การเรืองในความมืด และกำเนิดพวยพุบนยูโรปา

 

ภาพพวยพุยูโรปาซึ่งสว่างในช่วงอุลตราไวโอเลตโดยกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล จากเครื่องมือ STIS(Space Telescope Imaging Spectrograph) พบพวยพุในตำแหน่งเดิมในภาพที่ถ่ายห่างกันสองปี ยืนยันการมีอยู่ของพวยพุซึ่งประทุเป็นครั้งคราว

     บนดวงจันทร์น้ำแข็งยูโรปา(Europa) ของดาวพฤหัสฯ มีการปะทุที่ทรงพลังขึ้นสู่อวกาศ ได้สร้างคำถามท่ามกลางนักดาราศาสตร์ชีววิทยาบนโลกด้วยความหวังว่า อะไรที่ยิงพวยพุสูงหลายกิโลเมตรออกมา ในพวยพุนั้นมีสัญญาณของสิ่งมีชีวิตต่างดาวหรือไม่ และมันจะมีกำเนิดจากส่วนไหนของยูโรปา คำอธิบายใหม่งานหนึ่งได้ชี้ไปถึงแหล่งแห่งหนึ่งที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวน้ำแข็งมากกว่าที่คาดไว้

     พวยพุเหล่านี้แทนที่จะมีกำเนิดจากเบื้องลึกภายในมหาสมุทรของยูโรปา แต่จากหลักฐานใหม่บอกว่าการปะทุบางส่วนอาจจะมีกำเนิดจากแอ่งน้ำที่ฝังตัวอยู่ในเปลือกน้ำแข็ง งานวิจัยใหม่จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด, มหาวิทยาลัยอริโซนา, มหาวิทยาลัยเทกซัส และห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซา ด้วยการใช้ภาพที่รวบรวมได้จากยานกาลิเลโอ(Galileo) ของนาซา นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองเพื่ออธิบายว่า การเยือกแข็งควบคู่กับสภาพแรงดันสูง น่าจะนำไปสู่การปะทุภูเขาไฟน้ำแข็ง(cryovolcanic eruption) ได้อย่างไร ผลสรุปเผยแพร่ใน Geophysical Research Letters วันที่ 10 พฤศจิกายน ได้บอกเป็นนัยถึงความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของมหาสมุทรข้างใต้ของยูโรปา และอาจจะอธิบายการปะทุบนดวงจันทร์น้ำแข็งอื่นๆ ในระบบสุริยะด้วย

     นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าในมหาสมุทรขนาดใหญ่ที่ซ่อนอยู่ใต้เปลือกน้ำแข็งของยูโรปาอาจจะมีองค์ประกอบที่จำเป็นในการค้ำจุนชีวิต แต่เมื่อไม่สามารถส่งยานดำน้ำไปเพื่อสำรวจดวงจันทร์นี้ก็ยากที่จะทราบให้แน่ชัด นั้นเป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้พวยพุของยูโรปาได้รับความสนใจอย่างมาก ถ้าการปะทุมาจากมหาสมุทรใต้พื้นผิว ก็น่าจะตรวจจับสารเคมีด้วยยานอย่างที่นาซาวางแผนไว้ Europa Clipper ได้ง่ายกว่า

ปฏิบัติการ Europa Clipper ซึ่งน่าจะไปถึงระบบดาวพฤหัสฯ ในปี 2030

     แต่ถ้าพวยพุมีกำเนิดจากเปลือกน้ำแข็งของดวงจันทร์ มันก็น่าจะเอื้ออาศัยต่อชีวิตน้อยลง เนื่องจากคงยากมากขึ้นที่จะหาแหล่งพลังงานเคมีเพื่อให้พลังกับชีวิตที่นั้นได้ ในกรณีนี้ โอกาสของความสามารถในการเอื้ออาศัยที่ตรวจพบก็น่าจะน้อยลงมาก การเข้าใจว่าพวยพุน้ำเหล่านี้มาจากไหนเป็นเรื่องที่สำคัญมากในการทราบว่ายานสำรวจยูโรปาในอนาคตน่าจะมีโอกาสตรวจจับชีวิตจากในอวกาศโดยไม่ต้องลงไปตรวจสอบถึงมหาสมุทรของยูโรปาได้หรือไม่ Gregor Steinbrügge ผู้เขียนนำ นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สำนักวิทยาศาสตร์โลก, พลังงานและสภาพแวดล้อม มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด กล่าว

