ชั้นบรรยากาศไอน้ำของยูโรปา

 

นักวิทยาศาสตร์พบหลักฐานไอน้ำในชั้นบรรยากาศดวงจันทร์ยูโรปาของดาวพฤหัสฯ จากการปะทุพวยพุที่เกิดขึ้นเป็นครั้งคราว ไอน้ำนั้นคงอยู่เฉพาะถิ่นและปรากฏชั่วคราว แต่งานวิจัยใหม่พบไอน้ำที่คงอยู่ในชั้นบรรยากาศดวงจันทร์ กระจายตัวสม่ำเสมอทั่วซีกโลกส่วนตามของดวงจันทร์

      การสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเพิ่งเผยให้เห็นไอน้ำในชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์กานิมีด(Ganymede) หนึ่งในดวงจันทร์ดาวพฤหัสฯ ขณะนี้การวิเคราะห์ภาพและสเปคตรัมในคลังครั้งใหม่ได้เผยว่า ก็พบไอน้ำในชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์น้ำแข็งยูโรปา(Europa) ของดาวพฤหัสฯ ด้วยเช่นกัน การวิเคราะห์พบว่าชั้นบรรยากาศไอน้ำมีอยู่เพียงซีกโลกด้านเดียวของดวงจันทร์เท่านั้น ผลสรุปนี้ขยับขยายความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างชั้นบรรยากาศของดวงจันทร์น้ำแข็งให้ก้าวหน้ามากขึ้น และช่วยวางรากฐานให้กับปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ที่จะตามมาซึ่งจะสำรวจดวงจันทร์น้ำแข็งของดาวพฤหัสฯ

      ยูโรปาเป็นหนึ่งในดวงจันทร์ 79 ดวงของดาวพฤหัสฯ เป็นทั้งดวงจันทร์ที่ใหญ่ที่สุดเป็นอันดับหกของดาวพฤหัสฯ และอันดับหกในระบบสุริยะ มันเป็นโลกน้ำแข็งที่มีขนาดใหญ่กว่าดาวเคราะห์แคระ(dwarf planet) พลูโต โดยมีพื้นผิวน้ำแข็งราบเรียบที่มีรอยแตกและรอยเลื่อนไขว้กันไปมา พื้นผิวดวงจันทร์มีอุณหภูมิเฉลี่ย -170 องศาเซลเซียส และมีชั้นบรรยากาศที่เบาบางมากๆ อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์สงสัยว่ายูโรปาจะมีมหาสมุทรขนาดใหญ่อยู่ใต้พื้นผิวน้ำแข็ง โดยนักวิทยาศาสตร์บางส่วนคาดหวังถึงสิ่งมีชีวิตนอกโลก ขณะนี้เป็นครั้งแรกที่นักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานของไอน้ำคงอยู่ในชั้นบรรยากาศยูโรปา

     ด้วยการใช้เทคนิคที่เพิ่งให้ผลค้นพบไอน้ำในชั้นบรรยากาศกานิมีด นักดาราศาสตร์ได้พบหลักฐานของน้ำในซีกโลกส่วนตาม
(trailing hemisphere) ของยูโรปา ซึ่งเป็นส่วนบนดวงจันทร์ที่หันตรงข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ตลอดเวลา มีการทำนายการกระจายตัวของไอน้ำอย่างไม่สมมาตรโดยการศึกษาก่อนหน้านี้ ซึ่งมีพื้นฐานจากแบบจำลองเสมือนจริงคอมพิวเตอร์ แต่ไม่เคยตรวจพบจากการสำรวจมาก่อนเลย Lorenz Roth จากสถาบันเทคโนโลจีหลวงในกรุงสตอคโฮล์ม สวีเดน ผู้เขียนการศึกษานี้ กล่าวว่า การสำรวจไอน้ำในกานิมีดและในด้านตามของยูโรปา ได้ขยับขยายความเข้าใจของเราเกี่ยวกับชั้นบรรยากาศดวงจันทร์น้ำแข็ง การตรวจพบเอชทูโอ(H20) เสถียรจำนวนหนึ่งบนยูโรปาเป็นเรื่องที่สร้างความแปลกใจเนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวนั้นต่ำเกินไป

