ข้อมูลการไหวสะเทือนบนดาวอังคารที่ตรวจสอบโดยไซสโมมิเตอร์ของปฏิบัติการอินไซท์ บอกถึงโครงสร้างภายในของดาวอังคาร โดยชั้นเปลือกบางเป็นแผ่นธรณีเดียวกันทั่วดาวเคราะห์ เปลือกอาจมีชั้นย่อย 2 หรือ 3 ชั้น; ชั้นแมนเทิล
(mantle) ซึ่งไม่มีการแบ่งชั้นหิน และแกนกลางที่ยังเป็นของเหลวทั้งหมด
ทีมวิทยาศาสตร์ปฏิบัติการอินไซท์ของนาซา
ได้ใช้การไหวสะเทือนภายในลึกบนดาวอังคารที่มีอยู่ไม่มากเพื่อเข้าถึงกายวิภาคศาสตร์ของดาวเคราะห์แดง
วิชาแผ่นดินไหว(seismology) บนโลกเป็นวิทยาศาสตร์แขนงที่ค่อนข้างอายุน้อย
โดยการตรวจสอบชั้นแมนเทิล(mantle) ครั้งแรกทำในปี
1889 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ในเจอรมนีได้บันทึกแผ่นดินไหว(earthquake)
ที่มีกำเนิดจากญี่ปุ่นได้ นักวิทยาศาสตร์เพิ่งเริ่มใช้แผ่นดินไหวบนโลกเป็นหน้าต่างสู่ภายในของดาวเคราะห์บ้านของเรา
ในอีกหลายทศวรรษต่อมา นักบินปฏิบัติการอะพอลโล่ได้ติดตั้งสถานีตรวจสอบการไหวสะเทือนบนดวงจันทร์
4 แห่งซี่งสามารถจับได้เฉพาะการไหวครั้งใหญ่ๆ
แต่ก็ได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สำรวจภายในของดวงจันทร์ และขณะนี้
เราก็กำลังทำสิ่งเดียวกันนี้กับดาวอังคาร ซึ่งได้ผลสรุปที่น่าประหลาดใจออกมาด้วย
ปฏิบัติการอินไซท์(InSight; Interior
Exploration using Seismic Investigation, Geodesy and Heat Transport) ของนาซาร่อนลงจอดบนพื้นผิวดาวอังคารในเดือนพฤศจิกายน
2018 และไซสโมมิเตอร์(seismometer)
ของมัน SEIS(Seismic
Experiment for Interior Structure) ได้บันทึกการไหวสะเทือนบนดาวอังคาร(Marsquakes)
ได้มากกว่าหนึ่งพันครั้งตั้งแต่ต้นปี
2019 เป็นต้นมา แต่มีเพียงจำนวนน้อยนิดเท่านั้นที่เป็นการไหวภายในลึกๆ
ที่นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เพื่อตรวจสอบกายวิภาคศาสตร์ของดาวเคราะห์ได้
ทีมวิทยาศาสตร์ได้รายงานเป็นการศึกษา 3
ชิ้นเผยแพร่ในวารสาร Science วันที่ 23 กรกฎาคม ได้วิเคราะห์การไหวในระดับลึกประมาณ 10
ครั้งเพื่อทำการตรวจสอบโครงสร้างภายในดาวเคราะห์หินดวงนี้ได้โดยตรงเป็นครั้งแรก
ผลสรุปก็คือ มีเปลือกที่บางจนน่าประหลาดใจ, ชั้นแมนเทิลที่ไม่แบ่งชั้นหิน(undifferentiated
mantle) และแกนกลางที่ใหญ่กว่าที่คาดไว้
เหล่านี้จะช่วยบอกได้ว่าดาวอังคารก่อตัวและพัฒนาตัวอย่างไร
เปลือกหนาหรือเปลือกบาง
ก่อนการมาถึงของอินไซท์ นอกเหนือจากพึ่งพาอุกกาบาตดาวอังคาร
