โมเลกุลที่ไม่เคยพบในชั้นบรรยากาศใดมาก่อน

 

ดวงจันทร์ไททัน(Titan) เป็นดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์ และยังเป็นวัตถุเดียวในระบบสุริยะนอกเหนือจากโลก ที่มีชั้นบรรยากาศที่หนาทึบล้อมไว้ 

     ไททัน(Titan) พิภพที่แปลกพิสดารมากอยู่แล้ว ก็ยิ่งพิสดารขึ้นไปอีกหน่อยเมื่อนักดาราศาสตร์ได้ตรวจพบ ไซโคลโพร-เพนนิลลิดีน
(cyclopropenylidene; C3H2) ซึ่งเป็นโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่พบได้ยากมากๆ ในชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์ เป็นโมเลกุลที่กระตือรือร้นมาก จนพบได้เฉพาะในสภาวะในห้องทดลองบนโลกเท่านั้น

     ในความเป็นจริง มันพบได้ยากมากๆ จนไม่เคยตรวจพบในชั้นบรรยากาศไหนๆ ในระบบสุริยะหรือที่อื่นๆ มาก่อนเลย อีกที่ที่พบว่ามันอยู่อย่างเสถียรได้ก็คือในความเวิ้งว้างที่เย็นเยือกของห้วงอวกาศเท่านั้น แต่มันก็อาจจะเป็นวัตถุดิบสำหรับโมเลกุลอินทรีย์เชิงซ้อนมากขึ้น ซึ่งวันหนึ่งอาจพัฒนาไปเป็นชีวิต Melissa Trainer นักดาราศาสตร์ชีววิทยาที่ศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา หนึ่งในหัวหน้านักวิทยาศาสตร์ที่สำรวจไททันในปฏิบัติการดรากอนไฟล์(Dragonfly) ที่จะส่งออกสู่อวกาศในปี 2027

      เรากำลังมองหาโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่า C3H2 แต่เราต้องทราบว่ากำลังเกิดอะไรขึ้นในชั้นบรรยากาศของมัน เพื่อให้เข้าใจปฏิกิริยาเคมีที่นำไปสู่โมเลกุลอินทรีย์เชิงซ้อนที่ก่อตัวและตกเป็นฝนลงสู่พื้นผิว ไซโคลโพรเพนนิลลิดีนซึ่งแม้แต่นักวิจัยนาซายังบอกว่าเป็นโมเลกุลเล็กที่ประหลาดมากๆ จะไม่อยู่นานในชั้นบรรยากาศ เนื่องจากมันเกิดปฏิกิริยาได้รวดเร็วมากและง่ายมากๆ ด้วยโมเลกุลอื่น เพื่อก่อตัวสารประกอบอื่น

      และเมื่อมันเกิดปฏิกิริยาขึ้นมา ก็จะไม่มีไซโคลโพรเพนนิลลิดีนอีกต่อไป ในห้วงอวกาศ ก๊าซหรือฝุ่นใดๆ มักจะเย็นมากๆ และเบาบางมากๆ ซึ่งหมายความว่าสารประกอบจะไม่ได้เกิดปฏิกิริยากันมากนัก และจึงมีไซโคลโพรเพนนิลลิดีนเหลืออยู่

ภาพรวมประกอบจากหลายความยาวคลื่น แสดงชั้นบรรยากาศของไททัน ซึ่งเป็นสีส้มจากสารอินทรีย์ในชั้นบรรยากาศ นักดาราศาสตร์คาดว่า ไททันน่าจะมีสภาพคล้ายโลกในยุคต้น 

     แต่ไททันนั้นแตกต่างอย่างมากกับห้วงอวกาศระหว่างดวงดาว มันค่อนข้างจะชื้นแฉะด้วยทะเลสาบไฮโดรคาร์บอน, เมฆไฮโดรคาร์บอน, แม่น้ำและฝน และชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยไนโตรเจน โดยมีมีเธนอยู่ไม่น้อย ชั้นบรรยากาศนั้นหนาแน่นกว่าชั้นบรรยากาศโลก 4 เท่า(ซึ่งก็อุดมด้วยไนโตรเจนด้วยเช่นกัน) ข้างใต้พื้นผิว นักวิทยาศาสตร์คิดว่ามีมหาสมุทรของน้ำเกลือขนาดมหึมาอยู่  

