สำรวจการชนขนาดใหญ่และขั้วเหนือดวงจันทร์ยักษ์กานิมีด

 

     ในระหว่างการเดินทางขาเข้าเพื่อไปบินผ่านดาวพฤหัสฯ เมื่อวันที่ 26 ธันวาคม 2019 ยานจูโน(Juno) ของนาซาได้บินเข้าไปในระยะใกล้กับขั้วเหนือของวัตถุที่ใหญ่ที่สุดเป็นอันดับเก้าในระบบสุริยะ-ดวงจันทร์กานิมีด(Ganymede)

     การถ่ายภาพในช่วงอินฟราเรดโดยเครื่องมือ JIRAM(Jovian Infrared Auroral Mapper) ของยาน ได้ให้แผนที่อินฟราเรดพื้นที่ส่วนเหนือของดวงจันทร์ยักษ์ดวงนี้เป็นครั้งแรก

      กานิมีดเป็นดวงจันทร์เพียงดวงเดียวในระบบสุริยะที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์อย่างดาวพุธ(กานิมีดมีความกว้าง 5268 กิโลเมตร) กานิมีดประกอบด้วยน้ำแข็งและหินซิลิเกตเป็นหลัก องค์ประกอบของมันให้เงื่อนงำพื้นฐานสู่การเข้าใจวิวัฒนาการของดวงจันทร์ดาวพฤหัสฯ ทั้ง 79 ดวงตั้งแต่ช่วงเวลาที่ก่อตัวจนถึงปัจจุบัน โดยมีชั้นเปลือกน้ำแข็งรอบๆ มหาสมุทรของเหลวที่ล้อมรอบแกนกลางเหล็กหลอมเหลว กานิมีดจึงเป็นดวงจันทร์เพียงดวงเดียวในระบบสุริยะที่มีสนามแม่เหล็กเป็นของมันเองซึ่งเกิดขึ้นจากการพาความร้อน(convection) ในแกนกลาง

 เปรียบเทียบขนาดดาวเคราะห์ กับดวงจันทร์ในระบบสุริยะ 

    บนโลก สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนเส้นทางพลาสมา(อนุภาคมีประจุจากดวงอาทิตย์) ให้เข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก และหลุดมาถึงพื้นที่ขั้วโลก สร้างแสงเหนือ-ใต้(aurora) ขึ้นจากการทำปฏิกิริยากับอะตอมในชั้นบรรยากาศ ในเมื่อกานิมีดไม่มีชั้นบรรยากาศเพื่อปัดป้อง พลาสมาจำนวนมากจากมักนีโตสเฟียร์(magnetosphere) ขนาดมหึมาของดาวพฤหัสฯ ก็ชนกับพื้นผิวดวงจันทร์โดยตรง สนามแม่เหล็กของกานิมีดผันพลาสมาไปที่ขั้วทั้งสอง ทำให้พื้นผิวที่ขั้วของมันถูกระดมชนด้วยพลาสมาอย่างคงที่ การระดมชนส่งผลอย่างมากต่อน้ำแข็งของกานิมีด

     ข้อมูล JIRAM ได้แสดงว่าน้ำแข็งที่ขั้วเหนือกานิมีดและรอบๆ ถูกปรับแต่งโดยกระแสพลาสมาที่ตกลงมา Alessandro Mura ผู้นำร่วมปฏิบัติการจูโน นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ที่สถาบันเพื่อดาราศาสตร์ฟิสิกส์แห่งชาติ ในกรุงโรม กล่าว มันเป็นปรากฏการณ์ประหลาดที่เราจะได้เรียนรู้เป็นครั้งแรกด้วยจูโนเนื่องจากเราสามารถมองขั้วเหนือได้โดยทั่วทั้งหมด

     น้ำแข็งใกล้ขั้วทั้งสองของดวงจันทร์เป็นแบบอสัณฐาน(amorphous; ไม่เกิดผลึก) นั้นเป็นเพราะอนุภาคมีประจุวิ่งตามสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์จนถึงขั้ว ที่ซึ่งพวกมันจะชนและทำลายน้ำแข็งที่นั้น ทำให้น้ำแข็งไม่สามารถมีโครงสร้างที่เป็นระเบียบ(หรือเป็นผลึกหกเหลี่ยม) ได้ ในความเป็นจริง โมเลกุลน้ำแข็งที่พบที่ขั้วทั้งสองไม่มีความเป็นระเบียบ และน้ำแข็งอสัณฐานก็มีสัญญาณอินฟราเรดที่แตกต่างจากผลึกน้ำแข็งที่พบที่ศูนย์สูตรกานิมีด