นักวิทยาศาสตร์ถูกจำกัดโดยประเมินเปลือกดาวอังคารได้จากวงโคจรเท่านั้น
ดาวเทียมได้สำรวจแรงโน้มถ่วงเมื่อพวกมันโคจรรอบดาวเคราะห์
ซึ่งน่าจะเพิ่มสูงขึ้นเล็กน้อยเมื่อพวกมันบินผ่านเปลือกที่หนา
การตรวจสอบเหล่านั้นได้ให้มุมมองความหนาเปรียบเทียบของเปลือก
แต่การไหวสะเทือนของดาวอังคารมีศักยภาพที่ทำให้เกิดการตรวจสอบได้อย่างชัดเจนเป็นครั้งแรก
แต่การตรวจสอบการไหวสะเทือนก็ไม่ใช่เพียงแค่การส่งแลนเดอร์ไปลงบนดาวอังคาร นักวิทยาศาสตร์ยังต้องรอให้ดาวเคราะห์ส่งข้อมูลมาให้
ถ้าคุณกำลังรอการไหวสะเทือน
ก็ต้องรอจนเกิดการไหวขึ้น Simon Stähler สมาชิกทีมจาก
ETH ซือริค
สวิตเซอร์แลนด์ กล่าว แน่นอนว่าเมื่อคุณเจอสถานการณ์นี้ มันก็เหมือนกับว่า อ้าว
มันใช้ไม่ได้
แน่นอนว่ามันเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากที่จะรอเหตุการณ์การไหวสะเทือนครั้งแรกที่อินไซท์ได้พบบนดาวอังคาร
Brigitte Knapmeyer-Endrun จากมหาวิทยาลัยโคญน์
เจอรมนี ผู้นำร่วมเครื่องมือ SEIS เหตุการณ์ซึ่งปรากฏในวันที่
23 เมษายน 2019
แต่ก็ยังไม่ใช่ชนิดที่รอคอย
ทีมต้องรอไปอีกหลายเดือนหลังจากปล่อยไซสโมมิเตอร์
ก่อนที่จะมีการไหวเกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำมากพอที่จะบ่งชี้ว่ามันเดินทางผ่านตลอดชั้นเปลือกทั้งส่วน
แต่แค่การไหวครั้งนี้ครั้งเดียวก็ได้แสดงว่าเรายังต้องการการไหวในระดับลึกเพื่อยืนยันว่า
เปลือกดาวเคราะห์บางกว่าที่คาดไว้
เมื่อเกิดแผ่นดินไหวบนโลก หรือบนดาวอังคาร
คลื่นการไหวจะเดินทางผ่านดาวเคราะห์ คลื่นหลัก(primary wave; P-wave) จะนำ เดินทางได้อย่างรวดเร็วผ่านชั้นต่างๆ คลื่นชนิดนี้เป็นคลื่นที่บีบอัดตัวคล้ายกับคลื่นเสียงที่เดินทางผ่านอากาศ
และจะตามมาด้วย คลื่นทุติยภูมิ(secondary wave; S-wave) ซึ่งเป็นคลื่นเฉือน(shear waves) ที่มีการสั่นในแนวตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของคลื่น
เหมือนกับสายของกีตาร์ การตรวจสอบเวลาระหว่าง P- และ S-wave ช่วยให้นักวิจัยได้ตรวจสอบว่าการไหวเกิดขึ้นห่างไกลแค่ไหน
คลื่นทั้งสองชนิดยังเดินทางด้วยความเร็วที่ต่างกันผ่านสสารที่ต่างกัน
ยิ่งทำให้เวลาการมาถึงเหลื่อมมากขึ้นไปอีก สุดท้าย
คลื่นอาจถูกดักและสะท้อนออกจากชั้นต่างๆ ให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับภายในของดาวเคราะห์
กระทั่งเมื่อไม่นานมานี้เองที่คิดกันว่าดาวอังคารไม่ได้มีกิจกรรมทางธรณีวิทยาที่คึกคักเป็นพิเศษ
