พวยพุใหญ่มหาศาลของเอนเซลาดัส

 

ภาพจาก NIRSpec ของเวบบ์แสดงพวยพุไอน้ำที่ปะทุออกจากพื้นที่รอบขั้วใต้ของเอนเซลาดัส แผ่ออกไปไกลถึง 20 เท่าขนาดดวงจันทร์เอง ภาพเล็กจากยานคาสสินีย้ำให้เห็นขนาดของเอนเซลาดัสว่าเล็กแค่ไหนเมื่ออยู่ในภาพพวยพุน้ำของเวบบ์ นักวิจัยได้เห็นว่าพวยพุนี้ป้อนน้ำให้กับทั้งระบบดาวเสาร์และวงแหวนของมันอย่างไร

     นักวิจัยที่ใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ได้พบว่า พวยพุไอน้ำจากดวงจันทร์เอนเซลาดัสของดาวเสาร์กระจายออกไปไกลกว่า 1 หมื่นกิโลเมตร นี่ไม่ใช่แค่เป็นครั้งแรกที่พบการผลักน้ำไปไกลขนาดนั้น แต่เวบบ์ยังช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบว่าการปล่อยน้ำนี้ส่งน้ำสู่ระบบดาวเสาร์ทั้งปวงรวมถึงวงแหวนของมันได้อย่างไร เป็นครั้งแรก

      เอนเซลาดัส(Enceladus) เป็นพิภพมหาสมุทรที่มีขนาดเพียง 4% ของโลก โดยมีความกว้างเพียง 500 กิโลเมตร      พวยพุนี้ยานคาสสินี(Cassini Orbiter) ได้พบในปี 2005 ได้เปลี่ยนทุกสิ่งที่เราคิดเกี่ยวกับดวงจันทร์น้ำแข็งดวงนี้ ซึ่งเป็นข้อพิสูจน์ว่าเอนเซลาดัสไม่ได้เป็นบอลน้ำแข็งเยือกแข็ง อย่างที่เคยคิดไว้ ภายใต้เปลือกน้ำแข็งหนา มีมหาสมุทรของเหลวที่แผ่กระจายไปทั่วดวงจันทร์ รักษาสภาพของเหลวได้โดยความร้อนที่เกิดขึ้นการดึง-ผลักอย่างคงที่โดยปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์กับดาวเสาร์

     มันจึงเป็นหนึ่งในเป้าหมายทางวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นเต้นมากที่สุดในระบบสุริยะในการสำรวจหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก มีแหล่งน้ำเกลือขนาดใหญ่ที่ถูกประกบด้วยเปลือกน้ำแข็งกับแกนกลางที่เป็นหินของดวงจันทร์ มีภูเขาไฟที่คล้ายน้ำพุพ่นไอพ่นอนุภาคน้ำแข็ง, ไอน้ำ และสารเคมีอินทรีย์ออกจากรอยแตกบนพื้นผิวดวงจันทร์ในส่วนที่เรียกอย่างไม่เป็นทางการว่า ลายพาดกลอน(tiger stripes)

     ก่อนหน้านี้ หอสังเกตการณ์หลายแห่งได้ทำแผนที่ไอพ่นที่พุ่งสูงหลายร้อยกิโลเมตรบนพื้นผิวดวงจันทร์ แต่ความไวสุดโต่งของเวบบ์ก็เผยให้เห็นเรื่องราวใหม่ๆ Geronimo Villanueva จากศูนย์การบินอวกาศกอดดาร์ด ในกรีนเบลท์ มารีแลนด์ ผู้เขียนนำรายงานกล่าวว่า เมื่อผมได้เห็นข้อมูลนี้ครั้งแรก ผมก็คิดว่าคงต้องมีอะไรผิด มันน่าตกใจที่ได้เห็นพวยพุที่มีขนาดถึง 20 เท่าของดวงจันทร์เอง พวยพุน้ำนี้แผ่ออกไปไกลจากพื้นที่รอบขั้วใต้ดวงจันทร์อย่างมาก

ตำแหน่งที่พวยพุปะทุจากรอยเลื่อน 4 รอยที่เรียงขนานกัน ใกล้ขั้วใต้เอนเซลาดัส ซึ่งเรียกรวมอย่างไม่เป็นทางการว่า ลายพาดกลอน(tiger stripes)