พื้นที่กลางภาพคือขั้วเหนือของกานิมีด เส้นทึบคือ เส้นลองจิจูดที่ 0

     ข้อมูลเหล่านี้เป็นอีกตัวอย่างของวิทยาศาสตร์อันยิ่งใหญ่ที่จูโนทำได้เมื่อสำรวจดวงจันทร์ของดาวพฤหัสฯ Giuseppe Sindoni ผู้จัดการโครงการของเครื่องมือ JIRAM ให้กับองค์กรอวกาศอิตาลี กล่าว ปฏิบัติการหลักของจูโนก็เพื่อสำรวจดาวพฤหัสฯ JIRAM ถูกออกแบบมาให้จับแสงอินฟราเรดที่ผุดขึ้นจากเบื้องลึกภายในดาวพฤหัสฯ ตรวจสอบชั้นต่างๆ ที่ลึกลงไป 50 ถึง 70 กิโลเมตรใต้ชั้นยอดเมฆของดาวพฤหัสฯ แต่เครื่องมือก็สามารถใช้เพื่อศึกษาดวงจันทร์ไอโอ(Io), ยูโรปา(Europa), กานิมีด และคัลลิสโต(Callisto) ซึ่งเรียกรวมๆ ว่า ดวงจันทร์กาลิเลโอ(Galilean moons) ด้วย

     ดวงจันทร์น้ำแข็งสามดวงของดาวพฤหัสฯ ยูโรปา, คัลลิสโต และกานิมีด มีคุณสมบัติน้ำแข็งที่แตกต่างกัน น้ำแข็งของคัลลิสโตนั้นเป็นผลึก ส่วนน้ำแข็งของยูโรปาเป็นอสัณฐาน และกานิมีดก็มีทั้งสองอย่าง งานวิจัยก่อนหน้านี้พบว่านี่อาจเกิดจากความใกล้กับดาวพฤหัสฯ โดยยูโรปาอยู่ใกล้ที่สุด จึงอาบรังสีจากแถบการแผ่รังสี(radiation belts) ที่สร้างโดยมักนีโตสเฟียร์ของดาวพฤหัสฯ ในปริมาณที่สูงที่สุดด้วย ส่วนคัลลิสโตอยู่ไกลที่สุด จึงอาบรังสีน้อยที่สุด

     การรู้ว่าจูโนมีโอกาสจะได้เห็นส่วนเหนือของกานิมีดในการบินผ่านดาวพฤหัสฯ วันที่ 26 ธันวาคม ทีมปฏิบัติการได้ตั้งโปรแกรมให้ยานหันเครื่องมืออย่าง JIRAM ไปเพื่อสำรวจพื้นผิวกานิมีด ในช่วงเวลาที่เข้าใกล้กานิมีดมากที่สุดที่ราว 1 แสนกิโลเมตร JIRAM ได้เก็บภาพพื้นผิวในช่วงอินฟราเรดราว 300 ภาพ โดยมีความละเอียดที่ 23 กิโลเมตรต่อพิกเซล

ภาพถ่ายขั้วเหนือกานิมีดในช่วงอินฟราเรดจาก JIRAM ในเส้นทางการโคจรของจูโน ภาพถ่ายห่างกันทุกๆ 20 นาที โดยช่วงที่เข้าใกล้ดวงจันทร์มากที่สุดคือภาพซ้ายสุดที่ประมาณ 1 แสนกิโลเมตร

     ความลับของดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดของดาวพฤหัสฯ ที่จูโนและ JIRAM ได้เผยออกมาจะเป็นประโยชน์กับปฏิบัติการต่อๆ ไปสู่พิภพน้ำแข็งแห่งนี้

 