มันไม่มีแผ่นเปลือกแปรสัณฐาน(tectonic plates) โดยเป็นชั้นเปลือกชิ้นเดียวทั่วดาวเคราะห์
แม้ว่าจะมีพื้นที่ที่เคยเป็นภูเขาไฟโบราณ แต่ก็ไม่เคยสำรวจพบกิจกรรมภูเขาไฟใหม่ๆ
เลย มันยังไม่มีสนามแม่เหล็กดาวเคราะห์ด้วย
ในตอนแรก
การวิเคราะห์ใหม่ดูเหมือนจะแสดงว่าเปลือกดาวอังคารมีชั้นย่อย 2 ชั้นและมีความหนารวมเพียง 20 กิโลเมตร ชั้นบนหนาราว 10 กิโลเมตรในตำแหน่งใต้แลนเดอร์อินไซท์
นี่บางกว่าที่แบบจำลองใดๆ ได้ทำนายไว้ Knapmeyer-Endrun กล่าว คลื่นเดินทางผ่านเปลือกได้ช้ามาก
ชั้นบนสุดจึงอาจจะเป็นรอยแยก พรุนอย่างไม่น่าเชื่อจากการชนของอุกกาบาตที่เกิดซ้ำๆ
ตลอดช่วงเวลายาวนานนับตั้งแต่การก่อตัวของเปลือก และปัจจัยทางเคมีก็มีผลด้วย
เธอกล่าว
เปลือกชั้นที่สองแผ่ลงไปถึงระดับความลึก 20
กิโลเมตรและน่าจะเป็นชั้นที่มีลักษณะโบราณกว่าชั้นบน
ถูกปกป้องจากการชนและการเปลี่ยนสภาพบนพื้นผิว การไหวและการวิเคราะห์เพิ่มเติมได้แสดงว่าเปลือกน่าจะมีชั้นย่อยเพิ่มขึ้นมาอีก
1 ชั้นซึ่งประกอบด้วยวัสดุที่แตกต่างจากสองชั้นบน
ทำให้มันหนาขึ้นสองเท่า(39 กิโลเมตร)
น่าจะใกล้เคียงกับที่คาดไว้มากกว่า(ทางเลือกทั้งสองอยู่ที่ปลายด้านบางสุดเมื่อเทียบกับเปลือกทวีปบนโลก
ซึ่งมักจะหนา 35 ถึง 70 กิโลเมตร)
ข้อมูลอินไซท์ไม่เพียงแต่ช่วยแยกแยะระหว่างความเป็นไปได้ทั้งสองทาง
เราก็หวังเป็นอย่างยิ่งที่จะไขปริศนานี้
อาจจะเป็นการวิเคราะห์ข้อมูลมากขึ้นหรือใช้วิธีการใหม่ๆ
เพื่อวิเคราะห์ข้อมูลที่มีอยู่ แต่เรายังไปไม่ถึงเลย Knapmeyer-Endrun กล่าวเสริม
แม้ว่าเปลือกจะเป็นเพียงส่วนบน 1% ของดาวอังคาร
แต่ความหนาที่แท้จริงก็น่าจะเปิดช่องสู่การก่อตัวของดาวเคราะห์ ในฐานะที่เปลือกเป็นส่วนแรกที่แข็งตัวเมื่อดาวเคราะห์ที่หลอมเหลวโดยสิ้นเชิงเริ่มเย็นตัวลง
เปลือกจึงเก็บความทรงจำองค์ประกอบในช่วงเวลาแรกๆ ไว้
เปลือกที่บางน่าจะเกิดจากธาตุกัมมันตรังสีที่เปล่งความร้อน(radioactive
heat-producing element) ในสัดส่วนที่สูงอย่างไม่คาดคิด(13
ถึง 21 เท่าของปริมาณธาตุกัมมันตรังสีในแมนเทิล)
การตรวจสอบสเปคตรัมรังสีแกมมาจากวงโคจรได้แสดงว่าพื้นผิวไม่ได้อุดมไปด้วยธาตุกัมมันตรังสี
ดังนั้นพวกมันจะต้องฝังอยู่ในเปลือกลึกลงไปอีกแค่อยู่เหนือชั้นแมนเทิล
องค์ประกอบที่เป็นกัมมันตรังสีในเปลือกที่หนาขึ้น
ก็น่าจะสอดคล้องกับการสำรวจพื้นผิวได้ด้วยเช่นกัน
ถ้าฝั่งเปลือกบางถูกต้อง
