ฟอสฟอรัสในมหาสมุทรของเอนเซลาดัส

 

ทีมวิจัยได้ตรวจพบฟอสฟอรัสจากมหาสมุทรใต้พื้นผิวน้ำแข็งของดวงจันทร์เอนเซลาดัส น้ำของเหลวปะทุจากมหาสมุทรข้างใต้ สร้างเป็นน้ำพุที่ประกอบด้วยเม็ดน้ำเกลือแข็ง เม็ดน้ำแข็งเหล่านี้บางส่วนก็หลุดออกไปถึงวงแหวนอี ทีมได้วิเคราะห์ข้อมูลอนุภาคน้ำแข็งในวงแหวนส่วนนี้จากยานคาสสินี เผยให้เห็นร่องรอยของเกลือฟอสเฟตที่ละลายน้ำได้ดีจากมหาสมุทรของเอนเซลาดัส

      การสำรวจหาสิ่งมีชีวิตต่างดาวในระบบสุริยะของเราดูน่าตื่นเต้นขึ้นอีกขั้นหนึ่ง เมื่อทีมนักวิทยาศาสตร์ได้พบหลักฐานใหม่ที่บอกว่า มหาสมุทรใต้พื้นผิวของดวงจันทร์เอนเซลาดัสของดาวเสาร์ มีวัตถุดิบที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับชีวิตอยู่

     ยานคาสสินี(Cassini) ซึ่งเข้าสู่วงโคจรรอบดาวเสาร์ในปี 2004 ได้พบหลักฐานพวยพุอนุภาคน้ำแข็งที่พุ่งขึ้นจากรอยแตกของเอนเซลาดัส(Enceladus) เส้นทางนี้พุ่งทะลุเปลือกน้ำแข็งขึ้นมากระทั่งน้ำในชั้นมหาสมุทรที่อยู่ข้างใต้รอยแตกแต่ละรอย ได้เจอกับสภาพสูญญากาศในอวกาศ กลายเป็นพวยพุอนุภาคให้ตัวอย่างจากมหาสมุทรภายในดวงจันทร์ โดยรวม ยานคาสสินีสำรวจดาวเสาร์และระบบวงแหวนและดวงจันทร์นานกว่า 13 ปี

     คาสสินีได้วิเคราะห์ตัวอย่างจากการบินผ่านพวยพุพบว่าเป็นน้ำแข็งที่ปนเปื้อนด้วยโมเลกุลอินรทรีย์พื้นๆ เช่นเดียวกับไฮโดรเจนโมเลกุล(H2) และซิลิกาอนุภาคขนาดจิ๋ว ซึ่งเพื่อประมวลสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกัน ก็บ่งชี้ถึงปฏิกิริยาเคมีระหว่างน้ำกับหินร้อนที่เกิดที่พื้นมหาสมุทร ซึ่งน่าจะมาจากแหล่งที่เรียกว่า ปล่องระบายความร้อนที่ก้นทะเล(hydrothermal vents) คล้ายกับที่พบบนโลก โดยรวมแล้ว พบธาตุที่จำเป็นต่อชีวิตมากถึง 5 จาก 6 ชนิด(CHNOPS ได้แก่ ธาตุคาร์บอน, ไฮโดรเจน, ไนโตรเจน, ออกซิเจน, ฟอสฟอรัส และกำมะถัน) ยกเว้นฟอสฟอรัส(phosphorus)

ภาพจากยานคาสสินีแสดงพวยพุที่ปะทุจากรอยแยกบนเอนเซลาดัส

     ล่าสุด ทีมได้พบฟอสฟอรัสในรูปของฟอสเฟต(phosphate) ซึ่งมีกำเนิดจากมหาสมุทรใต้แผ่นน้ำแข็งของดวงจันทร์นี้ ในปี 2020(เผยแพร่ในปี 2022) เราใช้แบบจำลองทางธรณีเคมีเพื่อคำนวณว่า น่าจะมีฟอสฟอรัสอยู่ทั่วในมหาสมุทรเอนเซลาดัส Christopher Glein จากสถาบันวิจัยเซาธ์เวสต์ ผู้เชี่ยวชาญสาขามหาสมุทรวิทยานอกโลก ผู้เขียนร่วมรายงานที่เผยแพร่ในวารสาร Nature อธิบายงานวิจัยนี้ ขณะนี้ เราได้พบฟอสฟอรัสจำนวนมากในตัวอย่างจากไอพ่นน้ำแข็งที่สเปรย์ออกจากมหาสมุทรข้างใต้พื้นผิว