    นอกจากข้อมูลใหม่ๆ แล้ว จากการพิจารณาการสำรวจเก่าๆ นักวิทยาศาสตร์ได้พบสิ่งที่พวกเขาเชื่อว่าอาจจะเป็นหลุมการชนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่พบในระบบสุริยะ โดยรอยแผลเป็นนี้ครอบคลุมพื้นที่กว้างใหญ่บนกานิมีด นักวิทยาศาสตร์เบื้องหลังงานวิจัยใหม่ต้องการกลับมาพิจารณาดูการสำรวจเก่าๆ จากปฏิบัติการในอดีตของนาซาที่ศึกษาดวงจันทร์ยักษ์ดวงนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาสนใจรายละเอียดชุดหนึ่งซึ่งเรียกว่า เฟอร์โรว์(furrows) ซึ่งเป็นร่องมีขอบคมชัดที่ปรากฏอยู่บนพื้นที่ที่เก่าแก่ที่สุดบนดวงจันทร์นี้ นักวิจัยก่อนหน้านี้ได้บอกว่าเฟอร์โรว์ที่เป็นวงแหวนซ้อนเหล่านี้เป็นหลักฐานของการชนครั้งใหญ่เหตุการณ์หนึ่ง ซึ่งมีความรุนแรงมากพอที่จะทิ้งรอยแผลเป็นไว้ทั่วซีกโลกฟากหนึ่งของกานิมีดเลยทีเดียว แต่เมื่อกลับไปพิจารณาโครงสร้างเหล่านี้ซ้ำอีก นักวิทยาศาสตร์ในงานวิจัยใหม่ซึ่งนำโดย Naoyuki Hirata นักดาวเคราะห์วิทยาที่มหาวิทยาลัยโกเบ เชื่อว่า เป็นการประเมินที่ต่ำเกินไป เฟอร์โรว์นี้เป็นการชนที่ใหญ่มากจนส่งผลต่อดวงจันทร์ทั้งดวง

พื้นที่ที่สว่าง(bright terrain) และพื้นที่ที่มืด(dark terrain) สามารถแยกแยะได้ง่าย โดยมีร่องซ้อนๆ ปรากฏบนพื้นที่ที่มืดเหล่านั้น

     นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการสะสมข้อมูลที่รวบรวมได้จากปฏิบัติการวอยยาจเจอร์(Voyager) แฝดของนาซาซึ่งต่างก็บินผ่านระบบดาวพฤหัสฯ ในปี 1979 และจากปฏิบัติการกาลิเลโอ(Galileo) ของนาซาซึ่งใช้เวลาแปดปีตั้งแต่ 1995 ถึง 2003 เพื่อศึกษาดาวเคราะห์ยักษ์ซึ่งแบ่งพื้นที่ได้เป็น 2 ชนิดคือ พื้นที่สีสว่าง(bright terrain) ซึ่งมีสีอ่อนและค่อนข้างขาดแคลนร่องรอยการชน และพื้นที่สีมืด(dark terrain) ซึ่งปุปะด้วยรอยแผลน่าจะเป็นพื้นผิวที่เก่าแก่ที่สุดของกานิมีดอยู่ด้วย ซ้ำอีกครั้ง ทั่วพื้นที่สีมืดนี้ แบบจำลองใหม่บอกว่า เฟอร์โรว์ทั้งหมดแม้แต่ที่อยู่ฝั่งตรงกันข้ามของดวงอาทิตย์ ก็แผ่เป็นวงระลอกออกจากจุดหนึ่งจุดเดียว

     นักวิจัยบอกว่าเฟอร์โรว์เป็นตัวระบุถึงเหตุการณ์การชนที่ส่งผลต่อกานิมีดทั้งปวง ไม่เพียงแต่ซีกโลกฝั่งเดียวอย่างที่เคยจำแนกก่อนหน้านี้ว่าเกิดการเปลี่ยนรูปร่างจากการชน แม้ว่าการจำแนกพื้นที่ชนจะใช้หลักฐานมากกว่าแค่วงแหวนที่น่าสงสัยเหล่านี้ แต่ถ้าการชนเกิดขึ้นจริง ก็น่าจะมาจากดาวเคราะห์น้อยที่มีขนาดใหญ่ ความกว้างอย่างน้อย 50 กิโลเมตร หรืออาจจะใหญ่ถึง 150 กิโลเมตรเลย ชนกับดวงจันทร์ด้วยความเร็วประมาณ 20 กิโลเมตรต่อวินาที ทิ้งวงแหวนและรอยแตกซ้อนชุดหนึ่งคล้ายกับตาวัว(bullseye) ไปทั่วดวงจันทร์ ซึ่งน่าจะเกิดในระหว่างการระดมชนอย่างหนักครั้งล่าสุด(Late Heavy Bombardment) เมื่อราว 4 พันล้านปีก่อน ซึ่งหลังจากหลายสหัสวรรษของกระบวนการทางธรณีวิทยา ก็กลายเป็นร่องและราง(troughs) ที่นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นในขณะนี้    

