การค้นพบดาวเนปจูน: ดาวเคราะห์ที่พบด้วยการคำนวณ

ในปี ค.ศ. 1821 อเล็กซิส บูวาร์ นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ตีพิมพ์ตารางทำนายตำแหน่งของดาวยูเรนัส โดยคิดแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์ ดาวพฤหัสบดี และดาวเสาร์ครบถ้วน แต่ภายในไม่กี่ปี ดาวยูเรนัสก็เคลื่อนที่เบี่ยงออกจากตารางทีละน้อย จนถึงคริสต์ทศวรรษ 1840 คลาดเคลื่อนไปราวสองลิปดา หรือราวหนึ่งในสิบห้าของขนาดดวงจันทร์บนท้องฟ้า แต่สำหรับนักดาราศาสตร์นั่นมากเกินกว่าจะเป็นความผิดพลาดของการวัด

สองทางเลือก

มีคำอธิบายที่เป็นไปได้สองแบบ แบบแรกคือกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันใช้ไม่ได้ที่ระยะไกลขนาดนั้น แบบที่สองคือมีดาวเคราะห์ที่ยังไม่รู้จักอยู่ไกลออกไป และแรงโน้มถ่วงของมันกำลังรบกวน (perturb) วงโคจรของยูเรนัส ช่วงแรกยูเรนัสถูกดึงให้เร่งไปข้างหน้าเพราะดาวที่มองไม่เห็นอยู่ข้างหน้า แล้วถูกดึงให้ช้าลงหลังจากแซงผ่านไปแล้ว

คำนวณหาดาวที่มองไม่เห็น

โจทย์นี้ยากมาก เพราะต้องย้อนหามวลและวงโคจรของดาวที่ไม่รู้อะไรเลยจากการเบี่ยงเล็กน้อยของดาวอีกดวง และต้องคำนวณด้วยมือทั้งหมด สองคนทำงานนี้อย่างอิสระจากกัน

• จอห์น คูช แอดัมส์ นักศึกษาหนุ่มที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ประเทศอังกฤษ คำนวณได้ในปี ค.ศ. 1845 แต่ผลงานไม่ได้รับความสนใจจากนักดาราศาสตร์อาวุโสมากพอ การค้นหาที่เคมบริดจ์เริ่มช้าและทำอย่างไม่เร่งรีบ ภายหลังพบว่าเจมส์ แชลลิส ได้บันทึกตำแหน่งดาวเนปจูนไว้ถึงสองครั้งแต่ไม่ได้เปรียบเทียบข้อมูลจึงพลาดไป
• อูร์แบ็ง เลอ แวรีเย นักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ตีพิมพ์ผลการคำนวณในปี ค.ศ. 1846 และส่งจดหมายบอกตำแหน่งไปยัง โยฮันน์ กอทท์ฟรีด กัลเลอ ที่หอดูดาวเบอร์ลิน

คืนที่พบ

กัลเลอได้รับจดหมายในวันที่ 23 กันยายน ค.ศ. 1846 และเริ่มค้นหาในคืนนั้นทันที โดยมีนักศึกษาชื่อ ไฮน์ริช ดาร์เรสต์ เสนอให้ใช้แผนที่ดาวฉบับใหม่ที่เพิ่งพิมพ์เสร็จเปรียบเทียบ ภายในไม่ถึงหนึ่งชั่วโมงพวกเขาพบดาวดวงหนึ่งที่ไม่มีในแผนที่ ห่างจากตำแหน่งที่เลอ แวรีเยทำนายไว้ไม่ถึงหนึ่งองศา คืนถัดมาดาวดวงนี้ขยับตำแหน่งไป ยืนยันว่าเป็นดาวเคราะห์ ต่อมาได้ชื่อว่าเนปจูน ตามเทพแห่งทะเลของโรมัน เพราะมีสีฟ้าอมเขียว

นี่คือครั้งแรกที่มนุษย์ค้นพบดาวเคราะห์ด้วยการคำนวณก่อนจะมองเห็น และเป็นหลักฐานที่น่าทึ่งที่สุดในยุคนั้นว่ากฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันใช้ได้ทั่วทั้งระบบสุริยะ เลอ แวรีเยได้รับคำยกย่องว่าค้นพบดาวเคราะห์ด้วย "ปลายปากกา" และหลังมีการถกเถียงเรื่องความเป็นเจ้าของการค้นพบระหว่างฝรั่งเศสกับอังกฤษอยู่พักหนึ่ง ปัจจุบันมักให้เครดิตแก่ทั้งเลอ แวรีเยและแอดัมส์

เกร็ดที่น่าสนใจ

• เพียง 17 วันหลังการค้นพบ วิลเลียม ลาสเซลล์ พบดวงจันทร์ใหญ่ของดาวเนปจูน ซึ่งต่อมาได้ชื่อว่าไทรทัน
• กาลิเลโอเคยวาดภาพดาวเนปจูนไว้ในบันทึกการสังเกตดาวพฤหัสบดีเมื่อปี ค.ศ. 1612 และ 1613 โดยคิดว่าเป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่ง
• ดาวเนปจูนใช้เวลาราว 165 ปีโคจรรอบดวงอาทิตย์ จึงเพิ่งโคจรครบรอบแรกนับจากวันที่ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 2011

บทเรียนที่ใช้ซ้ำ ทั้งถูกและผิด

วิธีคิดเดียวกันนี้ เลอ แวรีเยเองลองใช้อธิบายการส่ายของวงโคจรดาวพุธ โดยเสนอว่ามีดาวเคราะห์ที่มองไม่เห็นอยู่ใกล้ดวงอาทิตย์กว่าดาวพุธ ตั้งชื่อว่าวัลแคน แต่ไม่มีใครพบดาวดวงนั้นเลย คำตอบที่แท้จริงมาในปี ค.ศ. 1915 เมื่อทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายวงโคจรของดาวพุธได้พอดี ความผิดปกติของการเคลื่อนที่บางครั้งชี้ไปที่วัตถุที่ยังไม่พบ บางครั้งชี้ไปที่ฟิสิกส์ที่ยังไม่รู้ ปัจจุบันแนวคิดนี้ยังถูกใช้ทั้งในการค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบ และการค้นหาสสารมืด