      ยานคาสสินีวิเคราะห์ตัวอย่างในพวยพุที่เป็นเกล็ดน้ำแข็งและก๊าซที่ปะทุออกสู่อวกาศ จากรอยแตกบนพื้นผิวน้ำแข็งของดวงจันทร์ดวงนี้ไปเป็นวัตถุดิบในวงแหวนอี(E-ring) ของดาวเสาร์ การวิเคราะห์ชนิดของเม็ดน้ำแข็งที่อุดมไปด้วยเกลือโดย Cosmic Dust Analyser(CDA) บนคาสสินี CDA ตรวจจับอนุภาคเมื่อพวกมันชนกับเป้าโลหะโรเดียม(rhodium) ภายในเครื่องมือด้วยความเร็วสูงมาก และระเหย ไอออนที่มีประจุบวกภายในไอเหล่านั้นจะถูกดึงสู่เครื่องตรวจจับประจุไฟฟ้า ซึ่งจะแบกไอออนออกจากมวลอะตอมและนับจำนวนของไอออนในแต่ละมวลอะตอม

     ทีมวิจัยที่นำโดย Frank Postberg จาก Freie Universität Berlin ตรวจพบอนุภาค 345 อนุภาคในคลังข้อมูล CDA ในจำนวนนี้มีอนุภาค 9 ชิ้นที่มีไอออนจำนวนหนึ่งที่มีมวลที่ 125, 165 และ 187 หน่วยอะตอม(atomic units) ได้บอกถึงชิ้นส่วนต่างๆ ที่เดิมเคยเริ่มต้นจากการเป็นโซเดียมฟอสเฟต(Na₃PO₄) การทดลองในห้องทดลองโดยใช้เลเซอร์พลังงานสูงยิงไปที่สารละลายโซเดียมฟอสเฟตในน้ำ ก็สร้างไอออนที่มีมวลเท่าๆ กัน ฟอสเฟตในมหาสมุทรของเอนเซลาดัสน่าจะมาจากน้ำในมหาสมุทรที่อุดมด้วยคาร์บอเนต แทรกซึมผ่านหินและทำปฏิกิริยากับแร่ธาตุคัลเซียมฟอสเฟต(อะปาไทต์; apatite) ผลิตคัลเซียมคาร์บอเนต(หินปูน) และโซเดียมฟอสเฟตออกมา

ภาพจากศิลปินแสดงกิจกรรมระบายความร้อนที่ก้นทะเลของเอนเซลาดัส และรอยแตกในเปลือกน้ำแข็งของดวงจันทร์ซึ่งช่วยให้วัสดุสารจากชั้นน้ำพุ่งออกสู่อวกาศ เครื่องมือต่างๆ บนคาสสินีได้วิเคราะห์อนุภาคที่ผลักออกมาเป็นตัวอย่างจากมหาสมุทรใต้พื้นน้ำแข็ง การวิเคราะห์ใหม่ได้พบหลักฐานของฟอสเฟต

     ฟอสฟอรัสในรูปของฟอสเฟตมีความสำคัญอย่างมากต่อสรรพชีวิตบนโลก มันมีความสำคัญในการสร้างสารพันธุกรรม ดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ, โมเลกุลที่นำพาพลังงาน(Adenosine triphosphate; ATP), เยื่อหุ้มเซลส์(cell membranes), กระดูกและฟัน และแม้แต่ชีวนิเวศจุลชีพ(microbiome) ของแพลงตอนในทะเล สิ่งมีชีวิตในแบบที่เรารู้จักจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะอยู่ได้โดยปราศจากฟอสเฟต