      ความยาวของพวยพุไม่เพียงแต่เป็นคุณลักษณะที่นักวิจัยให้ความสนใจ อัตราที่ผลักน้ำออกมาที่ราว 300 ลิตรต่อวินาที ก็ยังน่าประทับใจอย่างมากด้วย ด้วยอัตรานี้ คุณจะเติมน้ำในสระว่ายน้ำโอลิมปิกเต็มในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงเท่านั้น เมื่อเทียบแล้ว ถ้าใช้สายยางในสวนบนโลกน่าจะต้องใช้เวลามากกว่าครึ่งเดือน

      คาสินีใช้เวลามากกว่าหนึ่งทศวรรษในการสำรวจระบบดาวเสาร์ และไม่เพียงแต่ถ่ายภาพพวยพุเอนเซลาดัสได้เป็นครั้งแรก แต่ยังบินผ่านพวยพุเหล่านี้โดยตรงและตรวจสอบว่ามีองค์ประกอบเช่นไรด้วย ในขณะที่ตำแหน่งของคาสสินีในระบบดาวเสาร์ ได้ให้แง่มุมที่ล้ำค่าสู่ดวงจันทร์ดวงนี้ แต่สายตาของเวบบ์จากจุดลากรันจ์ที่ 2(Lagrange Point 2) ระหว่างโลกกับดวงอาทิตย์ ซึ่งอยู่ไกลจากโลก 1.5 ล้านกิโลเมตร พร้อมกับความไวอย่างสุดประมาณของ Integral Field Unit บน NIRSpec ของเวบบ์ ก็ให้บริบทใหม่ๆ

     วงโคจรของเอนเซลาดัสรอบดาวเสาร์นั้นค่อนข้างสั้น เพียง 33 ชั่วโมงเท่านั้น เมื่อมันวิ่งไปรอบดาวเสาร์ ดวงจันทร์และไอพ่นของมันก็ปล่อยน้ำออกมา ทิ้งรอยทางเป็นกลด(halo) ซึ่งแทบจะคล้ายกับโดนัทไว้ตามรอยทาง Villanueva กล่าว ในการสำรวจของเวบบ์ ไม่เพียงแต่เห็นความมหึมาของพวยพุ แต่ยังมีน้ำอยู่ทั่วทุกหนแห่ง

     โดนัทน้ำนี้ปรากฏอยู่ทั่วทุกหนแห่ง เรียกว่า ทอรัส(torus) ซึ่งอยู่ในตำแหน่งร่วมกับวงแหวนวงนอกสุดลำดับสองและกว้างที่สุดของดาวเสาร์ คือ วงแหวนอี(E-ring) ที่หนาทึบด้วย ในอวกาศนั้นค้นหาไอน้ำได้ยากเนื่องจากมันมักจะโปร่งแสงในช่วงความยาวคลื่นเกือบทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ในช่วงอินฟราเรด ไอน้ำจะวาวแสง(fluorencences) จึงเป็นเหตุผลที่ในปี 2011 หอสังเกตการณ์เฮอร์เชลจึงตรวจจับทอรัสนี้ได้ และกล้องเวบบ์ซึ่งเป็นกล้องในช่วงอินฟราเรดก็ทรงพลังกว่าเฮอร์เชล

นอกจาก NIRSpec แล้วยังมี IFU บน NIRSpec ที่ให้แง่มุมว่าน้ำจากเอนเซลาดัสป้อนสู่สภาพแวดล้อมที่เหลืออย่างไร IFU ซึ่งเป็นส่วนผสมของกล้องและสเปคโตรกราฟ ในระหว่างการสำรวจของ IFU เครื่องมือจะจับภาพพื้นที่การมองไปพร้อมๆ กับสเปคตรัมของแต่ละพิกเซลในพื้นที่ด้วย การสำรวจของ IFU จึงช่วยให้นักดาราศาสตร์ได้ศึกษาว่าคุณสมบัติ(ในที่นี้คือ องค์ประกอบ) มีความแตกต่างในแต่ละพิกเซลในพื้นที่หนึ่งๆ อย่างไร ความไวของ IFU ช่วยให้ตรวจพบเส้นเปล่งคลื่นจากน้ำมากมายซึ่งมีกำเนิดจากทอรัสรอบๆ ดวงจันทร์และจากพวยพุเอง การจับสเปคตรัมจากพวยพุและทอรัสได้ในเวลาเดียวกัน ช่วยให้นักวิจัยเข้าใจความสัมพันธ์ที่ใกล้ชิดนี้ได้ดีขึ้น

