร เรียกว่า Orbital Insertion เราจะทำสิ่งที่เรียกว่าการ Burn เพื่อเร่งความเร็วให้ไปอยู่ในวงโคจรที่กว้างขึ้น แน่นอนว่าในฟิสิกส์ ม.ปลาย เราถูกสอนมาว่าวัตถุที่โคจรห่างจากดาวแม่ของมัน (ในที่นี้คือดวงอาทิตย์) ยิ่งวงโคจรห่างไปมากเท่าไหร่ คาบการโคจรก็จะนานและโคจรช้าลงเท่านั้น การที่เราจะไปแตะวงโคจรดาวอังคารเราก็เลยต้อง Burn Orbit ไปที่วงโคจรของดาวอังคารให้กว้างขึ้นนั่นเอง

เราต้องทำการคำนวณ Oribtal Insertion ให้ตอนที่เราเดินทางไปถึงดาวอังคารให้มันตรงกับเวลาที่ดาวอังคารจะอยู่ ณ จุดนั้นพอดี เพื่อให้แรงโน้มถ่วงของดาวอังคารดึงยานอวกาศของเราไปเป็นหนึ่งในบริวารของมัน จากนั้นเราก็จะทำการจุดจรวดลดความเร็วของมัน เพราะตอนที่เราเข้าไปแบบ Insertion หรือ Injection หรือจะเรียกอะไรก็แล้วแต่ ความเร็วของเรายังมาก และมากกว่าความเร็วหลุดพ้น นั่นหมายความว่าหากเราไม่ลดความเร็ว เราก็จะไม่สามารถโคจรรอบดาวอังคารได้ และจะหลุดออกไปในที่สุด

เพียงแค่การสำรวจดาวเคราะห์ก็เป็นเรื่องยากแล้ว แต่สิ่งที่ยากกว่านั้นคือการไป rendezvous (อ่านว่า รอน-เด-วู) หรือขึ้นไปนัดพบกับสถานีอวกาศนานาชาติ เช่นการส่งยาน Soyuz ยานอวกาศของรัสเซีย ขึ้นไป Dock กับสถานีอวกาศนานาชาติ International Space Station นั้นเป็นเรื่องที่เรียกได้ว่าคำนวนผิดก็ฉิบหาย

Soyuz_TMA-14_cosmos

เพราะว่าทั้งยาน Soyuz และ International Space Station มีมวลน้อยมากเมื่อเทียบกับโลก International Space Station ไม่มีแรงโน้มถ่วงพอที่จะดึงยาน Soyuz เข้าไปได้ การคำนวณจึงต้องอาศัยการทำให้วงโคจรของมันทั้งคู่ทับซ้อนกัน ซึ่งเทคนิคที่ใช้ก็ใกล้เคียงกับการส่งยานไปดาวอังคาร แต่จะต้องมีการเพิ่มขั้นตอนไปอีกขั้นเพื่อทำให้ perigee และ apogee (จุดที่ใกล้สุดและไกลสุดจากดาวแม่ ซึ่งอยู่ตรงข้ามกัน เพราะวัตถุโคจรรอบดาวแม่เป็นวงรี) มันเท่ากัน จากนั้นเราจะทำ Correction Burn เล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่าวงโคจรของมันเท่ากันจริง ๆ ณ จุดจุดนี้ หากเราคำนวณมาอย่างถูกต้องไม่คลาดเคลื่อนเราจะพบว่าเราจะโคจรห่างจากสถานีอวกาศนานาชาติไม่มากนัก และพอที่จะ Dock กันได้ง่าย ๆ เทคนิคนี้ถูกคิดค้นขึ้นโดยนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์และได้นำชื่อของเขามาตั้งเป็นชื่อวิธีการทำเช่นนี้เรียกว่า Hohmann Transfer