      ในปี 2016 ทีมที่นำโดย Conor Nixon นักวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์จากศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ดของนาซา ได้ใช้ ALMA(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ในชิลี เพื่อตรวจสอบชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์นี้ เพื่อมองหาโมเลกุลอินทรีย์ และก็พบสัญญาณสารเคมีที่ไม่ทราบชนิดอยู่ในชั้นบรรยากาศส่วนบนที่เบาบาง สูงจากพื้นผิวขึ้นไป ด้วยการเปรียบเทียบสัญญาณกับฐานข้อมูลคุณสมบัติของสารเคมี ทีมได้จำแนกโมเลกุลว่าเป็นไซโคลโพรเพนนิลลิดีน เป็นไปได้ที่ความเบาบางในชั้นบรรยากาศที่ระดับความสูงดังกล่าว มีผลต่อการอยู่รอดของโมเลกุลนี้ แต่เพราะเหตุใดมันจึงปรากฏบนไททันและไม่พบบนพิภพอื่นๆ ก็ยังเป็นปริศนา

     เมื่อผมตระหนักว่าผมกำลังได้เห็นไซโคลโพรเพนนิลลิดีน ความคิดแรกก็คือ นี่มันไม่คาดฝันจริงๆ Nixon กล่าว ไททันเป็นสถานที่ที่เป็นอัตลักษณ์ในระบบสุริยะ มันได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นขุมสมบัติของโมเลกุลใหม่ๆ

     เพื่อตรวจสอบซ้ำว่านักวิจัยได้พบสารประกอบที่ไม่ปกติชนิดนี้จริงๆ Nixon ได้กลั่นกรองรายงานการวิจัยที่เผยแพร่จากการวิเคราะห์ข้อมูลจากยานคาสสินี ซึ่งทำการบินผ่านไททันในระยะใกล้ 127 ครั้งระวห่างปี 2004 ถึง 2017 เขาต้องการจะหาว่าเครื่องมือชิ้นหนึ่งบนยาน พบสารประกอบนี้รอบดาวเสาร์และไททันหรือไม่เพื่อยืนยันผลสรุปใหม่(เครื่องมือดังกล่าว คือ สเปคโตรมิเตอร์มวล; mass spectrometer) เครื่องมือได้ตรวจสอบโมเลกุลปริศนาจำนวนมากบนไททันซึ่งนักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงพยายามจำแนกโมเลกุลเหล่านั้นอยู่ จริงๆ แล้ว คาสสินีได้พบหลักฐานโมเลกุลนี้ในรูปแบบมีประจุไฟฟ้า(C3H3+)

      มันเป็นโมเลกุลเล็กๆ ที่แปลกประหลาดจริงๆ มันไม่ใช่โมเลกุลในแบบที่คุณจะได้เรียนในวิชาเคมีมัธยมปลายหรือแม้แต่เคมีของปริญญาตรี Michael Malaska นักวิทยาศษสตร์ดาวเคราะห์ JPL ซึ่งทำงานที่บริษัทยาก่อนที่จะตกหลุมรักไททันและหันเหมาศึกษามัน กล่าว บนโลกนี่ คุณแทบจะไม่ได้เฉียดใกล้โมเลกุลนี้เลย แต่เขาก็บอกว่าการพบโมเลกุลอย่างไซโคลโพรเพนนิลลิดีน เป็นสิ่งที่สำคัญต่อการมองภาพกว้างๆ ของไททัน ชิ้นส่วนขนาดเล็กทุกๆ ชิ้นที่คุณได้ค้นพบจะช่วยคุณให้ต่อภาพปริศนาขนาดใหญ่ของทุกสิ่งที่กำลังเกิดขึ้นที่นั้น

กระทั่งตอนนี้ ไซโคลโพรเพนนิลลิดีนก็พบได้เฉพาะในเมฆโมเลกุลก๊าซและฝุ่นเช่นที่ เมฆโมเลกุลกลุ่มดาววัว(Taurus molecular cloud) ซึ่งเป็นแหล่งเพาะฟักดาวฤกษ์ใหม่ๆ ในกลุ่มดาววัวซึ่งอยู่ห่างออกไปกว่า 400 ปีแสง ล่าสุด นักวิทยาศาสตร์ได้พบโมเลกุลที่เป็นอัตลักษณ์ชนิดนี้ในชั้นบรรยากาศไททัน เป็นครั้งแรกที่พบมันนอกเมฆโมเลกุลก๊าซ ไซโคลโพรเพนนิลลิดีน ยังเป็นโมเลกุลวงแหวนปิดอีกเพียงชนิดเดียวนอกเหนือจากเบนซีน(benzene) ที่พบบนไททัน โมเลกุลวงแหวนปิดมีความสำคัญเนื่องจากพวกมันเป็นวงแหวนกระดูกสันหลังของนิวคลีโอเบส ในดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ

      ไซโคลโพรเพนนิลลิดีนยังมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเนื่องจากเป็นที่ทราบกันว่ามันเป็นโมเลกุลวงแหวน กล่าวคือ คาร์บอนทั้ง 3 อะตอมจับกันเป็นวงแหวน(จริงๆ เป็นสามเหลี่ยม แต่ตามกฎก็เหตุผลเดียวกัน) แม้ว่าจะเป็นที่ทราบกันว่าไซโคลโพรเพนนิลลิดีนเองไม่ได้มีบทบาทในทางชีววิทยา แต่นิวคลีโอเบส(nucleobase หรือเรียกอีกชื่อว่า ไนโตรจีนัสเบส; nitrogenous base) ของดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ ก็มีพื้นฐานจากโมเลกุลวงแหวนเหล่านี้

      ธรรมชาติอันเป็นวงแหวนของพวกมันทำให้ต้องมีวิชาเคมีที่จำเพาะ ซึ่งช่วยให้เราได้สร้างโมเลกุลที่สำคัญๆ ในทางชีววิทยา Alexander Thelen นักดาราศาสตร์ชีววิทยาที่กอดดาร์ด กล่าว ยิ่งโมเลกุลมีขนาดเล็กเท่าใด มันก็ยิ่งมีศักยภาพสูง ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลขนาดเล็กที่มีพันธะไม่มาก จะเกิดขึ้นได้เร็วกว่าปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลขนาดใหญ่กว่า, ซับซ้อนกว่า นี่หมายความว่าปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลขนาดเล็กแค่เฉพาะจากจำนวนที่เกิด ก็น่าจะสร้างผลิตผลที่หลากหลายได้มากกว่า

     ก่อนหน้านี้ คิดกันว่า เบนซีน(benzene; C6H6) เป็นโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนวงแหวนที่เล็กที่สุดที่พบในชั้นบรรยากาศใดๆ(ซึ่งรวมถึงไททันด้วย) แต่ไซโคลโพรเพนนิลลิดีนก็เอาชนะได้ เป็นที่ทราบกันดีว่าไททันนั้นเป็นดงของกิจกรรมทางเคมีอินทรีย์เลยทีเดียว ไนโตรเจนและมีเธนแตกตัวภายใต้แสงอาทิตย์ อะตอมที่ได้หน่วงนำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่แตกแขนงออกไป แต่ว่าปฏิกิริยาเหล่านั้นจะให้ผลเป็นชีวิตหรือไม่ก็ยังเป็นคำถามที่นักวิทยาศาสตร์อยากรู้คำตอบ

     เรากำลังพยายามจะระบุให้ได้ว่าไททันนั้นเอื้ออาศัยหรือไม่ Rosaly Lopes นักธรณีวิทยาจากห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซา ดังนั้นเราจึงต้องการจะทราบว่ามีสารประกอบอะไรจากชั้นบรรยากาศลงมาที่พื้นผิวบ้าง และหลังจากนั้น วัสดุสารเหล่านั้นสามารถหาทางผ่านเปลือกน้ำแข็งลงไปถึงมหาสมุทรด้านล่างได้หรือไม่ เนื่องจากเราคิดว่ามหาสมุทรเป็นที่ที่มีสภาวะเอื้ออาศัยได้อยู่

Dragonfly เป็นปฏิบัติการโดรนเพื่อสำรวจไททัน

      ชนิดของโมเลกุลที่อาจมีบนพื้นผิวไททันก็น่าจะเหมือนกับที่ก่อตัวสารตั้งต้นของชีวิตบนโลก ในช่วงต้นเมื่อ 3.8 ถึง 2.5 พันล้านปีก่อน เมื่อชั้นบรรยากาศโลกมีมีเธนแทนที่จะเป็นออกซิเจน นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าสภาวะในช่วงเวลานั้นก็น่าจะคล้ายคลึงกับที่เป็นบนไททันในตอนนี้ เราคิดว่าไททันเป็นเหมือนห้องทดลองในชีวิตจริงที่เราจะสามารถเห็นกระบวนการทางเคมีคล้ายๆ กับที่เกิดบนโลกยุคโบราณ เมื่อจะสร้างชีวิตขึ้นมา Trainer กล่าว  

     การระบุว่าสารประกอบใดที่มีในชั้นบรรยากาศจึงเป็นก้าวที่สำคัญอย่างมากในกระบวนการวิจัยเหล่านั้น ไซโคลโพร-เพนนิลลิดีนอาจจะมีขนาดเล็กและประหลาด แต่โมเลกุลที่หายากมากๆ นี้ก็อาจเป็นกุญแจหลักในปริศนากระบวนการทางเคมีบนไททัน ขณะนี้เราแค่ต้องระบุให้ได้ว่ามันไปอยู่ตรงส่วนไหน งานวิจัยเผยแพร่ใน Astronomical Journal วันที่ 15 ตุลาคม

แหล่งข่าว sciencealert.com : “weird” molecule detected on Titan has never been found in any atmosphere
                nasa.gov : NASA scientists discover “weird” molecule in Titan’s atmosphere