     นักวิจัยมุ่งเป้าการวิเคราะห์ไปที่ Manannan หลุมอุกกาบาตความกว้าง 29 กิโลเมตรบนยูโรปาซึ่งเกิดขึ้นจากการชนกับวัตถุฟากฟ้าอื่นเมื่อหลายสิบล้านปีก่อน การชนระดับนี้น่าจะสร้างความร้อนจำนวนมาก พวกเขาจึงทำแบบจำลองว่าการหลอมเหลวสร้างแอ่งน้ำในเปลือกน้ำแข็งและการกลับมาเยือกแข็งอีกครั้งในเวลาต่อมา น่าจะเป็นสาเหตุให้น้ำปะทุออกมาได้อย่างไร

     ดาวหางหรือดาวเคราะห์น้อยที่ชนเปลือกน้ำแข็งนั้นเป็นการทดสอบครั้งใหญ่ที่เรากำลังใช้เพื่อสร้างสมมุติฐานเพื่อทดสอบมัน Don Blankenship ผู้เขียนร่วม นักวิทยาศาสตร์วิจัยอาวุโสที่มหาวิทยาลัยเทกซัส สถาบันเพื่อธรณีฟิสิกส์(UTIG) และผู้นำทีมเครื่องมือ REASON(Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface) ซึ่งจะบินไปกับยูโรปาคลิปเปอร์ กล่าว ทีมวิทยาศาสตร์ขั้วโลกและดาวเคราะห์ที่ UTIG ขณะนี้กำลังอุทิศตนให้กับการประเมินความสามารถของเครื่องมือนี้เพื่อทดสอบสมมุติฐานเหล่านั้น

ภาพจากศิลปินแสดงยูโรปา-ดวงจันทร์น้ำแข็งของดาวพฤหัสฯ เกิดการปะทุภูเขาไฟน้ำแข็ง(cryovolcanic) ขึ้นมา โดยน้ำเกลือจากภายในเปลือกน้ำแข็งระเบิดออกสู่อวกาศ แบบจำลองใหม่แสดงกระบวนการบนยูโรปานี้อาจจะช่วยอธิบายพวยพุที่บนพบวัตถุน้ำแข็งอื่นๆ ด้วย      

     แบบจำลองบ่งว่าเมื่อน้ำของยูโรปาแปรสภาพกลายเป็นน้ำแข็งในช่วงปลายของการชน แอ่งน้ำที่มีความเป็นเกลือสูงขึ้นก็น่าจะเกิดขึ้นในพื้นผิวดวงจันทร์ ในเวลาต่อมา แอ่งน้ำเกลือเหล่านี้ก็อาจจะอพยพไปด้านข้างผ่านเปลือกน้ำแข็งยูโรปาโดยการหลอมเหลวพื้นที่น้ำแข็งใกล้ๆ ที่เป็นน้ำกร่อยน้อยกว่า และต่อมาก็จะยิ่งมีเกลือสูงขึ้นในกระบวนการนี้ เราได้พัฒนาหนทางที่แอ่งน้ำจะเคลื่อนไปในทางราบ และนี่ก็สำคัญมาก มันสามารถเคลื่อนไปตามความต่างของอุณหภูมิ จากส่วนที่เย็นไปส่วนที่อุ่น และไม่ใช่เฉพาะในทิศทางขึ้นลงแบบที่แรงโน้มถ่วงกำกับเท่านั้น