ก็น่าจะเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจอย่างแท้จริง Doris Breuer จาก DLR เจอรมนี
ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษานี้ กล่าวว่า เปลือกที่บางน่าจะสร้างคำถามมากมายว่ามันก่อตัวได้อย่างไร
และนี่ส่งผลโดยรวมต่อวิวัฒนาการด้านอุณหเคมีของดาวอังคารอย่างไร
คลื่นไหวสะเทือนบอกเราเกี่ยวกับคุณสมบัติและรอยต่อของภายในดาวเคราะห์ได้ ไซสโมมิเตอร์ของอินไซท์ได้ตรวจจับคลื่นเฉือน(shear wave) ที่เดินทางจากตำแหน่งที่เกิดการไหว และสะท้อนออกจากแกนกลางเหล็ก-นิกเกิล และช่วยให้เราได้ประเมินขนาดของแกนกลาง ความแรงของคลื่นที่สะท้อนแสดงว่าแกนกลางมีสถานะเป็นของเหลว ซึ่งคลื่นเฉือนไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านมันไปได้
ลึกกว่านั้น
เมื่อเทียบกับสภาพที่เปลือกค่อนข้างบาง Amir
Khan จาก ETH
Zurich สวิตเซอร์แลนด์
และมหาวิทยาลัยซือริค สวิตเซอร์แลนด์ ผู้เขียนนำรายงานฉบับที่สอง และเพื่อนร่วมงานได้พบว่า
ชั้นแมนเทิลของดาวอังคารแผ่ลึกลงไปมาก ถึงระดับ 400 ถึง 600 กิโลเมตร(เปรียบเทียบแล้วลึกกว่าโลกสองเท่า)
ยิ่งกว่านั้น การไหวสะเทือนบนดาวอังคารก็แสดงให้เห็นว่ามันมีโครงสร้างง่ายๆ
ไม่มีการแบ่งชั้นหิน(differentiated)
ในชั้นแมนเทิลของโลกมี 2 ชั้นย่อย
โดยชั้นบนมีลักษณะทางธรณีวิทยาที่คล้ายกับแมนเทิลดาวอังคารแต่แมนเทิลดาวอังคารมีเหล็กอยู่มากกว่า
ในขณะที่ชั้นล่างนั้นอุดมไปด้วย บริดจมาไนท์(bridgmanite) ซึ่งเป็นแร่ธาตุที่ไม่เสถียรบนพื้นผิวโลก
พื้นที่เปลี่ยนผ่านระหว่างแมนเทิลส่วนบนและล่าง ทำหน้าที่เหมือนเป็นผ้าหุ่มกันความร้อน
รักษาไม่ให้แกนกลางสูญเสียความร้อน เมื่อไม่มีชั้น(แมนเทิล) ส่วนล่าง
ดาวอังคารก็สูญเสียความร้อนจากแกนกลางได้เร็วกว่าโลก
อย่างไรก็ตาม
ข้อมูลของอินไซท์ได้แสดงว่าแกนกลางดาวอังคารยังคงเป็นของเหลวทั้งหมด
ตามที่ได้คาดไว้ ด้วยการวิเคราะห์การไหวสะเทือน 6 ครั้งบนดาวอังคารที่เดินทางมาถึงอินไซท์ในมุมที่เหมาะสม
Stähler และเพื่อนร่วมงานได้พบว่าแกนกลางนั้นมีขนาดที่ขีดจำกัดด้านใหญ่สุด
จากที่การตรวจสอบทางอ้อมได้บอกไว้ คือมีความกว้างระหว่าง 3580 ถึง 3740 กิโลเมตร
หรือแกนกลางเริ่มต้นที่ประมาณครึ่งทางสู่ใจกลางดาวเคราะห์
แกนกลางที่ใหญ่เช่นนี้จะต้องมีความหนาแน่นต่ำกว่าที่เคยคิดไว้
ซึ่งบอกว่ามันประกอบด้วยธาตุเบาเช่น กำมะถัน, ออกซิเจน, คาร์บอน และไฮโดรเจนนอกเหนือจากนิกเกิลและเหล็ก
