ช่วงเวลาแห่งการชนในระบบสุริยะช่วงต้น

 

ก่อนที่โลกและดาวเคราะห์อื่นๆ จะก่อตัวขึ้นมา ดวงอาทิตย์ที่ยังอายุน้อยยังคงมีก๊าซและฝุ่นล้อมรอบ 

     คงไม่ผิดที่จะบอกว่าระบบสุริยะช่วงต้นๆ เป็นสถานที่แห่งความวุ่นวาย การชนที่เกิดขึ้นเป็นระลอกใหญ่ตกแต่งระบบสุริยะอายุน้อยของเราเมื่อหิน, กองหิน และวัตถุดิบก่อตัวดาวเคราะห์(planetesimals) ชนกันซ้ำๆ การศึกษาใหม่ที่อ้างอิงจากชิ้นส่วนของดาวเคราะห์น้อยที่ชนกับโลกได้ให้ช่วงเวลาความโกลาหลนี้

     นักดาราศาสตร์ทราบว่าดาวเคราะห์น้อยยังคงรักษาสภาพเดิมๆ ไว้ตั้งแต่ที่พวกมันก่อตัวขึ้นมาในช่วงต้นของระบบสุริยะเมื่อหลายพันล้านปีก่อน พวกมันก็เหมือนแคปซูลเวลาที่เก็บเงื่อนงำทางวิทยาศาสตร์จากช่วงเวลาที่สำคัญนั้น เนื่องจากดาวเคราะห์น้อยที่มีการแบ่งชั้นหิน(differentiated) มีชั้นแมนเทิล(mantle) ที่ปกป้องภายในไว้ จากสภาวะอวกาศ(space weathering) แต่ก็ไม่ใช่ว่าดาวเคราะห์น้อยจะคงสภาพครบถ้วนไปซะทีเดียว

     เมื่อเวลาผ่านไป การชนที่เกิดขึ้นครั้งแล้วครั้งเล่าจะฉีกชั้นแมนเทิลที่ปกคลุมออกจากแกนกลางที่เป็นเหล็ก และจากนั้นก็กระแทกจนแกนกลางเหล่านั้นบางส่วนแตกออกเป็นชิ้น ชิ้นส่วนเหล่านั้นบางส่วนก็ตกลงบนโลก ผู้คนให้ความสนใจเป็นอย่างมากต่อหินที่ตกลงมาจากท้องฟ้า และเป็นทรัพยากรที่มีค่าในบางกรณี เช่น ฟาโรห์ทุตเองก็ถูกฝังพร้อมกริชเล่มหนึ่งที่ทำจากอุกกาบาตเหล็ก และชาวอินูอิตในกรีนแลนด์ก็สร้างเครื่องมือขึ้นจากอุกกาบาตเหล็กก้อนหนึ่งมาหลายร้อยปีแล้ว

     นักวิทยาศาสตร์มีความสนใจต่ออุกกาบาตเหล็กอย่างมากเนื่องจากข้อมูลที่บรรจุไว้ การศึกษาใหม่ที่ทำกับอุกกาบาตเหล็ก ซึ่งเป็นชิ้นส่วนจากแกนกลางของดาวเคราะห์น้อยขนาดใหญ่กว่านั้น ได้พิจารณาไอโซโทปของพัลลาเดียม, เงิน และทองคำขาว(platinum) ด้วยการตรวจสอบปริมาณของไอโซโทปเหล่านั้น ผู้เขียนก็สามารถกำหนดช่วงเวลาบางเหตุการณ์ในระบบสุริยะช่วงต้นให้แคบลงได้

กริชของฟาโรห์ทุต image credit: bbcnews 
 

     รายงาน “The Dissipation of the solar nebula constrained by impacts and core cooling in planetesimals” เผยแพร่ในวารสาร Nature Astronomy ผู้เขียนนำคือ Alison Hunt จากสถาบันเทคโนโลจีกลางแห่งสหพันธรัฐสวิสที่ซือริค(ETH Zurich) และศูนย์เพื่อความรอบรู้ในการวิจัยแห่งชาติ(NCCR) PlanetS การศึกษาทางวิทยาศาสตร์ก่อนหน้านี้ได้แสดงว่าดาวเคราะห์น้อยในระบบสุริยะยังคงไม่ค่อยเปลี่ยนไปนับตั้งแต่พวกมันก่อตัวขึ้นเมื่อหลายพันล้านปีก่อน Hunt กล่าว ดังนั้น พวกมันจึงเป็นดั่งคลังที่เก็บงำสภาวะระบบสุริยะช่วงต้นไว้

      ชาวอิยิปต์โบราณและชนเผ่าอินูอิตไม่ทราบอะไรเกี่ยวกับธาตุหรือไอโซโทป และปฏิกิริยาลูกโซ่การสลายตัว แต่เราเข้าใจว่าธาตุที่แตกต่างกันสลายตัวในปฏิกิริยาลูกโซ่กลายเป็นธาตุอื่นอย่างไร และเราทราบว่ามันต้องใช้เวลานานแค่ไหน