ภาพจากศิลปินอธิบายชั้นบรรยากาศไอน้ำบนยูโรปา

    เพื่อสร้างการค้นพบนี้ Roth ขุดชุดข้อมูลในคลังจากฮับเบิลเพื่อเลือกการสำรวจยูโรปาในช่วงอุลตราไวโอเลตจากปี 1999, 2012, 2014 และ 2015 ในขณะที่ดวงจันทร์ก็อยู่ในตำแหน่งในวงโคจรที่แตกต่างกัน การสำรวจเหล่านี้ทั้งหมดทำโดยอุปกรณ์ที่ละเอียดอ่อนที่สุดบนฮับเบิลคือ STIS(Space Telescope Imaging Spectrograph) การสำรวจยูวีโดย STIS เหล่านี้ช่วยให้ Roth ได้ตรวจสอบปริมาณออกซิเจน ซึ่งเป็นองค์ประกอบหนึ่งของน้ำ ในชั้นบรรยากาศยูโรปา และด้วยการแปลผลความแรงของการเปล่งคลื่นที่ช่วงความยาวคลื่นต่างๆ เขาก็สามารถบอกถึงการมีอยู่ของไอน้ำได้

     การสำรวจพบไอน้ำบนยูโรปาก่อนหน้านี้ มีความเกี่ยวข้องกับพวยพุที่ปะทุผ่านชั้นน้ำแข็งขึ้นมาเป็นครั้งคราว ซึ่งคล้ายกับน้ำพุบนโลกแต่มีความสูงเกิน 100 กิโลเมตร น้ำบางส่วนก็กลายเป็นน้ำแข็งบนพื้นผิวแต่บางส่วนก็เปลี่ยนเป็นก๊าซ ปรากฏการณ์ประหลาดที่พบเห็นในการศึกษาพวยพุเหล่านี้ดูจะสร้างความไม่เป็นเนื้อเดียวกันหรือกลุ่มก้อนในชั้นบรรยากาศอย่างชั่วคราว ซึ่งพบไอน้ำเพียงหนึ่งครั้งจากการสำรวจ 17 งานบอกถึงอายุที่สั้น

     อย่างไรก็ตาม ผลสรุปใหม่ได้แสดงปริมาณไอน้ำที่ใกล้เคียงกันปรากฏอยู่กระจายเป็นพื้นที่ที่กว้างกว่า ในการสำรวจจากปี 1999 ถึง 2015 นี่บอกถึงการมีอยู่ของไอน้ำในชั้นบรรยากาศในระยะยาวบนซีกโลกด้านตามของยูโรปาอย่างน้อยก็มีในปริมาณที่กล้องฮับเบิลสามารถตรวจจับได้ แต่แม้จะมีไอน้ำบนซีกโลกด้านตามของยูโรปา ก็ไม่มีข้อบ่งชี้ถึงไอน้ำในซีกโลกด้านนำของดวงจันทร์ที่ถูกล๊อคด้วยแรงบีบฉีก(tidal lock) เลย

     ยูโรปาสะท้อนแสงอาทิตย์ได้มากกว่ากานิมีด และจึงมีอุณหภูมิเย็นกว่ากานิมีดประมาณ 33 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสูงสุดบนยูโรปาน่าจะอยู่ที่ราว -160 องศาเซลเซียส ซึ่งน่าจะมีน้ำแข็งจำนวนหนึ่งที่ระเหิดและเปลี่ยนกลายเป็นไอลอยขึ้นมา แต่จากความจริงที่พบไอน้ำเฉพาะบนซีกโลกด้านตามของยูโรปา ก็ยังไม่แน่ชัดว่าเป็นเพราะเหตุใด