     แบบจำลองได้ทำนายว่าเมื่อแอ่งน้ำเกลือที่ย้ายได้ไปถึงใจกลางของหลุมอุกกาบาต Manannan มันก็จะหยุดและเริ่มแข็งตัว สร้างแรงดันที่ต่อมาส่งผลให้เกิดพวยพุ ซึ่งประเมินว่ามีความสูงเกิน 1.5 กิโลเมตร การปะทุพวยพุนี้จะทิ้งรอยที่เห็นได้อย่างชัดเจน เป็นรายละเอียดรูปแมงมุมบนพื้นผิวยูโรปาซึ่งเคยพบในภาพจากยานกาลิเลโอ และถูกรวมไว้ในแบบจำลองของนักวิจัย แม้ว่าพวยพุที่เกิดจากแอ่งน้ำเกลือย้ายที่ไม่น่าจะให้แง่มุมโดยตรงถึงมหาสมุทรของยูโรปา แต่การค้นพบของเราก็บอกว่าเปลือกน้ำแข็งของยูโรปาเองก็มีพลวัตสูงมาก Joana Voigt ผู้เขียนนำร่วม จากมหาวิทยาลัยอริโซนา ทุคซอน

     ขนาดที่ค่อนข้างเล็กของพวยพุนี้ซึ่งน่าจะก่อตัวใน Manannan บ่งชี้ว่าหลุมอุกกาบาตอาจจะไม่สามารถอธิบายแหล่งของพวยพุขนาดใหญ่อื่นๆ บนยูโรปาซึ่งถูกตั้งคำถามจากข้อมูลของกาลิเลโอและฮับเบิล แต่กระบวนการตามที่ทำกับการปะทุใน Manannan ก็น่าจะเกิดขึ้นกับวัตถุน้ำแข็งอื่นๆ ได้ แม้กระทั่งไม่เกิดการชนขึ้นก็ตาม การย้ายที่ของแอ่งน้ำเกลือไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นเฉพาะกับหลุมอุกกาบาตของยูโรปา Voigt กล่าว แต่กลไกนี้อาจจะให้คำอธิบายกับวัตถุน้ำแข็งอื่นๆ ที่มีความแตกต่างอุณหภูมิปรากฏอยู่ด้วย

แบบจำลองโครงสร้างภายในของยูโรปา การสำรวจพวยพุซึ่งอาจเชื่อมต่อกับมหาสมุทรข้างใต้พื้นผิวน้ำแข็งซึ่งหนาราว 10 กิโลเมตร ช่วยให้ยานสำรวจข้อมูลเกี่ยวกับมหาสมุทรได้โดยไม่ต้องเจาะหรือดำน้ำลงไปสำรวจมหาสมุทรโดยตรง แต่งานวิจัยใหม่บอกว่าพวยพุอาจไม่เชื่อมต่อกับมหาสมุทร

     การศึกษานี้ยังให้การประเมินว่าพื้นผิวน้ำแข็งและมหาสมุทรของยูโรปาจะเป็นเกลือแค่ไหน ซึ่งจะส่งผลต่อความโปร่งแสงของเปลือกน้ำแข็งในการสำรวจด้วยเรดาร์ การคำนวณโดยใช้ภาพจากกาลิเลโอตั้งแต่ปี 1995 ถึง 1997 ได้แสดงว่ามหาสมุทรของยูโรปาอาจจะมีความเป็นเกลือราวหนึ่งในห้าของมหาสมุทรบนโลก เป็นปัจจัยที่จะช่วยเพิ่มความสามารถของเครื่องรับเรดาร์ของยูโรปาคลิปเปอร์ เพื่อรวบรวมข้อมูลจากภายในดวงจันทร์ได้

      แต่การค้นพบนี้อาจทำให้นักดาราศาสตร์ชีววิทยาไม่สบอารมณ์นัก ซึ่งหวังว่าการปะทุพวยพุของยูโรปาน่าจะมีเงื่อนงำเกี่ยวกับความสามารถในการค้ำจุนชีวิตของมหาสมุทรภายใน โดยบอกเป็นนัยว่าพวยพุไม่จำเป็นต้องเชื่อมต่อกับมหาสมุทร