แต่อย่างไรก็ตามทั้งสองก็เรียกได้ว่ามีความ “ยาก” พอ ๆ กัน และต้องอาศัยการคำนวณที่แม่นยำมาก ๆ ซึ่งต้องใช้ Super Computer มาช่วยคำนวณเลยทีเดียวจากนั้นค่อย Uplaod โปรแกรมขึ้นไปเพื่อสั่งยานอวกาศให้ทำตาม Trjactory หรือวิถีที่เราได้คำนวณเอาไว้

แล้วถ้าเป็นการสำรวจอวกาศในระดับ Interstellar (การเดินทางระหว่างระบบสุริยะและระบบสุริยะอื่น ๆ) เช่นการไป Proxima Centauri เราต้องเร่งความเร็วให้ออกจากโลก จากนั้นก็ออกไปจากระบบสุริยะ ซึ่งจะทำให้เราไปโคจรรอบศูนย์กลางของดาราจักรทางช้างเผือก พูดแค่นี้ก็ดูอลังแล้ว แต่มันจะไม่มีประโยชน์เลยถ้าเกิดเราไม่ได้ทำการ Burn หรือเร่ง/ลด ความเร็วเพื่อไปไล่ตาม Proxima Centauri ซึ่งอยู่ค่อนไปทางศูนย์กลางของดาราจักรทางช้างเผือก (Super Massive Blackhole) เราก็ต้องทำการลดความเร็ว คือการ Burn ไปยังทิศตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ของระบบสุริยะรอบศูนย์กลางของทางช้างเผือก ซึ่งในวิธีนี้เราอาจจะใช้การปรับทิศทางในการ Burn ให้หลุดออกมาจากระบบสุริยะของเราในทิศทางตรงข้ามกับที่ระบบสุริยะเราเคลื่อนที่ไปข้างหน้า (เพื่อให้ความเร็วโคจรรอบ Super Massive Blackhole ลดลง)

เห็นไหมครับว่าจริง ๆ แล้วการเดินทางในอวกาศมันไม่ใช่ว่าเราจะไปซ้ายไปขวาหรือเดินทางกันตรง ๆ ได้ตามใจชอบ ซึ่งแน่นอนว่าในหนังอวกาศ (ที่ไม่สมจริง) มันดูเหมือนว่าเราจะขับยานยังไงก็ได้ ซึ่งมันตรงข้ามกับความเป็นจริงโดยสิ้นเชิง

A Cosmic Magnifying Glass

ดังนั้นหากเราจะหาระยะทางจากจากจุดหนึ่งไปจุดหนึ่งอย่าลืมว่าในอวกาศเราไม่ได้เดินทางเป็นเส้นตรง แต่เราจะต้องเดินทางคดโค้งไปตามแรงโน้มถ่วงขอวัตถุแต่ละตัว แม้ว่าจะเป็นแสงที่ดูเหมือนจะเดินทางเป็นเส้นตรง แต่แสงก็บิดโค้งได้หากเดินทางผ่านวัตถุที่มีมวลมหาศาลอย่างหลุมดำ ทำให้เกิดปรากฏการที่น่าทึ่งเรียกว่า Gravitational Lensing (ภาพบน)

บนสถานีอวกาศไม่ได้ไร้แรงโน้มถ่วง

ในสถานีอวกาศนานาชาติ เราจะเห็นนักบินอวกาศและอุปกรณ์ในยานล่องลอยราวกับว่าไม่มีน้ำหนัก ซึ่งก็ถูกต้องหากเราชั่งน้ำหนักบนสถานีอวกาศละก็เราจะมีน้ำหนักเป็น 0 จริง ๆ แต่รู้หรือไม่ แค่ความสูงระดับ 400 กิโลเมตร ของสถานีอวกาศนานาชาติ ไม่สามารถทำให้น้ำหนักของเราเป็น 0 ได้หรอกนะ หากเราสร้างตึกสูง 400 กิโลเมตรขึ้นไปบนอวกาศแล้วลองชั่งน้ำหนักดู เราจะพบว่าน้ำหนักของเราจะไม่ต่างจากบนโลกเท่าไหร่เลย แถมเราจะสามารถเดิน หรือ ยืนปกติได้เหมือนกับบนโลก