     หนึ่งในปฏิกิริยาลูกโซ่การสลายตัวเป็นหัวใจในการศึกษานี้คือ การสลายตัวของพัลลาเดียม-107 เป็น เงิน-107(¹⁰⁷Pd-¹⁰⁷Ag decay) ซึ่งมีอายุสั้น ปฏิกิริยามีค่าครึ่งชีวิต(half-life; การสลายตัวเป็นธาตุใหม่จนเหลือธาตุเดิมเพียงครึ่งเดียว) ที่ประมาณ 6.5 ล้านปี และถูกใช้เพื่อตรวจจับการมีอยู่ของนิวคลีไอด์อายุสั้นจากระบบสุริยะช่วงต้น นักวิจัยรวบรวมตัวอย่างจากอุกกาบาตเหล็กที่แตกต่างกัน 18 ก้อน ซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นแกนกลางโลหะของดาวเคราะห์น้อย

      จากนั้น พวกเขาแยกพัลลาเดียม, เงิน และทองคำขาวในตัวอย่างออกมา และใช้สเปคโตรมิเตอร์มวลเพื่อตรวจสอบความเข้มข้นของไอโซโทปต่างๆ ของธาตุทั้งสาม โดยเฉพาะไอโซโทปพิเศษชนิดหนึ่งของเงิน

การจัดกลุ่มอุกกาบาตแบ่งตามวัตถุต้นกำเนิดที่แตกต่างกัน

      ในช่วงไม่กี่ล้านปีแรกของความเป็นมาของระบบสุริยะ ไอโซโทปกัมมันตรังสีที่สลายตัว ได้ให้ความร้อนแก่แกนกลางเหล็กของดาวเคราะห์น้อย เมื่อพวกมันเย็นตัวลงและมีไอโซโทปที่สลายตัวมากขึ้น ไอโซโทปของเงิน-107 จะสะสมอยู่ในแกนกลาง นักวิจัยตรวจสอบอัตราส่วนเงิน-107 ต่อไอโซโทปอื่นๆ และตรวจสอบว่าแกนกลางดาวเคราะห์น้อยเย็นตัวเร็วแค่ไหนและเมื่อใด

      นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่นักวิจัยได้ศึกษาดาวเคราะห์น้อยและไอโซโทปในลักษณะนี้ แต่การศึกษาก่อนหน้านี้ไม่ได้นับรวมผลจากรังสีคอสมิคในกาแลคซี(galactic cosmic rays; GCRs) ที่มีต่ออัตราส่วนไอโซโทปด้วย รังสีคอสมิคในกาแลคซีสามารถรบกวนกระบวนการยึดจับนิวตรอนในระหว่างการสลายตัว และสามารถลดปริมาณของเงิน-107 และ เงิน-109 ได้ ผลสรุปใหม่ปรับการรบกวนจาก GCRs โดยนับไอโซโทปทองคำขาวด้วย

      การตรวจสอบไอโซโทปทองคำขาวเพิ่มเติมเข้ามาช่วยให้เราได้ปรับการตรวจสอบไอโซโทปเงินให้ถูกต้อง จากการรบกวนของรังสีคอสมิคในตัวอย่างในอวกาศ ดังนั้นเราจึงสามารถหาช่วงเวลาที่เกิดการชนได้แม่นยำกว่าที่เคยทำมาก่อนหน้านี้ Hunt รายงาน และเราก็ต้องประหลาดใจเมื่อแกนกลางดาวเคราะห์น้อยทั้งหมดที่เราตรวจสอบนั้นได้ถูกเปลื้องออกในคราวเดียวกัน ภายในกรอบเวลา 7.8 ถึง 11.7 ล้านปีหลังจากที่ระบบสุริยะก่อตัวขึ้นมา เขากล่าว

      ช่วงเวลาประมาณ 4 ล้านปีนั้นในทางดาราศาสตร์ถือว่าสั้น ในช่วงเวลาสั้นๆ ดังกล่าว ดาวเคราะห์น้อยทั้งหมดที่ตรวจสอบก็ถูกเปลื้องจนเหลือแกนกลาง ซึ่งหมายความว่าการชนกับวัตถุอื่นอย่างรุนแรง ได้ฉีกแมนเทิลของพวกมันออกไปจนหมด เมื่อไม่มีแมนเทิลที่มาปิดป้อง แกนกลางทั้งก้อนก็เย็นตัวลงอย่างพร้อมเพรียงกันในความหนาวเย็นของอวกาศ การศึกษาอื่นก็แสดงว่าการเย็นตัวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่ไม่ได้ระบุกรอบเวลาที่ชัดเจน