      เราพบว่ามีความเข้มข้นของฟอสเฟตในน้ำในมหาสมุทรที่สร้างพวยพุเอนเซลาดัส อย่างน้อยเป็น 100 เท่าของฟอสเฟตที่มีในมหาสมุทรบนโลก Glein กล่าว ด้วยการใช้แบบจำลองเพื่อทำนายการมีอยู่ของฟอสเฟตก็เป็นเรื่องหนึ่ง แต่การค้นหาหลักฐานฟอสเฟตได้จริงๆ กลับเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นอย่างไม่น่าเชื่อ นี่เป็นผลสรุปที่น่าตะลึงสำหรับแขนงดาราศาสตร์ชีววิทยาและเป็นก้าวใหญ่ๆ สู่การสำรวจหาสิ่งมีชีวิตนอกโลก

     หนึ่งในการค้นพบครั้งสำคัญที่สุดในวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์ตลอดช่วง 25 ปีที่ผ่านมา ก็คือพิภพที่มีมหาสมุทรใต้พื้นผิวน้ำแข็งนั้นพบได้ทั่วไปในระบบสุริยะของเรา พิภพลักษณะดังกล่าวรวมถึงดวงจันทร์น้ำแข็งของดาวเคราะห์ยักษ์อย่างเช่น ยูโรปา(Europa), ไททัน(Titan; ดวงจันทร์ใหญ่ที่สุดของดาวเสาร์) และเอนเซลาดัส เช่นเดียวกับวัตถุที่อยู่ไกลโพ้นออกไปอย่างพลูโต  

นักวิทยาศาสตร์บอกว่าน่าจะมีมหาสมุทรที่เป็นด่างหรือเป็นโซดา(NaHCO3 และ/หรือ Na2CO3) ภายในเอนเซลาดัสมีปฏิสัมพันธ์ทางธรณีเคมีกับแกนกลางที่เป็นหิน แบบจำลองธรณีเคมีและการทดลองในห้องทดลองบ่งชี้ว่าปฏิสัมพันธ์นี้ยิ่งเร่งการละลายของแร่ธาตุฟอสเฟตสร้าง ฟอสเฟต(เช่น HPO₄ ^2-) ที่พร้อมสำหรับชีวิตในมหาสมุทร การค้นพบฟอสเฟตโดยยานคาสสินีได้สนับสนุนความสามารถในการเอื้ออาศัยได้ของมหาสมุทรเอนเซลาดัสอย่างหนักแน่นขึ้นไปอีก

     พิภพอย่างโลก ที่มีมหาสมุทรบนพื้นผิวจะพบได้ในระยะทางแคบๆ จากดาวฤกษ์แม่เท่านั้น เพื่อที่จะรักษาอุณหภูมิที่ค้ำจุนน้ำของเหลวบนพื้นผิวได้ แต่พิภพที่มีมหาสมุทรอยู่ภายในกลับเกิดขึ้นได้ในระยะทางที่กว้างไกลกว่ามาก เพิ่มจำนวนพิภพที่อาจเอื้ออาศัยได้ทั่วทางช้างเผือกขึ้นอีกจำนวนมากมาย

     การทำแบบจำลองและการทดลองทางธรณีเคมีได้แสดงว่าความเข้มข้นฟอสเฟตที่สูงอย่างนั้น เป็นผลจากความสามารถในการละลายน้ำของแร่ธาตุฟอสเฟตที่สูง บนเอนเซลาดัสและบางทีอาจจะบนพิภพน้ำแข็งมหาสมุทรอื่นๆ ทั่วระบบสุริยะที่อยู่เลยดาวพฤหัสฯ ออกไปด้วย Glein กล่าว ด้วยการค้นพบนี้ ขณะนี้มหาสมุทรของเอนเซลาดัสจึงเป็นที่ทราบกันว่าบรรลุถึงข้อจำกัดทั้งหมดที่จำเป็นสำคัญชีวิต ก้าวต่อไปก็แน่นอนว่าเราต้องกลับไปที่เอนเซลาดัสและดูว่ามหาสมุทรที่เอื้ออาศัยได้แห่งนี้ มีชีวิตอยู่จริงๆ

อินโฟกราฟฟิคแสดงปริมาณน้ำในระบบสุริยะ

แหล่งข่าว phys.org : key building block for life found at Saturn’s moon Enceladus
                phys.org : an element essential to life discovered on one of Saturn’s moons, raising hopes of finding alien microbes   
                skyandtelescope.com : phosphates swim in the ocean of Saturn’s moon Enceladus