     ถ้าแบบจำลองนี้ถูกต้อง นักวิทยาศาสตร์บอกว่าพวกเขาก็ได้พบรอยแผลเป็นจากการชนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในระบบสุริยะแล้ว โดยมีเส้นผ่าศูนย์กลางถึง 7800 กิโลเมตร ใหญ่เป็นสองเท่าของความยาวแม่น้ำมิสซิสซิปปี้ ระบบแอ่งการชนที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยพบในปัจจุบันเรียกว่า หลุมอุกกาบาตวัลฮัลลา(Valhalla crater) ที่พบบนคัลลิสโต(Callisto) ดวงจันทร์ขนาดใหญ่อีกดวงของดาวพฤหัสฯ ซึ่งมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 3800 กิโลเมตร ดูเล็กไปทีเดียว   

บน: แผนที่ซึ่งมีศูนย์กลางที่ 20 องศาใต้ 180 องศาตะวันตก แสดงพื้นที่ที่มืดของกานิมีด และเฟอร์โรว์(ระบุด้วยเส้นสีเหลือง) ล่าง: แผนที่ซึ่งมีศูนย์กลางที่ 20 องศาเหนือ 0 องศาตะวันตก แสดงซีกโลกฝั่งตรงกันข้ามกับภาพบน บนกานิมีด พื้นที่สีขาวคือ พื้นที่ที่สว่าง(Bright terrain)  

      นักวิทยาศาสตร์ในงานใหม่ซึ่งเผยแพร่ในวารสาร Icarus วันที่ 15 กรกฎาคม หวังว่าข้อมูลใหม่จะช่วยพวกเขาให้แปลผลเฟอร์โรว์บนกานิมีดได้ดีขึ้น และให้เข้าใจอย่างแม่นยำว่าพวกมันก่อตัวได้อย่างไร ถ้าเฟอร์โรว์เหล่านี้เกิดขึ้นจากการชนครั้งใหญ่ ก็น่าจะพบความผิดปกติในแรงโน้มถ่วง(gravitational anomaly) ที่ตำแหน่งชนด้วย คล้ายกับที่พบบนโครงสร้างการชนขนาดใหญ่อื่นๆ เช่น แอ่งขั้วใต้-ไอท์เค่น(South Pole-Aitken basin) บนดวงจันทร์ของโลก

     ขณะนี้ เรารู้ว่าจะต้องมองหามัน บางทียานจูโนอาจจะถูกใช้เพื่อสำรวจความผิดปกติในแรงโน้มถ่วงนี้ นอกจากนี้ปฏิบัติการ JUICE(Jupiter Icy Moons Explorer) ขององค์กรอวกาศยุโรป(ESA) ซึ่งมีกำหนดออกสู่อวกาศในปี 2022 นอกจากจะทำการสำรวจชั้นมักนีโตสเฟียร์ของดาวพฤหัสฯ, ชั้นบรรยากาศที่ปั่นป่วนของมัน ยังอุทิศให้กับการศึกษาดวงจันทร์น้ำแข็งกานิมีด, คัลลิสโตและยูโรปา ตั้งแต่ปี 2030 เป็นเวลาอย่างน้อยสามปีครึ่ง

แหล่งข่าว spaceref.com : Juno takes first images of Ganymede’s north pole
                sciencealert.com : Juno delivers first images of the north pole of Ganymede, where it rains plasma    
               space.com : Jupiter’s huge moon Ganymede may have the largest impact scar in the solar system
                sciencealert.com : astronomers may have identified the biggest impact structure in our solar system