Soyuz manual descent On-Board Training

ทีนี้เริ่มสงสัยแล้วใช่ไหมว่าทำไมนักบินอวกาศนานาชาติหรือบนยานอวกาศถึงอยู่ในสภาวะไร้น้ำหนัก ทั้ง ๆ ที่อยู่ที่ระดับความสูงเดียวกันกับอาคารสูง 300 กิโลเมตร คำตอบก็คืออาคารมันอยู่นิ่ง ๆ แต่สถานีอวกาศกำลังโคจรรอบโลก

การที่โคจรรอบโลกก็เปรียบเสมือนกับลิฟท์ที่ตกลงมา หากเราขึ้นลิฟท์แล้วเกิดโชคร้ายสลิงขาดขึ้นมา ช่วงเวลาก่อนที่เราจะหลับไม่ตื่นเราจะได้สัมผัสกับสภาวะไร้แรงโน้มถ่วงเหมือนนักบินอวกาศ อย่างไรก็ตามช่วงเวลาสั้น ๆ ไม่กี่วินาทีก่อนที่จะลิฟท์ตกกระแทกพื้นทำให้เราตายนั้นอาจจะไม่คุ้มกับการได้สัมผัส Zero Gravity ซักเท่าไหร่ แต่ไม่เป็นไรเรามีวิธีที่ดีกว่านั้น

บริษัทเอกชนรายหนึ่งในประเทศสหรัฐอเมริกาได้จัด “Zero Gravity Flight” ที่จะพาคุณขึ้นเครื่องบิน ซึ่งตอนขึ้นก็จะค่อย ๆ ไต่ระดับขึ้นอย่างนุ่มนวล แต่หลังจากที่ขึ้นไป ณ จุดสูงสุดแล้ว นักบินจะบังคับเครื่องบินให้ดิ่งลงมาอย่างรวดเร็ว สร้างความหวาดเสียวยิ่งนัก แต่อีกสิ่งหนึ่งที่เกิดขึ้นมาพร้อมกับความหวาดเสียวนั้นก็คือ “Zero Gravity” หรือสภาวะไร้นำ้หนัก ซึ่งเราจะรู้สึกเหมือนกับนักบินอวกาศบนยานอวกาศด้วยวิธีที่ปลอดภัยและเสี่ยงตายน้อยกว่าการเข้าไปอยู่ในลิฟท์ที่ตกลงมาแบบ free all

N794AJ // G-Force One

สิ่งที่เกิดขึ้นคือตัวเราและลิฟท์ตกลงมาพร้อมกันทำให้เราไม่ถูก “แรงโน้มถ่วง” ดึงให้ติดกับผนังหรือพื้นด้านใดด้านหนึ่ง ดังนั้น “น้ำหนัก” นั่นหมายความว่าเครื่องชั่งน้ำหนักมันก็อยู่ของมันเฉย ๆ เราต่างหากที่โดน “แรงโน้มถ่วง” ดึงตัวเราให้ไปกดกับเครื่องชั่ง ในขณะเดียวกัน เครื่องชั่งที่มีพื้นดันอยู่ด้านล่างก็ดันเรากลับทำให้เราสามารถวัด “แรง” ที่เราและเครื่องชั่งกระทำต่อกันได้ เรียกว่า “น้ำหนัก”

zero gravity flight 69 marketing photos

พูดอีกอย่างหนึ่งก็คือหากเราอยู่ในกล่องใบหนึ่ง เราและกล่องนั้นถูกเขวี้ยงออกไปให้มีความเร็วเท่ากัน เราก็จะรู้สึกได้ถึงสถาวะไร้นำ้หนักเพราะว่า “เราไม่โดนดันไปสัมผัสกับขอบของของกล่อง” สถานีอวกาศนานาชาติก็เช่นกัน มันเดินทางรอบโลกด้วยความเร็วโคจร 22,724 กิโลเมตร/ชั่วโมง ซึ่งความเร็วนี้ได้มาตั้งแต่ตอนที่เราจุดจรวดส่งสถานีขึ้นไป เช่นเดียวกับยานโซยุสที่พานักบินอวกาศขึ้นไป พวกเขาและยานถูกเร่งให้ได้ความเร็ว 22,724 กิโลเมตร/ชั่วโมง