ในสัดส่วนที่สูงอย่างคาดไม่ถึง แกนกลางที่ใหญ่ขึ้นและเบาขึ้น อาจจะไม่มีส่วนในที่แข็งเหมือนกับแกนกลางของโลก
มันยังอาจจะดูน่าประหลาดใจที่ดาวอังคารขาดแคลนสนามแม่เหล็กดาวเคราะห์
แม้จะมีแกนกลางของเหลว แต่ไดนาโมที่ขับดันสนามแม่เหล็กดาวเคราะห์นั้นมีความซับซ้อน
และต้องมีเชื้อไฟ
แกนกลางส่วนในที่แข็งของโลกได้ให้เชื้อไฟดังกล่าว
โดยการเปล่งความร้อนเมื่อมันตกผลึกซึ่งจะกวนแกนส่วนนอก
และผลักดันการสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น ในทางตรงกันข้าม
ดาวอังคารอาจจะขับดันสนามแม่เหล็กทั่วดาวเคราะห์ผ่านการเปล่งความร้อนภายในที่เหลือจากการก่อตัว
นี่น่าจะคงอยู่เพียงไม่กี่ร้อยล้านปีเท่านั้น สอดคล้องกับการสำรวจจากพื้นผิวที่แสดงว่าสนามแม่เหล็กทั่วดาวเคราะห์ได้ปิดตัวลงระหว่าง
3.7 ถึง 4.5
พันล้านปีก่อน ซึ่งดาวอังคารไม่เพียงแต่สูญเสียชั้นบรรยากาศเกือบทั้งหมดไป
ยังรวมถึงน้ำของเหลวที่เคยไหลบนพื้นผิวดาวเคราะห์ด้วย
ยังเป็นไปได้ที่สนามทั่วดาวอังคารอาจจะฟื้นคืนได้ภายใต้สภาวะที่จำเพาะเช่น
ถ้าแกนกลางส่วนในตกผลึก หรือถ้าเหล็กกลายเป็นหิมะใกล้กับรอยต่อของแกนกลาง แต่อนาคตที่รออยู่สำหรับสภาพแม่เหล็กของดาวอังคาร
ขึ้นอยู่กับการตรวจสอบเชิงลึกมากขึ้นว่าจะมีธาตุเบาอยู่ในแกนกลางมากแค่ไหน Stähler
และทีม ระบุ
การตรวจสอบครั้งบุกเบิกของอินไซท์เกิดขึ้นอย่างลำบากในหลายทาง สิ่งแรกคือ
ไม่เหมือนกับบนโลกหรือกระทั่งบนดวงจันทร์ของโลก
บนดาวอังคารมีไซสโมมิเตอร์เพียงตัวเดียว
ซึ่งทำให้การระบุแหล่งการไหวโดยวิธีตรีโกณมิติยิ่งยากมากขึ้น ประการที่สอง
การไหวสะเทือนบนดาวอังคารค่อนข้างอ่อนเมื่อเทียบกับที่เกิดบนโลก และลมก็พัดแรง
นักวิทยาศาสตร์ต้องเรียนรู้จากการทดลองการไหวสะเทือนที่ล้มเหลวเมื่อไม่ได้ปกป้องส่วนบนของแลนเดอร์ไวกิง
2 ไว้ SEIS
จึงมีกรงรอบๆ มันเพื่อกันลม
แต่แม้จะทำแบบนั้น การไหวก็ยังจับได้ยากขึ้นในช่วงพายุฤดูหนาวบนดาวอังคารที่พัดกระหน่ำ
จากนั้นก็เป็นที่การไหวเอง
ในบรรดาการไหวสะเทือนบนดาวอังคารมากกว่าหนึ่งพันครั้ง เกือบทั้งหมดเกิดขึ้นแบบเบาๆ
และตื้นๆ การไหวที่ใช้เป็นประโยชน์ได้มาจากใต้เปลือก โดยปกติจะมาจากกิจกรรมใกล้ Cerberus
Fossae ซึ่งเป็นพื้นที่รอยแตกแห่งหนึ่งที่เปลือกแยกตัวออกจากกัน
กลายเป็นว่า แกนกลางขนาดใหญ่ได้สร้างเงาการไหว(seismic shadow) ซึ่งกันการไหวเกือบทั้งหมดที่น่าจะมาจากที่อื่นๆ