หนึ่งในตัวอย่างอุกกาบาตเหล็กที่ทีมนำมาวิเคราะห์

     สำหรับดาวเคราะห์น้อยที่ทีมได้ตรวจสอบอัตราส่วนไอโซโทป ระบบสุริยะจะต้องเป็นสถานที่ที่วุ่นวายอย่างมาก โดยมีคาบเวลาที่มีการชนเกิดขึ้นถี่ครั้งมากจนฉีกชั้นแมนเทิลออกจากดาวเคราะห์น้อย ทุกๆ อย่างดูจะชนกันมั่วไปหมด Hunt กล่าว และเราก็อยากรู้ว่าเพราะอะไร

     รายงานบอกว่ามีความเป็นไปได้สองสามอย่าง ความเป็นไปได้ข้อแรกก็คือ ดาวเคราะห์ยักษ์ของระบบสุริยะ ถ้าพวกมันอพยพหรือเริ่มไม่เสถียรขึ้นมาในช่วงเวลาดังกล่าว พวกมันก็อาจจะจัดเรียงระบบสุริยะส่วนในเสียใหม่หมด รบกวนวัตถุขนาดเล็กอย่างดาวเคราะห์น้อย และเหนี่ยวนำให้เกิดช่วงเวลาที่มีการชนถี่ขึ้น ลำดับเหตุการณ์นี้ถูกเรียกว่า แบบจำลองนีซ(Nice model)

     ความเป็นไปได้อีกทางก็คือ การลากของก๊าซ(gas drag) ในเนบิวลาก่อตัวดวงอาทิตย์(solar nebula) เมื่อดวงอาทิตย์ยังเป็นเพียงดาวฤกษ์ทารก(protostar) มันยังถูกล้อมรอบด้วยเมฆก๊าซและฝุ่นที่เรียกว่า เนบิวลาก่อตัวดวงอาทิตย์ เฉกเช่นเดียวกับดาวฤกษ์อื่นๆ ดิสก์จะมีดาวเคราะห์น้อยและต่อมาก็น่าจะก่อตัวดาวเคราะห์ภายในนั้นด้วยเช่นกัน แต่ดิสก์มีการเปลี่ยนแปลงในช่วงไม่กี่ล้านปีแรกของระบบสุริยะ ในตอนแรก ก๊าซยังหนาแน่นซึ่งจะช่วยชะลอการเคลื่อนที่ของสรรพสิ่งอย่างดาวเคราะห์น้อยและวัตถุดิบก่อตัวดาวเคราะห์ ด้วยการดึงของก๊าซ แต่เมื่อดวงอาทิตย์เริ่มต้นขึ้น มันจะสร้างลมสุริยะและการแผ่รังสีมากขึ้น เนบิวลาก่อตัวดวงอาทิตย์ก็ยังคงอยู่ แต่ลมสุริยะและการแผ่รังสีได้ผลักและทำให้เนบิวลากระจายไป ซึ่งทำให้มันหนาแน่นน้อยลง และมีแรงดึงวัตถุอื่นๆ น้อยลง

solar nebula

     เมื่อปราศจากแรงดึงของก๊าซที่หนาทึบ ดาวเคราะห์น้อยก็มีความเร็วสูงขึ้นและชนกันเองถี่ขึ้น Hunt และเพื่อนร่วมงานของเธอบอกว่า แรงดึงก๊าซที่ลดลงเป็นตัวการ Maria Schönbächer ผู้เขียนร่วมการศึกษา อธิบายว่า ทฤษฎีนี้อธิบายสภาวะช่วงแรกที่ทรงพลังของระบบสุริยะได้ โดยบ่งชี้ว่ามันมีสาเหตุหลักมาจากการสลายไปของเนบิวลาก่อตัวดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นก๊าซที่เหลืออยู่จากเมฆที่ดวงอาทิตย์ก่อตัวขึ้นมา ดวงอาทิตย์อายุน้อยจะเป่าก๊าซเหล่านี้หายไปด้วยลมสุริยะและการแผ่รังสีในเวลาเพียงไม่กี่ล้านปี

     งานของเราได้แสดงว่าเทคนิคการตรวจสอบในห้องทดลองที่พัฒนาไปจะช่วยให้เราได้ทราบกระบวนการหลักที่เกิดในระบบสุริยะช่วงต้น ได้อย่างไร สุดท้าย มันจะช่วยให้เราเข้าใจว่าดาวเคราะห์ของเราเองก่อตัวอย่างไรได้ดีขึ้น และยังให้แง่มุมแก่เราสู่สิ่งอื่นๆ นอกระบบสุริยะของเราด้วย Schönbächer กล่าวสรุป

แหล่งข่าว sciencealert.com : ancient asteroids reveal that the early solar system was more chaotic than we thought    
                spaceref.com : the chaotic early phase of the solar system