     อย่างไรก็ตาม แบบจำลองใหม่ได้ให้แง่มุมสู่การระบุรรายละเอียดบนพื้นผิวซับซ้อนของยูโรปา ซึ่งเกิดขึ้นจากกระบวนการทางอุทกศาสตร์ ซึ่งแรงดึงโน้มถ่วงของดาวพฤหัสฯ และแรงแปรสัณฐานที่ซ่อนอยู่ภายในดวงจันทร์น้ำแข็งนี้ Dustin Schroeder ผู้เขียนร่วม ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านธรณีฟิสิกส์ที่สแตนฟอร์ด กล่าวว่า นี่สร้างสภาพใต้พื้นผิวที่ตื้น ซึ่งก็คือ เปลือกน้ำแข็งเอง จะเป็นพื้นที่ที่น่าตื่นเต้นมากกว่าที่เคยคิดไว้ มันจะเปิดหนทางใหม่เอี่ยมในการคิดเกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นกับน้ำใกล้พื้นผิว

     แต่จากงานวิจัยใหม่ ยูโรปาไม่เพียงแต่เป็นความหวังเรืองรองในการค้นหาชีวิตนอกโลก มันเองยังอาจจะเรืองสว่างด้วยเหตุผลอื่น เมื่อดวงจันทร์จะเรืองในความมืดด้วย ในการศึกษาใหม่ทีมที่นำโดย Murthy Gudipati นักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลจีแห่งคาลิฟอร์เนีย(Caltech) และห้องทดลองไอพ่นขับดัน(JPL) ของนาซา ได้บอกว่าการแผ่รังสีจากสนามแม่เหล็กดาวพฤหัสฯ อาจจะเหนี่ยวนำให้เกิดการเรืองแสงบนพื้นผิวน้ำแข็งที่ครอบคลุมยูโรปา อันเนื่องจากปฏิกิริยากับสารเคมีในน้ำแข็ง

      พื้นผิวของยูโรปาต้องเจอกับอนุภาคมีประจุในปริมาณสูงอย่างคงที่ อันเนื่องจากสนามแม่เหล็กที่รุนแรงของดาวพฤหัสฯ อนุภาคมีประจุพลังงานสูงเหล่านี้ซึ่งรวมถึงอิเลคตรอน จะมีปฏิสัมพันธ์กับพื้นผิวที่อุดมด้วยน้ำแข็งและเกลือ เป็นผลให้เกิดกระบวนการทางกายภาพและเคมีที่ซับซ้อนขึ้นมา นักวิจัยอธิบายไว้ในรายงาน

     แต่เนื่องจากเรายังไม่เข้าใจองค์ประกอบเคมีของเปลือกน้ำแข็งยูโรปาอย่างถ่องแท้นัก กระบวนการเหล่านี้จะเป็นอะไรจึงยังไม่แน่ชัด และหอสังเกตการณ์เคกในฮาวาย หรือกล้องฮับเบิล ก็ไม่เคยได้บันทึกการเรืองทางทฤษฎีนี้ได้มาก่อนเลย ซึ่งคงต้องรอไปจนถึงทศวรรษหน้า เมื่อยูโรปาคลิปเปอร์ไปถึงดวงจันทร์น้ำแข็งนี้ และจะมีโอกาสได้เฝ้าดูปรากฏการณ์ประหลาดที่เรียกว่า การเรืองแสงที่ถูกกระตุ้นโดยอิเลคตรอน(electron-stimulated luminescence) อย่างใกล้ชิด แต่ตอนนี้ เราทำได้เพียงจำลองสิ่งที่น่าจะเกิดขึ้นกับตัวแทนบนโลก โดยจำลองทั้งน้ำแข็งบนยูโรปาและการแผ่รังสีอิเลคตรอนพลังงานสูงของดาวพฤหัสฯ