บนดาวเคราะห์ เช่นที่พื้นที่ Tharsis Rise หมายเหตุ
ในขณะเดียวกัน เครื่องมืออีกชิ้นของอินไซท์ “เจ้าตุ่น”
ซึ่งตรวจสอบความร้อนก็ล้มเหลวจนเกินแก้ไขแล้วเมื่อติดแหง็ก
ปฏิบัติการส่วนนี้จึงจบไปและก็ไม่สามารถทำการตรวจสอบการสูญเสียความร้อนของดาวอังคารได้อย่างสมบูรณ์
เพื่อใช้การไหวสะเทือนดาวอังคารที่ได้ตรวจจับให้เกิดประโยชน์มากที่สุด
ทีมเบื้องหลังการศึกษาทั้งสามงานได้ใช้วิธีการวิเคราะห์หลายวิธีซึ่งเป็นอิสระต่อกัน
Stähler ให้เครดิตกับทีมที่ใหญ่มากนี้ซึ่งทำให้การวิเคราะห์เป็นไปได้
เขาบอกว่านักวิทยาศาสตร์สองในสามนั้นเป็นนักแผ่นดินไหววิทยาบนโลก
ซึ่งไม่เคยทำงานกับข้อมูลดาวเคราะห์อื่นมาก่อนเลย
ก่อนที่จะร่อนลงจอด
พวกเขามีความคิดว่าจะทำอะไรได้บ้างบนดาวอังคาร เขากล่าว
และจากนั้นข้อมูลดาวอังคารก็มา คือ มันแตกต่างออกไปเลย มันซับซ้อน
นักวิทยาศาสตร์ต้องพับแนวคิดบางงานไป และปรับงานอื่นๆ
เพื่อที่จะตรวจสอบภายในดาวอังคารได้
นาซาเพิ่งอนุมัติปฏิบัติการภาคต่อของอินไซท์จนถึงสิ้นปีหน้า
ให้ผ่านฤดูหนาวดาวอังคารในตอนนี้ซึ่งจะตรวจจับการไหวสะเทือนได้ยากขึ้นอันเนื่องจากลมที่แรง
แม้จะประสบปัญหาวิกฤติพลังงานอันเนื่องจากฝุ่นเมื่อต้นปี
แต่แลนเดอร์ซึ่งใช้พลังงานแสงอาทิตย์ก็ยังพอจะสร้างพลังงานได้บ้าง
อย่างน้อยเราก็คงปลอดภัยที่จะผ่านฤดูหนาวนี้ และอาจจะไปไกลได้ถึงปี 2022
Stähler กล่าว
ในกรอบเวลาดังกล่าว
นักวิทยาศาสตร์คาดว่าอินไซท์จะตรวจสอบการไหวความถี่ต่ำคุณภาพสูงได้อีกสัก 10
ครั้ง
ซึ่งจะช่วยให้พวกเขาได้เจาะลึกเข้าสู่ดาวเคราะห์
การไหวสะเทือนบนดาวอังคารบางเหตุการณ์ก็น่าตื่นเต้นมากที่จะตรวจพบ
ยกตัวอย่างเช่น การไหวที่แมกนิจูด 4 หรือมากกว่านั้น
น่าจะช่วยให้ทีมได้ตรวจสอบว่าแกนกลางส่วนในเป็นของแข็งหรือไม่
และการไหวที่เคลื่อนตัวไปตามพื้นผิวดาวเคราะห์ก็น่าจะช่วย Knapmeyer-Endrun
ไขปริศนาความหนาของเปลือกได้โดยช่วยให้มีการตรวจสอบไม่เพียงแต่ที่ตำแหน่งของแลนเดอร์เอง
แต่ยังตลอดเส้นทางระหว่างแลนเดอร์กับจุดศูนย์กลาง(epicenter) การไหวด้วย
แหล่งข่าว skyandtelescope.com
: NASA’s Insight reveals first look inside Mars
space.com : Marsquakes
reveal red planet has surprisingly large core, thin crust
sciencealert.com : a
detailed map of the internal structure of Mars has been revealed for the first
time
No comments:
Post a Comment