หากเราใส่เค้กเอาไว้ในกล่องแล้ววางไว้เฉย ๆ เราจะพบว่าไม่มีโอกาสเลยที่หน้าเค้กจะเละ นั่นเป็นเพราะว่าแรงโน้มถ่วงดึงเค้กเอาไว้ให้ติดกับพื้นกล่อง แต่ถ้าเราเอาเค้กขึ้นรถที่ขับด้วยความไม่ระมัดระวัง เมื่อเราเปิดกล่องออกมาเราจะพบว่าเค้กนั้นเละ เพราะไปสัมผัสกับฝากล่องเกือบทุกด้านซึ่งเกิดจากความเร็วของเค้กนั้นไม่สัมพันธ์กับความเร็วของกล่อง

The International Space Station

มีเรื่องน่าสนใจอยู่เรื่องนึง คือถ้าเกิดว่าควาามเร็วของตัวเรา กับความเร็วของยานไม่เท่ากันล่ะ จะเป็นยังไง ในทุก ๆ ปี สถานีอวกาศนานาชาติจะเดินทางช้าลงเนื่องจากถูกชนโดยอนุภาคของชั้นบรรยากาศโลก เรียกว่า Orbital Decay นั่นหมายความว่าเราต้องมีการจุดจรวดเร่งความเร็วเพื่อให้สถานีอวกาศมีความเร็วเท่ากับตอนที่ส่งขึ้นไปใหม่ ๆ ในช่วงนี้นักบินในยานจะรู้สึกได้ถึง “ความเร่ง” ซึ่งจะทำให้สิ่งของต่าง ๆ ที่ไม่ได้ถูกผลักไปพร้อมกับตัวยาน เดินทางช้ากว่ายานอย่างเห็นได้ชัด

บนสถานีอวกาศนานาชาตินั้น ไม่ได้ “ไร้แรงโน้มถ่วง” เพราะถ้ามันไร้แรงโน้มถ่วงจริง ๆ สถานีอวกาศนาชาติหรือดวงจันทร์ก็คงหลุดไปจากวงโคจรของโลกแล้ว แต่มันทำให้เกิดสถาวะไร้น้ำหนัก เพราะความเร็วของยานสัมพันธ์กับความเร็วของตัวเราที่เคลื่อนที่ต่างหาก ทำให้เราไม่ถูกดันเข้าไปติดกับผนังหรือพื้นด้านใดด้านหนึ่ง

Galaxy

จริง ๆ แล้วในเอกภพ ไม่มีจุดไหนที่ไร้แรงโน้มถ่วง เพราะทุกอย่างต่างถูกดึงดูดด้วยวัตถุที่มวลกว่าเสมอ เช่นดวงจันทร์ถูกโลกดึงดูด โลกถูกดวงอาทิย์ดึงดูด และระบบสุริยะทั้งระบบก็ตกอยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วงของดาราจักร ซึ่งดาราจักรก็ไม่ได้อยู่อย่างไร้จุดหมายในเอกภพ พวกมันอยู่รวมกันเป็นกระจุกเรียกว่า Cluster ซึ่งในระดับที่ใหญ่ขึ้นไปก็จะเรียกว่า Supercluster และทั้งหมดนี้ก็ flow เข้าหาจุดที่มีแรงโน้มถ่วงอยู่มาก ทำให้เอกภพของเราไหลอย่างช้า ๆ และมีชีวิตชีวาอยู่ตลอดเวลาเป็นเรื่องที่น่าทึ่งและน่าขนลุกยิ่งนักเมื่อจินตนาการถึงโครงสร้างอันกว้างใหญ่ของมัน

กดไลค์เพจเพื่อติดตามบทความใหม่ ๆ และเรื่องราวน่าสนใจในวงการ วิทยาศาสตร์ อวกาศ และเทคโนโลยี