     ในการทดลองในห้องทดลอง ทีมแช่แกนน้ำแข็งไว้ในหลอดอลูมิเนียม ให้น้ำแข็งมีอุณหภูมิต่ำถึง 100 เคลวิน(หรือ
-173.15 องศาเซลเซียส) และปล่อยรังสีอิเลคตรอนใส่มันเป็นจังหวะ ซึ่งเมื่อปล่อยรังสี น้ำแข็งก็จะเปล่งแสงเรืองออกมา แต่ความเข้มของการเรืองแสงนั้นขึ้นอยู่กับว่าในน้ำแข็งมีสารเคมีอื่นชนิดไหน การจำลองน้ำแข็งยูโรปาเปล่งสัญญาณสเปคตรัมที่เป็นคุณลักษณะในช่วงแสงตาเห็นรุนแรงที่สุดที่ 525 นาโนเมตร ซึ่งเป็นช่วงคลื่นแสงสีเขียว เมื่ออาบรังสีอิเลคตรอนพลังงานสูง ผู้เขียนเขียนไว้ในรายงาน

     แต่ความแรงและสีของการเรืองขึ้นอยู่กับองค์ประกอบโมเลกุลที่พบในน้ำแข็ง เราพบว่าการมีโซเดียมคลอไรด์และคาร์บอเนตนั้นแทบไม่พบการเรืองแสง ในขณะที่แอปโซไมต์(epsomite; แร่มักนีเซียมซัลเฟตเฮปตะไฮเดรต) นั้นยิ่งทำให้น้ำแข็งที่อาบรังสีเรืองสว่างมาก 

 

      นอกเหนือจากที่สมมุติฐานบอกไว้ว่ายูโรปาอาจจะเรืองในความมืดอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าเราจะยังไม่สามารถตรวจจับได้ ก็อาจเปิดหนทางใหม่ในการศึกษาดวงจันทร์น้ำแข็งนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เป็นไปได้จากระบบถ่ายภาพของคลิปเปอร์จะสามารถสำรวจการเรืองจากในวงโคจร(ประมาณ 50 กิโลเมตรเหนือพื้นผิว) และในการวิเคราะห์สเปคตรัม ก็จะเปิดช่องทางใหม่ๆ สู่องค์ประกอบเคมีในน้ำแข็งของยูโรปา แยกแยะสสารที่ไม่ใช่น้ำแข็งออกจากพื้นที่ที่เป็นน้ำแข็งบริสุทธิ์ได้

     งานวิจัยที่นำเสนอนี้มีความสำคัญต่อการแจกแจงคุณลักษณะองค์ประกอบทางเคมีและแร่ธาตุวิทยาพื้นผิวยูโรปา นักวิจัยเขียนไว้ในรายงาน พื้นที่สีมืดอาจจะบอกถึงพื้นผิวที่เต็มไปด้วยโซเดียมและคลอไรด์ ในขณะที่พื้นผิวที่สว่างกว่าอาจจะบอกถึงพื้นผิวที่มีมักนีเซียมและซัลเฟต โดยไม่มีน้ำแข็งอยู่

      นอกเหนือจากการช่วยการศึกษายูโรปาในอนาคตแล้ว เทคนิคเดียวกันนี้ก็อาจนำไปสู่วิธีใหม่ในการวิเคราะห์ดวงจันทร์ดาวพฤหัสฯ อื่นๆ เช่นเดียวกัน เช่น ไอโอ(Io) และกานิมีด(Ganymede) แม้ว่านักวิจัยจะบอกว่าความประหลาดนี้อาจจะเกิดกับวัตถุเดียว

     จากสภาพแวดล้อมการอาบรังสีที่เป็นอัตลักษณ์ และความหลากหลายทางองค์ประกอบและเคมีบนพื้นผิวดวงจันทร์ที่ร่ำรวย การเรืองของน้ำแข็งในเวลากลางคืนที่เกิดกับยูโรปาก็อาจจะเฉพาะตัวมากและไม่เหมือนกับปรากฏการณ์ประหลาดอื่นๆ ในระบบสุริยะของเรา นักวิจัยสรุป การค้นพบนี้เผยแพร่ใน Nature Astronomy 

แหล่งข่าว sciencedaily.com : researchers model source of eruption on Jupiter’s moon Europa
                sciencealert.com : the ice on Jupiter’s moon Europa could be literally glowing in the dark, study hints
                iflscience.com : Jupiter’s moon Europa may glow in the dark