     ในเดือนพฤศจิกายน 2022 การสำรวจเอนเซลาดัสของกล้องเวบบ์เพียง 4.5 นาที ก็เพียงพอที่จะแสดงอย่างตรงไปตรงมาว่าพวยพุไอน้ำจากดวงจันทร์ป้อนเข้าสู่ทอรัสนี้ ด้วยการวิเคราะห์ข้อมูลจากเวบบ์ นักดาราศาสตร์ก็แสดงว่า มีน้ำราว 30% ที่อยู่ในทอรัสนี้ ส่วนอีก 70% หนีออกไปป้อนน้ำให้กับระบบดาวเสาร์ส่วนที่เหลือ ซึ่งรวมถึงวงแหวนน้ำแข็ง และชั้นบรรยากาศส่วนบนของดาวเสาร์ด้วย

      แต่โชคไม่ดีที่พวยพุนี้อาจจะเบาบางเกินกว่าที่จะตรวจจับสัญญาณโมเลกุลใดๆ ที่อาจบ่งบอกถึงชีวิตที่นักวิทยาศาสตร์หวังว่าอาจจะพบเมื่อบินผ่านพวยพุเหล่านี้ แต่ก็ช่วยตีวงให้แคบลงว่าจะมองหาชีวโมเลกุล(biomolecules) ได้ที่ไหนและอย่างไร เมื่อปฏิบัติการดาราศาสตร์ชีววิทยาไปถึงดวงจันทร์น้ำแข็งดวงนี้

     ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เวบบ์จะทำหน้าที่เป็นเครื่องมือสำรวจหลักกับดวงจันทร์เอนเซลาดัสนี้ และการค้นพบจากเวบบ์จะช่วยให้ข้อมูลพื้นฐานแก่ปฏิบัติการสำรวจดวงจันทร์ในระบบสุริยะในอนาคตซึ่งตั้งเป้าที่จะศึกษาความลึกของมหาสมุทรใต้พื้นผิว, เปลือกน้ำแข็งหนาแค่ไหน และอื่นๆ อีกมากมาย

     ตอนนี้ เวบบ์ได้ให้วิธีอันเป็นอัตลักษณ์ในการตรวจสอบได้โดยตรงว่า น้ำมีการพัฒนาและเปลี่ยนแปลงตามเวลาทั่วพวยพุขนาดมหึมาของเอนเซลาดัส อย่างไร, และเมื่อเราได้เห็น เราก็อาจจะทำการค้นพบใหม่ๆ ได้ด้วยและเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบของมหาสมุทรที่ซ่อนอยู่ข้างใต้ Stefanie Milam ผู้เขียนร่วมจากศูนย์กอดดาร์ด นาซา กล่าว เนื่องจากช่วงความยาวคลื่นที่ครอบคลุมและความไวของเวบบ์ และสิ่งที่เราได้เรียนรู้จากปฏิบัติการก่อนหน้านี้ เราจึงมีโอกาสใหม่เอี่ยมอยู่เบื้องหน้าเรา

ดวงจันทร์เอนเซลาดัสฝังตัวอยู่ในวงแหวนอี(E ring) ของดาวเสาร์ ตามที่เห็นในภาพจากคาสสินีในปี 2006

     การสำรวจเอนเซลาดัสของเวบบ์ทำเสร็จสิ้นภายใต้โครงการ GTO(Guaranteed Time Observation) 1250 เป้าหมายเดิมของโครงการนี้ก็เพื่อแสดงให้เห็นความสามารถของกล้องเวบบ์ในวิทยาศาสตร์ส่วนที่จำเพาะ และเป็นพื้นฐานให้กับการศึกษาต่อไปในอนาคต โครงการนี้เป็นการพิสูจน์แนวคิดหลังจากใช้เวลาหลายปีในการพัฒนาหอสังเกตการณ์นี้ และมันก็น่าขนลุกที่วิทยาศาสตร์ทั้งหมดที่ได้ออกมาในเวลาอันสั้น Heidi Hammel จากสมาพันธ์มหาวิทยาลัยเพื่อการวิจัยแขนงดาราศาสตร์ ผู้นำโครงการ GTO กล่าว ผลสรุปของทีมเพิ่งเผยแพร่ใน Nature Astronomy วันที่ 17 พฤษภาคม

แหล่งข่าว webbtelescope.org : interaction between moon’s plumes and Saturn’s ring system explored with Webb
                sciencealert.com : geyser seen spraying 6000 miles into space from Saturn’s moon