ภาพจากกล้องฮับเบิลแสดงดาวพฤหัสฯ และยูโรปาในเดือนสิงหาคม 2020

     นักวิทยาศาสตร์อวกาศที่ทำงานเพื่อให้เข้าใจดวงจันทร์น้ำแข็งเหล่านี้จะสามารถเก็บเกี่ยวประโยชน์จากภาพในระยะประชิดเมื่อปฏิบัติการของอีซา JUICE(Jupiter Icy moons Explorer) กำลังเตรียมตัวเดินทางไปกานิมีด, คัลลิสโตและยูโรปา ดวงจันทร์น้ำแข็งสามดวงที่ใหญ่ที่สุดของดาวพฤหัสฯ JUICE เป็นปฏิบัติการขนาดใหญ่งานแรกของอีซาในโครงการ Cosmic Vision 2015-2025 และคาดว่าจะส่งออกได้ในปี 2022 และไปถึงระบบดาวพฤหัสฯ ในปี 2031

     ยานจะนำชุดเครื่องมือชั้นสูงซึ่งเป็นระวางตรวจสอบจากระยะไกล(remote sensing) ที่ทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยบินออกสู่ระบบสุริยะส่วนนอกมา และจะใช้เวลาอย่างน้อยสามปีเพื่อทำการสำรวจระบบดาวพฤหัสฯ ในรายละเอียด ยูโรปายังเป็นปลายทางของปฏิบัติการ Europa Clipper ของนาซา ซึ่งคาดว่าน่าจะส่งออกในปี 2024 และไปถึงระบบดาวพฤหัสฯ ในปี 2030 จะบินผ่านดวงจันทร์ในระยะประชิดหลายสิบครั้ง, ศึกษามหาสมุทรและเปลือกน้ำแข็งของมั และบางทีอาจจะบินผ่านพวยพุถ้าปะทุขึ้นมาอย่างเหมาะเจาะ และสำรวจความสามารถในการเอื้ออาศัยได้(habitability) ของมัน เช่นเดียวกับหาพื้นที่ลงจอดสำหรับปฏิบัติการในอนาคต

      ผลสรุปนี้เป็นรากฐานสำหรับงานวิทยาศาสตร์ในอนาคตสำหรับปฏิบัติการที่จะเกิดขึ้นสู่ดวงจันทร์ดาวพฤหัสฯ Roth สรุป ยิ่งเราสามารถเข้าใจเกี่ยวกับดวงจันทร์น้ำแข็งเหล่านี้ก่อนยานอย่าง JUICE และคลิปเปอร์บินไป ได้มากแค่ไหน เราก็จะยิ่งสามารถใช้เวลาการสำรวจที่มีจำกัดได้ดีขึ้นตามไปด้วย

     การค้นพบและแง่มุมจากปฏิบัติการที่จะเกิดขึ้นอย่าง JUICE จะปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่มีศักยภาพเอื้ออาศัยได้ในระบบสุริยะ การเข้าใจการก่อตัวและวิวัฒนาการของดาวพฤหัสฯ และดวงจันทร์ของมันยังช่วยนักดาราศาสตร์ให้ได้แง่มุมสู่ดาวเคราะห์นอกระบบที่คล้ายดาวพฤหัสฯ รอบดาวฤกษ์อื่น เมื่อรวมกับการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศเช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ นี่จะช่วยนักดาราศาสตร์ให้ตรวจสอบได้ว่าจะมีชีวิตอุบัติขึ้นในระบบดาวเคราะห์ต่างด้าวที่คล้ายดาวพฤหัสฯ ในแห่งหนอื่นในเอกภพได้หรือไม่

แหล่งข่าว spacetelescope.org : Hubble finds evidence of persistent water vapour atmosphere on Europa
                space.com : water vapour detected on Jupiter’s ocean moon Europa
                 iflscience.com : Europa has a persistent single-hemisphere water vapor atmosphere